20 世紀以來， 通信系統(tǒng)經(jīng)歷了從電纜到光纜、有線到無線、從模擬到數(shù)字、從 1G 到 5G, 陸上通信系統(tǒng)發(fā)生著日新月異的發(fā)展變革。然而，在浩瀚的海洋上，由于海洋環(huán)境復(fù)雜多變、海上施工十分困難等原因，海洋通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展明顯滯后于陸地通信網(wǎng)絡(luò)。近年來，隨著我國海事活動日趨頻繁和海洋經(jīng)濟迅猛發(fā)展，研發(fā)新一代海洋通信技術(shù)與系統(tǒng)已經(jīng)成為了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界一個備受矚目的焦點。無論是港口、碼頭、岸海通信系統(tǒng)、岸島通信系統(tǒng)、海上船組編隊、無人船編隊、海天一體、海上平臺等互聯(lián)互通組網(wǎng)需求越來越多，需求的形式也產(chǎn)生了多樣化的需求，遠距離、高帶寬、視頻、語音、數(shù)據(jù)、控制、遙測等各種需求，越來越迫切。

常規(guī)的海洋通信網(wǎng)絡(luò)主要包括海上無線通信系統(tǒng)、海洋衛(wèi)星通信系統(tǒng)和基于陸地蜂窩網(wǎng)絡(luò)的岸基移動通信系統(tǒng)。由于這些通信系統(tǒng)的通信制式互不兼容、通信帶寬高低不一、覆蓋范圍存在盲區(qū)、缺乏高效統(tǒng)一的管理機制，常規(guī)海洋通信網(wǎng)絡(luò)越來越難以滿足我國日益增長的海洋活動需求，成為制約海洋開發(fā)與探索向縱深發(fā)展的重大瓶頸。因此，必須充分調(diào)研我國海洋通信的發(fā)展現(xiàn)狀，了解世界先進海洋通信技術(shù)， 探索與我國海洋環(huán)境相一致的海上信道模型，開發(fā)適合我國國情的海洋通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，最終構(gòu)建一個高速率、高可靠、全覆蓋、易管理、低成本的新型海洋通信網(wǎng)絡(luò)。

海洋通信的相關(guān)方式

圖1

如圖 1 所示，我國廣泛應(yīng)用的海上無線通信系統(tǒng)主要包括海上無線通信網(wǎng)絡(luò)、海洋衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)和岸基移動通信網(wǎng)絡(luò), 它們共同構(gòu)成一個基本實現(xiàn)海洋全覆蓋的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。該系統(tǒng)能夠保障近海、遠海和遠洋的船舶到海岸、船舶到船舶的日常通信；在海洋運輸、油氣勘探開采、海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋漁業(yè)、海水養(yǎng)殖和海洋科考等領(lǐng)域，提供了相對可靠、準確、及時和安全的通信基礎(chǔ)設(shè)施。

圖2 陸海空通信系統(tǒng)

圖2中，岸基通信系統(tǒng)可通過地面光纖線路形成一個遠距離的內(nèi)網(wǎng)系統(tǒng)，離岸較近的船舶可以通過海上無線自組網(wǎng)通信系統(tǒng)與陸地基站進行互聯(lián)互通，當(dāng)船舶遠離岸基無線通信系統(tǒng)時，則可以結(jié)合衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面中心相連，母船在周邊的小船則可以通過海上自建的自組網(wǎng)通信系統(tǒng)與母船相鏈接，大船在行進過程當(dāng)中可以與岸基或者與島基通信系統(tǒng)或者與高空衛(wèi)星通信系統(tǒng)互聯(lián)，最終形成一個有效的海洋通信網(wǎng)絡(luò)。

典型的通信組網(wǎng)方式

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

鏈型拓撲架構(gòu)

所謂鏈型拓撲，既節(jié)點之間是通過是通過相鄰節(jié)點直接互相傳遞，相隔節(jié)點之間不能直接實現(xiàn)通信，必須通過相鄰節(jié)點進行通信轉(zhuǎn)接。實現(xiàn)的方式主要兩種：

Mesh自組網(wǎng)單頻點同頻組網(wǎng)跳轉(zhuǎn)通信（優(yōu)勢是架設(shè)靈活、方便，無中心，不受設(shè)備順序困擾，缺點是經(jīng)過多跳后帶寬成倍下降），如圖4

圖4 mesh鏈狀組網(wǎng)

點對點橋接異頻接力組網(wǎng)傳輸，每個節(jié)點處需要放置雙頻點通信裝置（可以是兩臺設(shè)備，也可以是一臺設(shè)備具備兩個獨立的射頻通道），接力傳輸裝置也分為兩種模式，一種模式是普通的點對點橋接裝置，需要人為設(shè)置頻點，編排順序（如圖5所示）。另外一種方式是設(shè)置好主站和子站，調(diào)整完畢后可通過主站發(fā)出指令，自動編排組網(wǎng)。

圖5 點對點橋接接力傳輸

星型拓撲架構(gòu)

這種方式主要是有中心的工作方式，各點必須通過中心節(jié)點進行互聯(lián)互通，無線組網(wǎng)應(yīng)用主要是點對多點的工作方式。

圖6 點對多點星型網(wǎng)絡(luò)

3、網(wǎng)型拓撲架構(gòu)

圖7 16節(jié)點全網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)狀網(wǎng)圖

網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點之間可以彼此相連，每個節(jié)點可以與網(wǎng)中的多個節(jié)點互聯(lián)互通，同時又可以避免環(huán)網(wǎng)現(xiàn)象。設(shè)備自身可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況自行判斷數(shù)據(jù)走向路徑。

混合型拓撲架構(gòu)

混合型拓撲架構(gòu)結(jié)合了點對點（鏈狀網(wǎng)絡(luò)）、點對多點（星型網(wǎng)絡(luò)）、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)、樹形拓撲、環(huán)形圖譜等。實際應(yīng)用當(dāng)中常常會用到混合組網(wǎng)方式，這樣可以最大的發(fā)揮各種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)勢，而且也比較經(jīng)濟合理。圖2就是一種典型的混合型拓撲架構(gòu)。

圖8 樹形拓撲架構(gòu)

圖9 環(huán)形拓撲架構(gòu)

四、海洋通信中的典型應(yīng)用舉例

1、海上應(yīng)急救援自組網(wǎng)通信應(yīng)用

圖10 應(yīng)急救援自組網(wǎng)應(yīng)用圖

2、海上巡邏自組網(wǎng)通信應(yīng)用

圖11陸?？胀ㄐ畔到y(tǒng)

3、海上登船突擊檢查綜合通信保障應(yīng)用

圖12海上突擊檢查無線自組網(wǎng)通信保障系統(tǒng)

4、海上無人靶船演練自組網(wǎng)通信控制系統(tǒng)

圖13 海上無人靶船應(yīng)用

5、遠洋科考船綜合無線自組網(wǎng)通信保障應(yīng)用

圖14 科考船無線通信保障應(yīng)用

6、無人船編隊組網(wǎng)應(yīng)用

圖15 無人船編隊無線通信組網(wǎng)應(yīng)用

7、海陸空綜合無線通信組網(wǎng)應(yīng)用

圖16

8、海上浮標與船隊無線通信組網(wǎng)應(yīng)用

圖17

9、海上作業(yè)平臺與浮標及衛(wèi)星的綜合無線通信組網(wǎng)應(yīng)用

五、相關(guān)產(chǎn)品簡介

1、海上衛(wèi)星通信裝備

由于無線電波傳播特性不穩(wěn)定、海上信道環(huán)境復(fù)雜多變、傳輸距離受限等因素， 海上無線電通信網(wǎng)絡(luò)無法為任意海域的用戶提供滿意的通信服務(wù)。相反, 衛(wèi)星通信能實現(xiàn)對全球 “無縫隙” 覆蓋， 衛(wèi)星通信在海洋通信中擁有不可替代的地位。在世界范圍內(nèi), 典型的海洋衛(wèi)星通信系統(tǒng)包括海事衛(wèi)星系統(tǒng)(INMARSAT)、銥星系統(tǒng) (Iridium)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) (BeiDou) 和我國近期發(fā)射的 “天通一號” 衛(wèi)星

移動通信系統(tǒng)等。

海事衛(wèi)星系統(tǒng)是國際海事組織 (IMO) 建設(shè)的、兼容全球海上遇險與安全系統(tǒng) (GMDSS) 的唯一海洋衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其系統(tǒng)穩(wěn)定性高達 99.99％。作為全球移動衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的領(lǐng)跑者，在過去30多年里, 國際海事組織不斷引進新的技術(shù)并服務(wù)社會，推出多種海事衛(wèi)星系統(tǒng)，包括 Inmarsat-A, -B，-C，-D/-D+， -E， -M， Mini-M 等, 它們提供的通信服務(wù)速率最低為 9.6 kbps， 最高速率達到 128 kbps。2007 年，國際海事組織發(fā)射 Inmarsat-4 衛(wèi)星群，提出了BGAN (broadband global area network) 概念，提供共享信道、包交換服務(wù)和 IP 流服務(wù), 峰值速率分別為 432 kbps 和 256 kbps。BGAN 最大的特點是可全球覆蓋 (除極地海域外)。2014 年底, 國際海事組織建成新一代廣覆蓋無線寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該系統(tǒng)被稱為海事GX系統(tǒng) (inmarsat global Xpress)，由三顆Inmarsat-5衛(wèi)星群組成，實現(xiàn)完全的全球覆蓋并大幅提高通信速率。GX系統(tǒng)優(yōu)勢主要表現(xiàn)在， 工作在頻率資源豐富的 Ka 頻段，用戶終端天線尺寸為 60 cm 時， 可提供50 Mbps下行數(shù)據(jù)速率和5 Mbps的上行數(shù)據(jù)速率；而用戶終端天線尺寸為20 cm 時，可提供 10 Mbps 下行數(shù)據(jù)速率。

我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航、授時服務(wù), 并且還具有短報文通信能力。在 2014 年 11 月， 國際海事組織海上安全委員會正式將中國北斗系統(tǒng)納入全球無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。 截止 2016 年 2 月, 北斗系統(tǒng)由 16 顆衛(wèi)星構(gòu)成, 已覆蓋亞太地區(qū)， 2020 年左右全部 35 顆衛(wèi)星在軌運行，實現(xiàn)全球覆蓋。北斗系統(tǒng)作為一個成熟的導(dǎo)航

系統(tǒng)，不但能為海上船舶提供定位導(dǎo)航服務(wù)，而且其短報文通信功能可以提供遇險求救、航海通告等服務(wù)。

2、固定點位高帶寬中繼接力微波通信裝置

固定點微波裝備主要采用C波段（4.0- 8.0GHz）和X波段（8-12 GHz）設(shè)備進行點對點的高帶寬組網(wǎng)傳輸，在實際應(yīng)用當(dāng)中，充當(dāng)干線鏈路傳輸?shù)淖饔?。在一定的范圍?nèi)骨干網(wǎng)設(shè)備可提供100–600Mbps是數(shù)據(jù)傳輸速率。

3、自組網(wǎng)通信裝置

主要采用mesh組網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計，設(shè)備頻段選擇可以支持U段（325MHz~900MHz，根據(jù)功放頻率可選擇），L段（1~2GHz，根據(jù)功放頻率可選擇），S段（2~4GHz根據(jù)功放頻率可選擇），C段（4-6GHz，根據(jù)功放頻率可選擇），X波段（8~12GHz，根據(jù)功放頻率可選擇）。以上頻段可以根據(jù)實際需要進行靈活搭配使用。

先進的MESH設(shè)計理念，不需要中心網(wǎng)關(guān)，任意一臺均可實現(xiàn)自組網(wǎng)絡(luò)功能，在群組內(nèi)任意一臺設(shè)備掉線，在有效的天線覆蓋范圍內(nèi)均會有對應(yīng)的設(shè)備繼續(xù)通信，保證網(wǎng)絡(luò)不掉線。在實際應(yīng)用當(dāng)中，我們可以采用環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)設(shè)計而不用擔(dān)心環(huán)網(wǎng)堵塞的問題。

系統(tǒng)主要特征：

無中心同頻組網(wǎng)

MESH 無線自組網(wǎng)系統(tǒng)為無中心同頻系統(tǒng)，所有節(jié)點地位對等，單一頻點支持具備 TDD雙向通信，頻率管理簡單，頻譜利用率高。任意節(jié)點設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中均可作為末端節(jié)點、中繼節(jié)點或指揮節(jié)點使用。在任何時間任何地點，不依任何其它的固定通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施（如光纖、銅纜等），可迅速建立無線通信網(wǎng)絡(luò)。所有無中心同頻自組網(wǎng)設(shè)備，包括室外固定臺、應(yīng)急布控臺、車載臺及單兵便攜臺等，只需開機上電就可自動組成無線網(wǎng)狀網(wǎng)，相互之間實時通信。

多節(jié)點快速靈活組網(wǎng)

MESH 無線自組網(wǎng)系統(tǒng)目前同頻組網(wǎng)可支持 32 個節(jié)點，可快速部署、靈活組網(wǎng)。在各個節(jié)點快速移動時，系統(tǒng)可根據(jù)多個節(jié)點之間的信道質(zhì)量、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率、誤碼率等各項指標，隨著拓撲結(jié)構(gòu)變化信息，自動重新計算多個節(jié)點之間的路由關(guān)系并快速生成新的路由表，網(wǎng)絡(luò)拓撲隨之實時更新。此時，語音、數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù)不會因系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)變化而受影響。

快速入網(wǎng)

節(jié)點在開機上電后即可“秒級”注冊組網(wǎng)，簡單實用。保證系統(tǒng)節(jié)點在脫網(wǎng)后重新入網(wǎng)時，能夠迅速建立通信。如下 所示，單兵 4 由于移動造成脫網(wǎng)，當(dāng)其向已有網(wǎng)絡(luò)靠近時，可重新迅速入網(wǎng)。

路由快速更新

如下圖左邊所示 7 個單兵形成最多 3 跳拓撲結(jié)構(gòu)，由于單兵移動，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化至?xí)r，系統(tǒng)能快速響應(yīng)拓撲結(jié)構(gòu)變化，并迅速重新構(gòu)建路由系統(tǒng)，保障信息暢通。

智能路由選擇

MESH 無線自組網(wǎng)如果發(fā)生某條最優(yōu)路徑鏈路剩余帶寬不夠，可自動選擇次優(yōu)進行信息傳輸。如下圖左所示，當(dāng)實線無線鏈路被占滿，最左邊單兵要發(fā)起業(yè)務(wù)給最右邊單兵時，可通過右圖所示上邊的鏈路建立傳輸路徑。

多小組快速合并

如下圖所示，7 人小組由于地理隔離因素分拆成兩個小組：A 組和 B 組。A 組成員和 B組成員之間暫時無法進行通信。當(dāng)兩個小組需要本地協(xié)同，重新靠近時，可在 2s~4s 時間內(nèi)重新融合成一個 7 人大組，所有 7 人成員間可以進行正常的通信，新的網(wǎng)絡(luò)拓撲不影響原有業(yè)務(wù)傳輸。

任意網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

MESH 無線自組網(wǎng)系統(tǒng)支持任意網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，如點對多點、鏈狀中繼、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)及混合網(wǎng)絡(luò)等。如下圖所示為在MESH終端系統(tǒng)軟件上顯示的各種應(yīng)用過的多種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖。

高數(shù)據(jù)帶寬快速移動

MESH 無線自組網(wǎng)系統(tǒng)的峰值數(shù)據(jù)帶寬為 56Mbps（基于20MHz載波帶寬）。節(jié)點具備非固定移動傳輸能力，且快速移動也不影響高數(shù)據(jù)帶寬業(yè)務(wù)，如語音、數(shù)據(jù)和視頻的業(yè)務(wù)不會受到系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)快速變化以及終端高速運動的制約影響。

抗干擾性

通過外接濾波器，有效抑制帶外諧波干擾，提高信號的抗干擾性及信噪比。同時，采用ARQ（自動重傳請求）傳輸機制，降低數(shù)據(jù)傳輸丟失率，提升數(shù)據(jù)傳輸可靠性。此外，自帶掃頻功能，可根據(jù)所配中心頻點掃頻結(jié)果，手動配置選取受干擾影響較小頻率設(shè)置中心頻點，實現(xiàn)干擾頻率躲避。

抗多徑能力

MESH 無線自組網(wǎng)系統(tǒng)抗多徑能力強，且支持自動無線中繼傳輸，系統(tǒng)內(nèi)所有節(jié)點支持多跳中繼（接力）通信，可適應(yīng)多種地形和應(yīng)用場景。尤其在山區(qū)地貌、密集城區(qū)或植被覆蓋、建筑高層或縱深、地下室、地鐵、隧道等傳統(tǒng)無線電設(shè)備難以覆蓋或弱覆蓋的場景區(qū)域，針對上述障礙物遮蔽非通視（NLOS）、地表與地下通信等需求場景，可憑借卓越的繞射反射多徑傳輸及穿透能力，再依托中繼臺進行有效覆蓋延伸，很好地實現(xiàn)抗多徑接力傳輸。

抗毀容災(zāi)性

MESH 無線自組網(wǎng)系統(tǒng)在單個節(jié)點設(shè)備故障時不影響整個網(wǎng)絡(luò)的使用。無線 MESH 網(wǎng)絡(luò)是一個網(wǎng)狀組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，因而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某個節(jié)點發(fā)生故障時，原本經(jīng)由該節(jié)點進行的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)將在路由協(xié)議的引導(dǎo)下，通過其他節(jié)點并選擇最佳的傳輸路徑進行中繼傳輸，整個網(wǎng)絡(luò)仍可自愈正常工作，這極大地提升了無線 MESH 網(wǎng)絡(luò)的容災(zāi)可靠性，同時具有較好的容錯性能。

安全保密性

系統(tǒng)通過設(shè)置工作頻點，載波帶寬、擾碼（即 MESHID）、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)上述多項完全吻合一致時，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，可動態(tài)生成加擾序列，實現(xiàn)信道加密，確保信息傳輸?shù)母叨劝踩淮送?，系統(tǒng)還支持DES/AES128/AES256（可選配）的信源加密。

全IP組網(wǎng)互聯(lián)互通

MESH 無線自組網(wǎng)系統(tǒng)采用全 IP 的設(shè)計理念，目前支持各種數(shù)據(jù)的無差異化透傳，易于與其他異構(gòu)通信系統(tǒng)（如公網(wǎng)、專網(wǎng)、衛(wèi)通及微波等）互聯(lián)互通，實現(xiàn)多媒體業(yè)務(wù)實時交互。

支持多種業(yè)務(wù)

MESH 無線自組網(wǎng)系統(tǒng)支持語音、圖像、數(shù)據(jù)和定位信息（GPS/北斗）的實時傳輸。所有節(jié)點均可與控制終端配合使用，通過配置的 MESH 自組網(wǎng)終端系統(tǒng)軟件實現(xiàn)各種管理調(diào)度功能。也可利用 MESH 自組網(wǎng)終端系統(tǒng)軟件配置的移動交互平臺與手機終端進行實時業(yè)務(wù)傳輸。