天津港調(diào)度指揮無線通信專用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究

李長軍

(天津港股份有限公司 天津 300461)

0 引 言

天津港是環(huán)渤海地區(qū)及我國北方規(guī)模最大的綜合性港口。目前港口各碼頭公司專網(wǎng)通信窄帶語音調(diào)度業(yè)務(wù)無線頻率資源緊缺，語音調(diào)度作業(yè)存在相互干擾、頻率資源無法共享的問題，港口無線通信系統(tǒng)則提供了有力的通訊保障手段。天津港目前的無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建都是由其二級公司各自投資建設(shè)，存在規(guī)劃不一致，管理不統(tǒng)一的狀況。規(guī)劃天津港無線頻率，建立專用數(shù)字集群網(wǎng)，提供大范圍無線通信時快速反應(yīng)、便捷使用及多級調(diào)度，將為港口的統(tǒng)一管理指揮提供可靠的通信保障[1]。

1 天津港建設(shè)調(diào)度指揮無線通信專用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必要性

“十三五”期間，天津港將加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，積極調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步完善以港口裝卸、國際物流、港口地產(chǎn)、港口綜合服務(wù)“四大產(chǎn)業(yè)”為核心的適度多元化產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局。隨著業(yè)務(wù)量的上升與港口規(guī)模的擴(kuò)大，天津港的各碼頭頻率資源緊缺、作業(yè)相互干擾、通信資源無法共享的問題日趨嚴(yán)重。建設(shè)智慧港口、科技港口的理念要求完善無線網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)港口作業(yè)流程、人和技術(shù)實現(xiàn)充分融合，提高運營效率，滿足發(fā)展需求。

1.1 天津港統(tǒng)一調(diào)度管理與應(yīng)急的需要

隨著全球貿(mào)易的高速發(fā)展，海運需求強(qiáng)勁，水運經(jīng)濟(jì)指標(biāo)快速增長，全球港口的業(yè)務(wù)量不斷增長，業(yè)務(wù)范圍不斷擴(kuò)大，沿海港口需要依靠清晰、快速、可靠的通信，來確保頻繁的聯(lián)系，促進(jìn)決策和信息交換，并協(xié)調(diào)設(shè)備及貨物的調(diào)配，從而實現(xiàn)對沿海港口碼頭進(jìn)行高效運營和管理。

1.2 港區(qū)安全生產(chǎn)作業(yè)的需要

港區(qū)一般有集裝箱裝卸組、門機(jī)指導(dǎo)員組、調(diào)度組、工程維修組、理貨組等。其通信的工作特點如下：①無線通信系統(tǒng)用于生產(chǎn)調(diào)度，要求較高的工作效率與安全保障。②工作范圍廣，港口內(nèi)各工作組不同，單位的活動區(qū)域不同，需解決區(qū)域內(nèi)的調(diào)度通信問題。③話務(wù)量大，港口內(nèi)語音通信頻繁，需要切實保障高效的溝通反饋。

綜上，對天津港進(jìn)行無線電頻率資源規(guī)劃，設(shè)計、建設(shè)一個集語音業(yè)務(wù)、多媒體業(yè)務(wù)、應(yīng)急指揮、綜合管理調(diào)度、高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)于一體的安全、可靠的無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是非常有必要的。

2 建設(shè)原則

①技術(shù)先進(jìn)性。采用國際上先進(jìn)的數(shù)字移動通信標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)、自動化控制技術(shù)和管理技術(shù)，選用當(dāng)前具有國際先進(jìn)水平的商品化產(chǎn)品，滿足應(yīng)用及遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)管理需求。②技術(shù)成熟性。選擇技術(shù)先進(jìn)、設(shè)備成熟、具有大量應(yīng)用案例的產(chǎn)品，保證系統(tǒng)各項功能的實現(xiàn)，系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計科學(xué)合理，符合實際應(yīng)用需求。③可擴(kuò)展性。系統(tǒng)總體架構(gòu)合理，設(shè)計容量適度，并且具有可擴(kuò)展性，同時具備標(biāo)準(zhǔn)的二次開發(fā)應(yīng)用接口，以滿足不同部門的擴(kuò)展應(yīng)用需要。④可靠性。采用分布式控制與集中式控制有機(jī)結(jié)合的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、各單元模塊化設(shè)計理念，支持多級故障弱化模式，有效提高系統(tǒng)的可靠性。⑤安全性。符合工信部相關(guān)要求；嚴(yán)格按照要求設(shè)置用戶使用權(quán)限；信息的傳輸具備防止各種非法提取或篡改能力；重要數(shù)據(jù)備份；嚴(yán)格執(zhí)行國家安全生產(chǎn)相關(guān)規(guī)定。

3 天津港應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 模擬150M、400M對講

模擬 150M、400M 直通對講是天津港生產(chǎn)調(diào)度、現(xiàn)場組織、設(shè)備維修維護(hù)、港口保安等主要語音通信手段，天津港現(xiàn)有 VHF、UHF單工頻點共計100個左右。基本能滿足目前散雜貨碼頭、石油化工等碼頭生產(chǎn)作業(yè)需求，對于使用模擬直通的集裝箱公司、煤碼頭公司，主要存在以下問題：①2015年后對模擬對講機(jī)不再進(jìn)行核準(zhǔn)，對于天津港大型的港口作業(yè)，模擬對講機(jī)的使用已經(jīng)不能滿足其發(fā)展需求。②信道用戶容量小，頻點資源緊張。隨著業(yè)務(wù)發(fā)展，用戶規(guī)模逐漸擴(kuò)大，導(dǎo)致頻率資源緊張。③模擬對講通話質(zhì)量差、保密性差，對于集裝箱起吊裝卸等狀況非常不利。

3.2 800M GOTA數(shù)字集群

港區(qū)唯一大規(guī)模應(yīng)用的數(shù)字集群系統(tǒng)是天津電信提供的GOTA數(shù)字集群系統(tǒng)，終端用戶數(shù)量大致為1800個。采用的是次 800M頻點，建設(shè)基站11座。港區(qū) GOTA數(shù)字集群今后的應(yīng)用面臨以下主要問題[4]：①網(wǎng)絡(luò)容量不能滿足天津港目前及今后發(fā)展需求；②GOTA終端款支撐不足。

3.3 400M/2.4 G/5.8 GHz Wi-Fi數(shù)據(jù)作業(yè)系統(tǒng)/監(jiān)視、無線監(jiān)控系統(tǒng)

天津港目前的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)覆蓋不全面，各個公司的數(shù)據(jù)傳輸缺乏統(tǒng)一的管理與規(guī)劃。

①400MHz數(shù)據(jù)傳輸。優(yōu)點是傳輸波長較長，在集裝箱等有遮擋的碼頭應(yīng)用時，信號繞射能力較強(qiáng)。但目前使用的終端為 DOS系統(tǒng)，界面友好性差，技術(shù)相對比較落后，在散雜貨碼頭應(yīng)用相對較多。②2.4GHz Wi-Fi數(shù)據(jù)傳輸。頻點少，會造成一定的相互干擾。此外，2.4GHz衰減快，在集裝箱碼頭容易造成覆蓋盲區(qū)。某些集裝箱碼頭公司毗鄰，出現(xiàn)相互干擾的狀況。③5.8GHz Wi-Fi數(shù)據(jù)傳輸。目前天津港5.8GHz Wi-Fi數(shù)據(jù)傳輸視頻的分辨率難以達(dá)到相關(guān)部門要求，穩(wěn)定性較差，在日常作業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用基本滿足現(xiàn)狀[3]。

4 工程建設(shè)方案

工程將建設(shè) TETRA無線數(shù)字集群調(diào)度通信系統(tǒng)，包括1個交換控制中心，8個基站，網(wǎng)絡(luò)覆蓋車載臺，在港口內(nèi)室外覆蓋率達(dá) 95%，手持機(jī)在港口覆蓋率達(dá)90%，重要地區(qū)覆蓋率達(dá)100%。

4.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

天津港TETRA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。控制交換中心由交換控制服務(wù)器、調(diào)度服務(wù)器、網(wǎng)管服務(wù)器、定位服務(wù)器、網(wǎng)管終端、智慧云調(diào)度平臺、互聯(lián)網(wǎng)關(guān)等設(shè)備組成。鏈路由以太網(wǎng)交換機(jī)、路由器、防火墻、光纖等設(shè)備組成。TETRA集群基站由基站控制器、信道機(jī)、電源、射頻分配系統(tǒng)、天饋等設(shè)備組成。

圖1 天津港TETRA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.1 Topological diagram of TETRA network in Tianjin Port

4.2 網(wǎng)絡(luò)覆蓋

4.2.1 整體覆蓋需求

根據(jù)天津港各單位分布和使用需求，預(yù)計需要有效覆蓋的范圍在 300km2左右。考慮室內(nèi)覆蓋的需求，預(yù)計需要 7～8個基站，并且多個基站的室外重疊覆蓋區(qū)域會很多。預(yù)選點分布如圖2所示。

圖2 預(yù)選站點分布圖Fig.2 Pre-selected site map

4.2.2 勘測結(jié)果及說明

本次勘探勘察并測試了預(yù)選的南十三基站、D局基站、東方海陸基站、太平洋基站，并且和各單位初步溝通了終端的大致數(shù)量和分組編號數(shù)。其中，D局基站、東方海陸基站、太平洋基站的測試結(jié)果與預(yù)估基本吻合，除航油大樓和環(huán)球滾裝公司大樓室內(nèi)信號稍弱以外，已測試的各地點通話質(zhì)量良好；南十三基站有幾處盲區(qū)，可以通過直放站進(jìn)行補(bǔ)盲處理。

4.3 容量規(guī)劃

港口作業(yè)具有呼叫密度高、強(qiáng)度大的特點，一般實行 24小時不間斷進(jìn)行，單次組呼時長及平均組呼時長遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的語音呼叫，平均組呼時長在20～30min，話務(wù)量密集。

假定港口每一組用戶一天內(nèi)平均每小時呼叫一次，時長為 20min，那么一組用戶的平均話務(wù)量(a)=20/60=0.33elr。

通過對8個基站的實際電測考察測試，東方海陸基站的話務(wù)量太大，按最大基站容量設(shè)計也滿足不了需求，為此將通過網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化來滿足需求，增大 LNG基站和信息公司基站的覆蓋，使其與東方海陸基站的重疊覆蓋區(qū)加大，然后把這2個基站的配置由4載頻擴(kuò)到8載頻，使其分擔(dān)東方海陸基站的話務(wù)壓力。

4.4 頻率規(guī)劃

目前，天津港口 GoTa數(shù)字集群通信網(wǎng)已占用頻率 816～821MHz/861～866MHz頻段中的 60對頻率。本次天津港項目預(yù)計架設(shè) 8個基站，每個基站根據(jù)用戶組數(shù)及話務(wù)量決定具體載頻數(shù)。由于每個基站最大支持 8載頻，可提供 31個業(yè)務(wù)信道，對于組數(shù)較多的區(qū)域，考慮增設(shè)基站來增加業(yè)務(wù)信道。頻率規(guī)劃需按照以下幾點原則：①在申請到可用頻點后，按照無三階互調(diào)的原則分組，以 4載頻或 8載頻一組，組內(nèi)頻無三階互調(diào)。②基站重疊覆蓋區(qū)無同頻或臨頻干擾。③若有同頻段系統(tǒng)需要設(shè)置一定的保護(hù)帶寬，防止系統(tǒng)間相互干擾。④相對于整個城市而言，由于港口總面積不是很大，若申請到的頻點足夠滿足系統(tǒng)需求則不用做頻率復(fù)用；若頻點不夠，則根據(jù)以上3點原則規(guī)劃頻率復(fù)用的方案。

4.5 系統(tǒng)功能

①呼叫功能：語音單呼、語音組呼、組呼遲入、組呼并入、廣播呼叫、緊急呼叫、優(yōu)先呼叫、有線電話呼叫。

②數(shù)據(jù)傳送功能：狀態(tài)消息、短消息、衛(wèi)星定位信息傳輸、分組數(shù)據(jù)、系統(tǒng)輔助功能、漫游、越區(qū)切換、通話限時、限定基站呼叫、呼叫限制、鑒權(quán)、報警、強(qiáng)拆、遙暈/復(fù)活。

③其他功能：端到端加密、全呼、全雙工單呼、呼叫搶話權(quán)、呼叫搶用戶、空口寫頻開戶、長短消息、短消息網(wǎng)關(guān)。

4.6 交換控制中心

交換控制中心包含移動交換中心、網(wǎng)管、智慧云調(diào)度平臺以及各種互聯(lián)網(wǎng)關(guān)等設(shè)備組成，主要實現(xiàn)基站間、基站和調(diào)度臺之間以及不同系統(tǒng)之間的呼叫處理、接續(xù)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理監(jiān)控等，是整個系統(tǒng)的處理中心(圖3)。

圖3 交換控制中心邏輯功能結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Logic function structure diagram of switching control center

天津港 TETRA系統(tǒng)交換控制中心硬件設(shè)計除了具有調(diào)度服務(wù)器、網(wǎng)管服務(wù)器、控制服務(wù)器、定位服務(wù)器以外，還需要具有互聯(lián)網(wǎng)關(guān)設(shè)備。交換控制中心通過該網(wǎng)關(guān)與PSTN和視頻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合，實現(xiàn)多套系統(tǒng)的互聯(lián)互通互控，進(jìn)行融合調(diào)度。

為了滿足天津港日常調(diào)度和應(yīng)急調(diào)度等應(yīng)用，數(shù)字集群系統(tǒng)的交換控制中心需要具備網(wǎng)管功能、調(diào)度功能、錄音功能、定位功能、二次開發(fā)應(yīng)用功能。

4.6.1 網(wǎng)絡(luò)管理功能

①網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能，包括基站各模塊監(jiān)控、遠(yuǎn)程升級管理、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔O(jiān)控等。

②用戶管理功能，包括用戶信息管理、組信息管理、隸屬關(guān)系管理等。

③配置管理功能，包括基站配置管理、信道機(jī)配置管理、交換控制中心配置管理等。

④故障管理功能，包括告警實時顯示、告警過濾顯示等。

⑤性能統(tǒng)計功能，統(tǒng)計的數(shù)據(jù)包括規(guī)定時間間隔內(nèi)系統(tǒng)的呼叫次數(shù)、呼叫類型、通話時長、用戶和通話組登記次數(shù)、基站內(nèi)呼叫次數(shù)、基站平均呼叫時長以及基站排隊次數(shù)，以及在規(guī)定時間間隔內(nèi)某個用戶的呼叫次數(shù)、呼叫類型、通話時長等。

4.6.2 全網(wǎng)錄音功能

可對全網(wǎng)通話進(jìn)行錄音。具有錄音查詢回放功能，通過權(quán)限控制來實現(xiàn)錄音數(shù)據(jù)的分別查詢。

4.6.3 定位功能

系統(tǒng)實現(xiàn)對目標(biāo)移動臺的定位監(jiān)視和查詢功能。具體要求如下：①提供定位對象選對功能，只對被選定的對象提供有關(guān)的定位顯示功能；②實時顯示選定手持終端及車載終端所處的位置；③電子地圖上跟蹤顯示目標(biāo)移動臺的動態(tài)位置及軌跡；④對指定目標(biāo)、指定時段的運動軌跡進(jìn)行回放；⑤對 GPS定位數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、存儲、更新或備份，存儲時間不少于3個月；⑥對 GPS已丟失的動態(tài)目標(biāo)可以找到記憶丟失前最后的位置信息和時鐘信息。

4.7 調(diào)度指揮中心

智慧云平臺融合了模擬常規(guī)、數(shù)字常規(guī)、模擬集群、數(shù)字集群以及 PSTN等系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)互通，提供遠(yuǎn)程統(tǒng)一調(diào)度與管理的數(shù)字調(diào)度解決方案(圖4)。幫助用戶以最快速度、最有效的手段進(jìn)行發(fā)布緊急通知和命令，并可以直觀顯示被通知對象的狀態(tài)。

4.7.1 指揮調(diào)度功能

智慧云平臺通過對接TETRA系統(tǒng)API接口，實現(xiàn)對TETRA系統(tǒng)內(nèi)的終端用戶指揮調(diào)度的功能。在智慧云平臺上可以實現(xiàn)語音調(diào)度、短數(shù)據(jù)發(fā)送、安全管理、可視化調(diào)度、多級調(diào)度等功能。

4.7.2 固定電話對接

智慧云平臺可以通過PSTN網(wǎng)關(guān)設(shè)備將TETRA系統(tǒng)與公網(wǎng)固定電話互聯(lián)，實現(xiàn) TETRA終端、調(diào)度臺、固定電話語音互通，更加方便快捷地滿足客戶調(diào)度需求。

圖4 智慧云平臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structural sketch of smart cloud platform

4.7.3 與視頻監(jiān)控對接

智慧云平臺可以實現(xiàn)與港口內(nèi)部的視頻監(jiān)控系統(tǒng)對接。在獲取港口視頻監(jiān)控的相應(yīng)接口權(quán)限后，可在調(diào)度平臺上實時顯示港口內(nèi)的監(jiān)控畫面，將語音調(diào)度、視頻監(jiān)控合二為一。

同時，智慧云平臺集成了本地視頻播放、網(wǎng)頁瀏覽、備忘錄等實用功能。

4.8 承載網(wǎng)

基站與核心網(wǎng)之間、應(yīng)用終端與核心網(wǎng)之間的承載網(wǎng)必須基于現(xiàn)有的技術(shù)、安全、需求等多方面綜合考慮來設(shè)計。

港口內(nèi)已建碼頭已鋪設(shè)光纖，擁有成熟穩(wěn)定的傳輸網(wǎng)，所以基站與中控、調(diào)度、網(wǎng)管之前均通過 IP光纖鏈路連接?；九c手持臺、車載臺、固定臺之間則通過 TETRA無線網(wǎng)絡(luò)連接。考慮到各站點 UPS無余量，擬為各站點配置 5kVA/8h的 UPS。其他配套設(shè)施，如機(jī)房、鐵塔、橋架、防雷接地等均利用原站點設(shè)施。

5 效益及推廣應(yīng)用前景

5.1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體性能提升

①性能提升 86%；平均時延由原來的 233ms減至31ms；丟包率由原來的38%降為0。

②寬帶和窄帶相結(jié)合無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的覆蓋半徑＞10km，兼顧覆蓋深度和廣度，寬帶和窄帶相結(jié)合無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有更高的安全性、可靠性以及智能性，同時更高效。

5.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

目前天津港4G專網(wǎng)包括1套核心網(wǎng)和31套基站。系統(tǒng)預(yù)計遠(yuǎn)期(3年后)用戶數(shù)為 2000戶，收入采取入網(wǎng)服務(wù)費的模式，每個用戶按照 200元/月計算，天津港集團(tuán)對 4G專網(wǎng)的日常運行只存在運行成本，1套核心網(wǎng)和31套基站運行成本為固定費用，人員費 50 萬元/年，基站電費 31萬元/年，光纖維護(hù)費20萬元/年。3年后，預(yù)期年收益379萬元/年。

5.3 社會效益分析

項目對無線資源進(jìn)行了統(tǒng)一規(guī)劃、建設(shè)、管理，與有線網(wǎng)絡(luò)組成立體化天津港網(wǎng)絡(luò)資源，為智能港口建設(shè)奠定數(shù)據(jù)傳輸基礎(chǔ)，滿足及保障天津港無線數(shù)據(jù)傳輸和視頻傳輸?shù)葢?yīng)用功能，解決無線網(wǎng)絡(luò)使用混亂、干擾嚴(yán)重和成本高問題，收到良好的社會效益。

5.4 推廣前景

TD-LTE具有 TDD寬帶、高速移動和大容量的特征，基于 TDD、OFDM 和多流智能天線，能夠?qū)崿F(xiàn)百兆高速率、十倍于3G的大容量；高帶寬高速率、多模多頻、低功耗、復(fù)雜干擾等[2]；克服了頻段高、頻譜散、電磁干擾繁雜、地理環(huán)境和場景復(fù)雜等問題，提供了高效干擾控制網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和體系化覆蓋及優(yōu)化等方案，具有良好的使用性、創(chuàng)新性以及推廣價值。