军融智库丨海上通信设备中的信号传输优化技术

学术   2024-10-08 17:55   北京  
海上通信设备中的信号传输优化技术
李成秀




摘要】伴随海上活动频率增加,海上通信逐步引起大众的关注。舰船在海上航行过程中常受客观因素影响,极有可能与岸基指挥所失去联系。海面上常用的无线通信方式中共有微波、短波、中波等多种形式,如今选用何种通信技术已成为海上舰船通信设备优化与管理的重要内容。文章立足海上通信设备研究信号传输优化技术,以期切实发挥海上通信装备作用,为舰船在海上的安全航行保驾护航。


关键词】通信设备|信号传输|技术|海上

目前,伴随21世纪太空卫星资源日渐丰富,卫星通信已经成为十分智能的海上通信手段。然而,传统的海上信号传输技术存在一定问题,这就需要有关人员积极完善和优化信号传输技术,以发挥海上通信设备的作用,保障海上通信设备功能。


一、海上通信设备中的信号传输现状


(一)舰船微波通信

微波通信系统,包括发射机、接收机、天线等部件,具有大带宽和高容量优势,是中国通信网络的重要组成部分。然而,它也存在局限性,如视距通信的限制导致无法在海洋中建立中继,仅适用于短距离通信。距离增加会导致辐射损失加剧并受气候影响。此外,频繁使用可能引起不同区域间的信号干扰。

(二)舰船卫星通信

海上卫星通信系统,包含卫星主站、通讯卫星和船用通信装置,适应舰船通信环境,支持多业务传输。这种技术先进,性能优良,操作简便,自动化程度高,能与公共及国防网络衔接。但也存在不足:系统利用率和数据传输效果受限,传输可靠性不足,频谱资源有限。发送延迟大约500~800毫秒。由于同步卫星轨道位置限制,难以增加卫星数量以避免互相干扰。卫星发射成功率为80%,但成本和发射费用较高。


二、海上通信设备中的信号传输特点


(一)海上通信网络资源存在复杂性

海上通信设备构建岸基网络时使用的技术包括移动通信系统和无线城域网,它们提供高质量服务但覆盖范围有限。相比之下,海洋广播可以远距离通信,但传输速度慢,主要用于语音。无线自组网在一定程度上提高了覆盖范围和效果,但性能和稳定性不足。目前,不同海洋通信资源的有效整合受限于现有网络系统,主要是因为它们基于“转发型”网络。海上通信系统中,如遇不完全覆盖,可能需用集会网络补充或替代。机会型网络按“存储-传输-转发”流程工作,目前只能在应用层实现,未与网络层转发结合,需要协同优化以提高传输效率。

(二)通信介质异构性

海洋环境中以声波为通信媒介,与电磁波传输的地面通信有显著差异。电磁波传输速度快,可达吉比特/秒,而声波在水中的速度仅1.5公里/秒,最大传输率千比特/秒。现有网络结构未充分考虑这种不对称性,通常由网络的变换节点处理,适合固定边界网络,但不适用于边界变化大的异质网络。在处理电磁波和声波的传输速率差异时,这种方法影响了传输层协议,特别是基于端到端往返延迟的TCP协议。现有基于TCP的无线通信协议多针对网络拥塞,未考虑不对称性和时延,不适用于海上通信系统。


三、海上通信设备中的信号传输优化技术


(一)5G网络无线技术

在海上5G网络环境中,各种通信设备数据流通过无线网传送至边缘计算核心网,展现了5G网络无线技术的多方面应用:无线网。包括宏碁地台和室内配电系统,实现5G平台的生产区、中控室和办公区域的无线网络覆盖;边缘计算中心骨干网。由MEC组成部分构成,使用MEC和MEP组件执行边缘计算任务,并通过UPF组件分发消息。它将平台本地流量发送到应用服务器,再通过承载网控制地面5G网络的流量;承载网。负责5G无线专用通信网络与地面5G通信网络的连接、传输和接口(图1);服务器虚拟化。在平台报室中部署服务器、防火墙和交换机,并承载核心网络设备部件,实现边缘计算功能。


图1:5G无线专用通信网络与地面5G通信网络的连接、传输和接口


(二)海上数字广播技术

NAVDAT系统通过互联网收集各种信息,统一加工后由岸台网发送。信号以OFDM和41.66Hz载频发送,副载波通过正交调幅调制。接收后解调得到文字、数据、传真和图片等。最大传输速度为25千比特/秒,覆盖达648公里。

(三)自动识别系统

舰船识别系统基于VHF频段自动追踪并向船舶、岸台广播船舶信息,从而对目标水域中的船舶进行自动追踪识别与监控。从图2可以看出,AIS系统使用161.975兆赫和162.025兆赫频带,近海航行时工作频宽为12.5kHz和25kHz,海洋环境中为25kHz。AIS通过时分多路接入提高通信能力。

图2:海上无线通信系统频谱应用划分


(四)卫星隐蔽通信技术

卫星隐蔽通信技术现有两种信息隐藏方法:一种是通过密码算法或保密传输协议,但易被追踪;另一种是采用跳频、扩频和编码技术,具有良好的抗干扰性和难以被探测的优势,但消耗大量卫星频谱资源,且在大量通信需求下难以满足保密需求。因此,变换域卫星信息隐藏成为有效方案,将信息嵌入普通广播或电视信号中,通过公共电视转播或卫星链接传输,共享卫星转发器资源。这种方法不易被发现,具有强大的抗干扰和抗截获能力。在通信设备信号传输优化中,大数据分析的大信号掩盖技术区分机密数据和普通数据:大功率信号s(t)传输普通数据,小功率信号w(t)传输机密数据,两信号叠加发送公式如下:

五)海洋物联网技术

传统物联网通信技术(如蓝牙、红外、移动蜂窝)在边远和海洋区域面临覆盖不足的挑战。低轨道卫星通信技术可在海上实现广泛的信号传输,确保通信时效,减少对信号功率的依赖。选择低能耗传感器并结合太阳能进行能量补给,可实现全天候操作。利用卫星物联网与互联网技术,可在470公里范围内远程监控海上平台、岛屿和船舶,使用入侵检测传感器实时反馈数据,提高通信效率。卫星物联网还支持快速移动的船舶平台,优化资源和人员配置。

(六)无线光通信技术

无线光通信使用光进行无线信息传输,不需光缆,建设快速灵活,利用频谱广泛。相较于光纤通信和传统无线通信,它在容量、抗干扰和抗截获方面具有显著优势。系统中,光传输子系统负责信号光和信标的发射与接收。ATP子系统实现扫描、捕捉、通讯,并维持光天线对准。光端机内完成信标光的发送和接收。伺服稳定子系统将运动载体(如舰船、飞行器)的振动信号转换为低频低幅,同时约束大干扰。通信过程分为图3的四个环节。

在无线光通信的首个搜寻阶段,双方光天线通过陀螺伺服机构控制保持稳定,使用寻北仪粗略定位后,发出信标进行初步搜索。其次是捕捉阶段,当双方信标进入对方接收天线视野,捕捉CCD检测到对方波束,随后停止高速扫描。两个天线相互调整对准,完成捕捉,并进入激光束追踪与锁定,建立通信联系。通信阶段,光天线通过ATP系统感应载流子漂移引起的对准误差,实现伺服射束的互相追踪对准,维持通信畅通。最后,在通信结束后,控制电脑发出撤回命令,使光天线返回原位,断开主动式伺服天线供电,完成回收过程。


图3:海上无线光通信系统工作图


四、结语


在传统海上通信设备中的通信技术具有传输效率低以及距离受限等问题。这种情况下,就需要应用新时期的5G技术、无线光技术,切实优化信号传输技术,提高信号传输效率,保障海上通信设备的功能。除此之外,要注重优化信号传输设备,配备专业人员,采用多种无线通信方式的组网模式,配备专业的通信手段,从而切实增强舰船在海上通信的可靠性和时效性。




参考文献
[1]张焕俊.海上专用信号传输网络中的病毒检测技术[J].舰船科学技术,2017(4):169-171.
[2]张智新,胡建华.海上平台手机信号覆盖设计研究[J].中国宽带,2022,18(4):17-19.
[3]陈学昌.基于DSP架构的海上信号传输与控制系统设计[J].舰船科学技术,2017(6):180-182.
[4]范同磊,施展.浅析海上AIS信号乱象及对策[J].珠江水运,2022(15):28-30.

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来源:中国军融智库

本期编辑:王迪

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