基于Ku波段HTS通信系統(tǒng)在海洋工程船舶的應(yīng)用探索

【摘要】? ? 隨著我國(guó)海洋開發(fā)由近海走向深海，大量深海項(xiàng)目工程作業(yè)展開，隨著海上船舶信息化不斷發(fā)展，工程船舶深海作業(yè)對(duì)通信大容量傳輸?shù)男枨笥l(fā)強(qiáng)烈，傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經(jīng)難以承擔(dān)目前高容量傳輸需求，已經(jīng)成為影響海洋工程船舶信息化的瓶頸。亞太6D衛(wèi)星升空，為海洋工程船舶提升通信容量、提高信息安全，提供新的解決途徑。本文通過亞太6D高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)在海油工程船舶的應(yīng)用探索，通過評(píng)估船舶傳輸通道需求，設(shè)計(jì)船舶網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，帶寬調(diào)度與保障機(jī)制，信息安全防護(hù)機(jī)制，為解決海洋工程及其他類海洋船舶大容量通信需求提供借鑒，對(duì)推進(jìn)海洋船舶深度信息化具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】? ? 海洋工程船舶? ? Ku波段? ? 高通量衛(wèi)星? ? 衛(wèi)星虛擬網(wǎng)絡(luò)

引言：

隨著海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略推進(jìn)，我國(guó)在海洋多個(gè)領(lǐng)域取得突破，特別是深海能源勘探開發(fā)領(lǐng)域，大量深海工程作業(yè)展開，我國(guó)工程船舶在深海作業(yè)愈發(fā)頻繁，而現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展帶來(lái)了技術(shù)變革也滲透到海洋工程中，工程船舶深海作業(yè)對(duì)通信大容量傳輸?shù)男枨笥l(fā)強(qiáng)烈。以中國(guó)海洋石油公司的海上工程船為例，船舶全球海域作業(yè)且作業(yè)區(qū)域不固定，船舶移動(dòng)的航線也不固定，因此長(zhǎng)期以來(lái)，海油的海洋工程船舶大多使用衛(wèi)星對(duì)外通信，傳統(tǒng)VSAT系統(tǒng)，無(wú)論是C波段、Ku波段衛(wèi)星系統(tǒng)均存在通信容量偏低、頻譜資源租用費(fèi)用偏貴問題，新一代高通量Ka衛(wèi)星系統(tǒng)又存在雨衰問題，難以適應(yīng)全氣候場(chǎng)景問題。通信傳輸已經(jīng)成為影響海洋工程船舶信息化的瓶頸，是保障海上船舶安全、提高工程效率亟待解決的問題。

2020年7月，亞太6D衛(wèi)星發(fā)射升空，亞太6D是我國(guó)首個(gè)Ku頻段高通量寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)首發(fā)星，使用東方紅四號(hào)增強(qiáng)型衛(wèi)星平臺(tái)（DFH-4E），具有“高承載、大功率、長(zhǎng)壽命、高可靠性”等優(yōu)勢(shì)。亞太6D攻克了國(guó)際先進(jìn)的Ku頻段超寬帶多端口功率放大器（MPA），實(shí)現(xiàn)了功率的資源池化，可以通過對(duì)通信帶寬進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，解決波束忙閑不均的問題，衛(wèi)星通信容量高達(dá)50Gbps。亞太6號(hào)W衛(wèi)星G/T值對(duì)比傳統(tǒng)衛(wèi)星平均提高8-10Db，抗雨衰能力更強(qiáng)。靈活的關(guān)口站切換技術(shù)，則讓亞太6D衛(wèi)星可以在國(guó)內(nèi)外8個(gè)關(guān)口站之間靈活切換，從而確保衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)安全。亞太6D通信大容量、動(dòng)態(tài)分配通信帶寬等一系列能力，為海洋工程船舶解決通信傳輸瓶頸提供新的解決途徑。

一、當(dāng)前海洋工程船舶通信面臨的困境

目前海洋工程船舶信息業(yè)務(wù)需求主要是語(yǔ)音、船舶運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)回傳、海上視頻監(jiān)控回傳、視頻會(huì)議、OA辦公、個(gè)人互聯(lián)網(wǎng)需求等業(yè)務(wù)，以海油工程某事業(yè)部為例，該事業(yè)部下轄11條船舶，作業(yè)區(qū)域遍布全球，多數(shù)使用傳統(tǒng)Ku波段衛(wèi)星服務(wù)，共計(jì)11條SCPC衛(wèi)星鏈路，每條鏈路通信容量1Mbps-2Mbps不等，可以實(shí)現(xiàn)的語(yǔ)音、辦公OA業(yè)務(wù)，滿足最低限度的日常辦公生產(chǎn)需求，通過梳理，主要存在幾個(gè)方面問題：1.由于船舶全球區(qū)域作業(yè)，衛(wèi)星鏈路存在多個(gè)服務(wù)商，多條鏈路陸地衛(wèi)星主站位于香港、新加坡等地，落地點(diǎn)信息安全無(wú)法保障，衛(wèi)星資源無(wú)法統(tǒng)一調(diào)度，設(shè)備硬件多品牌型號(hào)，故障響應(yīng)與維修效率差;2.多條船舶直接互聯(lián)網(wǎng)接入，沒有企業(yè)專網(wǎng)鏈路，企業(yè)內(nèi)部信息通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也存在外部通過互聯(lián)網(wǎng)入侵船舶系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn);3.衛(wèi)星鏈路容量小，應(yīng)急視頻回傳和日常視頻會(huì)議，畫面不清晰、卡頓嚴(yán)重，現(xiàn)有帶寬已經(jīng)無(wú)法承擔(dān)更高程度的辦公信息化需求;4.船員個(gè)人網(wǎng)絡(luò)需求激增，員工個(gè)人使用互聯(lián)網(wǎng)娛樂、休閑的需求無(wú)法滿足;5.船舶新技術(shù)應(yīng)用及擴(kuò)展能力弱，已經(jīng)無(wú)法滿足數(shù)字化船舶的要求，也無(wú)法適應(yīng)未來(lái)擴(kuò)展需要。

二、當(dāng)前海洋工程船舶通信需求分析

以海油工程船舶主要信息應(yīng)用單通道監(jiān)控視頻回傳、兩方視頻會(huì)議為例，通過測(cè)試監(jiān)控視頻回傳在不同分辨率、不同碼率、不同幀率、不同編碼格式下，占用速率情況及監(jiān)控視頻效果如下表1。

通過測(cè)試不同視頻分辨率、碼率的兩方視頻會(huì)議，獲得其占用速率情況及視頻會(huì)議效果如下表2。

以海工該事業(yè)部轄下具體船舶藍(lán)疆號(hào)為例，藍(lán)疆號(hào)大型起重鋪管船是一艘非自航無(wú)限航區(qū)作業(yè)的大型工程船，船體總長(zhǎng)157.5 m，型寬48 m， 滿載排水量58000 t，常態(tài)下作業(yè)人員100-200人，經(jīng)過測(cè)試統(tǒng)計(jì)，常態(tài)下，船舶對(duì)外語(yǔ)音并發(fā)數(shù)為6部，15-20臺(tái)計(jì)算機(jī)或其他終端并發(fā)在線OA辦公。通過測(cè)試，上述業(yè)務(wù)占用衛(wèi)星通信傳輸容量約2Mbps-3Mbps;視頻監(jiān)控回傳業(yè)務(wù)，根據(jù)表1，取一路720P攝像頭回傳衛(wèi)星通信1.06Mbps（單向回傳）。視頻會(huì)議業(yè)務(wù)，根據(jù)表2，取兩方視頻會(huì)議方式，占用衛(wèi)星通信傳輸容量約1.83Mbps（上0.9Mbps+下0.93Mbps）。經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算藍(lán)疆號(hào)最低衛(wèi)星通信容量需求為： 4.89Mbps。目前藍(lán)疆號(hào)衛(wèi)星鏈路容量為2Mbps，只能滿足語(yǔ)音與OA辦公業(yè)務(wù)，視頻監(jiān)控與視頻會(huì)議業(yè)務(wù)使用效果較差，若滿足設(shè)定的業(yè)務(wù)使用需求，衛(wèi)星鏈路帶寬至少還需擴(kuò)容2.8Mbps。該事業(yè)部下所有船舶若實(shí)現(xiàn)按上述信息化業(yè)務(wù)需求，均需擴(kuò)容，總帶寬需求數(shù)將增加30Mbps， 這將增加較大的通信成本支出。

三、基于亞太6D系統(tǒng)在海洋工程船舶的應(yīng)用設(shè)計(jì)

（一）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

由于亞太6D衛(wèi)星Ku頻段超寬帶多端口功率放大器，實(shí)現(xiàn)了功率的資源池化，可以通過對(duì)通信帶寬進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，解決波束忙閑不均的問題，也能動(dòng)態(tài)調(diào)整鏈路帶寬大小，由此構(gòu)建Ku波段24Mbps帶寬資源池，供11條船舶衛(wèi)星通信資源的自由調(diào)配，提高資源利用率，降低成本，提升通信效果，實(shí)現(xiàn)船舶應(yīng)急監(jiān)控視頻回傳到陸地應(yīng)急指揮中心、實(shí)現(xiàn)海陸視頻會(huì)議。對(duì)于具體船舶，通過KU波段衛(wèi)星天線建立一條KU波段衛(wèi)星鏈路，通過調(diào)制解調(diào)器分出兩條通信鏈路實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)與企業(yè)網(wǎng)兩條鏈路相互獨(dú)立。

通信主體有衛(wèi)星通信海洋工程船舶、衛(wèi)星地面站、中海油企業(yè)網(wǎng)。與業(yè)務(wù)相關(guān)的實(shí)體有衛(wèi)星、衛(wèi)星主站的通信天線、基帶系統(tǒng)、地面網(wǎng)、綜合服務(wù)平臺(tái)（SOP系統(tǒng)、能力開放平臺(tái)、SDP平臺(tái)）、專線、船舶端站?？蓪?shí)現(xiàn)船舶的企業(yè)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)兩種業(yè)務(wù)應(yīng)用相互獨(dú)立隔離流量從船舶透明交付到中海油陸地?cái)?shù)據(jù)中心和帶寬資源靈活調(diào)整優(yōu)先級(jí)與動(dòng)態(tài)分配。336DCAED-2B68-4515-AF58-6499ED040508

在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流向?qū)用?，所有工程船端站產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，經(jīng)由基帶側(cè)SVN+網(wǎng)絡(luò)側(cè)VPN+客戶側(cè)物理專線方式，實(shí)現(xiàn)端到端業(yè)務(wù)獨(dú)立隔離，帶寬和通道由中海油獨(dú)享。通道層面與其他用戶完全隔離，保護(hù)數(shù)據(jù)安全，企業(yè)網(wǎng)IP地址、專線對(duì)接IP地址按中海油企業(yè)網(wǎng)規(guī)劃和分配，互聯(lián)網(wǎng)IP地址、SVN與VPN的對(duì)接IP地址可由衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商規(guī)劃和分配，其互聯(lián)網(wǎng)出口可以根據(jù)需求直接從衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商側(cè)接入國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)。

在業(yè)務(wù)層面，采用亞太6D全球帶寬管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)帶寬資源靈活調(diào)整優(yōu)先級(jí)與動(dòng)態(tài)分配。中海油企業(yè)網(wǎng)通過對(duì)接衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商的開放平臺(tái)與智能網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)端站和用戶的全方位管控，滿足用戶資料、賬務(wù)信息、套餐定義、業(yè)務(wù)受理等方面的數(shù)據(jù)隔離和保密需求。衛(wèi)星鏈路可提供互聯(lián)網(wǎng)與企業(yè)網(wǎng)業(yè)務(wù)端到端完全隔離透明轉(zhuǎn)發(fā)流量，如下圖，網(wǎng)絡(luò)通過專線對(duì)接到衛(wèi)星關(guān)口站骨干網(wǎng)接入MPLS VPN隔離流量。不同通道鏈路通過物理專線+網(wǎng)絡(luò)側(cè)VPN+基帶側(cè)SVN方式實(shí)現(xiàn)安全隔離。

衛(wèi)星虛擬網(wǎng)絡(luò)（SVN）衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)安全隔離機(jī)制的模型，方法是在共享衛(wèi)星上擴(kuò)展專用網(wǎng)絡(luò)，以便用戶的遠(yuǎn)程設(shè)備可以像直接連接在私人網(wǎng)絡(luò)一樣發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

SVN類似于地面虛擬專用網(wǎng)（VPN）。兩者都提供連接跨通用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，同時(shí)隔離每個(gè)專用網(wǎng)絡(luò)的流量，并為每個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供獨(dú)立的IP地址空間。這個(gè)方法在iDirect網(wǎng)絡(luò)中叫做的“虛擬路由”。PP和衛(wèi)星路由器都在邏輯上維護(hù)虛擬路由表的方式類似于路由器供應(yīng)商的虛擬路由和轉(zhuǎn)發(fā)（VRF）功能。iDirect虛擬路由和VRF的組合隔離了客戶的路由表，允許相同的IP地址應(yīng)用在多個(gè)SVNs中。

該SVN用戶從左側(cè)的客戶專用網(wǎng)絡(luò)，使用MPLS VPN隧道（PW）通過地面MPLS（多協(xié)議標(biāo)簽交換）骨干網(wǎng)，通過包括PP在內(nèi)的衛(wèi)星接入站（SAS）和通過衛(wèi)星路由器（即衛(wèi)星貓Terninal）達(dá)到終端用戶局域網(wǎng)。在接入路由器（Access Router）上，MPLS VPN隧道被終止，并映射到一個(gè)唯一的符合802.1q的VLAN tag標(biāo)簽上，該tag標(biāo)簽與SVN的ID值相同，通過SAS和空中（OTA）路由域維護(hù)保持到衛(wèi)星路由器。一個(gè)SVN實(shí)例的相關(guān)接口集綁定到該SVN標(biāo)簽的VRF下（VRF Lite），這樣，每個(gè)客戶SVN運(yùn)行一個(gè)獨(dú)立VRF，IP地址可以重復(fù)使用。

（二）資源分配，企業(yè)網(wǎng)應(yīng)用保障設(shè)計(jì)

24Mbps KU波段帶寬資源靈活調(diào)整優(yōu)先級(jí)與動(dòng)態(tài)分配，設(shè)置承諾信息速率（CIR），則在船舶/應(yīng)用的優(yōu)先級(jí)（Priority）一致的情況下，優(yōu)先將帶寬分配給有CIR的船舶/應(yīng)用（互聯(lián)網(wǎng)），剩余帶寬再分配給其他船舶/（互聯(lián)網(wǎng)），讓這些應(yīng)用得以有一定程度的速率保障。

舉例：CIR需求未超帶寬池，一輪或多輪分配。

帶寬池為24，企業(yè)網(wǎng)業(yè)務(wù)有CIR 12，互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)沒有CIR。企業(yè)網(wǎng)業(yè)務(wù)請(qǐng)求18，互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)請(qǐng)求12，總請(qǐng)求30超過帶寬池24。

1.首先保障有CIR的企業(yè)網(wǎng)業(yè)務(wù)，CIR 12沒有超過帶寬池24，先給企業(yè)網(wǎng)業(yè)務(wù)分配12。

2.剩余帶寬12。12（剩余帶寬）÷2（數(shù)量）= 6，所以各分配6。企業(yè)網(wǎng)業(yè)務(wù)得到18，需求得到滿足，互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)只得到6，需求未得到滿足。

多輪分配原理與一輪分配大致，將一輪分配剩余帶寬按CIR未滿足的平均分配;此外還可配合開銷值Cost按比例分配帶寬資源等。根據(jù)船舶的需要相互調(diào)配，保障企業(yè)網(wǎng)大帶寬應(yīng)急的需求又能節(jié)省資源。

四、應(yīng)用效果

按照網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行工程實(shí)施，按帶寬資源分配機(jī)制調(diào)試，項(xiàng)目達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)預(yù)想效果：1.事業(yè)部轄下11條船舶實(shí)現(xiàn)全球海域衛(wèi)星接入，基于一套硬件系統(tǒng)同時(shí)提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)與多路企業(yè)網(wǎng)鏈路連接服務(wù)，互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)與企業(yè)網(wǎng)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)隔離管控。2. 11條衛(wèi)星鏈路共享24M衛(wèi)星帶寬池資源，較原來(lái)船舶衛(wèi)星帶寬，僅增加約2M，并可基于鏈路業(yè)務(wù)需求，對(duì)任意衛(wèi)星鏈路進(jìn)行傳輸容量自定義，通過對(duì)帶寬池頻譜資源的時(shí)分復(fù)用調(diào)度，亞太6D衛(wèi)星點(diǎn)波束的頻譜空間復(fù)用，每條船可分配帶寬4.89M，基本實(shí)現(xiàn)工程船關(guān)于視頻監(jiān)控、視頻會(huì)議、語(yǔ)音、互聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用需求。3.支持任意一衛(wèi)星鏈路下，多路企業(yè)網(wǎng)鏈路、互聯(lián)網(wǎng)鏈路傳輸容量自定義分配，衛(wèi)星通信系統(tǒng)具備快速擴(kuò)容的能力。4.在環(huán)境和流程制度上確保船舶網(wǎng)絡(luò)安全符合IMO 海上安全委員會(huì)、中國(guó)船級(jí)社的相關(guān)要求。

由于通信帶寬的增加，改變了船舶生產(chǎn)辦公的方式，陸地監(jiān)控中心可按需調(diào)取海上監(jiān)控視頻，工程船舶的運(yùn)行狀態(tài)可實(shí)時(shí)回傳至陸地船舶狀態(tài)監(jiān)控中心，海陸會(huì)議溝通由原來(lái)電話語(yǔ)音為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l會(huì)議為主，大大的提升的辦公效率，同時(shí)海上員工的個(gè)人網(wǎng)絡(luò)需求得到滿足，利于國(guó)家政策、精神宣傳到海上第一線，便于企業(yè)文化、企業(yè)關(guān)懷延伸至一線。

五、結(jié)束語(yǔ)

基于Ku波段HTS通信系統(tǒng)在海洋工程船舶的應(yīng)用探索，為解決海洋工程船舶及其他類海洋船舶對(duì)外通信提供一種有效的解決方案，特別是基于帶寬池共享，單鏈路下多業(yè)務(wù)邏輯通道通信容量動(dòng)態(tài)切換與自定義的研究與探索，是滿足用戶需求與費(fèi)用支出控制，性價(jià)比組合較高的應(yīng)用嘗試，對(duì)類似需求的場(chǎng)景極具參考與借鑒價(jià)值。

作者單位：彭義東? ? 中海油信息科技有限公司

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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