CN111628820B - 一种面向作业船队的中远程宽带无线接入系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向作业船队的中远程宽带无线接入系统，包括岸基平台和船载远端站；岸基平台；所述岸基平台包括运营管理平台和岸基基站；所述船载远端站包括北斗双模船载一体机、船载骨干远端站、本地无线覆盖模块、船载扇区远端站和船载全向远端站。本发明的系统采用北斗卫星导航系统的RNSS和RDSS体制，结合智能波束赋形技术、动态网络规划技术、远端扇区覆盖技术等，实现面向船队作业场景的中远程宽带无线接入。

Description

一种面向作业船队的中远程宽带无线接入系统

技术领域

本发明涉及网络通信技术领域，尤其是一种面向作业船队的中远程宽带无线接入系统。

背景技术

目前在占地球表面70％以上的大部分海洋区域却几乎无法接收到无线宽带网络信号，这大大限制了海上信息化发展。我国的海洋运输、船运贸易、海洋资源开发等海洋经济进入了蓬勃发展的黄金时期，越来越多的海上业务应用给海上网络通信服务提出了新的需求。而船只中远程宽带无线通信系统长期以来卫星通信系统解决方案为主，存在着带宽小、成本高、延时大等重大缺陷，无法满足视频监控、图像回传、船员上网等业务需求。特别对于近海(100km以内)的船队作业场景，诸如渔业、疏浚、海洋牧场、近海执法、渡轮等应用，宽带通信需求多，数据流量大，要求电信级通信延时，是当前卫星通信系统根本无法满足的。

在宽带无线中继技术快速发展的今天，虽然出现了无线网桥、LTE-Relay等中远程宽带无线接入技术，但均存在中继距离小、带宽小、只能用于固定节点等缺点，对于船只、车辆一类的移动节点，没有提供良好的解决方案。具体问题描述如下：

a)Mesh自组网一般单跳覆盖距离3km～5km，依靠多跳来扩大覆盖范围，但通常3跳以后通信质量会变差，一般最多支持7跳的连接；

b)Mesh自组网由于技术体制和多跳应用的原因，其通信带宽一般在50Mbps以内，多跳连接后，通常实际带宽不足2Mbps；

c)无线网桥和LTE-Relay目前可以实现100km级的宽带中继，但要求远端为固定节点，以便实现定向的点对点通信；

d)对于船只运动的海洋场景而言，无法支持稳定的Mesh跳节点部署，船只也无法作为固定节点使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种面向作业船队的中远程宽带无线接入系统，该系统采用北斗卫星导航系统的RNSS和RDSS体制，结合智能波束赋形技术、动态网络规划技术、远端扇区覆盖技术等，实现面向船队作业场景的中远程宽带无线接入。

本发明采用的技术方案如下：

一种面向作业船队的中远程宽带无线接入系统，包括岸基平台和船载远端站；岸基平台；所述岸基平台包括运营管理平台和岸基基站；所述船载远端站包括北斗双模船载一体机、船载骨干远端站、本地无线覆盖模块、船载扇区远端站和船载全向远端站；

所述运营管理平台，用于采集系统内船只位置及网络状态信息，实现网络动态规划，以及完成用户管理、平台运营和流量计费；

所述岸基基站与运营管理平台连接，用于实现系统与地面网络接入，并按照网络动态规划要求，完成指定海域的方向性波束覆盖，使岸基基站与船载骨干远端站形成骨干链路；

所述北斗双模船载一体机，用于实现载体船只的精确定位，并将位置和通信状态周期性地上报到运营管理平台，以及接收运营管理平台下发的网络动态规划信息及指令信息，并通过串口提供给船载远端站；

所述船载骨干远端站配置具有伺服系统的天线单元，通过采用惯导+GNSS+RSSI+规划参数的跟踪机制的跟踪软件，实现天线单元波束与岸基基站方向性波束的跟踪；

所述船载扇区远端站与船载骨干远端站上部署在同一只骨干船只上，通过扇区天线实现周围无线网络的区域覆盖；

所述船载全向远端站，用于与船载扇区远端站的扇区天线形成收发互通；

所述本地无线覆盖模块与船载骨干远端站和船载扇区远端站对接，实现业务数据和协议处理，并通过WiFi和/或网线接口完成本地上网功能。

进一步地，所述运营管理平台包括北斗指挥机和嵌入式软件；其中，通过北斗指挥机采集系统内船只位置及网络状态信息，通过嵌入式软件实现网络动态规划，以及完成用户管理、平台运营和流量计费。

进一步地，所述岸基基站包括室内单元IDU和室外单元ODU和智能波束赋形天线；其中，

所述室内单元IDU用于实现系统与地面网络接入；

所述室外单元ODU完成专网隔离、专网信号生成、收发处理和智能波束赋形天线控制；

所述智能波束赋形天线用于按照网络动态规划要求，完成指定海域的方向性波束覆盖，使智能波束赋形天线与船载骨干远端站形成骨干链路。

进一步地，所述骨干链路为定向高增益通信链路，通信频段选择在4.9GHz～6GHz的许可频段或免除许可频段。

进一步地，所述天线单元波束与岸基基站方向性波束的跟踪精度优于1/4半功率波束宽度。

进一步地，所述船载扇区远端站通过4组90°的高增益扇区天线实现周围无线网络的区域覆盖。

进一步地，所述跟踪软件实现天线单元波束与岸基基站方向性波束的跟踪的流程如下：

1)系统开机进行初始化：初始化船载骨干远端站的天线单元，使天线单元波束指向最低点；

2)获取天线单元姿态信息、岸基基站方向性波束参数和网络动态规划参数、以及载体船只的GNSS位置、速度变化信息和角度变化值，同时开启三轴稳定控制，主控系统通过姿态解算计算出天线单元在载体船只坐标系下的初始对准角度，然后通过主控系统控制伺服系统驱动天线单元波束指向该初始对准角度，以进行动态下的粗对准；

3)粗对准完成后，开始进行圆锥扫描，通过改变圆锥扫描的搜索半径进行精对准，完成精对准后锁定该位置，即可完成动态下的初始对准；

4)随后进入自动跟踪状态；在自动跟踪状态下，天线单元内的载波检测模块对接收信号强度进行不间断的监控，根据信号强弱决定进行圆锥扫描，以补偿角度误差；

5)当圆锥扫描无法跟踪信号，启动盲扫，重新捕获信号；

6)停止跟踪后，系统进入停机状态，断电关闭系统。

进一步地，所述系统的工作流程如下：

1)骨干船只上的船载骨干远端站通过北斗双模一体机将自身位置和网络状态上报到运营管理平台；

2)运营管理平台根据各骨干船只上报的位置和网络状态完成网络动态规划，并将相关数据下发到岸基基站，由岸基基站的智能波束赋形天线形成面向骨干船只的方向性波束覆盖；

3)骨干船只上的船载骨干远端站的天线单元在伺服系统控制下，结合接收到的网络动态规划参数，对岸基基站的方向性波束进行自动跟踪，以此建立并自动维持骨干链路；

4)骨干链路连接后开启本地无线覆盖模块，实现骨干船只连接互联网功能，同时通过船载扇区远端站完成周围无线网络的覆盖功能；

5)其余船只作为船载全向远端站，通过高增益全向天线与船载扇区远端站收发互通，实现本船上网功能。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明的面向船队作业场景的中远程宽带无线接入系统，采用北斗卫星导航系统的RNSS和RDSS体制，结合智能波束赋形技术、动态网络规划技术、远端扇区覆盖技术等，能够形成覆盖距离长达120km、骨干链路300Mbps以上、用户链路10Mbps～50Mbps的中远程宽带无线接入系统解决方案，基于地面网络实现，成本低廉无卫星通信昂贵的资费问题，电信级通信延迟(可以达到4～10ms传输延时，远低于同步卫星500ms传输延时)，尤其适用于船队、车队等动态用户类别，从根本上解决了当前主流无线网桥类产品仅用于固定节点的缺陷。本成果可以广泛应用于港口码头、船队作业、车队出行、轮渡运输、游艇活动等场景，以及海岛宽带接入、无人区远程中继等场景的无线宽带覆盖。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的面向作业船队的中远程宽带无线接入系统的运行示意图。

图2为本发明的面向作业船队的中远程宽带无线接入系统的工作原理图。

图3为本发明的跟踪软件处理流程图。

图4为本发明的船载扇形远端站的扇形天线无线网络覆盖示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-2所示，一种面向作业船队的中远程宽带无线接入系统，包括岸基平台和船载远端站；岸基平台；所述岸基平台包括运营管理平台和岸基基站；所述船载远端站包括北斗双模船载一体机、船载骨干远端站、本地无线覆盖模块、船载扇区远端站和船载全向远端站；

1、岸基平台：

(1)运营管理平台

所述运营管理平台，用于采集系统内船只位置及网络状态信息，实现网络动态规划，以及完成用户管理、平台运营和流量计费；

在一个实施例中，所述运营管理平台采用北斗指挥机和嵌入式软件实现；其中，通过北斗指挥机采集系统内船只位置及网络状态信息，通过嵌入式软件实现网络动态规划，以及完成用户管理、平台运营和流量计费等功能。

(2)岸基基站

所述岸基基站与运营管理平台连接，用于实现系统与地面网络接入，并按照网络动态规划要求，完成指定海域的方向性波束覆盖，使岸基基站与船载骨干远端站形成骨干链路；

在一个实施例中，所述岸基基站包括室内单元IDU和室外单元ODU和智能波束赋形天线；其中，

所述室内单元IDU用于实现系统与地面网络(如LTE网络)接入；一般地，可以采用以太网接口或TDM接口接入地面网络。

所述室外单元ODU完成与地面网络的隔离、网内信号生成、收发处理和智能波束赋形天线控制；

所述智能波束赋形天线用于按照网络动态规划要求，完成指定海域的方向性波束覆盖，使智能波束赋形天线与船载骨干远端站形成骨干链路。另外，所述智能波束赋形天线采用北斗基准站进行位置和位移的测定，以对其自身位置进行精确校准，确保其精确指向；一般地，可以将智能波束赋形天线测定的位置通过北斗差分定位技术进行位置的精确校准。在骨干链路中，上报的位置和网络状态、以及下发的各类数据和相关指令，均可以采用北斗短报文进行传输，基于北斗短报文设备实现岸海位置和网络规划信息交互，便于完成准确波束指向和动态规划。进一步，所述骨干链路为定向高增益通信链路，通信频段可以选择在4.9GHz～6GHz的许可频段或免除许可频段，能够吞吐量不小于300Mbps，以此支持高带宽、大容量的实现，同时有效解决了复杂的无线环境给无线通信带来的影响。

2、船载骨干远端站

(1)北斗双模船载一体机

所述北斗双模船载一体机，用于实现载体船只的精确定位，并将位置和通信状态周期性地上报到运营管理平台，以及接收运营管理平台下发的网络动态规划信息及指令信息，并通过串口提供给船载远端站；

(2)船载骨干远端站

所述船载骨干远端站，包括配置具有伺服系统的天线单元，通过采用惯导+GNSS+RSSI+规划参数(网络动态规划参数)的跟踪机制的跟踪软件，实现天线单元波束与岸基基站方向性波束的跟踪(即对准和随动)；所述船载骨干远端站作为骨干连接中继节点，无需多跳中继，即可满足120km内的通信覆盖要求，系统复杂度低。一般地，所述天线单元波束与岸基基站方向性波束的跟踪精度优于1/4半功率波束宽度。

如图3所示，所述跟踪软件实现天线单元波束与岸基基站方向性波束的跟踪的流程如下：

1)系统开机进行初始化：初始化船载骨干远端站的天线单元，使天线单元波束指向最低点；

2)获取天线单元姿态信息(由天馈系统反馈)、岸基基站方向性波束参数和网络动态规划参数(由北斗双模船载一体机上报)、以及载体船只的GNSS位置、速度变化信息和角度变化值(由北斗/惯导系统提供)，同时开启三轴稳定控制，主控系统通过姿态解算计算出天线单元在载体船只坐标系下的初始对准角度，然后通过主控系统控制伺服系统驱动天线单元波束指向该初始对准角度，以进行动态下的粗对准；

3)粗对准完成后，开始进行圆锥扫描，通过改变圆锥扫描的搜索半径进行精对准，完成精对准后锁定该位置，即可完成动态下的初始对准；

4)随后进入自动跟踪状态；在自动跟踪状态下，天线单元内的载波检测模块对接收信号强度(由天馈系统经骨干远端站接收机反馈至主控系统)进行不间断的监控，根据信号强弱决定进行圆锥扫描，以补偿角度误差；

5)当圆锥扫描无法跟踪信号，启动盲扫，重新捕获信号；

6)停止跟踪后，系统进入停机状态，断电关闭系统。

(3)船载扇区远端站

所述船载扇区远端站与船载骨干远端站上部署在同一只骨干船只上，通过扇区天线实现周围无线网络的区域覆盖；

在一个实施例中，如图4所示，所述船载扇区远端站通过4组90°的高增益扇区天线实现周围无线网络的区域覆盖，可以实现10km以上360°无盲区的无线网络覆盖，用户节点吞吐量在10Mbps～50Mbps。

(4)船载全向远端站

所述船载全向远端站，用于与船载扇区远端站的扇区天线形成收发互通；

(5)本地无线覆盖模块

所述本地无线覆盖模块与船载骨干远端站和船载扇区远端站对接，实现业务数据和协议处理，并通过WiFi和/或网线接口完成本地上网功能。

上述的面向作业船队的中远程宽带无线接入系统的工作流程如下：

1)骨干船只上的船载骨干远端站通过北斗双模一体机将自身位置和网络状态上报到运营管理平台；

2)运营管理平台根据各骨干船只上报的位置和网络状态完成网络动态规划，并将相关数据下发到岸基基站，由岸基基站的智能波束赋形天线形成面向骨干船只的方向性波束覆盖；其中，岸基基站的室内单元IDU负责连接本地网络，室外单元ODU负责控制智能波束赋形天线的指向、波束宽度、EIRP等参数。

3)骨干船只上的船载骨干远端站的天线单元在伺服系统控制下，结合接收到的网络动态规划参数，对岸基基站的方向性波束进行自动跟踪，以此建立并自动维持骨干链路。

4)骨干链路连接后开启本地无线覆盖模块，实现骨干船只上的船载骨干远端站和船载扇形远端站连接互联网功能，同时通过船载扇区远端站完成周围无线网络的覆盖功能；

5)其余船只作为船载全向远端站，通过高增益全向天线与船载扇区远端站收发互通，实现本船上网功能。

至此，通过上述5个步骤可以实现面向船队作业场景的中远程宽带无线接入。另外，系统通信体制借鉴当前主流的无线网桥所采用的通信体制，结合本发明在波束赋形应用和用户实际通信需求，采用了点对多点的网络拓扑、收发TDD双工、40MHz/80MHz大信道带宽、基于IEEE802.11n的私有协议等策略等。具体地，所述系统采用表1所示的通信体制。

表1：

通过上述内容可知，本发明采用北斗卫星导航系统的RNSS和RDSS体制，结合智能波束赋形技术、动态网络规划技术、远端扇区覆盖技术等，实现面向船队作业场景的中远程宽带无线接入系统，该系统具有以下有益效果：

本发明的面向船队作业场景的中远程宽带无线接入系统，采用北斗卫星导航系统的RNSS和RDSS体制，结合智能波束赋形技术、动态网络规划技术、远端扇区覆盖技术等，能够形成覆盖距离长达120km、骨干链路300Mbps以上、用户链路10Mbps～50Mbps的中远程宽带无线接入系统解决方案，基于地面网络实现，成本低廉无卫星通信昂贵的资费问题，电信级通信延迟(可以达到4～10ms传输延时，远低于同步卫星500ms传输延时)，尤其适用于船队、车队等动态用户类别，从根本上解决了当前主流无线网桥类产品仅用于固定节点的缺陷。本成果可以广泛应用于港口码头、船队作业、车队出行、轮渡运输、游艇活动等场景，以及海岛宽带接入、无人区远程中继等场景的无线宽带覆盖。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种面向作业船队的中远程宽带无线接入系统，其特征在于，包括岸基平台和船载远端站；所述岸基平台包括运营管理平台和岸基基站；所述船载远端站包括北斗双模船载一体机、船载骨干远端站、本地无线覆盖模块、船载扇区远端站和船载全向远端站；

所述运营管理平台，用于采集系统内船只位置及网络状态信息，实现网络动态规划，以及完成用户管理、平台运营和流量计费；

所述岸基基站与运营管理平台连接，用于实现系统与地面网络接入，并按照网络动态规划要求，完成指定海域的方向性波束覆盖，使岸基基站与船载骨干远端站形成骨干链路；

所述北斗双模船载一体机，用于实现载体船只的精确定位，并将位置和通信状态周期性地上报到运营管理平台，以及接收运营管理平台下发的网络动态规划信息及指令信息，并通过串口提供给船载远端站；

所述船载骨干远端站配置具有伺服系统的天线单元，通过采用惯导+GNSS+RSSI+规划参数的跟踪机制的跟踪软件，实现天线单元波束与岸基基站方向性波束的跟踪；

所述船载扇区远端站与船载骨干远端站上部署在同一只骨干船只上，通过扇区天线实现周围无线网络的区域覆盖；

所述船载全向远端站，用于与船载扇区远端站的扇区天线形成收发互通；

所述本地无线覆盖模块与船载骨干远端站和船载扇区远端站对接，实现业务数据和协议处理，并通过WiFi和/或网线接口完成本地上网功能；

所述跟踪软件实现天线单元波束与岸基基站方向性波束的跟踪的流程如下：

1)系统开机进行初始化：初始化船载骨干远端站的天线单元，使天线单元波束指向最低点；

2)获取天线单元姿态信息、岸基基站方向性波束参数和网络动态规划参数、以及载体船只的GNSS位置、速度变化信息和角度变化值，同时开启三轴稳定控制，主控系统通过姿态解算计算出天线单元在载体船只坐标系下的初始对准角度，然后通过主控系统控制伺服系统驱动天线单元波束指向该初始对准角度，以进行动态下的粗对准；

3)粗对准完成后，开始进行圆锥扫描，通过改变圆锥扫描的搜索半径进行精对准，完成精对准后锁定该位置，即可完成动态下的初始对准；

4)随后进入自动跟踪状态；在自动跟踪状态下，天线单元内的载波检测模块对接收信号强度进行不间断的监控，根据信号强弱决定进行圆锥扫描，以补偿角度误差；

5)当圆锥扫描无法跟踪信号，启动盲扫，重新捕获信号；

6)停止跟踪后，系统进入停机状态，断电关闭系统；

所述运营管理平台包括北斗指挥机和嵌入式软件；其中，通过北斗指挥机采集系统内船只位置及网络状态信息，通过嵌入式软件实现网络动态规划，以及完成用户管理、平台运营和流量计费；

所述岸基基站包括室内单元IDU和室外单元ODU和智能波束赋形天线；其中，

所述室内单元IDU用于实现系统与地面网络接入；

所述室外单元ODU完成专网隔离、专网信号生成、收发处理和智能波束赋形天线控制；

所述智能波束赋形天线用于按照网络动态规划要求，完成指定海域的方向性波束覆盖，使智能波束赋形天线与船载骨干远端站形成骨干链路。

2.根据权利要求1所述的面向作业船队的中远程宽带无线接入系统，其特征在于，所述骨干链路为定向高增益通信链路，通信频段选择在4.9GHz～6GHz的许可频段或免除许可频段。

3.根据权利要求1所述的面向作业船队的中远程宽带无线接入系统，其特征在于，所述天线单元波束与岸基基站方向性波束的跟踪精度优于1/4半功率波束宽度。

4.根据权利要求1所述的面向作业船队的中远程宽带无线接入系统，其特征在于，所述船载扇区远端站通过4组90°的高增益扇区天线实现周围无线网络的区域覆盖。

5.根据权利要求1所述的面向作业船队的中远程宽带无线接入系统，其特征在于，所述系统的工作流程如下：

1)骨干船只上的船载骨干远端站通过北斗双模一体机将自身位置和网络状态上报到运营管理平台；

2)运营管理平台根据各骨干船只上报的位置和网络状态完成网络动态规划，并将相关数据下发到岸基基站，由岸基基站的智能波束赋形天线形成面向骨干船只的方向性波束覆盖；

3)骨干船只上的船载骨干远端站的天线单元在伺服系统控制下，结合接收到的网络动态规划参数，对岸基基站的方向性波束进行自动跟踪，以此建立并自动维持骨干链路；

4)骨干链路连接后开启本地无线覆盖模块，实现骨干船只连接互联网功能，同时通过船载扇区远端站完成周围无线网络的覆盖功能；

5)其余船只作为船载全向远端站，通过高增益全向天线与船载扇区远端站收发互通，实现本船上网功能。

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