衛(wèi)星通信與Mesh網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)在海洋漁業(yè)中的融合應(yīng)用

● 文 |航天恒星科技有限公司 王燕 李長德 徐梁 丁兵

衛(wèi)星通信與Mesh網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)在海洋漁業(yè)中的融合應(yīng)用

● 文 |航天恒星科技有限公司 王燕 李長德 徐梁 丁兵

介紹了衛(wèi)星通信與Mesh 組網(wǎng)應(yīng)用于海洋漁業(yè)的必要性，分析了衛(wèi)星通信與Mesh組網(wǎng)的技術(shù)性能特點，并針對具體問題提出兩者融合應(yīng)用構(gòu)建海上移動通信網(wǎng)絡(luò)的解決方案，同時以廣東漁業(yè)項目為例進行詳細的設(shè)計說明。

衛(wèi)星通信; Mesh組網(wǎng);海上移動通信;自組網(wǎng)

一、前言

海洋漁業(yè)是我國漁業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分，主要包括捕撈業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、加工業(yè)以及相關(guān)上下游產(chǎn)業(yè)，在國民經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。近年來，其可持續(xù)發(fā)展面臨著資源過度開采、環(huán)境污染惡化、作業(yè)船只監(jiān)管混亂等突出問題。各級漁業(yè)行政部門、企業(yè)及社會化服務(wù)單位在全國沿海不斷投資興建短波岸基站、高頻電話臺，升級改造近海安全救助網(wǎng)岸站，同時在作業(yè)船只上安裝配備各種通信導航設(shè)備，主要有SSB無線電臺、甚高頻無線電話、船用雷達、GPS全球衛(wèi)星定位導航儀、彩色魚控儀等一大批先進儀器，為海洋漁業(yè)生產(chǎn)搭建了一個規(guī)模宏大的通信平臺。雖然漁業(yè)通信平臺建設(shè)初具規(guī)模、成效顯著，但近幾年遠洋作業(yè)的業(yè)務(wù)發(fā)展較為快速，漁業(yè)船舶生產(chǎn)逐漸向遠洋捕撈發(fā)展，船只跨海區(qū)作業(yè)頻繁，生產(chǎn)船只間的通信距離也達到上百甚至上千海里，這就造成了遠洋通信距離長、噪音失真嚴重，傳統(tǒng)的通信手段漸漸地不能滿足日益發(fā)展的海洋漁業(yè)生產(chǎn)要求。在分析了衛(wèi)星通信技術(shù)與無線組網(wǎng)技術(shù)后，針對兩者的技術(shù)特點融合應(yīng)用，組建海上移動通信網(wǎng)絡(luò)，能夠為海洋漁業(yè)提供有效的通信網(wǎng)絡(luò)平臺，并已有成功應(yīng)用的案例。

二、衛(wèi)星通信與無線Mesh組網(wǎng)技術(shù)的融合

1.衛(wèi)星通信技術(shù)簡介

衛(wèi)星通信是以人造地球衛(wèi)星作為中繼站，反射或者轉(zhuǎn)發(fā)空間電磁波來實現(xiàn)信號超遠距離傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)手段。其具有通信距離遠、覆蓋范圍廣、組網(wǎng)靈活，基本不受氣候變化和其他自然條件的影響。

相比于其他通信方式，衛(wèi)星通信主要有以下特點：①可將其廣播功能與各種多址連接技術(shù)相結(jié)合構(gòu)成龐大的通信網(wǎng)。在一顆衛(wèi)星所覆蓋的區(qū)域內(nèi)，不必依賴顯式的交換，只需利用衛(wèi)星中繼傳輸和多址復用技術(shù)就能構(gòu)成擁有許多地面用戶的大型通信網(wǎng)。②通信頻帶寬、通信容量大。衛(wèi)星通信信道處于微波頻率范圍，頻率資源豐富，并可不斷延伸。③信道質(zhì)量好、傳輸性能穩(wěn)定。衛(wèi)星通信鏈路一般都是自由空間傳播的視距通信，傳輸損耗很穩(wěn)定且可準確預算。④組網(wǎng)機動靈活。衛(wèi)星通信的建立不受地理條件的約束限制，無論是大城市還是邊遠山區(qū)、島嶼，隨地可建；通信終端也可由飛機、汽車、艦船搭載，甚至個人隨身攜帶；建站迅速，組網(wǎng)靈活。⑤通信成本不隨通信距離增加而增加，因而特別適用于遠距離以及人類活動稀少地區(qū)的通信。

目前，衛(wèi)星通信技術(shù)在海洋漁業(yè)的主要應(yīng)用為漁船通信、海洋漁業(yè)資源保護及海洋科學研究領(lǐng)域。衛(wèi)星通信技術(shù)可以使?jié)O船之間、漁船與岸基站臺指揮中心等建立即時通信連接，實現(xiàn)對海上生產(chǎn)作業(yè)信息、海況氣象信息等的傳輸。雖然衛(wèi)星通信具有良好的安全性和覆蓋性，信號穩(wěn)定性、移動接入性較好，但是受外界氣象狀態(tài)、海面穩(wěn)定狀態(tài)限制，鏈路不能實現(xiàn)100%可用度，通信數(shù)據(jù)帶寬受轉(zhuǎn)發(fā)器資源限制，且具備一定的網(wǎng)絡(luò)延遲。而且，衛(wèi)星通信對設(shè)備的配備要求較高，因此在眾多的作業(yè)船只上安裝衛(wèi)星通信設(shè)備不僅耗費大量財力，同時對這些設(shè)備的維護也會耗費大量人力。

2.Mesh網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)簡介

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)（Wireless Mesh Network）是一種多跳、具有自組織和自治特點的無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即一種高容量、高速率的分布式網(wǎng)絡(luò)。無線Mesh網(wǎng)可以通過一些中間節(jié)點連接互相遠離而不能直接連接的無線設(shè)備，其組網(wǎng)方式高度靈活與自適應(yīng)。傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)多是點到多點的星型網(wǎng)絡(luò)，在操作與維護、安裝與擴容、位置的適應(yīng)性、可測量性等方面存在著諸多不足，而點對點的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)對以上性能指標會有較大的提高。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)吸收了星型網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點，是對兩者的一種無縫融合，這種融合是通過在每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上添加1個路由表，使其具有路由轉(zhuǎn)發(fā)能力來實現(xiàn)的。在實際應(yīng)用中無線Mesh網(wǎng)絡(luò)具有諸多優(yōu)點：

1）多信道協(xié)商。目的是要選擇業(yè)務(wù)負載小的信道，盡可能地平衡信道負載，減小競爭和退避所浪費的帶寬。

2）信道分配。保證網(wǎng)絡(luò)良好連通性的同時，降低Mesh網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生信道沖突的概率，以提升網(wǎng)絡(luò)效率。與多信道協(xié)商技術(shù)不同的是，信道分配技術(shù)是從信道頻率資源劃分的角度，分配Mesh網(wǎng)絡(luò)中多個信道的使用。

3）網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)。Mesh網(wǎng)絡(luò)中新節(jié)點和鄰居節(jié)點的發(fā)現(xiàn)以及建立相應(yīng)的信息列表主要使用網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)主要是采用網(wǎng)絡(luò)掃描和列表維護的方式進行。如果發(fā)現(xiàn)的鄰居節(jié)點是新節(jié)點，則其可以通過路由表被整個網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)。

4）路由轉(zhuǎn)發(fā)。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點和優(yōu)勢表現(xiàn)在其Mesh網(wǎng)狀連接和尋路方面，而優(yōu)秀的路由轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)計則直接決定Mesh網(wǎng)絡(luò)對其網(wǎng)狀連接的利用效率，影響網(wǎng)絡(luò)的性能。在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計主要有以下優(yōu)點：首先，不僅根據(jù)“最小跳數(shù)”來進行路由選擇，而且綜合考慮多種性能度量指標，綜合評估后進行路由選擇；其次，提供網(wǎng)絡(luò)容錯性和健壯性支持，能夠在無線鏈路失效時，迅速選擇替代鏈路避免業(yè)務(wù)提供中斷；第三，能夠利用流量工程技術(shù)，在多條路徑間進行負載均衡，盡量最大限度利用系統(tǒng)資源。

5）Mesh 安全。為了針對性地解決Mesh節(jié)點間的雙向認證、各跳端到端鏈路數(shù)據(jù)流量的機密性和完整性保護、Mesh節(jié)點的接入控制和管理，Mesh安全技術(shù)采用Mesh安全關(guān)聯(lián)（MSA）的Mesh安全架構(gòu)。

6）衛(wèi)星通信擴展接入?，F(xiàn)有的衛(wèi)星通信VSAT系統(tǒng)采用全IP化數(shù)據(jù)接口，通過交換機可直接實現(xiàn)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通的多網(wǎng)融合交互。實現(xiàn)衛(wèi)星通信擴展，僅需將衛(wèi)星路由器的網(wǎng)絡(luò)接口并入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，即可擴展實現(xiàn)基于衛(wèi)星的全天候通信。

同時，Mesh組網(wǎng)也存在著不足之處。網(wǎng)絡(luò)延遲，在Mesh網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)通過中間節(jié)點進行多跳轉(zhuǎn)發(fā)，每一跳至少都會帶來一些延遲，隨著無線Mesh網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大，跳接越多，積累的總延遲就會越大。對一些即時通信的應(yīng)用，可能面臨無法接受的延遲過長的問題；傳輸距離有限，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的遠距離數(shù)據(jù)收發(fā)要求可視環(huán)境，無干擾物，否則會干擾信號的傳輸，影響網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍；網(wǎng)絡(luò)容量，由于Mesh網(wǎng)絡(luò)存在轉(zhuǎn)發(fā)，每次轉(zhuǎn)發(fā)之后速率都會降低，因此需要限制每個網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的數(shù)量，所以Mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量盡量不要太多，否則會影響業(yè)務(wù)質(zhì)量。

三、海洋漁業(yè)中的融合應(yīng)用

綜合衛(wèi)星通信與Mesh組網(wǎng)的技術(shù)特點，針對當前海洋漁業(yè)生產(chǎn)的實際問題，融合衛(wèi)星通信網(wǎng)與Mesh自組網(wǎng)組建海上移動通信平臺，建設(shè)衛(wèi)星數(shù)字電臺通信網(wǎng)絡(luò)。其利用通信衛(wèi)星作為中繼，連接以無線自組網(wǎng)電臺組建的分散的局域網(wǎng)絡(luò)，通信信號為數(shù)字編碼調(diào)制信號，信號噪聲和失真都很小，保密性強，可實現(xiàn)廣域范圍內(nèi)的信號覆蓋和無縫隙通信。目前，在廣東海洋漁業(yè)項目建設(shè)中已得到應(yīng)用，并取得較好的實際效果。

在廣東省珠江口海域，蘊藏豐富的海砂資源，海砂開采活動呈現(xiàn)密集度高、采砂供應(yīng)量大、采砂矛盾沖突多發(fā)以及盜采頻發(fā)等特點，海砂執(zhí)法監(jiān)管已成為海監(jiān)執(zhí)法的重點。為了加大對海砂開采的監(jiān)管和違法行為的執(zhí)法力度，迫切需要建設(shè)廣東省海砂開采視頻監(jiān)控管理系統(tǒng)。對遠距離海上作業(yè)船舶進行全天候的視頻監(jiān)控，有效提高海監(jiān)人員對海上作業(yè)船只各個環(huán)節(jié)的監(jiān)控管理水平，構(gòu)建一個實時、廣泛、全面、精準的海上視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，為海監(jiān)執(zhí)法關(guān)鍵決策提供科學可靠的依據(jù)。船舶在海上作業(yè)時，流動性和隨意性較大，針對船舶動態(tài)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接入需求，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用Mesh無線自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)船舶與船舶之間的自適應(yīng)組建通信網(wǎng)絡(luò)。通過安裝船載自組網(wǎng)電臺、三層交換機、無線路由設(shè)備，自動形成鏈型、星型、隨機混合等多種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

在融合了衛(wèi)星通信技術(shù)與Mesh無線組網(wǎng)技術(shù)組建的廣東漁業(yè)海上移動通信平臺，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點涉及監(jiān)管中心、岸基站、執(zhí)法船和采砂船等，涉及無線自組網(wǎng)系統(tǒng)、可擴展的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，形成多元結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，為廣東省海監(jiān)執(zhí)法監(jiān)管系統(tǒng)提供了有效的通信渠道。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，具有以下特點：①靈活的節(jié)點接入能力。網(wǎng)絡(luò)具有智能控制和管理功能，可實現(xiàn)應(yīng)急突發(fā)情況下的快速組網(wǎng)以及任意節(jié)點的快速接入和退出，同時對其他節(jié)點的正常通信不會造成影響。②高度的網(wǎng)絡(luò)自治能力。在該網(wǎng)絡(luò)中，不存在中心節(jié)點，支持16個節(jié)點同頻組網(wǎng)，并具有路徑自由選擇、路由自動管理等功能，保證信息通過最短路徑進行傳輸，并根據(jù)節(jié)點之間的實時連接狀態(tài)選擇,是否進行接力中繼傳輸和最優(yōu)接力中繼路徑。③廣泛的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。節(jié)點之間的無線傳輸可實現(xiàn)視距40～50km的單點傳輸距離或非視距不低于3km（以視距干涉障礙物具體情況而定）的單點傳輸距離。④強大的帶寬傳輸能力。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可實現(xiàn)最高6MHz載波寬帶，并實現(xiàn)節(jié)點之間最高8.9Mbit/s的數(shù)據(jù)速率，可充分滿足多路視頻與音頻、數(shù)據(jù)等信息的同時傳輸，或最低2.5MHz的載波窄帶，帶寬在節(jié)點之間實現(xiàn)按需實時動態(tài)分配共享，滿足多路音、視頻和其他數(shù)據(jù)的實時傳輸需求。

通過衛(wèi)星通信與Mesh組網(wǎng)的綜合應(yīng)用以及海上移動通信平臺的建設(shè)，為廣東漁業(yè)海監(jiān)執(zhí)法提供了有效的技術(shù)支撐和保障，整個系統(tǒng)組網(wǎng)環(huán)境穩(wěn)定，可提供較大帶寬，支持對采砂船舶采集的視頻信息進行傳輸、定位信息的回傳以及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的無縫接入和退出，同時支持IP電話進行語音交流，為海砂開采提供全方位、一體化的執(zhí)法決策依據(jù)，全面提高海砂開采監(jiān)管效能，對海洋資源的合理開采具有重大意義。

四、小結(jié)

海上移動通信網(wǎng)絡(luò)對開發(fā)海洋資源、提供海上生活與航行的應(yīng)急保障和其他海上服務(wù)具有深遠意義，也是繼地面網(wǎng)絡(luò)蓬勃發(fā)展的另一個巨大的市場空間?；谛l(wèi)星通信與Mesh自組網(wǎng)構(gòu)建海上移動通信網(wǎng)絡(luò)，目前還處于初級探索階段，尚需進一步的發(fā)展完善。

[1]樊偉. 衛(wèi)星技術(shù)在海洋及漁業(yè)上的應(yīng)用[J].漁業(yè)現(xiàn)代化，2006(4):45-47.

[2]王世強，侯妍.衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術(shù)研究及其未來發(fā)展[J] .現(xiàn)代電子技術(shù)，2009(17):25-28.

[3]林智慧，李磊民. 衛(wèi)星通信的技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2007(3):38-42. [4]易克初，李怡等. 衛(wèi)星通信的近期發(fā)展與前景展望[J]. 通信學報，2015(6):1-16.

[5]肖躍，秦紅祥. 國內(nèi)外衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J] .衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)，2010(07):20-25.

[6]胡剛，馬昕等.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在海洋漁業(yè)上的應(yīng)用[J].漁業(yè)現(xiàn)代化，2010(1):60-62.

[7]鄭彥光，徐平平等.無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)通信，2007(28):16-20.

[8]王曉翔. 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)研究[M].重慶大學碩士論文，2012.

[9]陳潔連. 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)研究[M].電子科技大學碩士論文，2005.

[10]黃其泉，徐碩等.海洋漁業(yè)衛(wèi)星應(yīng)用現(xiàn)狀與前景分析[J].衛(wèi)星應(yīng)用，2015(11):56-59.

[11]宗朋. 衛(wèi)星通信在海上移動網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[J]. 衛(wèi)星應(yīng)用，2015(11):54-55.