海洋通信范文

海洋通信范文（精选4篇）

海洋通信 第1篇

一、引言

海洋石油行业是传统的高风险行业, 海上各种通信手段在海洋石油生产中显得至关重要。目前, 海洋石油平台的主要通信手段有:卫星通信、微波通信、光纤通信、短波通信。其中, 短波通信在海洋石油生产中的作用目前仍然是不可替代的。短波通信具有低成本、高机动性和超远距离通信等优势, 然而令短波通信在海洋石油生产中广泛使用的主要原因是其超强抵抗恶劣环境的能力。同时, 通过技术创新, 对短波通信系统进行改造, 进行系统联网, 可实现对短波发射机远程监测及远程遥控。采用分布式网络联网, 使系统开放灵活, 便于拓展。

二、系统架构及原理

1. 系统使用现状

我公司现有短波通信系统发射机海华MT1501A型共计九套, 位置分散, 难以实时掌握各发射机运行状态;现有短波通信设备利用率与接通率较低, 而且只覆盖渤海、东海海域, 无法为南海海域的移动船舶与石油平台提供短波通信服务;只能提供传统模拟话音方式, 且只能在本地发送接收话音;无法实现系统自动巡检, 故障统计等功能, 无法自动生成状态统计报表。

2. 系统功能设计

系统设计以实用性为原则, 力求改变以上不利现状。系统以中海油内部网络为基础, 实现已有的、分散的多台短波发射机联网, 使管理人员能够在监控中心对系统进行有效的管理。要求系统可扩展, 主要表现为支持系统容量的扩展及系统功能的增加, 实现灵活的控制方式, 为不同的调度中心进行短波通信接入服务。

根据短波发射机的具体硬件配置, 量身定制系统功能软件, 实现最优匹配。改变现有只能在发射机本地进行接收和发送话音, 逐步实现异地、分布式的控制发射机与接收机的功能。通过软件将短波发射机与接收机结合在一起, 实现短波通信业务的数字化。

发射机集中控制系统结构见图1。

(1) 硬件系统设计

短波发射机集中控制系统硬件主要包括:监控计算机、通信数据接口、发射机控制设备及发射机。

利用原有发射极控制器中的单片机构成的数据转接口和通信接口, 将监控计算机、发射机及相关设备组成点到点的通信通道。

在控制系统中, 监控主机作为基础测控终端, 完成对发射机工作状态参数的采集、存储及上传, 并完成工程控制。监控计算机提供友好的人机界面, 操作简单方便, 便于发射机与计算机进行数据交换, 并完成多机自动监控。硬件架构图如图2所示。

发射机是整个系统控制的对象, 发射机由通信开关电源、激励器、功率放大器、谐波滤波器、功率指示单元及接口单元组成。其中激励器是发射机的核心, 它控制着整个发射机的运行。此次改进, 增加电量检测模块和PCM话音采集模块。

发射机单机控制单元使用微处理器完成其控制功能, 使用简单, 稳定性强, 功能实现便捷, 具有智能化, 且易于增加功能。可以完成单机控制、工作频率参数设置、状态检测及报警显示。并在原有功能基础上, 实现加电自检、工作状态自动切换、数据采集传送及故障检测等重要功能。

发射机与监控计算机通过串口服务器进行数据交换。采用一台监控计算机同时控制多台发射机, 结合软件系统实现对多台发射机的集中控制与检测。

(2) 软件系统设计

系统软件主要由客户端软件和服务器端软件组成。软件架构如图3所示。

客户端软件架构相对简单, 主要功能在于界面交互。由界面交互模块 (CClientUI) 、客户端配置模块 (CClientConfig) 和客户端网络通信模块 (CClientGather) 组成。完成工控机IP和端口访问, 指定传递命令或提取发射机状态的工控机地址;进行发射机状态信息展示。

服务器端软件主要包括:服务器系统软件、数据库软件、配置数据及历史数据软件。由CSysConfig模块 (用于管理配置信息) 、CHistory模块 (用于读取和记录历史数据) 、CGather模块 (用于采集发射机数据或发送命令) 及CConnection模块 (用于与监控终端的通信) 组成。

3. 系统特点

本系统硬件仅需对原有发射机进行通信接口修改, 并不破坏原有电路, 使每台发射机控制电路都有各自的控制和保护系统。软件采用组件方式搭建, 使系统具有很强的灵活性。使用C/C++开发, 保证系统具有高效性以及平台的低依赖性。组态设计, 各模块之间的低耦合, 使系统稳定可靠。系统整体性能, 状态反应时间小于3秒, 控制命令反馈时间小于15秒。

三、结束语

本系统将传统话音业务经过网络传输, 实现局域网内的远程控制与呼叫, 使各调度室通过网络使用短波业务成为现实。本系统实现了短波发射机的联网与集中监控, 为海洋石油作业船舶提供安全生产和应急保障。提高了短波通信系统的接通率与覆盖范围, 尤其是随着南海和南沙油田的开发, 可以为南海及南沙作业船舶提供短波通信保障。

摘要：本文针对海洋石油海上通信特点, 设计了一套短波通信集中控制系统, 使系统管理人员能够在监控中心完成对多台分散的短波发射机进行有效的管理。它改变现有只能在发射机本地进行接收和发送话音的现状, 实现了异地、分布式的控制发射机与接收机的功能。它通过软件将短波发射机与接收机结合在一起, 实现短波通信业务的数字化。

关键词：短波通信,短波发射机,集中控制,数据采集

参考文献

海洋通信 第2篇

关键词：系统工程;标准化;数据通信与管理;海洋观测

1引言

海洋通信 第3篇

关键词：海洋通信,无线网,铱星,STM32,协议

在世界人口数量剧增、陆地资源锐减、环境污染日益严重的今天,进军海洋、开发海洋已成为世界海洋技术领域的一大主题。发展海洋科技,尤其是海洋高新技术首先要解决的问题就是海洋环境监测。

目前,使用较多的是ARGO[1,2](Array for Real-time Geotropic Oceanography)即地转海洋学实时观测阵,它是全球海洋观测业务系统GOOS(Global Ocean Observing System)[3,4]中的针对深海区温度盐度结构观测的一个子计划。ARGO节点借助液压动力来改变自身体积以便在0~2 000 m深的海水中下沉与上浮,同时,在上浮过程中对海洋环境进行剖面测量。AGRO采集的数据是以10~14天为周期通过卫星系统来传输的。

本系统针对远海海洋数据传输不能满足实时检测的现状,以无线传感器为节点构成数据传输网络,采用铱星模块将采集数据发往陆地基站。

1 系统简介

本海洋浮标网络数据传输系统结构如图1所示,主要由海洋浮标节点、无线网络、卫星通信系统组成。

海洋浮标节点通过光纤、电缆或无线方式与其下方的传感器网络通信,以实现对一定范围内海洋环境的检测,同时每个浮标节点都携带有无线通信模块和卫星通信模块。无线网络完成两个功能:将浮标网络中各节点采集的数据传输到中心节点;在中心节点发生故障时选择新的中心节点,尽量保证系统的正常运行。卫星通信系统负责将汇集在中心节点的数据发送到陆地基站。

本论文研究无线网络的数据传输与网络维护以及卫星通信。

2 系统原理

2.1 无线网络结构选择及协议制定

无线网络不同于有线网络,在有线网络中,一个节点发出的数据通过有线链路直接抵达目标节点或中继节点,在此过程中,不会对其他节点造成影响。而无线网络中,节点发出的无线信号会对网络中所有节点造成干扰,若不加限制,则无线网络完全无法运行。

此外,本无线网络还具有以下特点:(1)网络中节点一般不会超过10个;(2)网络一旦建立,短期内不会加入新的节点,数据传输量不大但频率较快。

介于以上特点,本网络设计如下:(1)采用星型结构,与此同时,任何通信都由中心节点发起,这样可以避免中心节点同时收到多条数据而造成混乱;(2)网络分三层:物理层、传输层、应用层;(3)网络内节点拥有唯一的网络地址(初始设置中心节点地址为02,外围节点依次递增),以实现数据的定点通信。

图2所示为网络协议帧格式。由于每次通信都是由中心节点发起的,所以协议中不设立源地址。各层功能如下:物理层提供数据的实际传输,由无线模块完成,传输层只需以字节为单位发送数据即可;传输层负责检测网络状态以及数据帧的提取,并对比目的地址与该节点地址,若不符合接收条件,则丢弃数据包;应用层完成中心节点指定的任务,如采集数据的发送、节点地址的设定等。

应用层标志位意义如下:

G:中心节点获取数据标志,此时,外围节点以采集数据来填充数据帧并发送。

D:表示采集数据,此时,中心节点接收到的数据为采集到的数据。

A:重新设定节点地址标志,此时,数据域有三个字节且每个字节都为新地址并相等。该功能可在中心节点检测到卫星通信发生故障时设定新的中心节点。

S:成功标志位,外围节点成功设定本节点新地址后置位该位,否则清零该位,并告知中心节点。

W:警告标志位,外围节点发生故障时置位该位,请求将故障信息发往陆地基站。

R:授权标志位,指定新的节点为中心节点时置位该位,为了防止误码造成的中心节点转移而造成网络混乱,此时数据域必须是0x5555。

N:备用中心节点标志,告知外围节点数据域指定的为备用中心节点地址,此时数据域由三个字节组成,且每个字节都为备用中心节点地址并相等。

2.2 网络自我修复

星型网络对中心节点的依赖性很强,一旦中心节点发生故障,网络便会瘫痪。针对这一情况,本论文提出了网络中心节点转移的概念。考虑到各节点都有检测网络状态的能力(传输层完成此功能),同时,任何一个性能良好的节点都有能力至少完成一次网络扫描并告知其他节点备用中心节点的地址,所以可以很容易地实现中心节点的转移。

中心节点故障[5]包括卫星通信故障和无线模块故障两种。

设中心节点地址为X,当卫星通信发生故障时,中心节点首先在网络中查找无故障的目标节点(W=0),然后将目标节点地址设置为X-1、将自身地址设置为目标节点的原始地址,同时向目标节点发送中心节点授权(R=1,数据域为0x5555),最后,目标节点将自身地址设为X,成为新的中心节点。

当无线模块发生故障时,所有外围节点都不会检测到任何无线信号,此时,外围节点与备用中心节点地址进行对比,匹配的外围节点成为中心节点,发起数据通信,查找无故障的节点并将该节点指定为新的备用中心节点,同时告知其他外围节点。

3 节点硬件设计

节点需具有以下功能:卫星通信、无线通信、水下数据接收、数据存储,同时尽量降低节点的功耗及成本。综合考虑,选用处理能力适中的STM32作为CPU;选用9XTend作为无线收发模块,该模块在使用偶极天线时通信距离可达22 km,在使用高增益天线时最远可达64 km;选用9601SBD(9601 Short Burst Data Transceiver)铱星收发模块通过铱星卫星与陆地基站进行通信。由于STM32只有两个USART资源,而铱星收发需要实时检测信号质量并尽量保证在较小的延迟下将数据发往陆地基站,所以9601SBD占用一个USART,无线通信及水下数据接收共享一个USART。图3所示为节点硬件框图。

4 软件设计

系统软件应完成水下数据接收、铱星模块控制、无线网络通信与维护、数据存储等功能。开机后,各节点读取系统配置对本节点初始化,包括SPI接口初始化、定时器初始化、水下数据接收初始化、9XTend初始化。此外中心节点需要初始化9601SBD控制模块,而外围节点则将9601SBD控制模块置于休眠状态,以降低功耗。之后系统进入工作状态。图4所示为不同节点工作状态下的程序流程图。

5 实验结果

实验中设计了4个无线节点,并以图5连接方式将这些节点随意放置于10 m8 m的房间中,各节点供电电压为9 V,铱星天线置于室外,无线RF模块的通信速率为19 200 b/s,RF模块与CPU的通信速率为9 600 b/s。首先将各节点配置为非网络运行状态,此时记录其中一个节点接收数据情况,如表1所示。由表1可以发现,当各节点发送数据帧的间隔时间不断减小时,误码率明显提高,当间隔时间为0.5 s时,9%的误码率导致几乎不能提取出正确的数据帧。

当把各节点用本论文所述方式进行配置后,查看其中一个节点接收数据情况并记录如表2所示,此时即使将发送间隔时间降低到0.3 s也不会出现误码,不足之处是有些数据帧需要延迟发送。从协议上分析,由于通信总是由中心节点发起的,所以不应该出现误码,但当间隔时间降低到0.1 s时,出现了误码,这应该是由于中心节点分配给外围节点的时间片较小而造成的,若增加时间片,则会降低网络数据传输的效率,所以可以综合考虑通信速率和网络效率并依据实际需求选择最佳的时间片值。

通过电脑查看铱星卫星通信状态,当铱星天线信号良好时,从中心节点发送的数据仅需20 s即可抵达陆地基站。表3记录为3 h时间段内,9601SBD信号质量状况,其中0代表无信号,5代表信号质量最好。实验表明,天气状况良好,信号质量为“3-5”时可以正常进行铱星卫星通信;天气状况较差,如阴雨天时,信号质量为“4-5”时才能保证铱星卫星正常通信。

针对远海海洋特殊的应用环境,本文提出了以9XTend无线模块及9601SBD铱星模块构建海洋浮标网络数据传输系统的设计方案,并给出了无线网络的架构及协议。实验证明本设计切实可行并表现出较大的优越性,完全可以应用于海洋浮标网络的数据传输,对我国海洋环境检测技术的发展有较大的意义。

本设计目前针对的是网络中节点较少的情况,理论上可以支持最多254个节点(地址0不使用,地址1作为中心节点转移时的临时地址),但随着节点的增多,就会增加中心节点的负担,在后续改进中,可以将网络分层或划分子网,从而减轻中心节点的负担并实现网络的更大范围覆盖。

参考文献

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海洋通信 第4篇

随着Ka高带宽卫星系统的发展和成熟, 全球卫星通信业务将迎来高爆发式的增长, 卫星通信产业也将迎来一场革命。在海洋中的船舶上实现与陆地上一样的移动多媒体通信, 一直都是卫星通信、移动通信应用技术研究中很重要的部分。未来, 针对传统的L波段下Picocell (小蜂窝) 基站船舶2G覆盖应用, 新一代的基于Ka波段和微型基站技术的船舶3G/4G覆盖动中通应用将会得到空前发展。

2 传统的基于卫星的GSM覆盖

让船员的日常通信像陆地一样方便丰富, 这是很多企业家和船员的共同梦想。随着Inmarsat-4系统的建设完毕, 以及电信设备技术上的进步, 这个梦想终于成为了现实。Inmarsat公司在I-4系统B G A N基础上, 结合了P i c o c e l l (小蜂窝) 技术, 成功地在远洋船舶上实现了小规模的2G覆盖, 这种业务被Inmarsat公司称为Fleet Broadband技术 (FB) 。在这种崭新的应用模式下, 用户直接在船舶可以使用自己的GSM手机给全球任何人打电话。该应用的系统架构如图1所示。

该应用基于L波段和Picocell技术解决了2G在海洋船舶上的覆盖问题。但是由于L波段自身的频段原因和其他技术上的问题, 它有几个比较明显的缺陷:支持手机用户数量少;只支持2G手机语音服务;船上手机只有语音业务, 无数据业务。

当人们的陆地通信进入4G甚至5G的时代, 海洋船舶对使用3G, 4G应用的呼声越来越高, 过去的技术方案已经不能满足更高带宽、更易应用的新业务需求。随着Ka波段开始投入应用, 基于Ka波段和微型基站技术的海洋3G/4G覆盖动中通应用开始进入人们的视野。

3 Ka波段卫星的优点和应用

在海洋上要跟陆地或其他洋区进行数据交换, 通常是通过卫星进行传输的, 波段一般是C, L, Ku。按照波段应用的先后顺序及海洋商业应用使用波段的费用来划分, 这三个波段可以划分为两代:第一代为L波段和C波段, 具有抗雨衰、终端小等特点, 但波段本身可以利用的频带窄、带宽小, 使用费用昂贵;第二代为Ku波段, 这一代相比于上一代在使用频带和带宽上增加了, 费用也下降了, 但随着宽带应用的增多, 这一频段在带宽和容量方面也显得捉襟见肘。面对新一代卫星通信业务对宽带的诉求, 第三代宽带卫星通信系统开始出现, 这就是基于Ka频段的高速宽带卫星通信系统。

Ka波段是电磁频谱的微波波段的一部分, 频率范围为26.5~40GHz, 其最重要的一个特点就是频带较宽, 可用带宽可达到3500MHz。因此, Ka波段卫星通信系统可为高速卫星通信、千兆比特级宽带数字传输、高清晰度电视 (HDTV) 、卫星新闻采集 (SNG) 、VSAT业务、直接到户 (DTH) 业务及个人卫星通信等新业务提供一种崭新的手段。

利用Ka波段进行3G/4G覆盖指的是在海洋船舶上, 将船舶上已经安装的3G/4G微型基站的信令数据和信息数据, 通过Ka波段的卫星天线传输到卫星上, 再由卫星传输到地面站并通过3GPP定义的S1接口接入电信核心网。利用Ka波段有以下几个非常明显的优势:

(1) 更高的带宽和容量

K a比L和K u波段具有更多的频段资源, 使其终端至卫星传输端具有更高的数据传输速率, 由此船舶上的微型基站可以支持更多的用户数和业务数据。例如, In marsat公司的FB500 (Fleet Broadband500) 业务在Picocell的覆盖下可以支持9个用户使用GSM, 而Picocell理论上可以支持最多64个用户进行并发的呼叫、数据业务。FB业务可以支持的用户数远远小于理论数的一个重要原因就是FB500的终端至卫星通信段的传输采用的是BGAN技术 (L波段) , 其带宽速率最高只有432kb/s, 而且这个速率还有一部分要提供给FB500的其他业务。而一般GSM下未压缩的语音数据一路全速率信道为16kb/s, 9路就是144kb/s。而Ka波段在标准60 c m口径天线的情况下上行可以达到5M b/s, 下行可以达到50Mb/s, 可以带来用户数量的提升并且有效支持船载3G/4G部署后用户的数据业务。

(2) 终端设备尺寸小, 适合船舶应用

天线尺寸小, 且易产生非常窄的点波束;天线增益系数提高, 且照射集中, 从而可降低功耗;增加了同一轨道弧段上可置放的卫星数量, 使两星间可容忍的最小间隔降为1°;从用户方面考虑, Ka频段通信卫星增大了信息传输量, 提高了传输的可靠性和保密能力;允许大的功率密度, 使地面终端更易小型化。

综上所述, Ka波段因其高速率、高带宽和小尺寸的天线终端, 在海洋3G/4G船舶覆盖应用中可以极大地增加系统应用中的容量和带宽, 拥有很强的优势。

4 动中通卫星天线的优点和应用

“动中通”技术在海洋船舶3G/4G覆盖中有以下优点:

(1) 在数据传输过程中采用自主跟踪方式跟踪卫星, 充分利用了卫星通信覆盖区域大、抗干扰能力强、线路稳定的特点, 可实现点对点、点对多点、点对主站移动卫星的通信。

(2) “动中通”船舶卫星传输具有灵活、机动的传输特点, 能确保快速、实时的静态和动态数据传输。

(3) 自动重捕时间短, 驶出通信盲区后能快速恢复通信。

(4) 与OFDM“无方向”移动微波设备相比, “动中通”船舶无需收、发设备操作人员在恶劣环境条件下工作, 节约了人力、物力, 而且减小了电磁辐射污染。

(5) 信号传输过程的节点减少, 提高了传输质量和可靠性。

(6) 能降低大范围、复杂场景数据传输的运行成本。

可见, 动中通天线在未来海洋3G/4G覆盖中将是一项标准技术, 未来所有为实现海洋3G/4G覆盖的Ka卫星天线将都是基于动中通天线技术的。

5 微型基站技术的优点

当前的微型基站技术包括Fetomcell, Picocell, Mi rcocell三种。微型基站的主要作用是完成船舶上的3G/4G信号覆盖, 新一代的微型基站技术在海洋船舶3G/4G覆盖中有以下优点:

(1) 占用空间较小。微型基站通常只有一个台式电脑的尺寸, 非常适合安装和部署在空间狭小的船舶上, 特别是小型的船舶上, 而且安装后即可让信号覆盖船舶的大量空间, 不影响船员对空间的利用。

(2) 简单易用。卫星基站将大量的协议转换功能都以芯片的形式固化到设备的PCB电路板中, 以及内置的参数和集成化设计避免了大量复杂的操作。由于覆盖相对于宏基站小, 无需对基站的发射功率进行控制, 调整覆盖区域, 只需开机就可开始工作, 真正意义上做到了“一键操作”。

(3) 覆盖范围加大, 支持的接入用户更多。相比于过去的微型基站技术, 新一代的增强型Fetomcell, Picocell, Mi rcocell三种技术覆盖范围得到了极大地提高, 覆盖的半径最高可以达到500米;同时, 每一个微型基站可以支持的用户数量也从以前的几个用户, 变成现在可支持最多256个用户的业务。

综上所述, 新一代的微型基站凭借其更大的覆盖范围、更多的用户数量支持、更多的空中接口, 结合Ka波段卫星通信的高速率、高带宽优势, 在船舶3G/4G覆盖应用中扮演着极其重要的角色。

6 典型应用场景系统结构示意图

我们通过图2来了解一下在Ka波段下微型基站在船舶上覆盖3G/4G动中通应用的典型场景和一些细节。

在基于Ka波段和微型基站技术的海洋3G/4G覆盖动中通应用中, 用户侧一端是这样工作的:首先, 船舶上的安卓或苹果系统的3 G或者4 G手机, 通过微型基站 (Mircocell, Femtocell, Picocell中一种或多种) 覆盖范围内提供的空中接口 (WCDMA, CDMA2000, TDD, FDD等) , 将信令数据和业务数据传送给微型基站, 微型基站通过处理单元按照3GPP S1接口要求编码这些数据, 再将这些数据传送给Ka动中通天线包含的卫星Mo d e m进行调制解调, 再通过K a动中通天线时刻锁定的卫星频点将数据传送给Ka卫星。

在卫星侧, Ka卫星利用高速率卫星数据链路将用户侧数据传送给网络侧, 网络侧数据传送给用户侧, 完成用户和地面业务网络的数据交换。

网络侧地面站收到卫星侧发来的数据后, 通过卫星Modem将数据完成解调, 并按照3GPP S1接口标准, 通过路由器将信令部分发送给特定的MME (移动管理实体) , MME进行UE ID分配、安全性、鉴权和漫游等控制, 将业务请求发送给电信核心网, 核心网再将地面站收到的业务数据部分发送给S-GW (服务网关) , 由S-GW选择合适的业务承载链路。

7 结束语

随着Ka波段卫星动中通技术、船用微型基站技术的成熟, 随着海洋3G/4G移动通信服务运营模式的商业化运作, 实现在海洋的船舶上与陆地上一样的移动多媒体通信成为现实, 它将会极大地便利和丰富人们在海洋上的生活, 减小海洋和陆地上通信的差别。同时, 对于从事卫星通信、移动通信系统及设备研究、制造的企业、商家而言, 它将是一个即将爆发的巨大市场, 孕育着巨大的商机, 可以预见它必将创造巨大的商业价值和社会价值。

摘要：本文重点介绍了Ka波段卫星动中通天线技术、微型基站技术, 以及对构建新一代船舶3G/4G移动通信覆盖系统的可行性进行研究。并根据新一代船舶3G/4G移动通信覆盖系统的需求特点, 进行分析和研究, 文章提出了即将出现的基于Ka波段和微型基站技术的船舶动中通移动通信覆盖应用的系统结构图, 最后对其可能的发展前景做了展望。

关键词：Ka波段卫星动中通,微型基站技术,船舶3G/4G覆盖

参考文献

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