一種面向海洋牧場(chǎng)的無(wú)線通信解決方案

文｜何祥賢

海上無(wú)線通信信號(hào)弱，無(wú)法滿足海上作業(yè)工作人員平臺(tái)日常通信和生產(chǎn)作業(yè)的需求，是推進(jìn)現(xiàn)代化“海洋牧場(chǎng)” 建設(shè)面臨的難題。本文分析各種海洋復(fù)雜環(huán)境和現(xiàn)有海上作業(yè)平臺(tái)信號(hào)覆蓋情況，針對(duì)不同業(yè)務(wù)需求的特點(diǎn)，探討通過(guò)建設(shè)寬帶Mesh自組網(wǎng)方式，充分利用海上作業(yè)平臺(tái)掛高和電力資源，搭建面向海洋牧場(chǎng)的無(wú)線通信專(zhuān)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)高帶寬的TDD雙向通信，解決海上作業(yè)平臺(tái)工作人員日常通信和生產(chǎn)作業(yè)的需求，為面向海洋牧場(chǎng)的無(wú)線通信專(zhuān)網(wǎng)建設(shè)提供指導(dǎo)。

一、概述

目前傳統(tǒng)海洋養(yǎng)殖僅實(shí)現(xiàn)了部分要素或部分空間、時(shí)間環(huán)境監(jiān)測(cè)上的自動(dòng)化，但在現(xiàn)代化海洋牧場(chǎng)需要的廣域生態(tài)環(huán)境，多維信息化監(jiān)控和智能化漁業(yè)生產(chǎn)等方面還有很大距離。

為深入踐行海洋強(qiáng)國(guó)、農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，加快推動(dòng)現(xiàn)代化海洋牧場(chǎng)高質(zhì)量發(fā)展，應(yīng)對(duì)各種海洋復(fù)雜環(huán)境，可通過(guò)建設(shè)海上牧場(chǎng)寬帶Mesh自組網(wǎng)傳輸專(zhuān)網(wǎng)系統(tǒng)，借助寬帶Mesh自組網(wǎng)設(shè)備搭建無(wú)線傳輸鏈路，將水面及水下攝像機(jī)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)感應(yīng)器等硬件設(shè)備采集數(shù)據(jù)信息回傳至岸基指揮調(diào)度中心，前端海域數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在指揮中心的管理調(diào)度系統(tǒng)上，形成分析曲線，管理者可結(jié)合視頻、圖像信息分析統(tǒng)計(jì)生物量、魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)情況，完成海域看護(hù)、智能作業(yè)、人員安全防護(hù)，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖精準(zhǔn)化推動(dòng)綠色漁業(yè)發(fā)展，奮力打造“藍(lán)色糧倉(cāng)”。

二、Mesh自組網(wǎng)特點(diǎn)

（一）無(wú)中心同頻組網(wǎng)

Mesh無(wú)線自組網(wǎng)系統(tǒng)屬于無(wú)中心同頻系統(tǒng)，單一頻點(diǎn)支持具備 TDD雙向通信，頻率管理簡(jiǎn)單，頻譜利用率高。任意節(jié)點(diǎn)設(shè)備在無(wú)線自組網(wǎng)系統(tǒng)中功能和作用相同，均可作為末端節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)或指揮節(jié)點(diǎn)使用。無(wú)需機(jī)房和有線傳輸?shù)然A(chǔ)設(shè)施支撐，通過(guò)多跳中繼組網(wǎng)，擴(kuò)大覆蓋范圍。

（二） 多節(jié)點(diǎn)快速靈活組網(wǎng)

目前Mesh無(wú)線自組網(wǎng)系統(tǒng)可支持 32 個(gè)節(jié)點(diǎn)同頻組網(wǎng)，各節(jié)點(diǎn)快速部署、靈活組網(wǎng)。當(dāng)任意節(jié)點(diǎn)快速移動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的信道質(zhì)量、誤碼率、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率等各項(xiàng)影響業(yè)務(wù)帶寬的指標(biāo)，改變系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并自動(dòng)重新計(jì)算各節(jié)點(diǎn)之間的路由關(guān)系，并快速生成新的傳輸路由，且不會(huì)因系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化而影響語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù)。

（三）智能選擇，快速更新路由

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)能快速響應(yīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化，并迅速重新構(gòu)建路由系統(tǒng)，保障信息暢通。當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)脫網(wǎng)后，再開(kāi)機(jī)上電后即可“秒級(jí)”注冊(cè)組網(wǎng)，簡(jiǎn)單實(shí)用。保證系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)在脫網(wǎng)后重新入網(wǎng)時(shí)，能夠迅速建立通信。Mesh 無(wú)線自組網(wǎng)如果發(fā)生某條最優(yōu)路徑鏈路剩余帶寬不夠，可自動(dòng)選擇次優(yōu)進(jìn)行信息傳輸。

（四）具備高帶寬快移動(dòng)

基于20MHz載波帶寬情況下，Mesh無(wú)線自組網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)峰值帶寬可達(dá) 56Mbps。當(dāng)寬帶無(wú)線自組網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度在120公里/小時(shí)以內(nèi)，語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù)不會(huì)由于自組網(wǎng)設(shè)備高速移動(dòng)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)快速變化而影響數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)帶寬。

（五）安全高度保密

系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置工作頻點(diǎn)，載波帶寬、擾碼、通信距離及組網(wǎng)模式等“多把鎖”的編組加密，可有效防止非法用戶入侵網(wǎng)絡(luò)，只有當(dāng)上述多項(xiàng)完全吻合一致時(shí)，才能確保合法入網(wǎng)。該系統(tǒng)為全自主研發(fā)，傳輸協(xié)議為全自定義協(xié)議，空口傳輸采用64bit密鑰，可動(dòng)態(tài)生成加擾序列，實(shí)現(xiàn)信道加密，確保信息傳輸?shù)母叨劝踩?/p>

（六）支持多種業(yè)務(wù)

Mesh無(wú)線自組網(wǎng)系統(tǒng)支持語(yǔ)音、圖像、數(shù)據(jù)和定位信息（GPS/北斗）的實(shí)時(shí)傳輸。所有節(jié)點(diǎn)均可與控制終端配合使用，通過(guò)配置的 Mesh 自組網(wǎng)終端系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)各種管理調(diào)度功能。也可利用 Mesh 自組網(wǎng)終端系統(tǒng)軟件配置的移動(dòng)交互平臺(tái)與手機(jī)終端進(jìn)行實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)傳輸。

三、系統(tǒng)組成

（一）建設(shè)布局

寬帶Mesh自組網(wǎng)傳輸專(zhuān)網(wǎng)系統(tǒng)由岸基寬帶自組網(wǎng)基站、海上牧場(chǎng)?；鶎拵ё越M網(wǎng)基站和指揮中心調(diào)度平臺(tái)等部分組成。其中岸基基站架設(shè)在陸地鐵塔機(jī)房，具備運(yùn)營(yíng)商基站信號(hào)及光纖外網(wǎng)數(shù)據(jù)接入或互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)接入端口，利用岸基專(zhuān)用大功率無(wú)線基站設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)距離的語(yǔ)音通話及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的發(fā)送傳輸。

海上養(yǎng)殖平臺(tái)海上及海下各區(qū)域多路攝像頭，通過(guò)有線鏈路匯聚到海面基地總控室，總控室通過(guò)有線鏈接方式將視頻數(shù)據(jù)傳輸給?；蠊β首越M網(wǎng)基站，并通過(guò)寬帶Mesh極跳方式回傳給陸地岸基大功率基站，經(jīng)由運(yùn)營(yíng)商鏈路將相關(guān)視頻數(shù)據(jù)傳輸給指揮中心調(diào)度平臺(tái)并做圖形化呈現(xiàn)。示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖

（二）傳輸方案設(shè)計(jì)

考慮到海上養(yǎng)殖平臺(tái)設(shè)備架高條件，采用海上專(zhuān)用大功率無(wú)線基站設(shè)備，配合軍工級(jí)高增益全向玻璃鋼天線，解決陸地鐵塔與海上養(yǎng)殖平臺(tái)之間主干鏈路通信。在海上20-50KM距離，實(shí)際帶寬速率20Mbps，較好的滿足高帶寬的無(wú)線通信需求。

（三）天線安裝位置

選取海上養(yǎng)殖平臺(tái)最高點(diǎn)架設(shè)海上牧場(chǎng)海基寬帶自組網(wǎng)基站的設(shè)備天線，陸岸基站設(shè)備天線盡量選取鐵塔最高點(diǎn)，確保兩個(gè)設(shè)備天線之間沒(méi)有遮擋，采用大功率無(wú)線基站設(shè)備可建立兩點(diǎn)之間穩(wěn)定、可靠的無(wú)線自組網(wǎng)鏈路通道。

四、應(yīng)用案例解決效果

（一）網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量穩(wěn)定

通過(guò)岸上的服務(wù)器向平臺(tái)上的遠(yuǎn)端設(shè)備進(jìn)行通信PING包測(cè)試，測(cè)試時(shí)間90分鐘，平均時(shí)延15.6ms，丟包率為0%。

（二）網(wǎng)絡(luò)帶寬大

通過(guò)岸上的服務(wù)器向平臺(tái)上的遠(yuǎn)端設(shè)備發(fā)送和下載大數(shù)據(jù)包，經(jīng)過(guò)測(cè)試平均帶寬20MB/S，帶寬還可以根據(jù)實(shí)際需求調(diào)高至50M帶寬，可滿足平臺(tái)上的業(yè)務(wù)需求。平臺(tái)上作業(yè)人員日常通信通過(guò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)建立的Wi-Fi信號(hào)解決。

（三） 實(shí)時(shí)視頻效果

通過(guò)搭建的寬帶Mesh自組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了海上養(yǎng)殖平臺(tái)上的視頻信號(hào)實(shí)時(shí)回傳至岸上監(jiān)控中心。視頻畫(huà)面達(dá)到4K清晰度，為漁業(yè)領(lǐng)域各種決策與預(yù)測(cè)提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)協(xié)同、智慧服務(wù)。

五、結(jié)語(yǔ)

寬帶Mesh無(wú)線自組網(wǎng)采用是一種基于Mesh組網(wǎng)方式的新型寬帶“無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)”，不依賴于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，支持任意網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，與傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不同，是一個(gè)無(wú)中心、分布式、多跳中繼、動(dòng)態(tài)路由及擴(kuò)展性好的無(wú)線寬帶系統(tǒng)，內(nèi)部使用自有的路由協(xié)議，通過(guò)無(wú)線多跳轉(zhuǎn)發(fā)完成各節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線通信，具備優(yōu)異的寬帶性能和遠(yuǎn)程靈活控制工作模式。

寬帶Mesh無(wú)線自組網(wǎng)無(wú)線通信解決方案是通過(guò)Wi-Fi功能解決平臺(tái)上工作人員日常溝通的通信需求，通過(guò)視頻數(shù)據(jù)、感應(yīng)數(shù)據(jù)等信息的實(shí)時(shí)上傳，為海洋牧場(chǎng)深海作業(yè)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)信息化、智能化、現(xiàn)代化生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。