多模融合应急通信技术应用研究
时间：2023-05-28 20:20:26 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
赵伯华
（中交信通（天津）科技有限公司，天津 300346）
近年来，随着环渤海经济区的发展，环渤海各港口的吞吐量和进出港船舶数量都在快速增加，渤海水域已经成为世界上水上交通最繁忙的区域之一。港口吞吐量和船舶交通流量的增加，使该海区的通航密度和船舶会遇率急剧上升，加大了水上交通事故发生的隐患。此外，随着建设中的超大型船舶深水码头相继投入使用，超大型船舶的交通流量也将显著增加，加之近海油田的开发、水产养殖和捕捞的发展，该海区的航行环境将变得越来越复杂。海上应急通信能力是有效应对海上自然灾害和突发事件的基础保障。要满足全面覆盖、重点强化、应急出动、快速响应等应急通信的基本保障需求。本文分析了渤海水域网络覆盖情况，海上近岸通信系统的建设情况，以及海上搜救中心的实际需求情况，结合微波、4G/5G、卫星通信等通信技术特征及相关成果，提出了海上应急多模通信技术方案设计[1]。
2.1 现状分析
（1）渤海中西部水域缺乏网络覆盖。海上通信的难点是缺少信号的覆盖，现有的网络系统覆盖率低，如港口、海岸周边的公共网络通信系统，这些系统在渤海海域和天津港外均没有可用信号，其他的一些在建或者已经建设完毕的系统也无法有效地覆盖渤海的中西部，造成了网络通信盲点。导致科学搜救出现了通信黑洞，无法有效提高应急资源管理和调配能力，从而导致无法提高处置评估科学性，不能实现强化培训演练功能，实现各类数据信息移动端的综合应用显示，以及提升整体应急辅助决策筹划水平，无法达到“科学决策、高效处置”。
（2）现有海上通信系统系统相对分散。目前，天津海事局所使用的海上通信系统为近岸的4G公共通信系统，天津海事局自建的微波通信系统和VSAT卫星通信系统对于渤海中西部和中部海域目前只有通信带宽较低的VSAT系统，因此，一线搜救人员没有有效的通信带宽可用。岸端的指挥中心只能通过电话进行语音指导，VSAT回传CCTV的方式让指挥中心了解险情；
并且其他辅助信号如AIS信号时有时无、VTS精确度不同、视频监控存在盲点等问题依然存在。其他通信系统相对封闭，无法实现有效利用。
（3）缺乏平战结合的通信系统。目前，天津海事局所实用的陆上和海上通信系统均缺乏平战结合的属性，日常使用的通信网络均没有冗余和应急通信带宽预留，一旦出现紧急情况，陆上网络通信系统和现有的海上网络系统均无法提供长时间、大带宽、高可靠性、自主可控、平战结合的立体搜救网络服务。
2.2 需求分析
中国在海洋应急通信建设方面没有专门用于保障海洋应急通信的通信网络，主要依靠近岸移动通信网络、短波/超短波电台、国家现有卫星通信系统以及租用国外海事卫星等。海上数据通信过于依赖国外的卫星系统，严重缺乏自主通信保障，未能形成完整的海洋应急通信体系。国内海上应急通信技术研究紧跟国外的研究步伐，已经初步实现接入通信服务保障，但相较国外的成熟技术，国内海上应急通信技术仍然在覆盖范围、通信质量等方面有所欠缺。随着中国海洋活动日益增加，海洋应急通信的建设需求日趋紧迫。
海上搜救中心作为搜救应急指挥的前线，各种通信、辅助、指挥和调度系统林立，系统之间互相独立无法形成有效的综合保障能力。平时无法有效节约通信费用，降低成本；
战时无法集约资源统一调度，对于不同的应用也没有进行有效的优化，因此，作为应急前线指挥的重要力量需要对通信能力进行有效的整合。
应急搜救值班员需要可以对网络、图像等信息资源进行集中调度，值班员可以通过下达不同的策略，在平时、战时可以自由切换带宽，并可以通过集中保障调度的方式，将卫星，微波等通信带宽切换给一条或几条船只，方便值班员临时调度指挥[2]。
3.1 综述
如图1所示，融合应急搜救通信系统以数据安全和整体系统架构为设计基础，分为网络层（网络接入层），控制层（链路控制层），策略层（策略选择层）和应用层（展示应用层）。
图1 多模融合应急通信系统框
在系统设计上，融合了现有天津海事局的无线中继系统和后续完善的VSAT链路系统，同时完善系留Mesh微波平台，并优化选路传输机制，保证从发送、传输到接收端采用安全、快速、可靠、易管理的整体解决方案；
5G（VPDN接入）终端预留边缘计算，为未来打造智慧海事预留了空间。
架构上本系统使用SD-WAN方式组网切换，SDWAN是Software-Defined Wide Area Network的简称，这是最近3～4年才提出的名词。从名字上可以看出，它与SDN有着相同的理念，两者都是将转发与控制分离，以简化网络的管理和操作。区别是，SDN是针对数据中心的网络，SD-WAN针对WAN（广域网），适合不同网络切换和利用。
完整的虚拟专用网构建，需要从安全性、快速性、网络可靠性、管理便利四个方面全面考虑。从搜救船只的使用角度来看，使用速率和网络是否可靠是最直观的体验，直接影响到进行应用集中后的工作效率是否提高问题，结合以往系统需要面对船员的以及IT建设的绩效问题。因而建设涉及多个船只，需要采用一套机制保障整体管理的统一、方便。
3.2 融合通信方案特点
（1）对于海事应急指挥调度系统的流量采集节点和流量安全的控制层级，梳理应急网络的安全管理域的划分及管理和控制能力。
（2）搭建专属网络，通过在设备与设备之间建立专属的隧道，实现海事应急救援船舶与指挥中心互联，应急救援船舶之间的互联，成为快速建立移动指挥中心网络通信基础。
（3）针对海事局应急指挥调度系统的卫星网出口、互联网出口的应用和服务要求的业务逻辑以及发展规划，减低物理设施复杂度，使直接调度的物理资源降到最低限度，使维护和使用成本减小，同时能更好支撑业务与服务。
（4）实现在VSAT线路、无线微波、4G/5G、系留无线Mesh线路等出口链路间择优切换，满足应急救援的要求。
（5）对应急救援进行负载均衡，保证应急救援卫星网出口稳定性，在其中一条出口链路中断时不影响应急救援任务。
（6）实现面向应急救援卫星网的1∶1全流量采集、网络全协议识别和还原、网络行为知识库等功能，通过对网络流量日志、事件日志、账号日志的全面记录，实现对网络行为的检测、分析与发现能力。
（7）支持动态域名解析。
（8）SD-WAN隧道支持分点客户端使用域名与总部服务器进行VPN隧道建立，实现总部与分部之间的组网。
（9）支持监控隧道内流量。
（10）SD-WAN隧道具有网络业务性能感知能力，在深度上对比网络层性能检测系统，SD-WAN隧道技术可以检测会话级流量；
SD-WAN隧道技术面向的是七层的应用，可看到更接近网络中实际发生的真相，除了可以识别应用协议数据结构，还能看到应用协议的交互流程。
（11）客户端支持动态IP地址。
（12）安全。利用SSL等技术，通过加密传输来保证公共网络上数据的安全。
（13）性能。将多条Internet线路聚合在一起成为一条逻辑线路，以减轻性能上的影响。另外，适当释放一些带宽，在网带宽需求降低时节约成本。
（14）稳定。在多条线路聚合的逻辑线路上进行负载均衡，动态分配流量，保障几条线路的稳定性，动态调整当前几条线路的负载情况。
3.3 多模融合通信系统网络层
3.3.1 5G VPDN
岸端防火墙接入运营商的数据专线配置虚拟专用链路后形成以4G/5G VPDN到局端的虚拟专用链路，专有链路即可实现单一或者多种链路合并接入。4G/5G可以实现边缘计算接入和高带宽多线程的链路通信服务，为智能船舶和智慧海事服务框架提供通信基础。
3.3.2 微波系统（利旧使用）
图2 微波系统定义WAN
目前，在海事搜救船舶上安装了微波系统，在岸端部署了微波天线作为岸段部分接入海事搜救中心，可以利旧使用加入系统。
3.3.3 系留微波平台
研究设计了一套可浮空系留且可以承载Mesh微波系统设备的浮空器，将无线通信设备天线架高到不同高度，使无线通信距离可以覆盖搜救中心所有管辖区域，保障海上应急搜救使用的需要。其次，验证了使用系留浮空器在升高到不同的高度时，作用于远距离通信的可行性。经过测试定向微波天线、Mesh Phase 4，在天线架高50米逐级升高至300米的情况下，通信距离和通信带宽可以满足实际使用要求。
3.3.4 VSAT系统（利旧使用）
目前，搜救船舶安装有VSAT天线和系统，通过卫星地面站来完成海事搜救中心与搜救现场间音视频、指挥信息的传输。
3.4 多模融合通信系统控制层
3.4.1 集中管理服务器
集中管理服务器可以建立集中管理平台智能监控全局网络中部署的网络设备，首页地图方式展示各分支接入物理设备、虚拟网络设备、虚拟机情况，提供远程接入分支进行集中管理，实现分支配置策略下发、智能升级、故障定位、安全告警等功能。
3.4.2 链路控制服务器
利用SDWAN网关设备，建立VPN隧道，对传输数据进行加密，保障数据安全性，且符合了等保2.0标准中“应采用密码技术保证重要数据在存储过程中的保密性，包括但不限于鉴别数据、重要业务数据和重要个人信息等”的相关要求，具有大幅削减流量，降低专线带宽负荷、应用进一步优化、对高速传输协议改善丢包延时现象、专网流量可视化等功能。
3.4.3 质量探测AI服务器
通过对所有可用链路的实时探测、采用策略反馈不同链路的质量以获得收集切换链路的依据。
面对海上执法中4G/5G网络、微波信号和卫星信号的多线路负载场景，可以选择“优先使用质量最好线路”的负载模式，在进行数据包转发时，根据各个线路的实时质量状况（丢包、延时、抖动），选择最优的可转发线路进行数据转发。
根据实时的线路质量状况，可以把不同的质量状况做一个转换，转换成同一标准，以对不同线路进行质量排序（权值越小，质量越优）。
权值算法：权值=抖动（ms）×x+丢包率×y+延时（ms）
高质量选路除了考虑线路权值，同时也将线路对当前服务优先级的剩余带宽作为选路依据，当线路无法承载当前优先级的应用时，该线路不会被选中。因此，在进行高质量选路时会选择对当前服务优先级有可用带宽、同时权值最小的线路作为转发线路。另外，当选定线路都无法承载当前服务优先级的数据时，会从未选中线路中选择质量最优线路对该连接进行数据转发，通过多重选择来保证被选中的传输线路质量稳定可靠。
依据系统设计覆盖能力以及前期测试覆盖范围计算，实现“陆海空天”一体化搜救的要求，系统可对渤海海上进行动态覆盖，随着系统优化，覆盖能力可以得到进一步加强，保障海上搜救应急通信能力。
通过对多模融合应急通信系统的研究，构建海上宽带通信与信息服务系统平台，能够为今后建立渤海海域全方位覆盖、全天候监控的水上立体监管、综合航保信息服务以及应急处置体系提供有力支撑。同时，借助平台建设的实践成果，可实现公务船舶船岸视频通信，重点航路远程监控以及遇险船舶应急通信；
实现港区岸对船的安全监管、调度指挥和综合服务；
实现船舶智能助航等功能，为海上业务的开展提供综合化、多元化手段。保障链路带宽的动态调度，对海上应急搜救指挥调度建立可靠通信链路、保障事故应急处置而言，是十分必要的。■
