宽带卫星通信在小型海岛通信中的应用研究

林 睿，徐轶群

(集美大学 轮机工程学院 福建省船舶与海洋工程重点实验室，福建 厦门 361021)

宽带卫星通信在小型海岛通信中的应用研究

林 睿，徐轶群

(集美大学 轮机工程学院 福建省船舶与海洋工程重点实验室，福建 厦门 361021)

随着国力的增强，我国对于海洋海岛的开发成为必然，海岛通信的重要性凸显。大型岛屿一般使用海底光缆作为主要的通信手段。而对于小型岛屿来说，其具有成本高、系统复杂、工期长等劣势。因而小型岛屿需要一种低成本、快速且容易部署的通信方式，宽带卫星通信能够满足要求。主要介绍了宽带卫星通信的概念、主要技术，分析了宽带卫星通信在海岛通信领域的现状，提出了基于宽带卫星和WiFi的适用于小型海岛的无线接入系统。系统能为小型海岛上的人员提供无线接入、语音通话等服务。本系统将大大减少部署小型海岛通信的成本，提高建设小型海岛通信网络的效率。最后，尝试分析海岛通信的未来发展。

宽带卫星通信；小型海岛；无线接入系统；WiFi

0 引言

宽带卫星通信作为卫星通信领域新的发展方向,其主要目标是改变传统卫星通信传输速率低的缺陷，为多媒体和高数据速率的Internet应用提供一种无所不在的通信方式[1]。实际上,宽带卫星系统是为了提供个人电信服务,其承载的业务由低速数据业务及话音业务变为Internet和多媒体业务。在宽带卫星通信领域,静止轨道卫星仍扮演着十分重要的角色,目前约有20个Ka、Ku波段的低轨道卫星(LEO)、中轨道卫星(MEO)和静止轨道卫星(GEO)宽带卫星通信系统。宽带卫星技术中，较先发展的是VSAT(Very Small Aperture Terminal)，于20世纪80年代最先在美国兴起，是30多年来卫星通信技术的发展方向。IPSTAR作为最新一代的宽带卫星系统，其最大的优势就是低成本和高带宽。IPSTAR是中国卫星通信集团公司与泰国信卫星大众有限公司(ShinSatellitePLC，简称SSA)合作，为满足我国宽带互联网发展需求所推出的低成本、高容量宽带卫星系统。

值得注意的是，宽带卫星通信具有三大优势：对于具有广播、组播或多播性质的高速数据业务来说，卫星具有极大的优越性[2]；宽带卫星相对于地面光纤来说，其部署方式在某些临时、应急的场景下的应用具有较大优势；同时，在开发新的应用场景时，能够展现其快速性与便利性的优势。如今，智能手机的无线接入技术WiFi很有潜力成为宽带卫星对于“最后一公里”最好的解决方案之一，它可以辅助手机基站和光纤，对基站覆盖不到的地方也可以进行有效的补充，使得手机传递广播、组播和多播信息更加方便。因此，本文将着重研究并实现宽带卫星通信利用WiFi技术无线接入智能手机等智能终端的无线接入系统。

1 宽带卫星通信在海岛领域的应用现状

海岛是重要的海上国土,是海洋资源开发和利用的基地,由于具有特殊的价值成为沿海各国争夺的焦点。随着国际社会对于海权的意识增加，海岛已经成为世界各国关注的热点、焦点。强化海岛管理,发展海岛经济己经成为未来沿海各国的重要发展方向[3]。因此，关于海岛通信建设的需求随之而来且越发重要。一方面，对于以养殖业、渔业为主的海岛，其对于通信的需求体现在对于养殖、捕鱼数据的收集等方面。传统的海岛养殖和捕鱼业需要登岛来采集数据，这就大大增加了成本。另一方面，对于以旅游业为主的海岛，其大量旅客对于个人通信的需求以及通信质量的要求很高，而一些热门的海岛旅客数量远远超过了通信系统的承载量，使得旅客的通信质量大幅下降。最后，对于以检测海洋环境为主的海岛，通信更是其中最重要的环节，海洋环境变化多端，如果不能及时地将数据传输到陆地监控中心，对于海洋环境的检测将失去意义。

海岛通信对于信息的承载量有一定要求，而传统卫星通信的带宽有限难以满足需求，因而海岛通信多以海底光缆为主，但海底光缆工程是一项复杂的系统工程，其要求系统可靠，使用寿命长，并能在复杂海底环境下进行信息传输，成本较高[4]。对于一些小型海岛，建设海底光缆是不切实际的。

宽带卫星由于其在广播和布置上的优势，相对于光纤和移动通信更加适合应用于小型海岛通信领域。如我国南海的各群岛之间基本上都是通过海底光缆连接，但整个南海有几百座岛，如果每一座岛都通过光缆通信，则成本太高、维护困难并且灵活性差。而随着新的低成本的宽带卫星技术的发展，宽带卫星通信技术在海岛通信领域有很好的发展前景。

2 基于宽带卫星通信和WiFi技术的小型海岛无线接入系统

基于宽带卫星通信和WiFi技术的小型海岛无线接入系统是为了解决小型海岛的通信设备部署困难的问题。同时，随着手机等信息终端的高速发展和普及，人们对于手机等信息终端的依赖性逐渐增强。本系统利用宽带卫星服务，在海岛上通过相关接口技术将宽带卫星信号通过WiFi接入智能手机，使得海岛上的人们能够方便地通过手机等信息终端使用宽带卫星通信网络。同时，考虑采用一体化的系统设计实现快速安装使用。

2.1 系统拓扑结构

基于宽带卫星和WiFi无线技术的海岛通信系统的拓扑结构如图1所示。

图1 拓扑结构图

本系统主要由三大模块与服务器组成，三大模块分别是卫星通信模块、无线网络应用模块和供电模块。卫星通信模块主要功能为接收和发送卫星网络信号，其主要由卫星天线和卫星调制解调器组成，流量经由服务器表达转给无线网络应用模块。无线网络应用模块由WiFi路由器、工业控制计算机和客户信息终端组成。工业控制计算机主要负责智能流量管理，充分利用有限的流量，实现尽可能多的用户接入。供电模块主要由UPS(不间断电源)和太阳能电池组成，主要保障系统用电及应急用电。

2.2 系统软件架构

基于宽带卫星和WiFi无线技术的海岛通信系统软件架构图如图2所示。该系统主要由客户层、交互层、应用层和数据层组成。用户可以通过手机终端通过验证实现无线上网，也可安装各种传感器来实现远程的海岛管理，如气温、水温等水文气象数据，监控视频、通信站内部的各种安全参数的监控也都可以通过手机终端实现。

图2 系统架构图

2.2.1 交互层

用户使用手机等信息终端，通过WiFi无线信号连入服务器。信息终端将自动访问Web Portal网页认证服务器[5]，用户注册并输入用户名和密码以通过验证，Web Portal服务器将返回给服务器该终端通过验证的信息，服务器的白名单将增加该信息终端的验证信息，该信息终端即可连入互联网。系统将推荐基于宽带卫星和WiFi无线技术的海岛通信系统的软件——“海岛通”，用户下载安装海岛通后即可使用方便快捷的语音通话功能。

2.2.2 应用层

应用层主要实现三大功能：用户信息管理、语音应用和智能流量管理。用户通过Web Portal注册的信息将被加密保存在用户信息服务器中，使得用户只要注册一次，就能在任何装有本系统的海岛上享受服务。语音应用主要使用VoIP(Voice over Internet Protocol)协议[6]，可实现手机通信终端与陆上通信终端的双向、实时、保质的语音传输。当有语音传输需求时，由手机端app发出语音请求，并向服务器申请相应带宽，通过卫星实时传输至陆上地面站，利用IP通道实现海岛人员的语音沟通。智能流量管理主要是在小带宽下的语音排队管理，如本系统正常情况下可以满足约20人同时进行语音通话，那么通过合理的用户行为分析，忙时和闲时语音通话质量的调整，则可以增加同时通话的用户数量。并且增加排队制度，无语音通话的信息终端不占用语音带宽，这样基本可以满足100位客户的正常语音通话，这对于海岛来说是非常可观的服务数量。

2.2.3 数据层

数据层主要由数据库组成，用来管理数据、利用数据，是系统重要的组成部分之一。本系统主要由用户服务数据库和语音行为数据库组成，前者主要储存验证Web Portal的文件和包，同时存储用户信息，并对用户信息进行加密以保证信息安全；后者主要存储用户使用语音的行为习惯，包括每次语音通话时长、语音通话的时刻等，可分析得出用户的使用习惯，以提高语音通话服务质量。

3 海岛通信的未来发展

海岛通信作为海洋海事通信的一部分，其发展是相对落后的，技术是比较传统的。做好海岛通信是国家对于“互联网+海洋”战略的重要基础[7]。发展海岛通信，必须要注重其实际情况，要因地制宜，对于面积稍小的海岛应注重卫星通信所具有的无缝隙覆盖能力、移动化、不受地理条件限制的便利性，重点发展宽带卫星通信；而对于面积较大的海岛应以“光缆通信为主，宽带卫星通信为辅”的思想来建设，充分发挥光缆通信稳定、快速的特点，同时利用卫星通信做好应急通信的任务。未来的海岛通信将成为地下光缆通信、地面无线通信和卫星通信相结合的一体化综合信息网。

4 结论

本文主要介绍了宽带卫星和海岛通信的发展现状，并阐述了二者结合的可行性，重点讲述了一个基于宽带卫星与WiFi无线技术的海岛通信系统，该系统将成为海岛通信与互联网相结合的突破口，对于海岛通信的发展大有益处。从长远来看，宽带卫星在海岛通信中的发展前景十分光明，其在海岛通信中的作用将逐步显现，将成为我国海岛开发的重要技术之一。

[1] 陆绥熙,肖晶厚. 近期宽带卫星应用技术展望[J]. 电信科学,2003,19(2):36-39.

[2] 刘剑,黄国策,宋爱民. 宽带卫星通信概述[J]. 数据通信,2003(1):22-24.

[3] 王明舜. 中国海岛经济发展模式及其实现途径研究[D].青岛：中国海洋大学,2009.

[4] 张文轩, 姬可理, 陆奎. 海底光缆技术发展研究[J]. 中国电子科学研究院学报, 2010, 5(1):40-45.

[5] 高扬. 基于Web Portal的WiFi认证登录系统的设计与实现[D].北京：北京邮电大学,2015.

[6] 张连蒙. VoIP软电话系统的设计与实现[D].北京：北京邮电大学,2010.

[7] 刘明. 陆海统筹与中国特色海洋强国之路[D].北京：中共中央党校,2014.

Application of broadband satellite in small island communication

Lin Rui, Xu Yiqun

(Provincial Key Laboratory of Naval Architecture & Ocean Engineering, Institute of Marine Engineering, Jimei University, Xiamen 361021, China)

It’s gradually necessary for China to develop the sea islands industry with the continuous enhancement of our national strength. Island communication is particularly important under situation of the island’s infrastructure’s growth at a rapid pace. Large islands usually use submarine cables as the primary means of communication. However, small islands cannot use it because of high cost, high complexity and long duration of installation. So small islands need a low cost and more easy-to-install communication and broadband satellite to meet the requirements. This paper introduces the concept and main technology of broadband satellite, analyzes the application status of broadband satellite in island area, and puts forward an island communication system based on broadband satellite and WiFi (Wireless-Fidelity) applying for small islands. The system can provide wireless access, voice calls and other services for residents, researchers and so on. Also, this system, through the use of WiFi technology, improves the efficiency of broadband satellites, and reduces the cost of small island communications. Finally, the article also attempts to analyze the future development of island communications.

broadband satellite communication; small islands; wireless access; WiFi

TN927.2

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.16.020

林睿，徐轶群.宽带卫星通信在小型海岛通信中的应用研究[J].微型机与应用，2017,36(16)：70-72,77.

2017-02-19)

林睿(1991-)，男，硕士研究生，主要研究方向：船舶自动控制与仿真、船舶与海洋结构物设计制造。

徐轶群(1963-)，通信作者，男，教授，主要研究方向：射频识别、物联网、船舶自动控制与仿真。E-mail：xnzh11189@163.com。