基于Ku波段HTS通信系統在海洋工程船舶的應用探索

【摘要】? ? 隨著我國海洋開發由近海走向深海，大量深海項目工程作業展開，隨著海上船舶信息化不斷發展，工程船舶深海作業對通信大容量傳輸的需求愈發強烈，傳統衛星通信系統已經難以承擔目前高容量傳輸需求，已經成為影響海洋工程船舶信息化的瓶頸。亞太6D衛星升空，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高通量衛星通信系統在海油工程船舶的應用探索，通過評估船舶傳輸通道需求，設計船舶網絡架構，帶寬調度與保障機制，信息安全防護機制，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，對推進海洋船舶深度信息化具有重要意義。

【關鍵詞】? ? 海洋工程船舶? ? Ku波段? ? 高通量衛星? ? 衛星虛擬網絡

引言：

隨著海洋強國戰略推進，我國在海洋多個領域取得突破，特別是深海能源勘探開發領域，大量深海工程作業展開，我國工程船舶在深海作業愈發頻繁，而現代信息技術發展帶來了技術變革也滲透到海洋工程中，工程船舶深海作業對通信大容量傳輸的需求愈發強烈。以中國海洋石油公司的海上工程船為例，船舶全球海域作業且作業區域不固定，船舶移動的航線也不固定，因此長期以來，海油的海洋工程船舶大多使用衛星對外通信，傳統VSAT系統，無論是C波段、Ku波段衛星系統均存在通信容量偏低、頻譜資源租用費用偏貴問題，新一代高通量Ka衛星系統又存在雨衰問題，難以適應全氣候場景問題。通信傳輸已經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衛星發射升空，亞太6D是我國首個Ku頻段高通量寬帶衛星通信系統首發星，使用東方紅四號增強型衛星平臺（DFH-4E），具有“高承載、大功率、長壽命、高可靠性”等優勢。亞太6D攻克了國際先進的Ku頻段超寬帶多端口功率放大器（MPA），實現了功率的資源池化，可以通過對通信帶寬進行動態分配，解決波束忙閑不均的問題，衛星通信容量高達50Gbps。亞太6號W衛星G/T值對比傳統衛星平均提高8-10Db，抗雨衰能力更強。靈活的關口站切換技術，則讓亞太6D衛星可以在國內外8個關口站之間靈活切換，從而確保衛星運營安全。亞太6D通信大容量、動態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務需求主要是語音、船舶運行狀態數據回傳、海上視頻監控回傳、視頻會議、OA辦公、個人互聯網需求等業務，以海油工程某事業部為例，該事業部下轄11條船舶，作業區域遍布全球，多數使用傳統Ku波段衛星服務，共計11條SCPC衛星鏈路，每條鏈路通信容量1Mbps-2Mbps不等，可以實現的語音、辦公OA業務，滿足最低限度的日常辦公生產需求，通過梳理，主要存在幾個方面問題：1.由于船舶全球區域作業，衛星鏈路存在多個服務商，多條鏈路陸地衛星主站位于香港、新加坡等地，落地點信息安全無法保障，衛星資源無法統一調度，設備硬件多品牌型號，故障響應與維修效率差;2.多條船舶直接互聯網接入，沒有企業專網鏈路，企業內部信息通過互聯網傳輸存在泄漏風險，同時也存在外部通過互聯網入侵船舶系統的風險;3.衛星鏈路容量小，應急視頻回傳和日常視頻會議，畫面不清晰、卡頓嚴重，現有帶寬已經無法承擔更高程度的辦公信息化需求;4.船員個人網絡需求激增，員工個人使用互聯網娛樂、休閑的需求無法滿足;5.船舶新技術應用及擴展能力弱，已經無法滿足數字化船舶的要求，也無法適應未來擴展需要。

二、當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用單通道監控視頻回傳、兩方視頻會議為例，通過測試監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、碼率的兩方視頻會議，獲得其占用速率情況及視頻會議效果如下表2。

以海工該事業部轄下具體船舶藍疆號為例，藍疆號大型起重鋪管船是一艘非自航無限航區作業的大型工程船，船體總長157.5 m，型寬48 m， 滿載排水量58000 t，常態下作業人員100-200人，經過測試統計，常態下，船舶對外語音并發數為6部，15-20臺計算機或其他終端并發在線OA辦公。通過測試，上述業務占用衛星通信傳輸容量約2Mbps-3Mbps;視頻監控回傳業務，根據表1，取一路720P攝像頭回傳衛星通信1.06Mbps（單向回傳）。視頻會議業務，根據表2，取兩方視頻會議方式，占用衛星通信傳輸容量約1.83Mbps（上0.9Mbps+下0.93Mbps）。經統計計算藍疆號最低衛星通信容量需求為： 4.89Mbps。目前藍疆號衛星鏈路容量為2Mbps，只能滿足語音與OA辦公業務，視頻監控與視頻會議業務使用效果較差，若滿足設定的業務使用需求，衛星鏈路帶寬至少還需擴容2.8Mbps。該事業部下所有船舶若實現按上述信息化業務需求，均需擴容，總帶寬需求數將增加30Mbps， 這將增加較大的通信成本支出。

三、基于亞太6D系統在海洋工程船舶的應用設計

（一）網絡架構設計

由于亞太6D衛星Ku頻段超寬帶多端口功率放大器，實現了功率的資源池化，可以通過對通信帶寬進行動態分配，解決波束忙閑不均的問題，也能動態調整鏈路帶寬大小，由此構建Ku波段24Mbps帶寬資源池，供11條船舶衛星通信資源的自由調配，提高資源利用率，降低成本，提升通信效果，實現船舶應急監控視頻回傳到陸地應急指揮中心、實現海陸視頻會議。對于具體船舶，通過KU波段衛星天線建立一條KU波段衛星鏈路，通過調制解調器分出兩條通信鏈路實現互聯網與企業網兩條鏈路相互獨立。

通信主體有衛星通信海洋工程船舶、衛星地面站、中海油企業網。與業務相關的實體有衛星、衛星主站的通信天線、基帶系統、地面網、綜合服務平臺（SOP系統、能力開放平臺、SDP平臺）、專線、船舶端站?？蓪崿F船舶的企業網與互聯網兩種業務應用相互獨立隔離流量從船舶透明交付到中海油陸地數據中心和帶寬資源靈活調整優先級與動態分配。336DCAED-2B68-4515-AF58-6499ED040508

在網絡數據流向層面，所有工程船端站產生的數據，經由基帶側SVN+網絡側VPN+客戶側物理專線方式，實現端到端業務獨立隔離，帶寬和通道由中海油獨享。通道層面與其他用戶完全隔離，保護數據安全，企業網IP地址、專線對接IP地址按中海油企業網規劃和分配，互聯網IP地址、SVN與VPN的對接IP地址可由衛星運營商規劃和分配，其互聯網出口可以根據需求直接從衛星運營商側接入國際互聯網。

在業務層面，采用亞太6D全球帶寬管理系統實現帶寬資源靈活調整優先級與動態分配。中海油企業網通過對接衛星運營商的開放平臺與智能網關，實現對端站和用戶的全方位管控，滿足用戶資料、賬務信息、套餐定義、業務受理等方面的數據隔離和保密需求。衛星鏈路可提供互聯網與企業網業務端到端完全隔離透明轉發流量，如下圖，網絡通過專線對接到衛星關口站骨干網接入MPLS VPN隔離流量。不同通道鏈路通過物理專線+網絡側VPN+基帶側SVN方式實現安全隔離。

衛星虛擬網絡（SVN）衛星運營商實現業務安全隔離機制的模型，方法是在共享衛星上擴展專用網絡，以便用戶的遠程設備可以像直接連接在私人網絡一樣發送和接收數據。

SVN類似于地面虛擬專用網（VPN）。兩者都提供連接跨通用網絡基礎結構，同時隔離每個專用網絡的流量，并為每個網絡提供獨立的IP地址空間。這個方法在iDirect網絡中叫做的“虛擬路由”。PP和衛星路由器都在邏輯上維護虛擬路由表的方式類似于路由器供應商的虛擬路由和轉發（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地址應用在多個SVNs中。

該SVN用戶從左側的客戶專用網絡，使用MPLS VPN隧道（PW）通過地面MPLS（多協議標簽交換）骨干網，通過包括PP在內的衛星接入站（SAS）和通過衛星路由器（即衛星貓Terninal）達到終端用戶局域網。在接入路由器（Access Router）上，MPLS VPN隧道被終止，并映射到一個唯一的符合802.1q的VLAN tag標簽上，該tag標簽與SVN的ID值相同，通過SAS和空中（OTA）路由域維護保持到衛星路由器。一個SVN實例的相關接口集綁定到該SVN標簽的VRF下（VRF Lite），這樣，每個客戶SVN運行一個獨立VRF，IP地址可以重復使用。

（二）資源分配，企業網應用保障設計

24Mbps KU波段帶寬資源靈活調整優先級與動態分配，設置承諾信息速率（CIR），則在船舶/應用的優先級（Priority）一致的情況下，優先將帶寬分配給有CIR的船舶/應用（互聯網），剩余帶寬再分配給其他船舶/（互聯網），讓這些應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，企業網業務有CIR 12，互聯網業務沒有CIR。企業網業務請求18，互聯網業務請求12，總請求30超過帶寬池24。

1.首先保障有CIR的企業網業務，CIR 12沒有超過帶寬池24，先給企業網業務分配12。

2.剩余帶寬12。12（剩余帶寬）÷2（數量）= 6，所以各分配6。企業網業務得到18，需求得到滿足，互聯網業務只得到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。根據船舶的需要相互調配，保障企業網大帶寬應急的需求又能節省資源。

四、應用效果

按照網絡架構設計進行工程實施，按帶寬資源分配機制調試，項目達到了設計目標，實現預想效果：1.事業部轄下11條船舶實現全球海域衛星接入，基于一套硬件系統同時提供互聯網服務與多路企業網鏈路連接服務，互聯網業務與企業網業務實現隔離管控。2. 11條衛星鏈路共享24M衛星帶寬池資源，較原來船舶衛星帶寬，僅增加約2M，并可基于鏈路業務需求，對任意衛星鏈路進行傳輸容量自定義，通過對帶寬池頻譜資源的時分復用調度，亞太6D衛星點波束的頻譜空間復用，每條船可分配帶寬4.89M，基本實現工程船關于視頻監控、視頻會議、語音、互聯網等應用需求。3.支持任意一衛星鏈路下，多路企業網鏈路、互聯網鏈路傳輸容量自定義分配，衛星通信系統具備快速擴容的能力。4.在環境和流程制度上確保船舶網絡安全符合IMO 海上安全委員會、中國船級社的相關要求。

由于通信帶寬的增加，改變了船舶生產辦公的方式，陸地監控中心可按需調取海上監控視頻，工程船舶的運行狀態可實時回傳至陸地船舶狀態監控中心，海陸會議溝通由原來電話語音為主轉變為視頻會議為主，大大的提升的辦公效率，同時海上員工的個人網絡需求得到滿足，利于國家政策、精神宣傳到海上第一線，便于企業文化、企業關懷延伸至一線。

五、結束語

基于Ku波段HTS通信系統在海洋工程船舶的應用探索，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，單鏈路下多業務邏輯通道通信容量動態切換與自定義的研究與探索，是滿足用戶需求與費用支出控制，性價比組合較高的應用嘗試，對類似需求的場景極具參考與借鑒價值。

作者單位：彭義東? ? 中海油信息科技有限公司

參? 考? 文? 獻

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