WiMAX用于海洋渔业通信系统中的探讨

维普资讯 http://www.cqvip.com ２２卷第３期　０　０　７年６月　大连水产学院学报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＤＡＬＩＡＮ　ＦＩＳＨＥＲＩＥＳ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　Ｖｏ１．２２　Ｎｏ．３　Ｊｕｎ．２００７　・研究简报・　文章编号：１０００—９９５７（２００７）０３－０２３５一ｏ４　ＷｉＭＡＸ用于海洋渔业通信系统中的探讨　赵树平　（大连水产学院信息工程学院，辽宁大连１１６０２３）　摘要：介绍了ＷｉＭＡＸ技术的特点和ＷｉＭＡＸ系统的组成结构，探讨了ＷｉＭＡＸ用于海洋渔业通信系统中的　可行性及重要意义，并将ＷｉＭＡＸ技术与传统海洋渔业通信技术进行了对比，提出了未来建立“五网合一”　海洋渔业安全通信系统的设想方案。　关键词：ＷｉＭＡＸ；海洋渔业；通信系统　中图分类号：ＴＮ０１５　文献标识码：Ａ　我国是海洋渔业大国，海域辽阔，海洋捕捞　业、海水养殖业在渔业经济中占据重要地位。海洋　渔业的特点和海上作业环境复杂多变，决定了海洋　渔业生产是高危事故高发行业，而有效、快捷的通　信则是预防海难发生和组织海难救助的根本保证。　海洋渔业通信是渔船与陆地、渔船与渔船间进行信　息交流的途径，是渔业安全管理与组织海难救助的　１　ＷｉＭＡＸ技术及特点　１．１　ＷｉＭＡＸ技术概要　ＷｉＭＡＸ（Ｗｏｒｌｄｗｉｄｅ　Ｉｎｔｅｒｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙ　ｆｏｒ　Ｍｉｃｒｏ—　ｗａｖｅ　Ａｃｃｅｓｓ）即微波存取全球互通。２００５年ｌ２　重要组成部分，也是渔业生产和管理的必备手段。　因此，海洋渔业通信必须可靠、正确、及时、安全　地传递信息，才能有效地为渔业生产、船舶安全和　经营管理服务。　目前，我国正在建立包括海洋渔业短波安全通　月，ＩＥＥＥ批准８０２。１６　ｅ对８０２。１６标准的修正，为　支持便携式移动服务，８０２。１６　ｅ在原来８０２．１６　ｄ　的基础上增加了移动性，保证８０２。１６　ｅ接人设备　能够在基站之间切换，从而也成为具有移动性的新　一代宽带无线接人标准。８０２。１６　ｅ是固定和移动宽　带无线接人系统的空中接口规范，支持便携和移动　信网、超短波（近海）渔业通信网、渔业船舶船　位监测网和ＣＤＭＡ公众移动通信网的“四网合一”　海洋渔业安全通信网，为渔业生产保驾护航。该通　信网是集海洋渔业安全和管理通信、渔业生产和渔　民生活通信服务于一体的全国统一通信系统，其主　要功能有…：遇险报警，搜救，指挥通信，船位　监测，１３常公务通信，安全、公众、商业等信息发　布以及船、岸语音通信等。本文中，作者讨论了将　ＷｉＭＡＸ用于海洋渔业通信系统的可能性及设计方　案，并提出了“五网合一”的海洋渔业安全通信　网设想。由于ＷｉＭＡＸ和“四网合一”通信网本质　上是一种互补关系，定位不同，覆盖范围也不同，　环境，最终支持的移动速度可以达到１２０　ｋｍ／ｈ　。　ＷｉＭＡＸ是一种新兴移动通信技术，采用了很　多先进技术来获得高数据速率，包括　Ｊ：具有可　扩展性频道１．２５—２０　ＭＨｚ带宽的ＯＦＤＭＡ技术，　它支持ＴＤＤ和ＦＤＤ双工方式，可以有效对抗信道　的时域选择性衰落和频域选择性衰落；低时延、速　度大于１２０　ｋｍ／ｈ的高效率带宽切换；睡眠及不用　时的模式能节省移动基站的能量消耗；在移动环境　中增加了鲁棒性（ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ）的混合ＡＲＱ；支持　先进的天线系统，如ＭＩＭＯ、时空编码以及空间多　工　Ｊ。ＷｉＭＡＸ还定义了完备的ＱｏＳ机制，ＷｉＭＡＸ　基于面向连接机制实现对上下行分别进行ＱｏＳ控　制，ＱｏＳ控制可以逐帧实现。它支持实时和非实时　业务，为了提高ＶｏＩＰ效率，专门为ＶｏＩＰ业务定义　了相关的参数。ＭＡＣ层针对每个连接可以分别设　在功能上它们可以相互融合，充分发挥各自的优　势，以满足海洋渔业生产对海洋渔业通信越来越高　的要求。　收稿日期：２００６一Ｏ１—１４　作者简介：赵树平（１９６１一），男，讲师，硕士。Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｓｐ６０１２３＠ｄｌｆｕ．ｅｄｕ．ｃｎ　维普资讯 http://www.cqvip.com ２３６　大连水产学院学报　第２２卷　置不同的ＱｏＳ参数，如速率、延时等指标，并按　照每帧对每个流进行调度。ＷｉＭＡＸ包括了先进的、　大的覆盖范围以及更高的接人速率　。ＷｉＭＡＸ单　基站覆盖范围最大可达到５０　ｋｍ，每个ＷｉＭＡＸ基　通用性好的ＭＡＣ层，能对ＱｏＳ管理提供极好的支　持。这对于多媒体和语音服务极为重要。　１．２　ＷｉＭＡＸ技术的优势　１）宽带作为无线宽带接人技术，ＷｉＭＡＸ　站可以有６个扇区，每个扇区内可以容纳６０个终　端，每个扇区的系统带宽为７０　ＭＨｚ，这样每个　ＷｉＭＡＸ基站可以支持３６０个终端，总系统带宽为　４２０　ＭＨｚ。　２）采用Ｍｅｓｈ、Ｂｅａｍ—ｆｏｒｍｉｎｇ、ＭＩＭＯ先进技　可以支持１．２５～２０　ＭＨｚ的带宽。移动通信传输的　能力在于带宽，更宽的带宽才能满足用户高速率传　输的要求。　２）频谱效率　ＷｉＭＡＸ的频谱效率表现在多　个方面。首先，ＷｉＭＡＸ采用多种子信道方式结合　自动编码调制，可以选择不同的无线传输条件下子　信道方式和编码调制方式，使传输效率达到最佳；　其次，可以选择通过卷积增强码来进行纠错，完成　高效率传输。因此，ＷｉＭＡＸ能以更高的频谱效率　传输比基于ＣＤＭＡ的３　Ｇ技术大３倍的数据量。　３）可扩展能力　ＷｉＭＡＸ可以支持点到点、　点到多点固定模式，也可以支持点覆盖的游牧模式　和全覆盖的移动模式。相应的网络部署也可以是点　覆盖或面覆盖。ＷｉＭＡＸ可以根据频率资源和业务　要求选择相应的带宽，带宽的扩展通过调整ＦＦｒ　的数量来实现，系统上层基本不受影响。　４）上行传输能力　ＷｉＭＡＸ上行各子信道是　完全正交的，避免了扇区间的干扰，保证了上行的　传输质量和传输能力。适合于Ｐ２Ｐ、ＶｏｌＰ、视频监　控和可视电话等业务。　５）天线技术　ＷｉＭＡＸ的设计从一开始就考　虑到了对智能天线系统功能的支持，这些功能包括　ＲＸ天线分集、ＴＸ天线分集、波束成形、空时编　码（ＳＴＣ）以及ＭＩＭＯＬ５　Ｊ。ＭＩＭＯ技术主要有两种　表现形式，即空间复用和空时编码。空间复用可以　有效增加小区容量，空时编码可以提高系统的可靠　性。波束成型技术可以增加链路预算，减少系统和　用户之间的干扰。ＯＦＤＭＡ和ＴＤＤ模式使得　ＷｉＭＡＸ适合采用ＡＡＳ、ＭＩＭＯ等天线技术。这些　天线技术能够在不增加系统带宽的情况下，大大提　高系统的容量和无线传输性能。　１．３　ｗｉＭＡＸ技术的特点　１）传输距离远，接人速度快。ＷｉＭＡＸ采用　ＯＦＤＭＡ技术，能有效对抗多径干扰；同时采用自　适应编码调制技术可以实现覆盖范围和传输速率的　折中；此外，还利用自适应功率控制，可以根据信　道状况动态调整发射功率。因此，ＷｉＭＡＸ具有更　术，改善了非视距性能，其出众的系统增益可提供　更强的远距离穿透阻挡物的能力。　３）有效的服务质量控制。动态ＴＤＭＡ及　（Ｇｒａｎｔ／Ｒｅｑｕｅｓｔ）ＭＡＣ支持像语音及视频等对时间　延迟敏感的业务，并可按业务的分级实施宽带的按　需要分配（ｏｎ—ｄｅｍａｎｄ　ｂａｎｄｗｉｄｔｈ　ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ）ｏ　４）具有全球统一的技术标准。ＷｉＭＡＸ互操　作性好，使用带有ＷｉＭＡＸ标志的设备在全球均可　很好地互联互通。　５）可提供一种高速、便捷和低成本的船一船　以及船一岸高速数据通信链路。通过这条数据链　路，实时的船舶航行资料可以自动传输到对方船舶　以及ＶＴＳ中心，更新速率远远大于ＡＩＳ系统，船　舶之间可以共享彼此的航行资料，ＶＴＳ中心也可以　对其管辖范围内的船舶动态了如指掌－６　Ｊ。　６）可以提供语音通信。通过ＶｏｌＰ技术完全可　以取代目前的超短波（ＶＨＦ）语言通信，使得　ＶＨＦ频道不再拥挤，通话会更清晰，抗干扰能力　会更强，同一时刻可以多人通话，大大提高管理效　率。在ＷｉＭＡＸ覆盖范围内也可以与其他ＷｉＭＡＸ　终端进行语音及数据通信。　７）ＷｉＭＡＸ系统安全性较好，可提供安全保　证。ＷｉＭＡＸ借鉴当前通信计算机网络系统中已经　得到广泛验证的安全机制，可确保用户的合法使用　和数据保密，并且能够和其它通信系统友好共存。　ＷｉＭＡＸ空中接口专门在ＭＡＣ层上增加了私密子　层，不仅可以避免非法用户接人，保证合法用户顺　利接人，而且提供加密功能，充分保护用户隐私。　８）添加了更为复杂的ＰＨＹ层处理以及切换信　号，使移动用户能完成从一个基站到另一个基站的　无缝切换。用户可以在移动速度为１２０　ｋｍ／ｈ甚至　更高的情况下无中断地使用宽带无线接人业务，当　没有网络连接时，用户终端模块将处于低功耗模　式。由于ＷｉＭＡＸ技术具备传输距离远，数据速率　高，可提供数据和语音等多种高质量业务，受地理　环境等客观条件少等优势，尤其是在电话双绞　线和同轴电缆难以覆盖的区域或临时通信需要的区　域（例如渔船近海作业水域），具有较大的优势。　维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期　赵树平：ＷｉＭＡＸ用于海洋渔业通信系统中的探讨　２３７　更重要的是，ＷｉＭＡＸ技术兼备了基于有线电缆的　传统宽带接入的带宽优势，以及无线接入的灵活性　与移动性，并能够提供可保证语音和视频传输质量　的ＱｏＳ服务。　以上这些性能为Ｗ／ＭＡＸ技术用于海洋渔业通　灵活的子信道部署与配置功能，能够使运营商根据　所拥有的授权，或非授权频段资源灵活规划信道带　宽，并根据用户群体状况不断升级扩展网络。基站　与ＷｉＭＡＸ移动终端（ＭＳＳ）间采用动态适应性信　信系统提供了可能性。　号调制模式，这种模式能够使基站根据信号强弱调　整到每个ＷｉＭＡＸ移动终端的带宽，以确保与　ＷｉＭＡＸ移动终端的正常连接。　２　ＷｉＭＡＸ系统的组成　３）中继站（Ｒｓ）　在点到多点体系结构中，　随着ＷｉＭＡＸ网络的逐步扩展，ＩＥＥＥ　８０２．１６　ｅ　标准的不断完善以及对移动性的良好支持，未来可　以采用ＷｉＭＡＸ全网覆盖的组网方式。ＷｉＭＡＸ系　统的组成见图１，该系统可以形成点对多点或多点　对多点体系结构。未来将主要在２—６　ＧＨｚ频段内　支持ＷｉＭＡＸ移动终端的全网覆盖ｌ７　，由ＷｉＭＡＸ　中的ＲＮＣ负责集中网络控制，以及作为无线网与　核心网通信的转载实体。在ＷｉＭＡＸ的基站和ＲＮＣ　之间的信息交互可以采用ＭＰＬＳ或者区分服务ＱｏＳ　的ＩＰ—ｉｎ—ＩＰ隧道协议，而在不同ＲＮＣ之间通信　或者ＲＮＣ与核心网间的信息交互则采用快速标签　交换路径（ＬＳＰ）交换协议。　图１　ＷｉＭＡＸ系统组成　№１　ＷｉＭＡＸ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｔａｃｋ　１）ＷｉＭＡＸ核心网络和网管系统　Ｊ　ＷｉＭＡＸ　连接的核心网络通常为传统交换网或主干网（Ｉｎ—　ｔｅｒｎｅｔ）。ＷｉＭＡＸ系统提供核心网络与基站间的连　接接口，网管系统用于监视和控制网内所有的基站　和用户基站查询、状态、软件下载、系统参数配置　等。　２）基站（Ｂｓ）　它提供ＷｉＭＡＸ移动终端与　ＷｉＭＡＸ　ＲＮＣ及ＷｉＭＡＸ核心网间的连接，通常采　用扇形／定向天线或全向天线。ＷｉＭＡＸ基站可提供　中继站通常用于提高基站的覆盖能力，即充当１个　基站和ＷｉＭＡＸ移动终端问信息的中继站。它面向　用户侧的下行频率，可以与其面向基站的上行频率　相同，当然也可以采用不同的频率。在海洋渔业通　信系统中，为了增加ＷｉＭＡＸ全网覆盖网的通信距　离，中继站（ＲＳ）可以建立在适宜的海岛上，一　个中继站（ＲＳ）可以覆盖５０　ｋｍ的范围。　４）ＷｉＭＡＸ移动终端（ＭＳＳ）　在渔船上可以　使用便携型和移动型终端，主要是针对使用笔记本　电脑、ＰＤＡ、手机等移动型设备。支持ＩＥＥＥ　８０２．１６　ｅ的芯片将在近期推出，初期阶段的设备将　支持固定和游牧方式，支持全移动方式的设备将在　１—２年后推出。　３建立“五网合一＂的海洋渔业安　全通信系统　在“四网合一”海洋渔业安全通信网中，ＣＤ—　ＭＡ公众移动通信网采用宽带技术，具有数据传输　速率较高的特点，但是覆盖距离较近，专用船用终　端尚末成型，仅限于近海通信　。与当前３Ｇ技术　相比，ＷｉＭＡＸ网络速度是３Ｇ的３０倍，ＷｉＭＡＸ发　射塔的覆盖面积比３Ｇ的大１０倍ｌ９　Ｊ。总的来说，　ＷｉＭＡＸ的着眼点是实现宽带无线化，而３Ｇ则更　多地倾向于实现无线宽带化，两者最终可能成为移　动通信总体框架中并行不悖、优势互补的有机组成　部分。海洋渔业短波安全通信网和超短波（近海）　渔业通信网均具有操作简单、通信距离远、无通信　资费的优势，但由于通信系统中主要以语音通信为　主，通信的双方必须在相同的频道才可以通信，如　果不知道对方所使用的频道将很难建立通信联系。　它们使用的短波和ＶＨＦ频段通信非常容易受到外　界的干扰，短波频段通信容量小、电台之间相互干　扰；短波天线通信是变参信道，信号传输情况很不　稳定，频段拥挤，大气和人为噪声大，干扰严重，　通信可靠性差Ｈ　。超短波通信中存在同频干扰，　可以使被干扰电台与干扰电台之间相互通话；互调　干扰可以使在被干扰的频率上，同时听到两个或两　维普资讯 http://www.cqvip.com ２３８　大连水产学院学报　第２２卷　个以上的电台信号；邻频干扰因发信机边带扩展而　产生邻道功率辐射以及发信机噪声和收信机的选择　海洋渔业安全通信网，最大程度地满足海洋渔业安　全生产的需要，保障全国海洋渔业经济的高速发　性不佳，而造成相邻频道的干扰　¨。渔业船舶船　展。　位监测网是集卫星、短波、超短波、ＣＤＭＡ技术为　一体船位监测网。由于该监测网通信链路中采用了　参考文献：　短波、超短波（ＶＨＦ）频段，因此自然会存在短　波、ＶＨＦ通信所固有的缺点，从而造成船舶航行　［１］李振龙．现代通信技术服务渔业安全［Ｊ］．中国水产，２００５　信息更新不及时等问题。解决这些问题的最好办法　（７）：１１—１３．　是使用先进的无线数据通信技术，即ＷｉＭＡＸ技　［２］宋燕辉，杨爱莲，岑晓军．Ｗｉｍａｘ技术及其应用分析［Ｊ］．长沙　术，此项技术以先进的数字通信技术代替传统的模　通信职业技术学院学报，２００６，５（２）：２２—２５．　［３］　ＧＲＡＹ　Ｄ．移动ＷｉＭＡＸ的发展现状［Ｊ］．戴如梅，译．通信世界，　拟语音通信，其功能要远远超过目前使用的短波和　２００６（１６）：８．　ＶＨＦ通信系统。由于ＷｉＭＡＸ技术具有通信距离　［４］陈杰华．Ｍｏｂｉｌｅ　ＷｉＭＡＸ优势分析［Ｊ］．通信世界，２００６（２３）：　远，通信容量大，通信质量高，通信安全性好的优　２４．　点，因此，把它加入“四网合一”海洋渔业通信　［５］ＢＡＩＮＥＳ　Ｒ．移动ＷｉＭＡＸ的发展趋势［Ｊ］．电子设计应用，２０Ｏ５　（１１）：１６—２２．　网中将会形成优势互补的良好局面。　［６］王欣．ＷｉＭａｘ技术在海上通信中的应用展望［Ｊ］．世界海运，　４　结论　２００５，２８（３）：７—９．　［７］　彭木根，李茗，路杨，等．ＩＥＥＥ８０２．１６标准和ＷｉＭａｘ组网技术　ＷｉＭＡＸ采用了很多先进和成熟的技术，能提　分析［Ｊ］．电信工程技术与标准化，２００５（６）：５—１１．　供高的传输速率和较强的ＱｏＳ保证，并且随着标　［８］王茜，王岩．无线城域网ｗｉｍａｘ技术及其应用［Ｊ］．电信科学，　准的完善，能够支持用户的移动性，从而实现通过　２００４（２）：２７—３０．　［９］于勇．Ｗｉｍａｘ技术及其应用［Ｊ］．中国西部科技，２００５（１Ｏ）：３５　组网来达到全网移动覆盖，既能提供高速的数　—３６．　据传输和保证ＱｏＳ，又能够全网移动，无缝漫游。　［１Ｏ］孙雷．短波在无线电通信中的作用及特点［Ｊ］．信息技术，　未来可建立一个短波通信网、超短波通信网、渔业　２００５（５）：８６—８８．　船舶船位监测网、公众移动通信网，以及ＷｉＭＡＸ　［１１］李同泉．超短波通信常见无线电干扰特点及排查方法［Ｊ］．　全网覆盖海洋渔业通信系统等多种技术融和，多层　山西电子技术，２００１（３）：３１—３３．　次、全方位、无缝覆盖、协同工作的“五网合一”　Ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＷｉＭＡＸ　ｉｎ　ｍａｒｉｎｅ　ｆｉｓｈｅｒｙ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ＺＨＡＯ　Ｓｈｕ－ｐｉｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｄａｌｉａｎ　Ｆｉｓｈｅｒｉｅｓ　Ｕｎｉｖ．，Ｄａｌｉａｎ　１　１６０２３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ　ｆｅａｔｕｒｅ　ｏｆ　ＷｉＭＡＸ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｓｉｇｎｉｉｆ－　ｃａｎｃｅ　ｏｆ　ｉｔｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍａｒｉｎｅ　ｆｉｓｈｅｒｙ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ａ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｈｔｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ＷｉＭＡＸ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｍａｒｉｎｅ　ｆｉｓｈｅｒｙ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ　ａｎｄ　ａ　ｐｌａｎ　ｔｏ　ｂｕｉｌｄ　ａｎ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｍａｒｉｎｅ　ｆｉｓｈｅｒｙ　ｓａｆｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＷｉＭＡＸ；ｍａｒｉｎｅ　ｆｉｓｈｅｒｙ；ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ