利用長距離WiFi技術解決船岸數據通信實測分析

　　摘 要：在海洋經濟繁榮發展，信息技術日新月異的時代，實現船岸之間的低成本高速率數據通信是時代的呼喚。本文通過在廈門灣進行長距離WiFi技術的通信實測，分析利用該技術實現船岸數據通信的可行性和改善空間。

　　關鍵詞：長距離WiFi 數據通信 實測

　　1.背景

　　早在春秋時代，《管子·海王》篇就曾提出“觀山海”“以為國”的思想，前瞻地察覺到海洋蘊含的財富作用對于國家強盛的重要性。近代先驅孫中山指出港口是“中國與世界交通運輸之關鍵”。十八大報告首提“海洋強國”，提高海洋資源開發能力，發展海洋經濟，保護海洋生態環境，堅決維護國家海洋權益，建設海洋強國。然而，當今城市居民幾乎可以隨時隨地不受限制地使用Internet 和各種數據服務，占地球表面積70%以上的大部分海洋區域卻幾乎無法接收到無線寬帶網絡信號，海上通信主要依靠衛星通信、單邊帶短波電臺(SSB)和甚高頻通信(VHF)且海上衛星通信設備投入和使用成本高昂，SSB和VHF主要用于語音傳輸，數據傳輸速率過低。

　　近年來我國海洋運輸、船運貿易、海洋資源開發等經濟活動蓬勃發展，海上應急搜救、港口生產調度、船舶導助航等業務對海上網絡通信服務提出了新的需求，互聯網、大數據、云計算、人工智能和區塊鏈等新一代信息技術必將推動整個航運業進入網絡化發展的新時代。在這樣的背景下，廈門通信中心利用基于長距離WiFi技術的寬帶通信系統進行船岸之間的數據傳輸測試，通過測試獲得第一手資料，探索適合我國國情的高速率、高可靠、全覆蓋、低成本的海上寬帶高速通信網絡。

　　2.常技術分析

　　船岸高速數據通信需要考慮到足夠的傳輸距離、較高的數據傳輸速率、船舶移動特性、多用戶等因素，目前為實現船岸之間的數據通信常用的技術手段如下：

　　(1)VHF頻段，主要有VEDS系統，該系統包含岸基和天基(衛星)系統，可以實現非常大的覆蓋方位，但是該系統數據傳輸速率較低，目前測試情況來看，只能實現300K左右的傳輸速度。

　　(2)UHF頻段，如警用圖傳系統，該系統可以實現類似蜂窩網的系統布局，可以實現較大傳輸速率，但在多用戶的情況下，該系統帶寬還是顯得不足。目前該類系統主要用于但應急指揮方面。

　　(3)SHF頻段，如TD-LTE、長距離WiFi、WiMAX等，微波波段是視距傳輸，繞射能力較差，但有較高寬，可獲得較高的數據傳輸速率。

　　近岸域，4G/5G信號覆蓋較好，但是4G/5G信號覆蓋區之外的沿海，船舶活動也非常頻繁。從解決近岸數據通信的角度分析，頻譜特點來看，基于VHF、UHF頻率適合海上環境的傳輸特性，且有較好的繞射能力，但其可用帶寬過窄。SHF為超高頻段，可使用帶寬較大，能夠實現高速數據通信。

　　3.廈門灣測試情況

　　本次測試出于覆蓋范圍大、傳輸距離遠、終端設備通用性高的目的，采用了5.8GHz長距離WiFi設備作為測試設備，以視距通信(LOS)為主，而依靠反射、散射和衍射方式達到非視距通信(NLOS)在遠距離通信方面基本不起作用，本文將不予考慮。由于地球的曲率使空間波傳播存在一個極限，如圖(1)所示。

　　本次測試分別考慮到船舶移動特性，船舶上只安裝全向天線。岸基分別安裝全向天線和定向天線進行測試。測試設備的技術指標表及全向天線如(圖2)、定向天線(圖3)的方向圖及增益天線：

　　測試情況介紹：

　　(1)船載基站和岸基基站都全向天線時，船岸之間最大通信據圖約為10公里，發送和接收的速度均為2Mbps，實測數據如圖4。當船岸距離超過超過10公里時，通信基本中斷。

　　(2)船載基站配備全向天線、岸基配備定向天線時，可穩定通信距離約30KM，發送和接收的發送和接收速度均為2Mbps，最大速度可達3Mbps，船舶航行軌跡以及實測數據如圖5。

　　(3)視頻傳輸的測試：在船舶航行過程中接入在測試中接入攝像頭，視頻傳輸清晰流暢。通過手機微信視頻聊天，視頻流暢不卡頓，語音清晰。

　　4.實測分析

　　通過對測試過程和采集的數據進行初步分析，可以認為：在設備功率和天線增益較低的情況下，在30公里的傳輸距離處還能夠保持穩定通信，距離良好通信距離35.7公里也僅有5.7公里的差距，理論上通過增加設備靈敏度、發射功率、天線增益、天線高度及編碼方式是可以實現更大的通信范圍和頻率資源的使用效率;船舶擺動過程中未發現傳輸速率明顯下降情況，因遇障礙物通信中斷后不需干預可迅速恢復通信，說明現有設備比較成熟穩定;測試途中多處無4G信號，交管VHF通信也中斷的情況下，測試系統還可以保持船岸視頻通話，可見長距離WiFi能為船岸通信能發揮較大作用;當遇有大船等障礙物遮擋時通信會出現通信中斷，說明該頻段繞射能力較差，也難以靠依靠非視距通信實現穩定通信。

　　5.實現的功能及建議

　　(1)過本次對基于長距離WiFi技術的高速通信網絡的測試，初步認為在合理布設基站的情況下，可以較大范圍內實現船岸之間的高速數據通信網。對打造低沉本、高速率的船岸數據通信，或者作為船岸異構網絡中的一環具備一定的價值。

　　(2)該系統對實現海巡船艇等公務船實現船岸間高速通信有較大的幫助，可為海上交通安全監管和救助的決策指揮協調提供通信保障。

　　(3)該系統可以能為船員提供上網等互聯網應用，對豐富船員業余生活有很大的幫助。

　　(4)由于本次長距離WiFi設備的使用頻率為5.8GHz的WiFi專用頻率，對功率使用要求有較大的限制，不利于開展大功率、高增益的設備使用和研發，需要考慮專有的頻率的規劃。

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