一体化海上异构通信网络构建

张宝珍 高志峰

（1.中国电子科技集团公司第五十四研究所 河北省石家庄市 050081）

（2.中国电建集团河北工程有限公司 河北省石家庄市 050021）

1 引言

20 世纪以来，从电缆到光缆、有线到无线、模拟到数字、1G 到5G，陆地通信取得了日新月异的变化。然而，在浩瀚的海洋上，由于海洋环境复杂多变、海上施工困难等诸多原因，海洋通信发展明显滞后于陆地通信。随着我国海路对外贸易规模的快速增长、海洋产业的蓬勃发展、“一带一路”战略的推进实施、我国东海南海主权维护活动的日益常态化，各种海洋自然灾害和海上突发事件给海洋交通、海洋运输、海洋渔业、海洋旅游等海洋经济和海洋生产活动产生的危害日益显现，面向我国海上活动的通信保障能力亟待加强。

常规的海洋通信网络主要包括海上无线通信系统、海洋卫星通信系统和基于陆地蜂窝网络的岸基移动通信系统。由于这些通信系统的通信制式互不兼容、通信带宽高低不一、覆盖范围存在盲区、缺乏高效统一的管理机制，常规海洋通信网络越来越难以满足我国日益增长的海洋活动需求，成为制约海洋开发与探索向纵深发展的重大瓶颈。因此，必须充分调研我国海洋通信的发展现状，了解世界先进海洋通信技术，探索与我国海洋环境相一致的海上信道模型，开发适合我国国情的海洋通信网络架构，最终构建一个高速率、高可靠、全覆盖、易管理、低成本的新型海上通信平台。

2 总体设计

2.1 系统架构

海上通信平台承担多项传输任务，采集信息具有多元化特征，因此平台配置了多种通信手段，包括宽带通信和窄带通信手段。另外，海上平台大小不一，载荷能力强弱不同，因此每种平台上配置的通信手段数量、种类也不相同。

平台利用光纤、卫通（宽带）、天通卫星移动、散射、短波、北斗等通信手段，以通信自组织网为设计思想，形成基于IP的海洋异构自组织综合通信网主体架构，逐步构建海上通信保障体系，提供海上船-船、船-岛、船-岸、船-浮台、岸-岛、岸-浮台、岛-岛之间的宽、窄带通信能力，局域支持语音、数据、图像、视频等形式的综合信息服务，同时可将获取的数据及处理成果通过地面专网传送至业务中心。

系统组成示意图如图1 所示。

图1： 海上通信平台组成示意图

系统中集成了当前应用较为成熟的通信手段，如Ku 频段卫星通信、短波通信、北斗通信等，不同的通信方式之间通常采用不同技术体制，如采用不同的网络协议、调制方式、频率范围等。信息系统在面向各物理子系统业务系统（用户）提供信息传送服务时，为了屏蔽各通信体制间的异构，降低用户业务系统信息传送的复杂度，需在异构传送网络之上通过综合路由与接口转换构建面向用户的基于IP 的海洋异构自组织综合通信网络。

2.2 系统功能

信息系统主要具备以下功能：

（1）支持宽、窄带链路自动切换及链路备份功能；

（2）支持常规宽带通信传输及窄带应保障通信传输，保障系统内各个物理子系统在常态下的大数据传输及应急保障状态下的关键数据传输功能；

（3）支持与公共网络系统的互联互通，保障系统传送网络用户与公网用户之间的多媒体业务；支持基于VOIP 的数字话音、短波等数据业务；

（4）支持信息传送网络覆盖范围内的卫通用户、短波用户、天通用户的随机接入；

（5）具备网络配置管理、性能管理、故障管理、安全管理、业务管理、频率管理、系统管理等功能；

（6）支持用户身份认证提供一定的安全防护能力。

3 通信网络设计

3.1 卫星通信网

卫星通信网由一个中心站和若干远端站组成，中心部署在海南，远端站部署在岛礁、浮台、试验船、渔船等各类海上平台。

卫星通信网络支持数据业务和广播业务，数据业务网络拓扑为网状网，带宽可按需分配；广播业务模式是以中心站为中心的星状网。

卫星通信网络拓扑如图2 所示。

图2： 卫星通信网络拓扑图

星状网络，由中心站与各平台站相互连接组成。在星型网络中，各远端平台站都与中心站传输数据业务，各远端平台站之间则不能直接通信；网状网络，各远端平台站相互连接组成，每个地球站皆可通过卫星进行通信。

3.2 天通卫星移动通信网

基于我国“天通一号”自主卫星移动通信系统的应用系统架构，主要由天通移动通信卫星、信关站、船载终端、平板终端以及手持终端和应用服务中心组成。业务应用系统利用天通卫星移动通信系统，主要完成岸船间数据传输、话音及短信等功能。本论文配置船载终端、平板终端以及手持终端，为信息系统提供应急备用通信服务。

3.3 散射通信网

对流层散射是一种超视距微波通信，利用大气对流层的不均匀性对电波的前向散射作用实现信号的单跳百公里、数百公里的超视距传播，以点对点方式提供通信链路，因此对流层散射通信以各自独立的若干条点对点链路方式提供。

海上对流层散射传输信道条件较好，其优势是无需转发器资源，信道天然存在无需付费，因此海上链路应优先考虑采用该种通信方式；另外，对流层散射传输信道在降雨条件下优于非降雨条件，因此不存在雨衰。

3.4 LTE接入网

为实现海上业务数据的独立交换及海上用户同公众网络的互联互通，建设专用的核心网与接入网络，通过与公网的网关接口提供专网与公网的互联互通。

“专网”用户采用专用的安全协议以保证用户的特殊安全需求，从而支持不同等级用户的区分和相应业务的提供。同时还支持公网用户漫游到专网中，专网可以为其提供漫游服务。

为支持公网用户漫游到专网中还能享受专网服务，需要移动运营商签订漫游合约、开放对应核心端口，为支持不同等级安全保密需求，需要给不同等级用户分发对应的USIM卡，以支持业务呼叫时核心网设备采取不同的加解密操作。

根据应用场景，系统在岸基、岛礁、浮台、综合试验船等物理平台均部署了LTE 接入网设备，保障平台之间互通及平台与公网互通。岸基、岛礁、浮台、综合试验船等节点部署了LTE 基站接入网和EPC 核心网设备，支持专网LTE接入。LTE 接入网支持专网内用户间以及专网和公网间的话音、视频和数据业务，同时还支持公网用户漫游到专网中的数据业务。

3.5 短波接入网

短波接入网依托有无线宽带传输链路，采用分布式控制的单区多基站网络结构，将示范系统各短波接入站互连，通过短波信道将试验船、岛礁、浮台接入短波网络，实现数据和话音业务互通，是一种面向连接的非对等网络。其信令系统采用随路信令模式，短波接入信道为多用户共享，信道数量可根据短波接入网用户总数灵活设置，允许存在一定的呼损概率，实现岛礁、浮台、综合试验船等平台的“自适应多点选择接入”。

4 综合路由网关设计

信息系统中各通信节点间路由与交换采用全IP 体制，信息接入部分根据业务类型和通信方式进行适配，宽带信道采用IP 传输，窄带信道通过综合路由/网关进行协议转换。全部的路由和交换任务由综合路由/网关设备完成，可用于话音、数据、视频等综合业务的交换和转发。综合路由/网关设备按其功能可分为节点设备和用户设备。节点设备主要实现干线网与地面网、干线网与接入网之间的连接；用户设备主要实现用户、终端与干线网的连接。

4.1 总体设计

综合路由网关设备是整个信息系统的核心设备，可以将宽带链路（如卫通、散射和光纤等传输手段）和窄带链路（短波和北斗等传输手段）进行集成，在宽带链路不能将数据传输到达目的地时，使用短波或者北斗窄带信道将数据传输至目的地，以实现信息的可靠传送。

应用场景逻辑框图如图3 所示。

图3： 综合路由网关设备应用场景逻辑图

4.2 主要功能

综合路由网关设备的主要功能如下：

（1）通信链路的选择和控制：重要路由进行多种手段的备份，根据信道传输质量和带宽自动选择通信链路，保证信息的可靠传输；

（2）路由交换功能；

（3）网关功能：具有将IP 报文转换成适合于窄带信道传输的功能；

（4）管理代理：收集本地通信链路的信息并上报至物理平台业务系统和通信网管；

（5）多通信设备接口适配：能够适应多种传输设备接口，包括散射、卫星、光纤、短波电台、北斗、公网等。

4.3 工作流程

IP 路由能力由常规IP 路由技术实现，综合路由网关的重点是提供IP 系统与短波、北斗等窄带系统的转换能力。具体工作流程如下：

（1）以部署综合路由网关设备的位置称为本地，且综合路由网关设备具备一个本地IP 地址；本地任务系统在发送窄带报文时，以本地综合路由网关设备的IP 地址为目的IP 地址构造报文；窄带报文去除IP 封装的应用报文中包含目的站点地址（站点编号）信息；

（2）本地综合路由网关设备收到窄带报文，进行解析，获取目的站点地址信息，将该地址信息按短波系统或北斗系统的寻址规则进行变换，目的是使变换后的报文可在短波或北斗系统中可靠传送到信宿；

（3）变换后的报文以短波或北斗系统的接口协议交给短波或北斗系统，由其传送到目的站点；目的站点的短波或北斗将收到的报文以事先约定的规则交给目的地本地综合路由网关设备，进行与发送相逆的变换，构造IP 报文时以目的地本地任务系统的IP 地址为目的地址。

4.4 工程化设计

综合路由网关设备由电源、路由交换单元和核心管理单元组成。

设备组成框图如图4 所示。

图4： 综合路由网关设备组成框图

综合业务系统将业务数据发送至路由交换单元之后，路由交换单元根据事先建立好的路由表，将宽带信息自动进行转发至目的综合业务系统，并将窄带业务发送至本地核心管理单元，本地核心管理单元将窄带信息进行解析之后，根据当前当前短波和北斗链路的通断情况，对数据进行重新打包之后，用短波或者北斗信道转发至目的综合业务网管设备的核心管理单元，目的核心管理单元将数据解析之后，按照综合业务系统的数据格式要求重新打包之后，发送至目的综合业务系统。

5 综合通信网管设计

5.1 总体设计

综合通信网管主要用于信息系统中短波、卫通、北斗、LTE、微波等的传输链路及通信设备的监视和管理，及时发现网络或通信设备故障或异常，保障网络正常运行和服务。

综合通信网管软件采用B/S 架构，运行在综合通信网管服务器上，实现拓扑管理、故障管理、性能管理、安全管理、配置管理等功能。

综合通信网管的主要功能如下：

（1）网络资源管理：主要用于管理维护卫通、散射、短波、LTE 等信息系统的各类资源信息，提供各类资源数据的查询统计服务；

（2）网络综合态势监视：提供图形化网络拓扑监视界面，能够实时监视网络综合运行状况，并将监测结果及时更新到网络拓扑图中，确保各通信节点、通信设备均在有效的监控之下，并能根据通信链路运行状态进行动态监视；

（3）故障管理：主要实现对海洋综合信息传送示范网络的设备告警和故障信息的采集与综合呈现、查询统计功能；

（4）网络配置管理：主要实现针对重要通信设备重要参数的查询和显示功能。

（5）网管用户管理：主要提供网络管理系统的用户管理功能。

5.2 工程化设计

5.2.1 运行环境

综合通信网管软件采用B/S 架构，运行在综合通信网管服务器上。

5.2.2 硬件环境

综合管理软件所需的硬件环境见表1。

表1： 硬件环境要求表

5.2.3 软件环境

综合通信网管软件运行所需的软件环境由操作系统、数据库管理软件、应用支撑软件、运行环境要求组成，所需的软件环境要求见表2。

表2： 软件环境要求表

6 结论

海上通信平台利用宽带通信和窄带通信结合方式，配置地面光纤、宽带卫通、天通、散射、短波、北斗等多种通信手段，形成了基于IP 的海洋异构综合通信网络。通过综合路由网关和综合通信网管设计，信息接入部分根据业务类型和通信方式进行适配，宽带信道采用IP 传输，窄带信道通过网关进行协议转换，可提供海上船-船、船-岛、船-岸、船-浮台、岸-岛、岸-浮台、岛-岛之间的数据、视频等综合业务的交换和转发。

综上所述，通过通信网络设计、综合路由网关设计、综合通信网管设计，最终构建一个高速率、高可靠、全覆盖、易管理、低成本的新型海上通信平台。