基于Ku波段HTS通信系統(tǒng)在海洋工程船舶的應(yīng)用探索

【摘要】? ? 隨著我國海洋開發(fā)由近海走向深海，大量深海項(xiàng)目工程作業(yè)展開，隨著海上船舶信息化不斷發(fā)展，工程船舶深海作業(yè)對通信大容量傳輸?shù)男枨笥l(fā)強(qiáng)烈，傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經(jīng)難以承擔(dān)目前高容量傳輸需求，已經(jīng)成為影響海洋工程船舶信息化的瓶頸。亞太6D衛(wèi)星升空，為海洋工程船舶提升通信容量、提高信息安全，提供新的解決途徑。本文通過亞太6D高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)在海油工程船舶的應(yīng)用探索，通過評估船舶傳輸通道需求，設(shè)計(jì)船舶網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，帶寬調(diào)度與保障機(jī)制，信息安全防護(hù)機(jī)制，為解決海洋工程及其他類海洋船舶大容量通信需求提供借鑒，對推進(jìn)海洋船舶深度信息化具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】? ? 海洋工程船舶? ? Ku波段? ? 高通量衛(wèi)星? ? 衛(wèi)星虛擬網(wǎng)絡(luò)

引言：

隨著海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略推進(jìn)，我國在海洋多個(gè)領(lǐng)域取得突破，特別是深海能源勘探開發(fā)領(lǐng)域，大量深海工程作業(yè)展開，我國工程船舶在深海作業(yè)愈發(fā)頻繁，而現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展帶來了技術(shù)變革也滲透到海洋工程中，工程船舶深海作業(yè)對通信大容量傳輸?shù)男枨笥l(fā)強(qiáng)烈。以中國海洋石油公司的海上工程船為例，船舶全球海域作業(yè)且作業(yè)區(qū)域不固定，船舶移動(dòng)的航線也不固定，因此長期以來，海油的海洋工程船舶大多使用衛(wèi)星對外通信，傳統(tǒng)VSAT系統(tǒng)，無論是C波段、Ku波段衛(wèi)星系統(tǒng)均存在通信容量偏低、頻譜資源租用費(fèi)用偏貴問題，新一代高通量Ka衛(wèi)星系統(tǒng)又存在雨衰問題，難以適應(yīng)全氣候場景問題。通信傳輸已經(jīng)成為影響海洋工程船舶信息化的瓶頸，是保障海上船舶安全、提高工程效率亟待解決的問題。

2020年7月，亞太6D衛(wèi)星發(fā)射升空，亞太6D是我國首個(gè)Ku頻段高通量寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)首發(fā)星，使用東方紅四號增強(qiáng)型衛(wèi)星平臺(tái)（DFH-4E），具有“高承載、大功率、長壽命、高可靠性”等優(yōu)勢。亞太6D攻克了國際先進(jìn)的Ku頻段超寬帶多端口功率放大器（MPA），實(shí)現(xiàn)了功率的資源池化，可以通過對通信帶寬進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，解決波束忙閑不均的問題，衛(wèi)星通信容量高達(dá)50Gbps。亞太6號W衛(wèi)星G/T值對比傳統(tǒng)衛(wèi)星平均提高8-10Db，抗雨衰能力更強(qiáng)。靈活的關(guān)口站切換技術(shù)，則讓亞太6D衛(wèi)星可以在國內(nèi)外8個(gè)關(guān)口站之間靈活切換，從而確保衛(wèi)星運(yùn)營安全。亞太6D通信大容量、動(dòng)態(tài)分配通信帶寬等一系列能力，為海洋工程船舶解決通信傳輸瓶頸提供新的解決途徑。

一、當(dāng)前海洋工程船舶通信面臨的困境

目前海洋工程船舶信息業(yè)務(wù)需求主要是語音、船舶運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)回傳、海上視頻監(jiān)控回傳、視頻會(huì)議、OA辦公、個(gè)人互聯(lián)網(wǎng)需求等業(yè)務(wù)，以海油工程某事業(yè)部為例，該事業(yè)部下轄11條船舶，作業(yè)區(qū)域遍布全球，多數(shù)使用傳統(tǒng)Ku波段衛(wèi)星服務(wù)，共計(jì)11條SCPC衛(wèi)星鏈路，每條鏈路通信容量1Mbps-2Mbps不等，可以實(shí)現(xiàn)的語音、辦公OA業(yè)務(wù)，滿足最低限度的日常辦公生產(chǎn)需求，通過梳理，主要存在幾個(gè)方面問題：1.由于船舶全球區(qū)域作業(yè)，衛(wèi)星鏈路存在多個(gè)服務(wù)商，多條鏈路陸地衛(wèi)星主站位于香港、新加坡等地，落地點(diǎn)信息安全無法保障，衛(wèi)星資源無法統(tǒng)一調(diào)度，設(shè)備硬件多品牌型號，故障響應(yīng)與維修效率差;2.多條船舶直接互聯(lián)網(wǎng)接入，沒有企業(yè)專網(wǎng)鏈路，企業(yè)內(nèi)部信息通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也存在外部通過互聯(lián)網(wǎng)入侵船舶系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn);3.衛(wèi)星鏈路容量小，應(yīng)急視頻回傳和日常視頻會(huì)議，畫面不清晰、卡頓嚴(yán)重，現(xiàn)有帶寬已經(jīng)無法承擔(dān)更高程度的辦公信息化需求;4.船員個(gè)人網(wǎng)絡(luò)需求激增，員工個(gè)人使用互聯(lián)網(wǎng)娛樂、休閑的需求無法滿足;5.船舶新技術(shù)應(yīng)用及擴(kuò)展能力弱，已經(jīng)無法滿足數(shù)字化船舶的要求，也無法適應(yīng)未來擴(kuò)展需要。

二、當(dāng)前海洋工程船舶通信需求分析

以海油工程船舶主要信息應(yīng)用單通道監(jiān)控視頻回傳、兩方視頻會(huì)議為例，通過測試監(jiān)控視頻回傳在不同分辨率、不同碼率、不同幀率、不同編碼格式下，占用速率情況及監(jiān)控視頻效果如下表1。

通過測試不同視頻分辨率、碼率的兩方視頻會(huì)議，獲得其占用速率情況及視頻會(huì)議效果如下表2。

以海工該事業(yè)部轄下具體船舶藍(lán)疆號為例，藍(lán)疆號大型起重鋪管船是一艘非自航無限航區(qū)作業(yè)的大型工程船，船體總長157.5 m，型寬48 m， 滿載排水量58000 t，常態(tài)下作業(yè)人員100-200人，經(jīng)過測試統(tǒng)計(jì)，常態(tài)下，船舶對外語音并發(fā)數(shù)為6部，15-20臺(tái)計(jì)算機(jī)或其他終端并發(fā)在線OA辦公。通過測試，上述業(yè)務(wù)占用衛(wèi)星通信傳輸容量約2Mbps-3Mbps;視頻監(jiān)控回傳業(yè)務(wù)，根據(jù)表1，取一路720P攝像頭回傳衛(wèi)星通信1.06Mbps（單向回傳）。視頻會(huì)議業(yè)務(wù)，根據(jù)表2，取兩方視頻會(huì)議方式，占用衛(wèi)星通信傳輸容量約1.83Mbps（上0.9Mbps+下0.93Mbps）。經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算藍(lán)疆號最低衛(wèi)星通信容量需求為： 4.89Mbps。目前藍(lán)疆號衛(wèi)星鏈路容量為2Mbps，只能滿足語音與OA辦公業(yè)務(wù)，視頻監(jiān)控與視頻會(huì)議業(yè)務(wù)使用效果較差，若滿足設(shè)定的業(yè)務(wù)使用需求，衛(wèi)星鏈路帶寬至少還需擴(kuò)容2.8Mbps。該事業(yè)部下所有船舶若實(shí)現(xiàn)按上述信息化業(yè)務(wù)需求，均需擴(kuò)容，總帶寬需求數(shù)將增加30Mbps， 這將增加較大的通信成本支出。

三、基于亞太6D系統(tǒng)在海洋工程船舶的應(yīng)用設(shè)計(jì)

（一）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

由于亞太6D衛(wèi)星Ku頻段超寬帶多端口功率放大器，實(shí)現(xiàn)了功率的資源池化，可以通過對通信帶寬進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，解決波束忙閑不均的問題，也能動(dòng)態(tài)調(diào)整鏈路帶寬大小，由此構(gòu)建Ku波段24Mbps帶寬資源池，供11條船舶衛(wèi)星通信資源的自由調(diào)配，提高資源利用率，降低成本，提升通信效果，實(shí)現(xiàn)船舶應(yīng)急監(jiān)控視頻回傳到陸地應(yīng)急指揮中心、實(shí)現(xiàn)海陸視頻會(huì)議。對于具體船舶，通過KU波段衛(wèi)星天線建立一條KU波段衛(wèi)星鏈路，通過調(diào)制解調(diào)器分出兩條通信鏈路實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)與企業(yè)網(wǎng)兩條鏈路相互獨(dú)立。

通信主體有衛(wèi)星通信海洋工程船舶、衛(wèi)星地面站、中海油企業(yè)網(wǎng)。與業(yè)務(wù)相關(guān)的實(shí)體有衛(wèi)星、衛(wèi)星主站的通信天線、基帶系統(tǒng)、地面網(wǎng)、綜合服務(wù)平臺(tái)（SOP系統(tǒng)、能力開放平臺(tái)、SDP平臺(tái)）、專線、船舶端站。可實(shí)現(xiàn)船舶的企業(yè)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)兩種業(yè)務(wù)應(yīng)用相互獨(dú)立隔離流量從船舶透明交付到中海油陸地?cái)?shù)據(jù)中心和帶寬資源靈活調(diào)整優(yōu)先級與動(dòng)態(tài)分配。336DCAED-2B68-4515-AF58-6499ED040508

在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流向?qū)用妫泄こ檀苏井a(chǎn)生的數(shù)據(jù)，經(jīng)由基帶側(cè)SVN+網(wǎng)絡(luò)側(cè)VPN+客戶側(cè)物理專線方式，實(shí)現(xiàn)端到端業(yè)務(wù)獨(dú)立隔離，帶寬和通道由中海油獨(dú)享。通道層面與其他用戶完全隔離，保護(hù)數(shù)據(jù)安全，企業(yè)網(wǎng)IP地址、專線對接IP地址按中海油企業(yè)網(wǎng)規(guī)劃和分配，互聯(lián)網(wǎng)IP地址、SVN與VPN的對接IP地址可由衛(wèi)星運(yùn)營商規(guī)劃和分配，其互聯(lián)網(wǎng)出口可以根據(jù)需求直接從衛(wèi)星運(yùn)營商側(cè)接入國際互聯(lián)網(wǎng)。

在業(yè)務(wù)層面，采用亞太6D全球帶寬管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)帶寬資源靈活調(diào)整優(yōu)先級與動(dòng)態(tài)分配。中海油企業(yè)網(wǎng)通過對接衛(wèi)星運(yùn)營商的開放平臺(tái)與智能網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對端站和用戶的全方位管控，滿足用戶資料、賬務(wù)信息、套餐定義、業(yè)務(wù)受理等方面的數(shù)據(jù)隔離和保密需求。衛(wèi)星鏈路可提供互聯(lián)網(wǎng)與企業(yè)網(wǎng)業(yè)務(wù)端到端完全隔離透明轉(zhuǎn)發(fā)流量，如下圖，網(wǎng)絡(luò)通過專線對接到衛(wèi)星關(guān)口站骨干網(wǎng)接入MPLS VPN隔離流量。不同通道鏈路通過物理專線+網(wǎng)絡(luò)側(cè)VPN+基帶側(cè)SVN方式實(shí)現(xiàn)安全隔離。

衛(wèi)星虛擬網(wǎng)絡(luò)（SVN）衛(wèi)星運(yùn)營商實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)安全隔離機(jī)制的模型，方法是在共享衛(wèi)星上擴(kuò)展專用網(wǎng)絡(luò)，以便用戶的遠(yuǎn)程設(shè)備可以像直接連接在私人網(wǎng)絡(luò)一樣發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

SVN類似于地面虛擬專用網(wǎng)（VPN）。兩者都提供連接跨通用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，同時(shí)隔離每個(gè)專用網(wǎng)絡(luò)的流量，并為每個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供獨(dú)立的IP地址空間。這個(gè)方法在iDirect網(wǎng)絡(luò)中叫做的“虛擬路由”。PP和衛(wèi)星路由器都在邏輯上維護(hù)虛擬路由表的方式類似于路由器供應(yīng)商的虛擬路由和轉(zhuǎn)發(fā)（VRF）功能。iDirect虛擬路由和VRF的組合隔離了客戶的路由表，允許相同的IP地址應(yīng)用在多個(gè)SVNs中。

該SVN用戶從左側(cè)的客戶專用網(wǎng)絡(luò)，使用MPLS VPN隧道（PW）通過地面MPLS（多協(xié)議標(biāo)簽交換）骨干網(wǎng)，通過包括PP在內(nèi)的衛(wèi)星接入站（SAS）和通過衛(wèi)星路由器（即衛(wèi)星貓Terninal）達(dá)到終端用戶局域網(wǎng)。在接入路由器（Access Router）上，MPLS VPN隧道被終止，并映射到一個(gè)唯一的符合802.1q的VLAN tag標(biāo)簽上，該tag標(biāo)簽與SVN的ID值相同，通過SAS和空中（OTA）路由域維護(hù)保持到衛(wèi)星路由器。一個(gè)SVN實(shí)例的相關(guān)接口集綁定到該SVN標(biāo)簽的VRF下（VRF Lite），這樣，每個(gè)客戶SVN運(yùn)行一個(gè)獨(dú)立VRF，IP地址可以重復(fù)使用。

（二）資源分配，企業(yè)網(wǎng)應(yīng)用保障設(shè)計(jì)

24Mbps KU波段帶寬資源靈活調(diào)整優(yōu)先級與動(dòng)態(tài)分配，設(shè)置承諾信息速率（CIR），則在船舶/應(yīng)用的優(yōu)先級（Priority）一致的情況下，優(yōu)先將帶寬分配給有CIR的船舶/應(yīng)用（互聯(lián)網(wǎng)），剩余帶寬再分配給其他船舶/（互聯(lián)網(wǎng)），讓這些應(yīng)用得以有一定程度的速率保障。

舉例：CIR需求未超帶寬池，一輪或多輪分配。

帶寬池為24，企業(yè)網(wǎng)業(yè)務(wù)有CIR 12，互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)沒有CIR。企業(yè)網(wǎng)業(yè)務(wù)請求18，互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)請求12，總請求30超過帶寬池24。

1.首先保障有CIR的企業(yè)網(wǎng)業(yè)務(wù)，CIR 12沒有超過帶寬池24，先給企業(yè)網(wǎng)業(yè)務(wù)分配12。

2.剩余帶寬12。12（剩余帶寬）÷2（數(shù)量）= 6，所以各分配6。企業(yè)網(wǎng)業(yè)務(wù)得到18，需求得到滿足，互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)只得到6，需求未得到滿足。

多輪分配原理與一輪分配大致，將一輪分配剩余帶寬按CIR未滿足的平均分配;此外還可配合開銷值Cost按比例分配帶寬資源等。根據(jù)船舶的需要相互調(diào)配，保障企業(yè)網(wǎng)大帶寬應(yīng)急的需求又能節(jié)省資源。

四、應(yīng)用效果

按照網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行工程實(shí)施，按帶寬資源分配機(jī)制調(diào)試，項(xiàng)目達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)預(yù)想效果：1.事業(yè)部轄下11條船舶實(shí)現(xiàn)全球海域衛(wèi)星接入，基于一套硬件系統(tǒng)同時(shí)提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)與多路企業(yè)網(wǎng)鏈路連接服務(wù)，互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)與企業(yè)網(wǎng)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)隔離管控。2. 11條衛(wèi)星鏈路共享24M衛(wèi)星帶寬池資源，較原來船舶衛(wèi)星帶寬，僅增加約2M，并可基于鏈路業(yè)務(wù)需求，對任意衛(wèi)星鏈路進(jìn)行傳輸容量自定義，通過對帶寬池頻譜資源的時(shí)分復(fù)用調(diào)度，亞太6D衛(wèi)星點(diǎn)波束的頻譜空間復(fù)用，每條船可分配帶寬4.89M，基本實(shí)現(xiàn)工程船關(guān)于視頻監(jiān)控、視頻會(huì)議、語音、互聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用需求。3.支持任意一衛(wèi)星鏈路下，多路企業(yè)網(wǎng)鏈路、互聯(lián)網(wǎng)鏈路傳輸容量自定義分配，衛(wèi)星通信系統(tǒng)具備快速擴(kuò)容的能力。4.在環(huán)境和流程制度上確保船舶網(wǎng)絡(luò)安全符合IMO 海上安全委員會(huì)、中國船級社的相關(guān)要求。

由于通信帶寬的增加，改變了船舶生產(chǎn)辦公的方式，陸地監(jiān)控中心可按需調(diào)取海上監(jiān)控視頻，工程船舶的運(yùn)行狀態(tài)可實(shí)時(shí)回傳至陸地船舶狀態(tài)監(jiān)控中心，海陸會(huì)議溝通由原來電話語音為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l會(huì)議為主，大大的提升的辦公效率，同時(shí)海上員工的個(gè)人網(wǎng)絡(luò)需求得到滿足，利于國家政策、精神宣傳到海上第一線，便于企業(yè)文化、企業(yè)關(guān)懷延伸至一線。

五、結(jié)束語

基于Ku波段HTS通信系統(tǒng)在海洋工程船舶的應(yīng)用探索，為解決海洋工程船舶及其他類海洋船舶對外通信提供一種有效的解決方案，特別是基于帶寬池共享，單鏈路下多業(yè)務(wù)邏輯通道通信容量動(dòng)態(tài)切換與自定義的研究與探索，是滿足用戶需求與費(fèi)用支出控制，性價(jià)比組合較高的應(yīng)用嘗試，對類似需求的場景極具參考與借鑒價(jià)值。

作者單位：彭義東? ? 中海油信息科技有限公司

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]宋振林.亞太6D衛(wèi)星助力通信互聯(lián)[A].中國通信學(xué)會(huì).2020中國衛(wèi)星應(yīng)用大會(huì)報(bào)告集[C].中國通信學(xué)會(huì)：中國通信學(xué)會(huì)，2020：293-317

[2]任佳熙，郭威.高通量衛(wèi)星新技術(shù)（上）[J].衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)，2021，（07）：50-57.

[3]海玉，張明，羅啟昂，張鳳鴿.基于虛擬拓?fù)涞膯螌有l(wèi)星網(wǎng)CEMR路由算法[J].電腦知識與技術(shù)，2013，9（02）：365-366.

[4]李永芳.基于BGP MPLS VPN企業(yè)跨域組網(wǎng)仿真設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2021，40（03）：121-128.

[5]劉邦桂.點(diǎn)對點(diǎn)傳輸協(xié)議虛擬專用網(wǎng)在大數(shù)據(jù)中的應(yīng)用[J].軟件工程，2021，24（10）：14-17.

[6]湯健，鄧建偉，楊笑.MPLS組網(wǎng)安全問題的解決方案[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，2020，46（23）：55.336DCAED-2B68-4515-AF58-6499ED040508