短波多媒體通信系統在漁業安全生產中的應用

張念華　徐浩　王光峻　宋道建　史元洪

【摘要】 為了提高海上通信的有效快捷，滿足漁業安全生產監督管理，漁業信息傳遞，以及船岸、船員間的通信需求，開發短波多媒體通信系統。該系統的應用，可在不增加設備投入的情況下，實現海上互聯互通、漁業生產管理及安全救助，高質量服務我國現代漁業發展。

【關鍵詞】? ? 短波多媒體? ? 海上通信? ? 多模通信? ? 漁業生產管理

引言：

我國是漁業大國，海洋漁業水域面積300多萬平方公里，截止2020年底全國共有漁業船舶56.33萬艘，漁業人口1720.77萬人。海上環境的復雜多變以及漁業生產的特點，決定了海洋漁業常年被列入高危行業。近年來，雖然各級政府對漁業安全生產非常重視，采取了一系列措施，但海洋漁業安全形勢仍然十分嚴峻。海洋漁業通信是漁船與陸地、漁船間進行信息交流的唯一途徑，是漁業安全管理與組織海難救助的必備手段，是漁業現代化的重要標志。有效、快捷的通信是預防漁業安全事故發生、組織海上救援的根本保證，能夠最大限度地減少或避免人員傷亡和經濟損失。[1]

一、海洋漁業通信現狀

海洋漁業通信包含傳統短波、超短波通信和衛星、移動通信等現代通信方式：小動力漁船上大部分都配裝了CDMA定位手機;所有具備安裝條件的漁船，全配備了漁用超短波電臺;遠洋捕撈漁船，基本上都配備了短波電臺;部分漁船配裝了北斗衛星定位通信終端。[2]目前，我國海上通信網已實現初步的傳輸服務質量保證，但與陸上通信相比，現階段海上無線電通信技術相對滯后，發展緩慢，無法滿足現代漁業生產、管理及安全救助的需要。[3-4]現有漁業通信系統存在以下弊端：1.船員之間無法及時通信，由于不同船舶加裝不同的通信設備，各設備之間因頻段不同無法互通，當災害發生時無法及時進行互相救助;2.無法完成漁業資源的實時監測，漁船出海時無法使用公用網絡，只能在近海時才能把捕撈信息傳遞到岸上，導致在漁船返航前無法提前安排漁獲的銷售處理;3.船員信息無法實時監測，船員遇險后無法實時告警，岸上管理員也無法對船員的真實身份及動態實時掌握;4.出海的船員無法與岸上家人朋友等通信。[6]

根據海洋漁業通信需求，結合漁業生產、管理特點，我們開發了一套短波多媒體通信系統，可結合海上船舶、岸臺已有通信專用網絡，在不增加設備投入的情況下，實現海上互聯互通、漁業生產管理及安全救助，高質量服務現代漁業發展。

二、系統組成

整個系統由岸臺電臺、船臺電臺、多模通信控制器、多模通信客戶端、多媒體客戶端、多模通信服務器、漁業資源管理服務器、船員信息管理服務器組成。其中，岸臺與船臺之間通過短波鏈路互通;多模通信控制器、多模通信客戶端、多媒體客戶端、多模通信服務器、漁業資源管理服務器、船員信息管理服務器之間通過INTERNET網絡互通;短波電臺、公網信息終端與多模通信控制器直接相連。系統整體架構圖由圖1所示。岸臺多模通信控制器與船臺多模通信控制器均具有按照全球海上遇險與安全系統（GMDSS）的協議標準實現的調制解調功能，預設根據時間段、位置對應的頻點信息，并且具有當前位置采集功能，根據位置選擇頻點信息。船臺多模通信控制器可把數字信號調制后控制船臺電臺發給岸臺電臺，岸臺電臺收到信號后發送給岸臺多模通信控制器，岸臺多模通信控制器解調調制信號后再次獲得數字信號，從而實現基于短波鏈路的數字通信方法。當船臺電臺要通信時，由船臺多模通信控制器經由短波數字通信鏈路，向通信服務器獲取空閑通信信道，根據獲取的空閑信道，控制船臺電臺切換到該空閑信道完成通信。

三、實現方法

本系統的實現，關鍵在于突破短波的數字化技術。短波數字化技術主要是基于軟件無線電的思想，以ADC/DAC、CPU、DSP和FPGA為硬件支撐平臺，實現短波電臺的數字化、軟件化、模塊化。短波數字化技術的出現徹底顛覆了舊的過分依賴硬件設備的通信理念，使得人們可以更好地將數字信號處理技術應用于短波通信新技術和新產品的開發。這種理念不但大大降低了產品的研發成本，更縮短了研發周期，使得短波通信技術的研究與應用邁上了一個新的臺階。短波數字化在海上通信領域有很大的應用空間。對于未安裝DSC設備的船舶，可以以較低的成本享有DSC的功能;對遠洋航行的船舶，可以通過短波來進行數據通信、定位等，相較于衛星通信可以大大降低費用。另外，現在的短波通信設備功能都比較單一，而對于處理能力較強的數字通信設備如智能手機等，只要安裝不同的APP就可以實現不同的功能，滿足各種不同的需求，也可以根據特殊要求進行個性化定制，進而可以實現短波多媒體。本系統的實現方法如下：

（一）開發一種短波數字化軟件模塊，模塊具有以下特點

1.將數字基帶信號用軟件方式轉成音頻頻段的FSK調制信號，然后借助短波進行傳輸。相比于傳統的短波模擬信號傳輸系統，可以將數字信號中的各種檢錯、糾錯技術，分集接收技術運用其中，從而達到差錯可控的目的。2.該模塊使用時間分集技術，可以降低接收信號的錯誤率，提高信號傳輸的可靠性。3.運用特殊編碼技術，在傳輸符號中加入校驗比特位，能夠實現傳輸符號的自檢測，借助出錯自動請求重發機制，達到自糾錯功能。4.該模塊有兩種接收信號自糾錯功能。一種是對連續接收的多個符號進行垂直求和校驗，結合符號內的校驗位，可以定位出錯誤比特的位置，并進行自動糾正。另一種是基于時間分集技術，對兩次接收的同一符號進行比對，結合垂直校驗和，對出錯符號直接舍棄。5.接收算法中采用變換域的方法，如快速傅里葉變換、離散傅里葉變換等對采樣信號進行識別，通過分析采樣信號的功率譜密度，來確定發射端發送的原始數字頻帶信號波形，進而借助位同步技術來恢復出原始二進制數字信號。6.該模塊還可以根據需要對原始模擬信號進行短波數字傳輸，在接收端經過數字解調和數模轉換，得到原始模擬信號。7.能夠根據需要對各種電臺進行兼容，即不同種類的電臺都可以實現短波數字化通信。8.為保證傳輸的可靠性，本系統初版設計的傳輸速率為100bit/s，后期可以根據技術成熟度逐漸提高傳輸速率。9.模塊具有通用性，可以基于此來設計其他短波數字化應用產品。5E8B409B-B4DC-4773-B0B4-2A64C00DC7A5

（二）數字化模塊內部也采用模塊化設計，主要包括以下幾個子模塊

1.調制輸入模塊。該模塊作為數字化模塊的發射端入口，將輸入的數字信號或模擬信號轉換成能直接控制波形產生的數字基帶信號，與此同時，校驗位也在該模塊中產生，加入校驗位的數字信號隨后發送給數字調制模塊處理。2.數字調制模塊。接收來自輸入模塊的數字基帶信號，以此作為數字調制信號，對信號發生器的音頻波形進行數字調制，得到攜帶了數字信號的波形信號，另外，同步位的產生和分集發送機制也是由該模塊負責。3.調制輸出模塊。該模塊依照控制器調度程序發來的控制信號，將已調信號按一定規則發送給電臺，電臺將信號處理后由天線發送到空間。4.解調輸入模塊。該模塊將電臺發來的波形信號進行采樣，得到幅值連續、時間離散的模擬信號，經歸一化處理后得到一系列十進制數據。利用頻域處理算法，從這些數據中提取頻譜特征，然后交由解調模塊處理。5.解調模塊。該模塊用特殊的識別算法將解調輸入模塊發來的數據進行解調，得到一系列二進制位。根據差錯校驗規則，對得到的每一個符號進行自檢，對多個符號進行垂直校驗，以及對分集接收符號進行檢錯與篩選，該模塊還有錯誤請求重發功能，然后將正確信號發送給解調輸出模塊處理。6.解調輸出模塊。該模塊將解調出的二進制信號去掉檢驗位，提取出真正傳輸的有用信息，發送給上層調用模塊。7.以上功能實現后，可以根據需要在無線電管理部門規定的自由頻段內，使用其他調制頻率。

（三）短波數字化系統設計

1.控制器軟件設計?？刂破髯鳛槎滩〝底滞ㄐ畔到y的指揮中心，主要負責數據的傳輸控制、對電臺的控制等，能夠協調各功能模塊和電臺的收發過程有序進行。2.控制器硬件設計?？刂破魇且慌_微型電腦，具有一定的處理能力、存儲能力，可以同時處理多個進程，并且具有多種標準接口如USB、RS-232、RJ-45，音視頻接口等，能夠支持后續多種功能的擴展，如外接顯示屏、一鍵通話（PTT）、耳機話筒等。另外，內部布線要符合標準，避免信號干擾，模塊之間合理布局，能有效散熱，外形美觀，容易安置，盡量能夠安裝在標準化機架上。3.兼容性設計。根據客戶需要，控制器軟件可以添加新型短波電臺，對不同電臺要實現透明化，即實現多種短波電臺無差別化通信。

四、功能介紹

該短波多媒體通信系統主要包括：與船臺多模通信控制器通過局域網連接的短波多媒體終端，與岸臺多模通信控制器通過INTERNET網絡連接的多模通信服務器、漁業資源管理服務器、船員信息管理服務器和多媒體客戶端。短波多媒體終端用于采集漁業資源信息并向船臺多模通信控制器發送、錄入船員信息并向船臺多模通信控制器發送、編輯船員給家人的信息并向船臺多模通信控制器發送、以及將對其他船員的呼叫請求向船臺多模通信控制器發送;漁業資源管理服務器用于保存漁業資源信息，并供用戶進行信息檢索、調用;船員信息管理服務器用于保存和管理船員信息、對船員位置進行實時監測;多模通信服務器用于利用公用網絡建立船員與家人之間的通信鏈路并傳送信息。[6]

（一）漁業資源采集管理

管理員通過短波多媒體終端采集漁業資源信息（漁獲物的種類、數量等）并發送給船臺多模通信控制器，船臺多模通信控制器控制船臺電臺發給岸臺電臺，岸臺電臺接收后發送給岸臺多模通信控制器，岸臺多模通信控制器將漁業資源信息解調后傳送至漁業資源管理服務器保存，供用戶統計、檢索。[6]

（二）船員信息管理

船員通過短波多媒體終端，將船員信息發送給船臺多模通信控制器，船臺多模通信控制器控制船臺電臺將信息發給岸臺電臺，岸臺電臺接收后發送給岸臺多模通信控制器，岸臺多模通信控制器將船員信息解調后，傳送至船員信息管理服務器保存并完成船員信息的統計、檢索以及實時監測。船員信息的采集具體包括以下步驟：利用短波多媒體終端采集船員的登記信息，包括船員照片以及信息采集的時間、位置等;根據船員照片生成縮略圖，利用縮略圖以及信息采集的時間和位置，生成上報信息;從登記信息和上報信息中提取出特征信息，以用于驗證信息是否發生篡改;對特征信息進行加密，生成加密特征信息;利用登記信息和加密特征信息組合生成核查信息，并對核查信息賦予唯一的信息ID，保存在短波多媒體終端中;利用上報信息和加密特征信息組合生成記錄信息，上傳至船員信息管理服務器，進行船員登記;記錄信息與核查信息具有相同的信息ID;登陸船員信息管理服務器查看保存的記錄信息，并在需要查詢某一記錄信息中的縮略圖所對應的船員照片時，向短波多媒體終端發送請求，并向短波多媒體終端發送該記錄信息的信息ID;短波多媒體終端根據船員信息管理服務器發送的信息ID調取本地存儲的與之對應的核查信息，發送至船員信息管理服務器，以對登記船員進行核查。[6]

（三）船員與家人通信

船員在需要與家人通信時，通過短波多媒體終端編輯信息，在信息傳輸過程中，首先將信息發送給船臺多模通信控制器，船臺多模通信控制器判定為船員與家人的通信信息后，控制船臺電臺發給岸臺電臺，岸臺電臺接收后發送給岸臺多模通信控制器，岸臺多模通信控制器將信息解調后傳送至多模通信服務器，多模通信服務器通過公用網絡發送給船員家人;船員家人使用公用網絡發送信息給多模通信控制器，多模通信服務器將信息發送至岸臺多模通信控制器，岸臺多模通信控制器控制岸臺電臺將信息傳送給船臺電臺，船臺電臺接收后將信息發送給船臺多模通信控制器，船臺多模通信控制器將信息解調后發送給船員的短波多媒體終端。[6]

（四）船員與船員的通信

船員通過短波多媒體終端向船臺多模通信控制器發送呼叫請求，船臺多模通信控制器接收呼叫請求后向目標船員發送，目標船員的短波多媒體終端接收到呼叫請求后，向船臺多模通信控制器發送請求應答，船臺多模通信控制器將請求應答發送給船員的短波多媒體終端，完成船員之間的通信。船臺多模通信控制器預先定義好通信組的成員信息，船員的短波多媒體終端定時向船臺多模通信控制器發心跳信息，船臺多模通信控制器根據收到的短波多媒體終端的心跳信息記錄短波多媒體終端的狀態信息（通信地址、工作狀態）;船臺多模通信控制器根據收到的業務信息的目標信息獲取目標的地址信息，如果目標是單呼目標，獲取單呼目標地址，把信息發給目標，如果目標為組ID，獲取此組中包含的成員，然后獲取成員的目標地址，把成員信息發給目標。[6]

五、結束語

我國沿海常年受臺風、寒潮、濃霧等惡劣天氣影響，對漁業安全生產極為不利。漁船數量多、作業范圍廣、通信裝備落后等現狀，使其風險程度亦遠高于其他行業，岸船之間的通信不暢始終是漁業安全生產管理的薄弱環節。短波通信因抗摧毀能力強，無需建立中繼站便可傳輸數萬公里等優點，在海上通信中具有不可替代的作用。[5]短波多媒體通信系統的開發，可將語音、文本、圖像等數據通過短波鏈路進行實時傳輸，可為出海作業的漁民提供氣象、漁汛、漁獲物銷售及親情聯絡等各種定制化服務。對船只和船員的實時定位，可以從根本上解決海上災害救援、船員精細化管理等難題，并可對越界捕撈等違法行為進行實時監管。該系統的應用必將在海洋漁業生產、管理、海上災害組織救援等工作中發揮巨大作用，進一步提高我國漁業現代化水平，使漁業安全生產及監督管理等決策的準確性、科學性、時效性得到全面提升。

作者單位：張念華? ? 日照市海洋通訊管理服務中心

徐浩? ? 青島市海洋管理保障中心

王光峻? ? 宋道建? ? 史元洪? ? 青島恒天翼信息科技有限公司

參? 考? 文? 獻

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