（通信与信息系统专业论文）基于多网融合的海事通信系统组网及接入技术研究.pdf

摘要 海事通信系统的主要作用是实现海上船舶与岸台的通信功能，并通过岸台对海上船舶进行管 理、监控、调度和遇险救助。目前我国的海事通信系统因服务部门不同而各异，各个网络虽然可 以实现本网络内的通信需求，但列络之间信息交互不足，难以保证对海上船舶的高效调度。建：迂 一套集船位监控、遇险救助、通讯指挥于一体的海事通信系统具有重要意义。 本论文在分析了海事通信系统的现状与需求的基础上，提出一种基于多网融合的海事通信系 统的组网方案，融合了短波通信、蜂窝移动通信、卫星通信和有线通信等多种通信手段，能够满 足大规模的船舶与岸台的数据通信、语音通信、信令通信等通信需求，并满足岸台对船舶的定位 监控与调度指挥等需求。本论文所述组网方案通过g p s 、g i s 技术实现监控中心对船舶的统一定 位监控，并引入a i s 技术达到防j ：船舶之间碰撞的目的。多种海上通信渠道保证了船舶与岸台通 信的可靠性和通信方式的灵活性。统一的监控中心通过对不同海事通信系统的控制端进行信息汇 总，增强了不同海事系统的信息共享，便于监控中心更好的保障海i ：交通安全和调度求援。 在上述组网方案的基础上，本论文针对短波信道的特点，提出一种基于o f d m a 的海上短波 信道的接入方案。o f d m 技术的引入增加了短波信道的容量，并改善了海上短波通信的性能。 本论文重点对岸台控制网络的有线接入技术进行了研究。针对小规模和大规模的岸台控制网 络，从简化设备的角度，提出基十模拟语音卡的计算机接入p s t n 的接入方案和基于数字语音卡 的计算机接入i s d n 的接入方案。对语音卡的二次开发是这两种接入方案实现的关键，通过将语 音卡的相关功能封装成“语音卡通信功能模块”，使用时嵌入到上层监控软件中，实现监控软件对 语音卡的t 作细节“透明”。本论文着重研究了利用而向对象思想对“语音卡通信功能模块”进行 设计，并通过c 撑编程实现对语音卡的二次开发，进而实现了基于语音卡的有线接入方案。对这两 种语音卡接入方案的测试结果表明，通过语音卡可以实现计算机接入电信网的功能，并且设备简 单，适宜不同规模的海事通信系统的岸台控制网络使用。 关键词：多网融合；语音卡；有线接入；短波通信；正交频分复用；面向对象编程 a b s t r a c t 1 1 l em a r i t i m ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mp r o v i d e sc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e sb e t w e e nt h es h i p so v e rt h e s e aa n dt h ec o n t r o lc e n t e ro nt h el a n d i ta l s op r o v i d e ss u p e r v i s i o ns e r v i c ef o rt h ec o n t r o lc e n t e r , w h i c h c a l lr e s c u et h es h i p si nd i s t r e s s n o w a d a y st h e r ea r es e v e r a lm a r i t i m ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m si ns e r v i c e f o rd i f f e r e n td e p a r t m e n t si no u rc o u n t r y t h e s es y s t e m sa l w a y sp r o v i d ei n t e r n a ls e r v i c e sw i t h o u t i n f o r m a t i o ns h a r i n gb e t w e e ne a c ho t h e r , w h i c hm a k es u p e r v i s i o na n dr e s c u es e r v i c ei n e f f i c i e n t t h e t h e s i sw o r k so ni m p r o v i n ga n dp e r f e c t i n gt h em a r i t i m ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s n et h e s i ss t u d i e st h ec u r r e n ts i t u a t i o na n ds e r v i c er e q u i r e m e n to ft h em a r i t i m ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m t h e n ，an e t w o r k i n gs c h e m ef o rt h em a r i t i m ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sp r o p o s e d ，w h i c hi sb a s e d o nt h eh fc o m m u n i c a t i o n ，m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o na n dw i r ec o m m u n i c a t i o n ， p r o v i d i n gc o m m u n i c a t i o ns e r v i c ef o rt h es h i p sa n ds t a g e - m a n a g e m e n ts e r v i c ef o rt h el a n d b a s e dc o n t r o l c e n t e r w i t ht h eh e l po ft h eg p sa n dg i st e c h n i q u e ，t h ec o n t r o lc e n t e rs u p e r v i s e sa l lt h es h i p si nt h e s y s t e m t h ea i st e c h n i q u ei sa l s oa p p l i e dt oa v o i ds h i p - c o l l i s i o n b a s e do nm u l t i n e t w o r k i n g ，t h e n e t w o r k i n gs c h e m ep r o v i d e sm o r er e l i a b l ea n df l e x i b l ec o m m u n i c a t i o ns e r v i c e s w h a t sm o r e ，t h e c o n t r o lc e n t e rp r o v i d e se f f i c i e n ts t a g e m a n a g e m e n to fa l lt h es h i p so v e rt h es e ab yg a t h e r i n gs h i p s i n f o r m a t i o nf r o md i f f e r e n td e p a r t m e n ts y s t e m s f u r t h e r m o r e ，c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e ro f t h ei - i fc h a n n e l ，t h ea p p l i c a t i o no f t h eo f d m at e c h n i q u e i nh fc h a n n e li n c r e a s e st h ec a p a c i t yo ft h ec h a n n e la n di m p r o v e st h ec o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c e f i n a l l y , t h et h e s i se m p h a s i z e so nt h er e s e a r c ho fw i r e da c c e s st e c h n i q u ei nt h el a n d b a s e dc o n t r o l n e t w o r k a sf o rt h em i d d l e s c a l el a n d b a s e dn e t w o r k ，t h ec o n t r o lc o m p u t e ra c c e s s e st h ep s t nb yt h e a n a l o gv o i c eb o a r d w h i l ef o rt h el a r g e s c a l el a n d b a s e dn e t w o r k ，t h ec o n t r o lc o m p u t e ra c c e s s e st h e i s d nb yt h ed i g i t a lv o i c eb o a r d t h er e a l i z a t i o no ft h et w ow i r e da c c e s ss c h e m e si sb a s e do nt h e r e d e v e l o p m e n to ft h ev o i c eb o a r db yc 撑o b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g t h er e d e v e l o p m e n tr e s u l t sa r e s e a l e da s “v o i c eb o a r di n t e r - c o m m u n i c a t i o nm o d u l e w h i c hi su s e dt oi n t e r - c o m m u n i c a t eb e t w e e nt h e h a r d w a r ea n dt h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r e t h et w ow i r e da c c e s ss c h e m e sp e r f o r mv e r yw e l la c c o r d i n gt o t h et e s t , a n da r es u i t a b l ef o rd i f f e r e n ts c a l el a n d b a s e dn e t w o r k s 0 0 p k e yw o r d s ：m u l t i - n e t w o r k i n g ；v o i c eb o a r d ；w i r e da c c e s st e c h n i q u e ；l - i fc o m m u n i c a t i o n ；o f d m ； 插图及表格目录 图2 1 基于多网融合的海事通信系统的组网示意图5 图3 1 电话铜线接入p s t n 示意图9 图3 2 接入网位置示意图。1 1 图3 3 接入网的定界示意图。1 l 图3 4 信号划分基本概念模型1 2 图3 5o f d m 的调制原理1 3 图3 6 利用i f f t 实现o f d m 调制的原理框图1 3 图3 7e l 帧结构示意图1 5 图3 8p c m 3 l 系统和p c m 3 0 系统e l 帧时隙分配示意图1 5 图3 9 一个频点卜的o f d m a 子载波分配方案1 7 图3 1 0 基r 话带m o d e m 接入p s t n 的岸台控制网络示意图。1 7 图3 1 l 基于模拟语音卡接入p s t n 的岸台控制网络示意图1 9 图3 1 2 基于数字语音卡接入i s d n 的岸台通信网络示意图2 0 图3 1 3 监控软件与语音卡交互的原理示意图2 2 图4 1 模拟语音卡检测工具a u t o c h e c k e x e 的运行界面2 8 图4 2 模拟语音卡拨号后收到的信号音示意图2 9 图4 3 “语音卡通信功能模块”的总体设计3 5 图4 4 基于模拟语音卡的初始化流程图3 8 图4 5 基于模拟语音卡的释放流程图。3 9 图4 6 摹于模拟语音卡的拨号流程图。4 0 图4 7 基于模拟语音昔的挂机流程图。4 0 图4 8 基于模拟语音卡的发送f s k 流程图。4 0 图4 9 基于模拟语音卡的通信流程的流程图4 2 图4 1 0 模拟语音卡通道的状态转换图4 4 图4 1 l 语音卡有线接入中收发数据的传输格式4 5 图4 1 2 收取f s k 的流程图。4 6 图4 1 3 上层监控软件与“语音卡通信功能模块”交互示意图4 8 图4 1 4 模拟语音卡基本呼叫功能测试平台4 9 图4 1 5 测试程序的拨号检测结果5 0 图4 1 6 测试程序的掉线检测5 0 图4 1 7 模拟语音卡不同通道同时收、发测试结果5 l 图4 1 8 模拟语音卡与话带m o d e m 通信测试平台。5 2 图4 1 9 监控软件与数字语音卡交互原理示意图6 0 图4 2 0d s s i 基本结构6 5 图4 2 1 基于d s s i 消息类型的呼叫建立和呼叫释放示意图一6 6 图4 2 2 数字语音卡的通信流程原理图6 8 图4 2 3 数字语音卡接入i s d n 的模拟测试平台6 9 v 表3 1c c r l t 推荐的t d m 制数字复接系列1 4 表3 2 系统话路需求与语音卡相关硬件配置2 l 表4 1t c 0 8 a v i n i 配置文件的修改项2 9 表4 2 开发中用到的t c 0 8 a 3 2 d l l 中的基本函数3 0 表4 3 开发中用到的n e w s i g d u 中的基本函数3 l 表4 4 开发中用到的f s km i x d l l 中的基本函数。3 2 表4 5 模拟语音卡与m o d e m 对发测试结果( 数据长1 0 b y t e ，发送间隔i s ) 5 2 表4 6 模拟语音卡发、m o d e m 收测试结果( 数据长度1 5 0 b y t e ) 5 3 表4 7 模拟语音卡发、m o d e m 收测试结果( 发送间隔5 s ) 5 3 表4 8 模拟语音卡与m o d e m 对发测试结果( 发送间隔6 s ) 5 3 表4 9 模拟语音卡发、m o d e m 收测试结果( 发送问隔1 0 s ) 。5 3 表4 1 0t c e i 3 2 i n i 配置文件的修改项5 6 表4 1 l 开发i i , h q 剑的t c e l3 2 d l li f i 的基本函数5 7 表4 1 2 开发中用到的t ci s d n d l l 中的基本函数5 8 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借 阅，可以公布( 包括刊髓) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东 南大学研究生院办理。 研究生签名：宣坠导师签名：研究生签名：旦一竖导师签名： 亟澧胁啤丝 第1 章绪论 1 1 课题介绍 第1 章绪论 我国从事海洋渔业和交通运输的船舶数量巨大、船况复杂。海事通信系统可以实现对船舶的 管理、监控、调度和遇险救助，并实现海上船舶与岸台的通信功能。目前我国的海上安全通信体 系主要由交通部海事部fj 沿海水上通信网络、农业部渔业通信网络、其他政府部i j 专网、相关企 业专网、公众私人电台等部分构成。各个网络虽然可以实现本网络内的通信需求，但由于各个网 络所用的海上通信频率不同，且1 i | 一j 网络之间的信息交互不完全，时常有不同 c 】9 络的船， 发生碰 撞。因此，建立一套集船位监控、遇险救助、通讯指挥于一体的海事通信系统具有重要意义。 海事通信系统主要由海上船舶通信设备和岸台控制网络组成。目i j 海上通信的主要手段是短 波通信。短波通信借助电离层反射传输，系统的抗毁性好。然而短波信道频谱非常拥挤，信道容 量有限，h 存在多径时延、衰落、多普勒频移和电台干扰等一系列复杂现象。正交频分复用( o f d m ， o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n 9 1 是一种特殊的多载波传输方式，它把高速数据通过串 并转换后在一系列正交子载波卜进行并行传输，降低了子信道j ：的信息速率。同时，o f d m 将频 率选择性衰落信道转换为一系列窄带平坦衰落信道。与常规的频分复用系统相比，o f d m 可以有 效地利用频率谱资源，并且具有良好的抗噪声、抗多径干扰能力i i 且2 j 。在短波通信中引入o f d m 技术可以提高系统带宽利用率、增强抗t 扰性能。相对于短波通信，卫星通信可靠性高，也适用 于海上通信，但费用昂贵。 海上船舶的定位可通过全球定位系统( g p s ，g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 实现，它在船舶定位和 实时跟踪等方面具有突出的优势。将定位信息与地理信息系统( g i s ， g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n s y s t e m ) 1 3 1 结合，可以方便实现船舶的实时监控，便于海上船只定位和监控中心实行监控。船舶 自动识别系统( a i s ，a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ) 在海上船舶的安伞管理上具有广阔的应用前 景。a i st 作于v h f 频段，使用自组织时分多址技术实现海上船舶的标识、位置、航线、速度等 信息和基站之问的交换，保证了在航行中船与船之间的“互见”以及岸台监控中心对周围一定区 域所有来往船舶的识别与跟踪管理，可以有效减少碰撞事故的发生【4 儿绷。 除海上通信需求外，海事通信系统的岸台控制网络的通信功能也至关重要。岸台控制网络采 用计算机实现监控，通过p s t n ( p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ，公共交换电话网) 实现数据 传输。c t i ( c o m p u t e rt e l e p h o n yi n t e g r a t i o n ，计算机电话集成) 技术充分利用计算机信息处理功 能的优势和电话通信网络话务处理能力强的特点，把计算机信息处理和电话通信集成在一起，实 现对话音、传真和数据通信的相互控制和综合应用，提供增值通信。c t i 技术跨越了计算机和电 信技术两大领域，其应用范围很广【6 j 。 多网融合技术代表着下一代网络( n g n ，n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k s ) 的发展方向，使得网络世界 由单一走向复杂化再复归于一个完整统一的体系。海事通信系统中涉及的通信网络主要有短波通 信网、g p s 、卫星通信网、蜂窝移动网、p s t n 、i s d n 、i n t e r a c t 等。本课题所采用的多网融合平 台技术，研究的出发点是为数据采集和处理提供完整的信息传输通道，使得信息能够以多种途径 从源网络安全高效地传递至目的网络，研究的内容是利用多种网络的优势，搭建合理的海事系统 通信平台，保证海事系统通信的可靠性。 本论文主要利用多种网络的优势，提出一种满足海事通信系统需求的组网方案，并对海事系 统中海上短波通信的接入方案进行设计，重点对岸台计算机接入电信网的方案进行设计并实现。 本论文谍题_ ) f 源于南京市科技发展计划资助项目( 2 0 0 8 0 11 0 2 ) 基于多网融合平台技术的 l 东南大学硕士学位论文 海上短波通信系统及其无线接入设备。项目实施后对构筑满足大量船舶语音通信、定位监控、调 度指挥、遇险救助的海事通信系统，保证海上船舶安全航行具有重要意义。 1 2 本论文主要工作 本论文针对海事系统的基本通信需求，综合多种通信网络的特点和海事通信新技术的优势， 提出一种基于多网融合的海事通信系统的组网方案，以满足船舶定位信息上报、岸台对船舶统一 监控调度、船舶与岸台的语音和信令通信、船舶遇险救助等功能需求。同时考虑到大型海事系统 的通信需求，提出一种基于o f d m 的海上船舶接入短波信道的接入方案。针对不同规模的岸台控 制网络，提出两种基于语音卡实现计算机接入电信网络的接入方案，并分别对两种方案进行了详 细实现。 本论文共分五章，各章的主要内容如下： 第1 章：绪论。介绍课题背景及各章：节的安排。 第2 章：基于多网融合的海事通信系统组网方案设计。在对海事通信系统的现状和需求进行 分析的基础 ：，综合多种通信网络，提出一种基于多网融合的海事通信系统的组网方案，在满足 海事通信系统的各项前求的摹础上，采用多级控制、统一管理的岸台摔制网络，实现对船舶的统 一监控和调度。 第3 章：海事系统中的接入技术研究。在研究了接入技术基本概念的基础上，对基于多网融 合的海事通信系统巾的接入技术进行研究，提出一种基于o f d m 的海卜船舶接入短波信道的接入 方案，并提出基于模拟语音卡的岸台监控计算机接入p s t n 的接入方案和基于数字语音譬的计算 机接入i s d n 的接入方案，以满足4 i 同规模的岸台控制网络需求。对基于语音卡实现有线接入的 技术原理、语音卡的选择、海事通信系统的监控软件功能、语音卡二次开发中用到的c ! 语言及面 向对象开发思想等进行论述，为下一步的软件开发做好准备。 第4 章：基于语音卡的岸台控制网络接入技术的软件开发。分别对基于模拟语音卡的计算机 接入p s t n 的接入方案和基于数字语音卡的计算机接入i s d n 的接入方案给出详细软件开发方案。 首先，针对系统需求，对语音卡进行正确的安装配置。然后，利用面向对象思想对语音卡开发所 需功能进行设计，并利用c 撑语言进行开发，将所需功能封装成“语音卡通信功能模块”。最后， 对基于语音卡实现有线接入的方案进行测试。 第5 章：结束语。对论文工作进行总结，并提f l j 论文需要进一步研究及改进的地方。 2 第2 章基于多网融合的海事通信系统组网方案设计 第2 章基于多网融合的海事通信系统组网方案设计 本章首先分析了海事通信系统的发展现状及业务需求，并据此提出一种基于多网融合的海事 通信系统的组网方案。本方案满足海事通信系统的基本通信需求，并采用多级控制、统一管理的 岸台控制网络，实现对大型海事通信系统的船舶进行统一监控和调度。统一的监控中心更能汇总 不同海事系统内的船舶信息，实现对海上船舶的统一调度。基于多网融合的组网方案，系统通过 多种网络渠道通信，保证通信的町靠性和灵活性。 2 1 现有海事通信系统分析 海上航行的船舶有多种类型，如客运船舶、货运船舶、渔业船舶等，由于其航行任务不同， 需要岸台海事通信系统提供的具体业务也不尽干h 同。u 前国际海事组织( i m o ) 提供的主要海事信息 业务【_ 7 1 有伞球航行警告业务w w n w s ( w o r l d w i d en a v i g a t i o n a lw a r n i n gs e r v i c e ) 、船舶交通管理业 务v t s ( v e s s e lt r a f f i cs e r v i c e s ) 、伞球导航卫星系统g n s s ( g l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m s ) 业 务、伞球海上遇险与安全系统g m d s sf g l o b a lm a r i t i m ed i s t r e s sa n ds a f e t ys y s t e m ) 业务、自动识 别业务m s ( a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o ns e r v i c e s ) 等。 保证海上航行安全和进行遇险施救是海事通信系统的重要功能。我国早在1 9 7 3 年就成立了 由总参、海军、空军、外贸部、农牧渔q k 部、交通部等有关部门组成的全国海上安全指挥部和沿 海省、市、自治区的省级海上安全指挥部，其主要职责足对遇险船舶及海上遇险飞机实施搜救。 1 9 8 9 年又组建了各级海上搜救中心( r c c ) ，专门负责指挥和协调海上遇险事件的搜救【8 】。我国的 海上搜救中心主要通过以下手段获得船舶遇险的信息【9 l ： 全球海上遇险与安全系统( g m d s s ) ，由卫星通信系统和极地轨道卫星搜救系统、海岸电台、 海上安全信息播发系统三大部分构成。船舶遇险时通过按下“遇险”按钮，有关事故的发生位置、 识别标志等数据将自动以4 分钟一次重复发射，直到被接收确认。岸上搜寻当局以及遇险船舶附 近的其他船舶，能迅速接收到遇险事件的报警，并毫不延迟地进行协调搜救援助。 中国船舶报告系统( c h i s r e p ，c h i n as h i pr e p o r t i n gs y s t e m ) ，自2 0 0 1 年6 月1 日起施行， 具有对船舶报告的航线、船位进行自动标绘和推算等功能，能为组织协调指挥船舶参与搜寻救助 提供相关信息，避免或减少海卜人员伤亡和财产损失。 船舶自动识别系统( a i s ) ，保证了在航行中船与船之间的“互见”以及岸台监控中心对周围 一定区域所有来往船舶的识别与跟踪管理，可以有效减少碰撞事故的发j r = 4 1 。我国已经在长江口、 珠江口及部分其他海域陆续建成了a i s 岸台网络系统。a i s 实施后，有利于避免船舶的碰撞，并 可以方便岸台对船舶的交通管制和预报船舶到港时间。 此外，全国统一水上遇险求救电话1 2 3 9 5 ，也是重要的海上遇险求助手段，目前远距离移 动通信的覆盖范围可以达到5 0 海罩。 上述海事通信系统和网络，为确保水上运输生产的调度指挥，保障海上船舶安全发挥了重要 的作用。目前除沿海各省市均已建立海卜搜救中心外，长江干线也建立搜救中心，搜救中心办事 机构设在海事局，搜救中心与海事系统职责界线不清；搜救中心与中心成员部门如军方、渔政、 水产、气象等联络不顺：各部门受局部利益影响，搜救组织协调能力受刚们。 可见，虽然现有的主要海事系统和海 ：搜救中心能够各自完成相应的功能，但由于缺乏统一 的监控指挥，海事系统的组织协调能力受到限制。如果增设统一的监控中心，由不同海事系统汇 报下属船舶信息，统一的监控中心就可以对所辖海域的所有船舶进行监控。这样，当有船舶碰撞 危险或有船舶发出遇险信号时，监控中心通过分析遇险船舳的定位信息，优先调度遇险船舶附近 3 东南大学硕士学位论文 的船舶实施救援，这样可以增强救援的时效性，船舶瓦助可以为成功救援赢得宝贵时间。本论文 就从解决海事系统统一监控、统一调度的角度，并在满足海事通信系统的基本需求的基础上，提 出一种海事通信系统组网方案。 2 2 基于多网融合的海事通信系统设计方案 本论文主要针对我国渔q k 船舶的海上通信需求，设计一种以短波通信为主，多种通信渠道相 融合的海事通信系统，系统的海上通信功能包括海上渔船与岸台的语音通信、岸台对海上渔船进 行定位监控、岸台向海 渔船广播气象和渔业信息、海上渔船向岸台发出遇险信号、岸台对海上 渔船进行调度指挥。同时，为了克服不同海事系统之间交互不足的缺点，将设计的渔业海事通信 系统的岸台嘲络与其他类型船舶的监控网络进行联网，实现信息互通，便于对海上船舶进行统一 监控及调度指挥。 2 2 1 海事通信系统的主要通信网络 海事通信系统主要包括船载设备和岸台控制网络。海卜船舶通过船载通信设备与岸台监控节 点实现通信，常用的通信网络包括短波通信网络、卫星通信网络、远距离移动蜂窝通信网络等。 岸台控制i 】c ) 9 络的各节点通过有线网络实现通信。本节就对海事通信系统中用到主要网络及一些关 键技术进行分析。 短波通信是目前海上通信的主要手段。短波通信通常是指利用波长为1 0 1 0 0 m ( 频率为 3 - 3 0 m h z ) 的电磁波进行的无线电通信。短波主要靠电离层反射来传播，也通过地波方式进行短 距离视距传播。海上短波通信由于借助电离层反射传输，传输距离远且系统的抗毁忭好。然而， 短波信道是带宽受限的信道，它的频带比微波和超短波窄得多，频谱非常拥挤，信道间互相干扰 严重，不宜传输高速数据。而且由十电离层是一种典型的时变色散信道，存在瑞利衰落、多径效 应、多普勒频移等复杂时变因素，接收端码元在时间上发生展宽，包络发生畸变，产生码问干扰 和误码【。0 i 1 j 。在短波通信中引入正交频分复用( o f d m ) 技术町以提高系统带宽利用率、增强抗 干扰件能。3 1 3 节会对o f d m 技术进行详细介绍。 相对于短波通信，卫星通信可靠性高，也适用于海上通信。海事卫星通信系统丰要由同步通 信卫星、移动终端( 包括海用、陆用和空用终端) 、海岸地球站以及协调控制站等构成。卫星电话 的设计理念足弥补现有地而网覆盖的不足，利用卫星通信技术可以实现真正意义上的全球通信。 卫星通信的缺点首先是传输时延较大，其次，卫星电话的通话费用昂贵。卫星通信可以作为海上 通信的辅助手段。 目前，远距离蜂窝移动通信的覆盖范围可达5 0 海里，可以满足船舶在近海的语音、数据通信 需求，这样可以减少短波信道的通信量。通过在海事通信系统中引入多种通信渠道，以保证通信 的可靠性。 海上船舶通常通过全球定位系统( g p s ) 获得自身定位信息。船载g p s 接收机通过接收卫星 所发射的信号，得到卫星所处的位置并计算出卫星与自己的相对位置，从而最终确定接收机本身 的位置【1 2 1 3 l 。海事系统中，通过短波信道及其他辅助通信渠道将g p s 信息发送给岸台，便于岸台 对船舶定位和实时跟踪。 地理信息系统( g i s ) 是- - f l 综合学科，是指在计算机软硬件支持下，把各种地理信息按照空 间分布，以一定的格式输入、存贮、检索、更新、显示、制图和综合分析的计算机技术系统。g i s 的主要日的是通过地图及空间分析功能，将原始地理信息、资料转变为能够支持窄问决策的信息 f 1 4 。海事系统中，通过将g p s 获得的定位信息与地理信息系统结创3 1 ，可以方便岸台实现对船舶 4 第2 章基于多网融合的海事通信系统组网方案设计 的实时监控。 船舶自动识别系统( a i s ) i 作于v h f 频段，使用自组织时分多址技术实现海上船舶的标识、 位置、航线、速度等信息和基站之间的交换，保证了在航行中船与船之间的“互见”以及岸台监 控中心对周围一定区域所有来往船舶的识别与跟踪管理，可以有效减少碰撞事故的发生【4 1 。a i s 在海上船舶的安全管理上具有广阔的应用前景，通过在海事系统中采用a i s 技术，不但可以通过 v h f 通信获得定位信息，更有利于保证船舶的航行和靠岸安全。 此外，海事通信系统的岸台控制网络通过有线网络实现通信，常用的有线网络有i n t e r a c t 、 p s t n 、i s d n 等。考虑到海事通信系统的岸台控制网络通信的可靠性，采用p s t n 或i s d n 作为 岸台控制网络的通信网络。 2 2 2 基于多网融合的海事通信系统组网方案 基于海事通信系统的船舶定位信息上报、岸台对船舶统一监控调度、船舶与岸台的语音和信 令通信、船舶遇险救助等需求，并综合上一节各种网络的特点及优势，同时考虑到岸台控制网络 的统一管理功能，设计组网方案如图2 1 所示： 台控制网络 上通信设备 。一一7 通信卫星 图2 1 基于多网融合的海事通信系统的组网示意图 由图2 1 所示，基于多网融合的海事通信系统的组网方案主要由岸台控制网络和船载设备两 部分组成，下面对这两部分进行分别论述。 ( 1 ) 岸台控制网络 岸台控制网络为海卜船舶提供语音、数据通信支持，并通过收集船舶定位信息实现对船舶的 监控，同时向船舶发布命令实现调度或广播气象等信息。为适应大规模海事通信系统的需求，更 为了统一对不同海事系统的船舶进行监控，岸台控制网络采用分级控制：由一部分监控分中心负 责本区域船舶的通信和管理，另一部分监控分中心负责汇报来自其他海事系统的船舶定位信息， 由一个监控中心负责总体监控与调度。 如图2 1 所示，监控分中心1 负责本区域船舶的通信和管理。配置有短波数据电台、a i s 通 信模块和短波语音电台。短波数据电台用来接收船舶的定位信息，以便监控端结合g i s 对船舶定 5 东南大学硕士学位论文 位监控。a i s 通信模块采用v h f 通信，在无视距传播障碍的条件下，有效通信距离可达2 5 海里 【4 j ，用于近海和港口船舶的定位信息收集。a i s 与短波数据电台结合使用，可以减少短波信道的 通信量，二者收集的定位信息进行汇总后，供监控分中心监控。同时j 监控分中心接入p s t n 和 移动通信网，再通过短波语音电台转接，实现电话用户或手机用户与海上船舶的语音通信。 如图2 1 所示，监控分中心 通过连接其他海事系统的控制端，如交通部海事部门沿海水上 通信网络、农业部渔业通信网络、其他政府部门专网等控制端，监控分中心肝负责将该网络下收 集到的船舶信息汇总到监控中心。 监控中心对收到的所有船舶的定位信息进行汇总、存储和处理，进行统一的监控。监控中心 通过短波信令电台向本系统内的所有船只发出控制和广播信令，并接收船舶的求救信令。对其他 海事系统的船舶的命令，则通过相虑的盟控分中心下达到该海事系统。这样，不j j 海事监控网络 实现了信息共享，监控中心负责统一监控，发现问题可以及时收发信令。例如当发现有船舶处于 危险天气范【制内，或发现曲艘互不“可见”的船舶有碰捕危险时，监控中心将对其发出警告信令。 当有船舶发出求救信令时，临摔- l - 心接收信令，并向遇险船只周围的船只发指令，命令其实施 救援。 这种分级分工、统一管理的岸台摔制网络，可以借助现有的不同部门的网络连接构成，增加 统一的指挥中心。这样可以改变不同指挥系统问缺少相吒通信的状况，从而实现真正的统+ 调度。 系统在实现岸台与船舶基本定位监控、语音通信、信令通信的基础上可以有效的统观全局进行 指挥调度，通过监控中心的指挥，不同监控分中心的船舶可以避免碰撞，统一的指挥更有利于对 遇险船舶就近及时救助。 ( 2 )船载设备 基于多嘲融合的海事通信系统的海上主要通信手段是短波通信，船舶定位数据的传输和语音 通信都通过短波通信传输。然呖考虑到短波信道的不稳定性，为保证重要的通信能够进行，系统 中引入了卫星通信作为备用的通信手段。同时引入a i s 技术，作为辅助定位数据通信手段，可以 提高船舶航行的安全性，并可以减少短波信道的通信量。现代远距离移动通信可以满足近海船舶 的通信需求。 本系统的船载设备如图2 1 所示，依据通信功能不同，主要包括以下设备模块： g p s 模块：获得船舶的定位信息。通过接收g p s 卫星信号，计算得出船舶的自身定位信息， 定位信息被送入短波通信模块、a i s 通信模块、卫星通信模块进行下一步传输。 短波通信模块：是船载设备的主要通信模块，实现船舶与岸台的数据、语音和信令通信。 短波通信模块收发电离层传播的短波信号，实现船舶向岸台发送定位信息数据、与岸台进行语音 通信、接收岸台发出的信令、向岸台发出遇险求救信令等功能。 a i s 通信模块：将船舶的定位信息广播给岸台和通信范围内的其它船舶。a i s 采用自组织 时分接入v h f 频段，广播自身的定位信息，从而使船舶对周围船舶“可见”，避免船舶间产生碰 撞。并使岸台获得近海船舶的信息，便于监控管理。 移动电话模块：当船舶处于近海时叮以通过移动电话与陆地基站通信。目前的远距离移 动基站覆盖距离可以达到5 0 海里，能够满足船一 ：用户的语音或短信通信，同时用户也可以接收岸 台通过移动网络发出的气象等通知信息。 卫星通信模块：借助通信卫星实现可靠的数据、语音通信，保证船舶在短波通信状况不佳 的情况下，仍能与外界进行通信。由于费用昂贵，仅在大型船舶或特殊船舶上安装使用。 6 第2 章基于多 【】9 融合的海事通信系统组网方案设计 2 2 3 基于多网融合的海事通信系统通信方案 如图2 1 所示，本论文提出的一种基于多嘲融合的海事通信系统的组网方案，综合了多种通 信网络，船舶有多种通信方式可供选择，如短波数据通信、短波语音通信、a i s 超短波定位数据 通信、移动通信、卫星通信等。应考虑到各种通信方式的特点，在不同情况下选择适当的通信手 段，以实现可靠、灵活的通信。 总体来说，船舶离岸台的距离与短波信道的信道状况，是选择通信方式的主要依据。船舶在 海上航行时，每隔一段时间通过g p s 定位获得自身的定位信息。根据定位信息分析出自身所处位 置与岸台的距离，从而采取不同的通信方式： 当船舶处于远海区时，短波通信是主要的通信方式。通过短波与岸台传输定位数据，并进 行语音通信。此时，采用a i s 超短波通信广播自身定位信息，使周罔船只“互见”，避免海上碰撞。 当海上短波信道不理想时，装有卫星通信设备的船舶可以借助通信卫星进行通信，以保证 通信的可靠性。 当船舶处丁近海区时，定位数据的上报主要通过a i s 超短波通信。这样可以减少短波信道 的通信量。而且，由于a i s 采取广播方式，也可以使船舶密度较大的近海区减少碰撞发生。 近海的语音通信由远距离蜂窝移动通信米提供。借助移动电话町以实现叮靠的语音通信， 并可通过短信获得最新气象及渔业信息。 岸台控制网络的监控中心与监控分中心问通过p s t n 连接，可以实现可靠的数据通信。同时 监控分中心连接了p s t n 和移动通信网，与陆地电话用户连接，通过短波电台，与海上船舶通信， 通过监控分q 1 心中转，实现了陆地电话用户与海上船舶的语音通信。 船舶的通信、监控、遇险报警是否迅速有效，主要取决于海上船舶与岸台之间和岸台控制网 络内部的通信是否通畅。本论文提出的组网方案，通过多网融合平台，实现了多种渠道通道，保 证了通信的可靠性。同时采用多级控制、统一管理，便于大型海事系统的区域管理和统一调度， 并能有效的改变现有海事系统缺乏交互的现状。 2 3 组网方案性能分析 本章提出的一种基于多网融合的海事通信系统的组网方案，可以满足海上船舶的基本通信功 能，包括海上定位信息汇报、岸台统一监控调度、海陆语音通信、岸台信令广播、船舶遇险紧急 求救等功能。此外，本系统还具有以下特点： 通过设立总的监控中心，对不同海事网络的监控分中心的信息进行汇总，增强了不同海事 系统的交互，便于统一监控调度，能够更好的保证海上船舶交通安全利调度施救。 通过短波通信、a i s 通信、卫星通信、有线通信等多种渠道收集了所有船