淺析VSAT通信在海洋船舶上的應(yīng)用

楊浩波

（上海維賽特網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有限公司，上海 201206）

1 引言

隨著海上作業(yè)的增加，海上的通信需求也越來(lái)越受到人們的重視，海上各種船舶上的人員需要與岸上人員或海上其他船舶上人員進(jìn)行隨時(shí)聯(lián)絡(luò)，且隨著信息化的不斷發(fā)展，人們對(duì)于通信內(nèi)容和形式的要求也越來(lái)越高。海上作業(yè)人員希望獲得如在陸地上同樣方便而形式多樣的通信方式。

海洋通信就是在海洋上進(jìn)行的通信，其通信的兩端一方是汪洋大海上的船舶，另一方則是陸地或海上的另一艘船舶，海洋通信既使用陸地通信常用的某些技術(shù)手段，也有許多特殊的問題而自成系統(tǒng)。要解決海洋上船舶的通信，不僅僅是照搬陸地上的通信方式，還由于海洋的特殊性，需要對(duì)陸地通信手段進(jìn)行一定的改進(jìn)，以適應(yīng)海洋的特殊環(huán)境。由于海洋遼闊，本文所討論的海洋船舶通信主要是針對(duì)在我國(guó)臨海及經(jīng)濟(jì)作業(yè)區(qū)內(nèi)進(jìn)行漁業(yè)作業(yè)、海上物流、工程作業(yè)，以及執(zhí)行各種執(zhí)法任務(wù)船舶的通信應(yīng)用。

目前，我國(guó)海上船舶的通信手段主要是傳統(tǒng)短波、超短波通信、海事衛(wèi)星通信、北斗衛(wèi)星等，主要是用于導(dǎo)航、對(duì)講、短信、語(yǔ)音電話等，這雖然說(shuō)可以解決海上人員的部分通信需求，但價(jià)格昂貴，數(shù)據(jù)通信帶寬小。海事衛(wèi)星雖然可以提供語(yǔ)音電話、傳真、標(biāo)準(zhǔn)的IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等，但其最高的帶寬也只能達(dá)到430kb/s左右，與目前高速發(fā)展的通信態(tài)勢(shì)相比，明顯落后，無(wú)法滿足海上人員的通信要求。

2 VSAT通信的優(yōu)勢(shì)與不足

根據(jù)現(xiàn)行的《電信業(yè)務(wù)分類目錄》中的定義，VSAT通信（甚小口徑終端地球站通信業(yè)務(wù)）是指“利用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，通過VSAT通信系統(tǒng)中心站的管理和控制，在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)中心站與VSAT終端用戶（地球站）之間、VSAT終端用戶之間的語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、視頻圖像等傳送業(yè)務(wù)?！痹赩SAT通信系統(tǒng)中，用戶小站天線口徑較小，一般為0.3米～2.4米，天線增益/天線噪聲溫度（G/T）值低于19.7dBk。

VSAT衛(wèi)星通信具有覆蓋面廣，通信成本與通信距離無(wú)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)，廣播能力和數(shù)據(jù)匯聚能力；小站天線口徑小，部署靈活，并具備雙向多點(diǎn)能力，無(wú)需地面中繼，可獨(dú)立組網(wǎng)，直接面向用戶終端，易開通、易擴(kuò)容等優(yōu)點(diǎn)，使其在邊緣地區(qū)通信覆蓋、應(yīng)急通信和防災(zāi)減災(zāi)等通信領(lǐng)域，發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

VSAT衛(wèi)星通信的上述特點(diǎn)也非常適合在海洋船舶上應(yīng)用。VSAT通信相對(duì)于目前傳統(tǒng)的海上通信手段，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捝嫌泻艽蟮耐黄?，上行?shù)據(jù)速率從幾兆一直可以到幾十兆。由于傳輸速率的大幅度提升，VSAT的應(yīng)用范圍隨之?dāng)U大。

VSAT通信也存在缺陷。比如，使用的通信天線相對(duì)較大，設(shè)備的采購(gòu)成本相對(duì)較高（見表1）。

圖1 VSAT通信在海洋上應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

表1 傳統(tǒng)通信手段與VSAT通信手段的對(duì)比表

3 VSAT通信在海洋上的應(yīng)用方式

從技術(shù)上來(lái)看，VSAT在陸地上的各種應(yīng)用均可以在海洋船舶上應(yīng)用，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也可以自由組合，圖1是VSAT通信在海洋船舶上的一種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

3.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控

通過在船上安裝攝像頭，并經(jīng)過專門的視頻壓縮設(shè)備進(jìn)行H.264編碼壓縮后可以TCP/IP的方式傳輸，然后通過衛(wèi)星傳輸?shù)叫l(wèi)星中央站，各相關(guān)管理部門可通過地面專線或者衛(wèi)星鏈路連接到衛(wèi)星中央站，從而形成從相關(guān)管理部門到海上船舶間的通信鏈路，在陸地上的相關(guān)管理部門人員可以通過專門的軟件隨時(shí)查看當(dāng)前某一船舶的實(shí)時(shí)狀況。如果鏈路帶寬有限，可以對(duì)在船舶上的監(jiān)控視頻圖像采用雙碼流方式，即通過衛(wèi)星傳輸?shù)较嚓P(guān)管理部門的視頻編碼率較低，有利于傳輸；而本地存儲(chǔ)的視頻編碼率較高，有利于保證圖像的清晰性。該技術(shù)可以應(yīng)用在執(zhí)法船舶、工程船舶、物流船舶、漁業(yè)船舶上，尤其是漁業(yè)船舶，一旦發(fā)生碰撞糾紛，可以及時(shí)查看視頻資料，還原事件真相，減少不必要的爭(zhēng)執(zhí)，幫助查明事件起因和經(jīng)過。

3.2 視頻會(huì)議

對(duì)于在海洋上的執(zhí)法船舶，隨時(shí)需要與其他執(zhí)法船舶進(jìn)行交流或與地面基地進(jìn)行匯報(bào)交流。采用VSAT通信之后，由于信道帶寬的擴(kuò)大，通信能力得到大幅提升。通過在船上部署視頻會(huì)議設(shè)備，并通過網(wǎng)線與衛(wèi)星終端相連，從而將視頻會(huì)議終端設(shè)備接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，并在衛(wèi)星中央站安裝一臺(tái)MCU，從而船舶上的執(zhí)法人員可與海上的其他執(zhí)法人員及地面基地人員之間進(jìn)行視頻會(huì)議，由于在衛(wèi)星中央站安裝了MCU，如果需要，還可進(jìn)行多方視頻會(huì)議，方便了海上人員的溝通交流。

3.3 語(yǔ)音電話

雖然目前海上人員可以通過海事電話撥打電話，但由于海事電話價(jià)格昂貴，且需使用專門的電話機(jī)，所以使用上不方便。安裝了VSAT通信設(shè)備之后，由于VSAT通信是通過TCP/IP進(jìn)行傳輸?shù)?，可以通過語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)設(shè)備將模擬電話信號(hào)轉(zhuǎn)換成IP信號(hào)，然后通過VSAT設(shè)備傳輸?shù)叫l(wèi)星中央站，在衛(wèi)星中央站通過語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)將IP信號(hào)轉(zhuǎn)換回模擬信號(hào)，然后可接入電信PSTN公網(wǎng)。這樣，海上人員可以在自己的船艙房間內(nèi)撥打電話，大大方便了海上人員撥打電話。另外，由于采用VSAT通信方式，數(shù)據(jù)通信和語(yǔ)音通信的信道可以復(fù)用，大大降低了撥打電話的通信費(fèi)用。

3.4 數(shù)據(jù)傳輸

利用VSAT系統(tǒng)，傳輸數(shù)據(jù)非常方便。VSAT通信的一個(gè)重要特點(diǎn)就是通信帶寬的分配非常自由，可以按照實(shí)際需要進(jìn)行即時(shí)分配，而且?guī)捯草^之前的海事衛(wèi)星大很多，最多可達(dá)幾十兆，大大提升了數(shù)據(jù)傳輸能力，海洋船舶可以方便地和其他船舶和岸上人員進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

3.5 Internet應(yīng)用

當(dāng)VSAT通信應(yīng)用到海洋船舶上之后，Internet瀏覽就成為了現(xiàn)實(shí)，人們可以在大海上瀏覽網(wǎng)頁(yè)、收發(fā)郵件，還可以使用即時(shí)通信軟件進(jìn)行聊天，大大擴(kuò)展了海上人員與外界的溝通方式，豐富了海上人員的業(yè)余生活。另外，隨著海上Internet的使用成為可能，其他一些互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用也可以隨之開發(fā)出來(lái)。

4 VSAT通信在海上應(yīng)用的配套條件

作為一個(gè)通信系統(tǒng)，VSAT通信系統(tǒng)由衛(wèi)星資源、衛(wèi)星中央站設(shè)備、海上衛(wèi)星終端設(shè)備等組成。

4.1 衛(wèi)星資源

國(guó)內(nèi)衛(wèi)星通信主要使用C波段和Ku波段。目前，在我國(guó)上空有10多顆國(guó)產(chǎn)商用通信衛(wèi)星，這些衛(wèi)星擁有眾多C，Ku波段轉(zhuǎn)發(fā)器資源，其中，C波段的轉(zhuǎn)發(fā)器大都可以覆蓋到我國(guó)的東部海域及南海全境。如果采用C波段通信，需要考慮船體大小。由于C波段的VSAT系統(tǒng)小站的天線相對(duì)較大，一般雙向小站采用1.8米及以上的口徑，所以適合較大的船舶，如各類執(zhí)法船或大型漁船，而對(duì)于船體較小的普通漁船則不合適。Ku波段相對(duì)C波段而言，天線口徑相對(duì)較小，一般可控制在1米以內(nèi)，非常適合海上使用。但衛(wèi)星的Ku波段覆蓋范圍較小，目前還沒有一顆作為商業(yè)用途的衛(wèi)星可以有固定的波束覆蓋到我國(guó)上述海域全境，尤其是南海海域（一般都只能覆蓋到中沙群島一帶，無(wú)法覆蓋到南沙群島），這也是目前VSAT通信系統(tǒng)在海洋上應(yīng)用的局限。新的即將投入運(yùn)行的亞洲5號(hào)及中星11號(hào)衛(wèi)星據(jù)稱將有專門的南海波束，屆時(shí)可以大大提升我國(guó)在海洋區(qū)域的衛(wèi)星通信資源，有利于推動(dòng)VSAT在海洋上的應(yīng)用，但這也僅僅是移動(dòng)波束而非固定波束。期待今后能有更多可以覆蓋上述海域的商用衛(wèi)星投入使用，以解決VSAT在海洋上使用時(shí)的衛(wèi)星資源問題。

4.2 衛(wèi)星中央站設(shè)備

衛(wèi)星中央站是海洋與陸地聯(lián)絡(luò)的中心樞紐，主要包括天線、射頻以及基帶系統(tǒng)部分。其中，天線部分即帶有侍服系統(tǒng)的大型雙向天線，一般口徑在10米左右；射頻部分包括高功率放大器、低噪聲放大器、上下變頻器等設(shè)備，負(fù)責(zé)將基帶系統(tǒng)部分的信號(hào)變頻放大后發(fā)射上衛(wèi)星，以及將天線接收下的微弱信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大變頻后傳送給基帶系統(tǒng)；基帶系統(tǒng)設(shè)備在本質(zhì)上和陸地上使用的VSAT系統(tǒng)沒有什么特別的區(qū)別，一般陸地上使用的VSAT系統(tǒng)都可以使用?？紤]到海洋上使用時(shí)天線口徑的限制，所以建議采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的VSAT系統(tǒng)。由于目前對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸量越來(lái)越大，建議采用DVBRCS模式，可以支持TCP/IP傳輸方式的VSAT系統(tǒng)。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的SCPC模式，雖然也是一種不錯(cuò)的選擇，但是在SCPC模式下，每一艘船舶和衛(wèi)星中央站建立通信鏈路，均需要建立一對(duì)衛(wèi)星通信載波，且衛(wèi)星中央站需對(duì)每一艘船舶預(yù)備一個(gè)相應(yīng)的衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器，以滿足每艘船舶的通信需求。這些限制條件對(duì)于在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的船舶數(shù)量不大的情況下是沒有問題的，但可擴(kuò)容性較差，一旦船舶數(shù)量大幅度增加，SCPC網(wǎng)絡(luò)由于其復(fù)用性差的劣勢(shì)將很難滿足通信要求。而本文前面提到的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的VSAT系統(tǒng)能很好地滿足和適應(yīng)大容量的船舶通信要求，其優(yōu)勢(shì)十分明顯。

4.3 船載設(shè)備

船載設(shè)備也包括天線（圖2）、射頻及衛(wèi)星調(diào)制器部分。由于船舶在海上航行時(shí)的晃動(dòng)性，所以船載天線必須具有自動(dòng)跟蹤能力，并能適應(yīng)海上的潮濕、鹽霧比較大的特點(diǎn)。射頻部分和衛(wèi)星調(diào)制器設(shè)備與陸地上使用的設(shè)備沒有大的區(qū)別，一般陸地上可以使用的設(shè)備海上均可以使用。同樣，衛(wèi)星調(diào)制器設(shè)備也應(yīng)盡量采用星型結(jié)構(gòu)且支持TCP/IP方式系統(tǒng)的設(shè)備。

5 結(jié)束語(yǔ)

圖2 船載天線

隨著海上作業(yè)的越來(lái)越頻繁，VSAT通信在海洋船舶上的應(yīng)用也將越來(lái)越多，并且隨著VSAT通信各種相關(guān)產(chǎn)品的不斷推出及VSAT通信條件的成熟和完善，越來(lái)越多的海上船舶將選擇使用VSAT通信系統(tǒng)。同樣，VSAT通信系統(tǒng)也將給海洋船舶帶來(lái)諸多聯(lián)網(wǎng)便利及越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，提升海上執(zhí)法、工程作業(yè)、漁業(yè)生產(chǎn)、海上物流的通信水平。

[1]（加）羅迪，鄭寶玉等譯．衛(wèi)星通信．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011

[2]陳豪．衛(wèi)星通信與數(shù)字信號(hào)處理．上海：上海交通大學(xué)出版社，2011

[3]王秉鈞，王少勇．衛(wèi)星通信系統(tǒng)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004

[4]郭慶，王振永，顧學(xué)邁．北京：電子工業(yè)出版社，2010