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海上安全通信数字化发展过渡方式研究

赵伯华 中交信通(天津)科技有限公司

摘要:本文通过对未来海上安全通信发展趋势的分析研究,提出了未来数字化发展进程中,我国海上安全通信业务可能发生的业务结构的变化,并对海上安全通信由模拟技术到数字技术过渡方式进行了研究。

关键词:数字化通信技术;海上安全通信;通信架构;E-航海

1  引言

  当前,海上无线电通信技术发展正处在一个新的跨越式发展前夜,由IMO主导,ITU等国际组织配合的E-航海和GMDSS现代化正在深入推进中,这两项全球战略的实施,将在今后10至20年对海上无线电通信技术的发展与进步产生深远影响。海上安全通信的主框架是上世纪九十年代开始实施的GMDSS,其技术水平代表了上世纪七、八十年代水平,已经不能满足E-航海为代表的海上信息化时代水上通信的使用需求。

2006年,IMO指定由其下属的航行安全分委会和无线电通信搜救分委会(后两个分委会合并)负责开展E-航海的研究工作。2014年,海安会正式批准了E-航海战略实施计划,E-航海战略实施计划包括多项实施任务,这些任务目前都在推进之中。同时,ITU的WRC12和WRC15会议对无线电规则附录17和18进行了修订,明确规定从2017年开始水上通信方式将从模拟转向数字方向发展。海上安全通信方式从模拟走向数字,从每个海岸电台单独运行向联网控是未来发展的必然趋势。

  2 未来从事海上安全通信的电台业务定位

我国当前的海上安全通信业务主要是通过建设在沿海的多座海岸电台承担和完成的。IMO推动的E-航海发展中所提供的服务不仅包括传统的安全业务,还包括大量海上信息化服务,对通信基础设施的需求当前各国海岸电台都还无法满足。因此,未来海上安全通信保障设施如何发展,应当根据不同海岸电台情况,确定电台的业务定位,指导未来发展方向。

  海岸电台的各类业务究竟是什么属性,这个问题不仅国内同行十分关心,也是各国主管部门所关心的问题。目前,在全球范围内,海岸电台开放的通信业务大致可分为三类:一是涉及海上交通安全与安保、人命救助的海上通信业务,包括各频段的海上遇险安全值守,搜救协调通信,现场通信,海上安全信息播发,海上交通组织和信息服务、船舶动态监管等业务。二是为支撑海上交通运输生产正常进行所必须的各项通信业务。ITU《无线电规则》定义这类业务有港口操作业务、船舶运转业务以及特别业务,并指明这类通信业务只限于有关业务处理、船舶航行和安全以及在紧急情况下的人身安全等事项,排除属于公众通信性质的信息。三是公众通信业务。公众业务属经营性业务,随着公网移动通信和移动卫星技术的迅速发展,海岸电台公众业务迅速下降,多数电台实际已不存在公众业务。这也是当前世界各国海岸电台的共同现象。根据对未来数字通信业务提供服务的分析,所提供的服务主要包括上述的第一和第二类业务,而基本不考虑公众通信业务。

  我国目前在IMO登记的16个海岸电台都由国家投资建设,其工作性质决定了这些海岸电台总体上应以海上遇险安全通信为主,兼顾海上交通运输生产和公众业务,但并非所有岸台都承担一样的业务。根据目前电台实际管理和工作情况,我国海岸电台在未来数字化发展趋势下应该是根据不同的能力进行发展定位。

  (1)三个航保中心所属的天津、上海、广州海岸电台,建议定位为综合性业务电台,既为海上安全和其他海事业务服务,也根据数字化业务发展需求,为各频段电路所对应的业务覆盖海域提供多种数字化信息服务。

  (2)其他海岸电台以为所在地海上安全值守为主,在国家统一规划安排下,逐步开展数字化海上安全业务。同时,可配合三个航保中心所属中心台,承担部分数字化业务。

  3 未来海上安全通信业务覆盖要求

  数字化通信技术的发展和E-航海战略的实施,将会在全球范围推出众多新的海上信息化服务,为具有针对性地提供服务,IMO制定的海事服务集MSP将所提供的服务划分为港口区域、沿海或限制水域、大洋航行区域、沿海以外海上区域以及南北极和偏远区域等5个不同的覆盖区。这些覆盖区的划分,与目前海上安全通信按照SOLAS公约中GMDSS的4个海区划分相似。未来提供数字化业务服务的海岸电台,应根据不同的业务范围,确定合理的业务覆盖区,分层次覆盖不同海区。

  应当强调,无论是现阶段还是未来实施E-航海战略后,建设海上无线电通信基础设施的最重要目的都是为海上安全服务,为航行在海上的各类船舶服务。全球不同海区,距我国海岸线远近有很大差别,涉及国家利益不同,我国承诺的海上搜救责任不同,搜救部门和航运界的关注程度也不一样。根据这些因素,结合E-航海海事服务发展水平,在未来E-航海环境下海上安全通信保障体系的基础设施建设和资源配置上,建议分为三个不同层次:

  第一层次包括我国领海、各直属海事局辖区和我国公布的搜救责任区,这是我国海上无线电通信各项业务应重点保障和全面覆盖的区域,也是近几年E-航海发展的重点业务范围。

  第二层次是西北太平洋海上搜救协调区。西北太平洋搜救协调区范围包括中国(含内陆、香港、台湾),越南,朝鲜、韩国、日本以及俄罗斯萨哈林岛部分海域。地面无线电业务覆盖,特别是遇险安全值守以及E-航海所提供的海事服务,应该尽可能保障。对这一区域的覆盖,目前由GMDSS框架下的模拟技术支撑的中高频通信设施完成。引入数字中高频无线电通信后,其覆盖范围和效果还要通过实验评估。但有可能我国岸台对搜救协调区中某些区域的覆盖不如本搜救协调区中的其他国家,不是船舶通信的首先。

  第三层次是西北太平洋搜救协调区以外的全球海域,地面业务中,主要使用高频通信。在海事卫星或其他卫星通信覆盖区内,高频无线电通信应起到补充和备份作用。根据电波传输特性,高频无线电波由我国向西北太平洋以外海区传播,主要依靠天波传输,但天波很不稳定,在传输过程中受路径衰耗、时间延迟、大气噪声、多径效应、电离层衰落等因素影响,都会造成信号的弱化和畸变,影响短波传播效果。通过精心设计,正确选用工作频率,正确选择和架设天地线,选用优质电台设备等,可以改善电波传输质量,但短波传输的覆盖效果仍难以界定。因此,面向这一层次的地面无线电业务只能在经过科学论证确有需要时少量设置。

  根据未来E-航海业务覆盖要求,业务定位为综合业务的上海、广州、天津海岸电台,在未来E-航海环境下,数字业务规划应考虑全球覆盖,当前重点发展第一层次业务覆盖;业务定位为海上安全值守的海岸电台,可根据需要和无线电传播等技术条件,配合本区域综合业务电台,配置所需数字业务。

  4 数字化地面无线电业务配置

  4.1 高频数字业务

  根据E-航海和GMDSS高级复审阶段对数据通信框架研究,未来海上无线电业务需要高频频段数据交换系统。近几年,国际上也推出了几种高频段的数据交换和电子邮件系统,进行小范围使用。

  在高频段,有一个值得关注的海上数字业务:高频频段的数字式海上安全信息播发。在这方面,ITU也发布了技术建议书ITU-R M.2058-0(用于水上HF频段广播水上安全和海岸至船舶方向安全信息的导航数字数据系统的特性)。

  今后几年还应继续关注涉及高频数字业务的技术建议书完善过程,关注高频NAVDAT的技术研发具体内容,以及未来可能的规则状态。继续关注发达国家相关技术和设备开发成熟程度,相关海岸电台业务试验情况。

  4.2 中频数字业务

  在中频数字业务中,当前IMO、ITU进行实际研究的是500kHz频段的岸对船信息播发系统。ITU对这一业务的支持比较超前,在WRC-12上修订《无线电规则》,将495-505kHz在全球范围划分给水上移动业务,为这一业务在全球范围内实施准备了频率资源。ITU于2012年推出技术建议书ITU-R M.2010(用于500kHz频段广播水上安全和与海岸至船舶方向安全信息的导航数据数字系统的特性),将这一业务定性为岸对船方向的海上安全和安保相关信息的播发系统,未来可能将这一系统加入到现代化的GMDSS中,成为现有NAVTEX业务的升级换代技术。此外,IMO研究E-航海时,也认定NAVDAT技术是未来支持E-航海的地面无线电通信技术之一。但IMO还没有对该技术是否纳GMDSS现代化做出结论,GMDSS详细复审结束,在GMDSS现代化方案制定时才会有结论。

  中频NAVDAT源自陆地数字广播系统,技术相对比较成熟。我国有关部门也积极开展这方面的研究和设备研发工作,目前已初步开发出中频NAVDAT系统设备,并进行了海上播发试验,获取了相关数据,为今后继续研发和完善积累了报告经验。根据我国研发NAVDAT系统设备中遇到的问题,我国已向ITU提交了进一步完善ITU-R M.2010技术建议书的建议,并组织制定国内相关行业标准。

  4.3 甚高频数字业务

  2000年世界无线电通信大会上通过了342号决议(修订版),ITU-R即鼓励世界航运界对水上甚高频(VHF)频段无线电新技术展开研究,以提高水上遇险安全通信的经济性和可靠性,适应不断增长的水上业务新需求。同时,修订了《无线电规则》有关内容,允许在水上VHF频带内CH2~CH5、CH23~CH26、CH61~CH65以及CH82~CH86共18个频道开展无线新技术的测试及数字通信业务的应用研究。

  当前,VHF频段的数字交换系统VDES是国际研究的热点,VDES综合了AIS、ASM、宽带数字交换等业务,力求研发出新一代融合地面和空间应用的综合数字通信系统,ITU已推出了ITU-R M.2090-0技术建议书,并力争在2019年前对该建议书进行进一步完善。我国海事部门和相关技术研发机构对VDES的研发高度关注,并已在国内展开相关研究工作。

  5 数字化海上安全通信技术框架与现有系统的并存和过渡

  5.1 未来海上安全通信技术框架

  未来海上安全通信要向数字化业务发展,其发展方向是依托GMDSS现代化进程,形成海上新的以数字通信技术为主的海上通信体系,不仅能够提供海上安全通信业务,同时也能满足数字化通信的各种业务需求,其业务范围大大超出了传统的海上安全通信需要,支撑海上信息化的各个业务需求。

  当前阶段,IMO还在抓紧研究GMDSS现代化实施方案,方向是通过修改SOLAS公约,调整和引入新的数字业务,并规定实施时间和过渡期。研究认为,未来海上安全通信的技术框架如图1所示。



图1 未来海上安全通信的技术框架

 

  新的海上安全通信技术框架包括采用数字技术的地面无线电业务和空间无线电业务。其中地面无线电业务中,比较明确的有AIS、VDES、中高频NAVDAT等。空间无线电业务由各种卫星通信业务组成。

  5.2 新老系统的过渡和并存

  当前海岸电台所组成的海上安全通信岸基保障设施不能满足未来构建E-航海岸基系统架构要求,需求进行系统升级和更新换代。然而,在向E-航海岸基系统架构升级过渡过程中,至少受到两个重要因素的制约。

  一是E-航海本身还处于一个发展过程,一些为各国看好的数字通信技术方案并不成熟,有些如VDES的卫星通信部分还在研发之中,ITU相关研究组正在抓紧组织相关技术建议书的制定,IMO和IALA也积极倡导建设E-航海的通用技术试验平台,以验证和推广相关概念和技术。我国一方面应积极参与,海上通信管理和运行部门、设备研发部门、相关院校和研究机构等应抓住时机,争取推出具有我国知识产权的E-航通用系统海岸架构设施和系统;另一方面也要看到,在未来3至5年内,还不具备大规模进行E-航海环境下海上数字通信技术升级改造的条件。

  二是经过新中国建国以来数十年建设,我国已经形成了以GMDSS为主框架的海上安全通信岸基保障基础设施,这些设施不可能在短期内淘汰更新。从国际上看,鉴于E-航海相关数字通信技术还不成熟,IMO明确表示现有的海上通信系统还需继续保留,即使新的数字通信系统推出后,新老系统也需要有一段并存期,具体新老系统过渡期有多长,IMO目前还没有定论。

  鉴于上述原因,我国未来的海上安全通信岸基保障体系一定是在现有海上通信基础设施基础上逐步有序的向数字化、网络化新技术过渡。 海上安全通信岸基基础设施的并存和过渡的问题不仅引起我国的关注,其他IMO成员国也对此表示关注。IALA组织认为,原有的以模拟技术为基础的海上安全通信系统没有用E-航海架构的相关知识开发,这一意见表明IALA认为现有系统无法满足E-航海需求。IALA还认为,在过渡时期内,根据CSSA开发的服务和系统,与原有的服务和系统将将共存。

  5.3 向数字化过渡方案研究

从支持未来E-航海需求和GMDSS现代化新兴业务考虑,我国海岸电台有必要整合现有的业务服务系统,升级或更换现有设备,简化设备操作程序,形成高效、有序、统一的数字化业务平台,提升海上安全通信岸基系统的运行保障能力。

  现有海上安全通信岸基系统向数字化岸基系统过渡的目标是,以保障船舶航行安全、提升海上搜救和监管能力、满足海上船舶近远洋通信需要为前提,在充分利用现有设施的基础上,遵循数字化岸基架构和水上通信现行标准和发展趋势,建设覆盖数字化业务服务区的数字化通信系统;同时,构建多部门、多手段、多业务共用的综合性信息传输和交换平台,为实现数字化业务服务的远景目标奠定基础。

  数字化环境下的海岸电台,要遵循IMO推荐的通用岸基系统架构,不仅承担安全通信任务,还应按照通信信息一体化原则,充分利用现有设备分阶段、分步骤进行数字化和网络化改造,改变以往“竖井式”的业务开展模式,构建与底层设备无关的通用业务服务架构,如图2所示。能在不改变现有网络结构的基础上,方便灵活的引入各类新增业务,实现原有业务与数字业务并存,最终向全数字业务过渡。

  当前,各岸台网络结构不尽相同,技术框架并不统一。因此,在具体实施现有系统向数字化过渡过程中,应根据各台情况,制定具体方案。从总体上看,应实现下列目标:

  物理层(各频段收发信设备)数字化:采用IMO推荐,并符合ITU-R相关技术建议书的无线数字通信技术,为各类业务提供岸台公用信道资源。

  承载层(电台接入网关)网络化:支持IP数据传输,提供话音、数据和控制信号的网络传输。

  控制层(通用接入控制器)平台化:基于软件无线电平台设计,通过软件加载方式完成各类信号的调制解调,提供统一的信道资源控制功能。

  服务层(业务、网管服务器)组件化:将共用的服务优化分装成服务组件,供各类应用业务调用,能够根据航海保障的最新需求,灵活的推出各项定制化业务。

  应用层(各项业务)统一化:通过统一化界面给操作员提供一个集成的、标准的、开放的和易于扩展的操作环境,具有业务操作、状态查看和用户管理等功能。

  鉴于数字化通信具体功能实现还需一定的时间,IMO为协调各国不同情况,一般会规定一定时间的过渡期,例如GMDSS的过渡期为7年。因此,实现上述目标的过渡方案,使系统可以做到统一管理设备资源,采用一体化建设思想,统一控制管理现有设备资源,实现资源和信息的共享;兼容现有工作模式,支持现有可用设备的工作模式,保护原有设备投资;灵活扩展IMO推荐的用于E-航海和GMDSS现代化的新增数字通信业务,通过采用软件无线电、软交换、数据分发服务(DDS)等多项先进技术,可在不改动现有硬件形态条件下通过软件升级引入多种新增业务;方便实现资源共享,通过将海事共用业务和数据组件化,既可独立实现海事和航保服务,同时预留组件调用接口,给其他区域海岸电台和海事其他应用系统提供资源共享。



图2 通用业务服务架构

 

  根据我国从事海上安全通信岸台基本情况,结合数字通信技术推进和我国设备研发试验情况,建议分三个阶段实施。

第一阶段(现有系统集中管控):在MF/HF收发信台、VHF基站部署综合传输交换设备(远端),中控台部署综合传输交换设备(局端),兼容传统音频接口、串行通信接口和PTT接口的远程传输;在中控台部署通用接入控制设备,实现对各类发射机和接收机信道设备的资源控制,预留对未来VHF设备的互通接口;

  第二阶段(现有系统网络化改造):保留MF/HF收发信台,VHF基站中的模拟设备,通过加装电台接入网关设备,完成传统接口与IP方式的转换。电台控制服务器采用通用服务器架构,通过软件方式实现对远端各信道设备的控制。挑选部分船台保留HF/VHF模拟设备,加装控制器和业务终端,完成传统接口与IP方式的转换。

  第三阶段(现有系统数字化改造):按照E-航海和GMDSS现代化的统一时间要求,在岸台推出全数字化、网络化设备,船台逐步按照公约要求更换为能够参与E-航海业务的数字化、网络化设备。

  5 结束语

本文分析了E-航海和GMDSS现代化发展背景下,未来海上安全通信技术的发展趋势,对数字化发展的趋势下的海上安全通信的业务范围、覆盖区域、岸台定位进行分析,提出了未来数字化海上安全通信技术框架及其与现有系统的并存和过渡的方法。

  参考文献

[1] IMO.国际海上人命安全公约.(SOLAS)综合文本,2014.1

[2] IMO.有关海上无线电通信和GMDSS系统性能要求的决议、通函等文件,2012.11

[3] ITU.无线电规则,2012.1

[4] 楼于海.e-Navigation(e-航海)[J].航海,2012(3)

[5] IALA.Recommendation E-Nav140: on the E-navigation Architecture-the Initial Shore-based

Perspective[Z],[2009-12-01].

[6] IMO.Development of an E-navigation Strategy Implementation[Z], [2014-07-04].

 
 
 
 
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