0 引　言

我国管辖海域面积辽阔、安全形势复杂、自然环境恶劣，随着我国海洋经济规模的快速增长、海洋产业的蓬勃发展、“一带一路”战略的持续发展，海上通信服务需求日益常态化，海洋自然灾害和海上突发事件给海洋交通、海洋运输、海洋渔业、海洋旅游等海洋经济和海洋生产活动带来的危害日益显现，面向日益增长的海上活动应急通信保障能力亟待加强。在保障我国海洋活动的诸多要素中，海洋通信发展较晚，海上通信服务能力的保障是公认的瓶颈环节。

基于无人机及其起降平台的海上应急搜索系统，采用TDMA（时分多址）系统组网技术和无线网桥通信技术建立局域网，对目标水域进行搜索^[1]。此外，由海上渔船组成的异构无线网络组建海上互联网，用于渔船间的信息交换，包括紧急数据、正常数据、语音和视频系统^[2]。CHEN等^[3]提出了一种链路故障机制和自主水下航行器辅助路由孔修复机制，用于不确定海洋环境下的路由设计，以节省能耗提高网络联通性。另外，基于系留无人机平台的无线应急通信中继系统，配备通信负载MESH（无线网格网络通信）、4G-LTE（长期演进第四代移动通信）、AIS（自动识别系统），满足应急救灾通信需求^[4]。WEI等^[5]提出了基于卫星中继的海上跨越式应急通信覆盖技术，解决快速接入公共通信网的问题。北斗三号全球短报文通信服务可面向全球海域，单次信息长度560 bit^[6]，发射功率小于10 W，服务用户范围日益扩大，显著提高了我国海上遇险对象搜救效率，减少了海上遇险伤亡，但通信服务容量受限^[7]。此外，系统的从遇险报警、搜救通信、返回链路服务、海上安全信息、动态监管等方面开展研究^[8]，提出了北斗全球海上遇险与安全服务体系概念，服务体系框架由空间段、地面段和用户段3个部分组成。海上通信区别于陆地通信的通信用户相对集中的特点，呈现用户移动性强、通信需求稀松的特点，航道通信保障需求增长。吴宇晓等^[9]提出了依托北斗卫星导航系统加强极地航道海上通信的解决办法，开展远洋气象导航服务的极地通信实船测试，推动我国极地航道专用通信系统建设。吴华锋等^[10]提出了一种高效可行的基于海上移动通信环境的移动对等网络分层体系框架，按照组网技术和方式的不同，划分为船岸层、船间层与船载层3层，3个部分网络主要区别于覆盖范围、用户密度和传输速率（带宽），该体系框架可适用于海上环境，具备良好的可扩展性及移动适应性。蔡全旺等^[11]针对海上通信手段差异大、网络拓扑变化复杂、传输带宽受限等问题，提出了应对海上战术网络的服务框架，分为通信应用、通信服务和网络交换3个部分，其中通信服务是综合的核心控制平台和开发的应用支撑平台，可提供各类通信服务。刘思轶等^[12]针对海上风电产业施工和作业难度大、风险高，安全生产监测、远程运维和指挥调度难度大的需求，提出了海域宽带通信网络系统应用场景，将网络系统架构从下到上分为接入层、网络层和应用层，设计了集群对讲、集群调度、监控视频回传、终端定位4类业务功能。赵文飞等^[13]对于指挥通信网络架构分析对比以平台为中心和以网络为中心2种体系，以网络为中心的指挥控制网络能够实现参战单元、信息处理单元、指挥机构以及火力打击单元的互联互通，可为所有作战单元提供更为准确、完整、实时的来袭目标单位。

目前各类海上通信服务多以特定需求为牵引，缺乏可适用于不同应用场景的通用海上移动通信服务的讨论，难以为全面解决海上应急通信服务覆盖范围大、通信业务需求种类多、应急场景公网信号不稳定等难点问题提供通用化解决方案。本文深入研究海上应急通信所面临的诸多问题，采用基于TD–LTE（长期演进的时分双工模式）标准化3GPP（第三代合作伙伴计划）框架设计海上应急移动通信网络，通过通用化终端海上通信服务泛在化接入提升极端恶劣环境下的通信服务能力。

1 架构设计 1.1 网络架构

本文在传统的岸海间“一跳”回传方式的基础上，提出了基于海上平台的接入系统设计方案，为实现海上通信终端的随遇接入提供了可行性。网络架构设计包括用户接入、汇聚传输、业务访问到公网互联的端到端的联通性设计，在服务层实现了异构网络的统一融合与外部联通，分为指挥调度中心与指挥调度基地两级部署，传输网利用高速宽带网络实现数据的快速交换，接入系统利用船舶或无人机等海上平台提升海上通信网络的接入能力，海上通信用户使用LTE通用终端便捷泛在入网。网络架构如图1所示。

1.2 技术架构

为解决海上应急移动通信业务服务开展需求，保障通信网络互联互通与资源调度的高效实施，实现与现存应急通信网络以及电信运营商的无缝对接，基于一体化分层技术体系，采用NGN和云服务的技术构建包括应用层、服务层、承载层和传输层的4个技术体系架构，为海上应急移动通信用户提供IaaS（基础设施即服务）、）PaaS（平台即服务）、SaaS（软件即服务）等不同层次的云服务，具有良好的开放性和可扩展性。技术架构如图2所示。

1）传输层

传输层采用各类无线及有线接入网络技术，该层起始于对用户终端的接入，终结于岸上的出口网关，通过统一的IP协议与承载层对接。在海上统筹利用高低轨卫星、LTE（长期演进）、微波、水声等多种传输手段，可作为海上移动通信用户的机动接入，也可作为岸海互通的中继通信手段。传输层作为上层各业务网的公共传输平台，实现广域覆盖、应急保障、机动抗毁的岸海一体化综合通信传输网络。

2）承载层

承载层主要负责连接各类传输层接入网络与业务系统，形成高效快速的IP交换能力，该层包括网络路由交换系统和网络动态监测系统，为各类业务系统和通信用户提供统一的基础交换平台，展现了整个平台的运行状态，在形成全网统一态势的前提下，为通信网络的动态调整提供依据。整个承载层采用IP技术和软件定义网络技术构建的高业务传输质量的路由交换网络，对上屏蔽下层所有传输手段，提供统一IP或流表的路由交换方式。

3）服务层

服务层为海上应急移动无线通信网络提供统一的业务接入和控制，为应用提供统一的接入接口。保证应急移动无线通信网络中各系统间的互联互通，确保通信网络资源调度的高效实施，实现与现存应急通信试验网络以及电信运营商的无缝对接。服务层主要为通信用户提供话音、视频、数据、会议、消息等多种类型业务的业务控制、传送控制、资源控制、虚拟网络控制等业务支撑功能，并且将各种通信业务根据规定的方式进行封装。

4）应用层

应用层基于服务层接口，采用HTML5（超文本标记语言的第五版）、APP（应用程序）等多种方式对通信用户提供各类海洋服务应用，主要包括各类应急通信业务、应急通信调度应用、应急通信示范应用以及公众基于IP的各类应用，海上应急移动无线通信服务用户可以通过浏览器、客户端等用户端方式访问应急通信应用、调度指挥应用、示范应用与公众应用等应用服务。

2 关键技术与实现 2.1 调度策略设计

根据应急响应的演化过程分析，将文本预案进行流程化分解，分析每个关键点，将事件上报、SOS（紧急呼救信号）接警、预案启动、级别判断、队伍召集、职责分配、资源分析等关键环节按照预案的流程串联一起，能自动分析执行的预案流程，并可关联具体的应急通信服务响应。

对于每一个应急通信申请单中的任务，判断该任务的工作场景和响应级别，响应级别越高，把该任务放在任务队列的优先位置进行处理。每种工作场景对应该任务需要分配的响应存在约束条件，约束有应急通信业务类型、通信系统、协同关系、网络建立时间、覆盖半径等。根据平台及设备使用实时状态信息进行匹配海上平台，需要首先安排适宜的搭载平台组成主要通信系统，其次安排协同海上平台组成协同通信系统辅助主要通信系统，弥补主要通信系统在到达时间、覆盖范围或通信时长方面的短板。应急规划策略流程图如图3所示。

2.2 通信服务设计

本文基于海上应急移动无线通信服务网络对海上应急通信业务进行了划分，主要分为公网通信业务与区域通信业务两大类，根据海上通信用户实际使用需求给出端到端的通信服务设计方案。服务流程如图4所示。

公网通信业务：主要分为互联网IP通信业务、电话网语音通信业务与运营商语音通信业务3个部分。互联网IP通信业务可通过服务器的设置，在网内实现基于IP的各种服务，包括VoIP（基于IP的语音传输）以及其他IP数据服务。电话网语音通信业务通过交换网关实现和PSTN（公共交换电话网络）的互联互通。运营商语音通信业务通过私有IMS（IP多媒体子系统）设备连接运营商IMS，为海上应急通信用户提供运营商语音通信等服务。

区域通信业务：针对海上通信用户分布稀松，船舶、平台区域内通信需求数据量大，适应离岸边缘计算发展方向，本文设计了区域内通信业务，采用私有核心网建立海上区域中心，通过私有核心网、业务服务器进行语音、数据业务汇聚，解决原有通信上传链路带宽瓶颈，极大降低了外部网络依赖性，可实现区域内通信业务效率显著提升。

2.3 调度优化设计

基于各类海上用户的海洋应急场景区域的通信需求，进行通信资源初步分类，区分移动IP数据服务、语音通信、AIS数据、SOS数据、光通信等数据服务需求，获取初步通信分类列表。通过对应急通信调度进行平台与通信分离的优化设计，极大提升了应急通信网络的灵活性和海洋适应性，打破了传统的海洋平台与通信载荷的固定搭配方式，使得在多变海洋环境下，可灵活根据用户需求和具体场景进行任务分解并获取调度预案，解决了海上应急场景下通信难度大的问题，通过多平台多载荷的协同通信，提升了海洋通信的网络高覆盖与服务多样性。

运用多准则决策分析，根据通信服务时长和覆盖范围的实时评估，进行链路参数调整，包括功率控制和频道选择，生成链路适应性调整信息。根据平台调度方案，利用通信服务时长和覆盖范围评估数据，通过实时监测调整海上平台通信链路参数，包括信号功率和频道选择，优化针对恶劣网络条件的参数设置，生成链路参数调整记录。基于所述链路参数调整记录，在关键网络拥塞区域，对关键通信节点进行功率控制调整和频道分配，生成链路优化信息。基于所述链路优化信息，运用多准则决策分析，评估功率控制和频道选择的调整对通信质量的影响，并确定调整是否满足最优传输质量要求，生成链路适应性调整信息。

海洋应急通信调度设计中的多准则决策分析方法，按照式(1)计算决策方案的总得分。

$ {S}_{j}=\sum\limits_{i=1}^{n}({w}_{i}\cdot {v}_{ij}+k\cdot {e}_{ij}\cdot {t}_{ij})。$

(1)

式中：$ {S}_{j} $为决策方案j的总得分；$ {w}_{i} $为第i个准则的权重；$ {v}_{ij} $为方案j在第i个准则下的评价值；$ {e}_{ij} $为方案j在第i个准则下的环境因素影响；$ {t}_{ij} $为方案j在第i个准则下的时间敏感性影响；k为调节因子，用于平衡环境和时间因素的影响。

首先确定各个准则的权重$ {w}_{i} $，然后评估每个方案在各个准则下的表现$ {v}_{ij} $，并衡量环境因素$ {e}_{ij} $和时间敏感性$ {t}_{ij} $的影响，引入调节因子k来调整这2个参数的影响力，最后通过加权求和计算得出每个方案的总得分$ {S}_{j} $，确认系数值k的方法是通过先验测试和历史数据分析确定，以确保能有效平衡环境和时间对决策的影响，最终选择得分最高的方案。

3 测试与应用

测试试验选择舟山大青山附近海域（经纬度：29°42.935′N，122°42.089′E），基站中心频点（2.615 GHz）。在上述测试前均进行了频谱扫描，测得在2.595～2.600 GHz范围内有−85 dBm左右的底噪，在2600～2.635 GHz范围内有−90 dBm的底噪。该区域存在信号干扰，通信服务受限，选择服务质量与用户容量两项指标开展测试。

3.1 服务质量

测试选择在指挥调度中心部署核心网，接入系统选择船舶，与船舶间选择卫星通信链路，船舶系留气球搭载基站RRU（远程射频单元）设备的模式下开展，记录RSRP（参考信号接收功率）与SINR（信号与干扰加噪声比）数据。RSRP测试结果如图6所示。

RSRP为无线信号强度的关键参数，其值越高信号越好。RSRP信号强度分为极好（> −85 dBm）、良好（−95 dBm ≤ RSRP ≤ −85 dBm）、中等（−120 dBm ≤ RSRP < −95 dBm）、较差（< −120 dBm）。测试中93.78%的结果集中在“中等”区间，通信基本稳定。5.29%的结果在“良好”区间，通信质量较好，仅有0.93%的结果在“较差”区间。表明测试区域整体通信效果基本良好，可满足语音通话、文字消息、网页浏览等基本通信需求，性能可通过进一步调整基站密度和天线参数提升。

SINR为衡量通信质量的关键指标，其值越高信号质量越好。SINR信号质量分为高质量（15 dB<x≤50 dB），中质量（9 dB<x≤15 dB）、低质量（≤9 dB）。测试中97.28%的结果集中在“高质量”区间，仅有2.72%的结果在“中等质量”区间，且无结果处于“低质量”区间，表示信号强度远大于干扰和噪声，信号质量优异、稳定性强，能满足高速数据传输等业务需求。SINR测试结果如图7所示。

3.2 用户容量

本文网络容量指并发语音用户容量，并发语音用户容量根据实测的网络吞吐量和单路标准语音带宽，计算得出的并发语音用户数。

无人机测试过程中，卫星信道受到干扰，为避开干扰仅使用了1 Mb/s开展测试。基站与核心网基础信息传输消耗约0.5 Mb/s，基站无线端吞吐量的上行和下行测试结果为839 kb/s、594 kb/s，按照较小值594 kb/s记为W_sum，VOLTE语音编码标准速率23.85 kb/s记为W₀，计算并发语音用户W_sum/W₀为48个。用户容量较陆地存在差距，通过增加基站与和核心网间的带宽可提升用户容量，考虑海上稀松用户特点，可满足海上区域内用户通信需求。

4 结　语

本文研究了海上应急条件下移动通信服务受限问题，利用海上平台搭建接入系统，解决通信服务覆盖范围大、通信业务需求种类多、公网信号不稳定等通信难点问题，为海上移动通信提出了新解决方案。通过测试，本文设计的海上移动无线通信服务网络基本实现了海上信号薄弱区域的快速补网能力，能够满足基本语音服务，极大提升了海上应急服务能力。随着海上移动通信技术逐步向数字化、智能化转型，卫星通信与5G技术也将形成优势互补，为形成覆盖空中、海面、水下的通信定位导航一体化通信网络提供了技术支撑，逐步建设覆盖全球海域的自主通信能力，提供稳定可靠、安全、大容量的信息传输与交换服务。