港口调度指挥无线通信网络系统研究范文

摘要：采用形式化描述、建模与验证技术，通过对LTE信道模型的抽象与简化，建立基于宽带和窄带相结合的系统模型，验证无线通信网络对应用系统相关性能的影响。特别是针对覆盖率、无线接通率和通讯保持能力等关键技术指标进行测试，既为宽带和窄带在港口作业应用以及发展提供重要支撑，也将为今后无线网络系统的升级换代提供参考依据。配套的图像加密系统具有理想的置乱效果、良好的抗攻击能力、有效抵御差分攻击能力、良好的均匀性以及密钥敏感性。

关键词：天津港；调度指挥；无线通信；网络系统

引言

天津港是环渤海地区及我国北方规模最大的综合性港口。目前港口各码头公司专网通信窄带语音调度业务无线频率资源紧缺，语音调度作业存在相互干扰、频率资源无法共享的问题，港口无线通信系统则提供了有力的通讯保障手段。天津港目前的无线网络构建都是由其二级公司各自投资建设，存在规划不一致，管理不统一的状况。规划天津港无线频率，建立专用数字集群网，提供大范围无线通信时快速反应、便捷使用及多级调度，将为港口的统一管理指挥提供可靠的通信保障[1]。

1天津港建设调度指挥无线通信专用网络系统必要性

“十三五”期间，天津港将加快转变经济发展方式，积极调整优化产业结构，进一步完善以港口装卸、国际物流、港口地产、港口综合服务“四大产业”为核心的适度多元化产业发展格局。随着业务量的上升与港口规模的扩大，天津港的各码头频率资源紧缺、作业相互干扰、通信资源无法共享的问题日趋严重。建设智慧港口、科技港口的理念要求完善无线网络，以实现港口作业流程、人和技术实现充分融合，提高运营效率，满足发展需求。

1.1天津港统一调度管理与应急的需要

随着全球贸易的高速发展，海运需求强劲，水运经济指标快速增长，全球港口的业务量不断增长，业务范围不断扩大，沿海港口需要依靠清晰、快速、可靠的通信，来确保频繁的联系，促进决策和信息交换，并协调设备及货物的调配，从而实现对沿海港口码头进行高效运营和管理。

1.2港区安全生产作业的需要

港区一般有集装箱装卸组、门机指导员组、调度组、工程维修组、理货组等。其通信的工作特点如下：①无线通信系统用于生产调度，要求较高的工作效率与安全保障。②工作范围广，港口内各工作组不同，单位的活动区域不同，需解决区域内的调度通信问题。③话务量大，港口内语音通信频繁，需要切实保障高效的沟通反馈。综上，对天津港进行无线电频率资源规划，设计、建设一个集语音业务、多媒体业务、应急指挥、综合管理调度、高速数据业务于一体的安全、可靠的无线通信网络系统，是非常有必要的。

2建设原则

①技术先进性。采用国际上先进的数字移动通信标准技术、自动化控制技术和管理技术，选用当前具有国际先进水平的商品化产品，满足应用及远程网络管理需求。②技术成熟性。选择技术先进、设备成熟、具有大量应用案例的产品，保证系统各项功能的实现，系统组网设计科学合理，符合实际应用需求。③可扩展性。系统总体架构合理，设计容量适度，并且具有可扩展性，同时具备标准的二次开发应用接口，以满足不同部门的扩展应用需要。④可靠性。采用分布式控制与集中式控制有机结合的系统架构设计、各单元模块化设计理念，支持多级故障弱化模式，有效提高系统的可靠性。⑤安全性。符合工信部相关要求；严格按照要求设置用户使用权限；信息的传输具备防止各种非法提取或篡改能力；重要数据备份；严格执行国家安全生产相关规定。

3天津港应用现状

3.1模拟150M、400M对讲

模拟150M、400M直通对讲是天津港生产调度、现场组织、设备维修维护、港口保安等主要语音通信手段，天津港现有VHF、UHF单工频点共计100个左右。基本能满足目前散杂货码头、石油化工等码头生产作业需求，对于使用模拟直通的集装箱公司、煤码头公司，主要存在以下问题：①2015年后对模拟对讲机不再进行核准，对于天津港大型的港口作业，模拟对讲机的使用已经不能满足其发展需求。②信道用户容量小，频点资源紧张。随着业务发展，用户规模逐渐扩大，导致频率资源紧张。③模拟对讲通话质量差、保密性差，对于集装箱起吊装卸等状况非常不利。

3.2800MGOTA数字集群

港区唯一大规模应用的数字集群系统是天津电信提供的GOTA数字集群系统，终端用户数量大致为1800个。采用的是次800M频点，建设基站11座。港区GOTA数字集群今后的应用面临以下主要问题[4]：①网络容量不能满足天津港目前及今后发展需求；②GOTA终端款支撑不足。

3.3400M/2.4G/5.8GHzWi-Fi数据作业系统/监视、无线监控系统

天津港目前的数据传输业务覆盖不全面，各个公司的数据传输缺乏统一的管理与规划。①400MHz数据传输。优点是传输波长较长，在集装箱等有遮挡的码头应用时，信号绕射能力较强。但目前使用的终端为DOS系统，界面友好性差，技术相对比较落后，在散杂货码头应用相对较多。②2.4GHzWi-Fi数据传输。频点少，会造成一定的相互干扰。此外，2.4GHz衰减快，在集装箱码头容易造成覆盖盲区。某些集装箱码头公司毗邻，出现相互干扰的状况。③5.8GHzWi-Fi数据传输。目前天津港5.8GHzWi-Fi数据传输视频的分辨率难以达到相关部门要求，稳定性较差，在日常作业生产中的应用基本满足现状[3]。

4工程建设方案

工程将建设TETRA无线数字集群调度通信系统，包括1个交换控制中心，8个基站，网络覆盖车载台，在港口内室外覆盖率达95％，手持机在港口覆盖率达90％，重要地区覆盖率达100％。

4.1网络架构

天津港TETRA系统网络拓扑图如图1所示。控制交换中心由交换控制服务器、调度服务器、网管服务器、定位服务器、网管终端、智慧云调度平台、互联网关等设备组成。链路由以太网交换机、路由器、防火墙、光纤等设备组成。TETRA集群基站由基站控制器、信道机、电源、射频分配系统、天馈等设备组成。

4.2网络覆盖

4.2.1整体覆盖需求根据天津港各单位分布和使用需求，预计需要有效覆盖的范围在300km2左右。考虑室内覆盖的需求，预计需要7～8个基站，并且多个基站的室外重叠覆盖区域会很多。预选点分布如图2所示。

4.2.2勘测结果及说明本次勘探勘察并测试了预选的南十三基站、D局基站、东方海陆基站、太平洋基站，并且和各单位初步沟通了终端的大致数量和分组编号数。其中，D局基站、东方海陆基站、太平洋基站的测试结果与预估基本吻合，除航油大楼和环球滚装公司大楼室内信号稍弱以外，已测试的各地点通话质量良好；南十三基站有几处盲区，可以通过直放站进行补盲处理。

4.3容量规划

港口作业具有呼叫密度高、强度大的特点，一般实行24小时不间断进行，单次组呼时长及平均组呼时长远远高于一般的语音呼叫，平均组呼时长在20～30min，话务量密集。假定港口每一组用户一天内平均每小时呼叫一次，时长为20min，那么一组用户的平均话务量(a)＝20/60＝0.33elr。通过对8个基站的实际电测考察测试，东方海陆基站的话务量太大，按最大基站容量设计也满足不了需求，为此将通过网络优化来满足需求，增大LNG基站和信息公司基站的覆盖，使其与东方海陆基站的重叠覆盖区加大，然后把这2个基站的配置由4载频扩到8载频，使其分担东方海陆基站的话务压力。

4.4频率规划

目前，天津港口GoTa数字集群通信网已占用频率816～821MHz/861～866MHz频段中的60对频率。本次天津港项目预计架设8个基站，每个基站根据用户组数及话务量决定具体载频数。由于每个基站最大支持8载频，可提供31个业务信道，对于组数较多的区域，考虑增设基站来增加业务信道。频率规划需按照以下几点原则：①在申请到可用频点后，按照无三阶互调的原则分组，以4载频或8载频一组，组内频无三阶互调。②基站重叠覆盖区无同频或临频干扰。③若有同频段系统需要设置一定的保护带宽，防止系统间相互干扰。④相对于整个城市而言，由于港口总面积不是很大，若申请到的频点足够满足系统需求则不用做频率复用；若频点不够，则根据以上3点原则规划频率复用的方案。

4.5系统功能

①呼叫功能：语音单呼、语音组呼、组呼迟入、组呼并入、广播呼叫、紧急呼叫、优先呼叫、有线电话呼叫。②数据传送功能：状态消息、短消息、卫星定位信息传输、分组数据、系统辅助功能、漫游、越区切换、通话限时、限定基站呼叫、呼叫限制、鉴权、报警、强拆、遥晕/复活。③其他功能：端到端加密、全呼、全双工单呼、呼叫抢话权、呼叫抢用户、空口写频开户、长短消息、短消息网关。

4.6交换控制中心

交换控制中心包含移动交换中心、网管、智慧云调度平台以及各种互联网关等设备组成，主要实现基站间、基站和调度台之间以及不同系统之间的呼叫处理、接续，网络设备的管理监控等，是整个系统的处理中心(图3)。天津港TETRA系统交换控制中心硬件设计除了具有调度服务器、网管服务器、控制服务器、定位服务器以外，还需要具有互联网关设备。交换控制中心通过该网关与PSTN和视频网络进行融合，实现多套系统的互联互通互控，进行融合调度。为了满足天津港日常调度和应急调度等应用，数字集群系统的交换控制中心需要具备网管功能、调度功能、录音功能、定位功能、二次开发应用功能。

4.6.1网络管理功能①网络监控功能，包括基站各模块监控、远程升级管理、网络拓扑监控等。②用户管理功能，包括用户信息管理、组信息管理、隶属关系管理等。③配置管理功能，包括基站配置管理、信道机配置管理、交换控制中心配置管理等。④故障管理功能，包括告警实时显示、告警过滤显示等。⑤性能统计功能，统计的数据包括规定时间间隔内系统的呼叫次数、呼叫类型、通话时长、用户和通话组登记次数、基站内呼叫次数、基站平均呼叫时长以及基站排队次数，以及在规定时间间隔内某个用户的呼叫次数、呼叫类型、通话时长等。

4.6.2全网录音功能可对全网通话进行录音。具有录音查询回放功能，通过权限控制来实现录音数据的分别查询。4.6.3定位功能系统实现对目标移动台的定位监视和查询功能。具体要求如下：①提供定位对象选对功能，只对被选定的对象提供有关的定位显示功能；②实时显示选定手持终端及车载终端所处的位置；③电子地图上跟踪显示目标移动台的动态位置及轨迹；④对指定目标、指定时段的运动轨迹进行回放；⑤对GPS定位数据进行管理、存储、更新或备份，存储时间不少于3个月；⑥对GPS已丢失的动态目标可以找到记忆丢失前最后的位置信息和时钟信息。

4.7调度指挥中心

智慧云平台融合了模拟常规、数字常规、模拟集群、数字集群以及PSTN等系统实现互联互通，提供远程统一调度与管理的数字调度解决方案(图4)。帮助用户以最快速度、最有效的手段进行紧急通知和命令，并可以直观显示被通知对象的状态。

4.7.1指挥调度功能智慧云平台通过对接TETRA系统API接口，实现对TETRA系统内的终端用户指挥调度的功能。在智慧云平台上可以实现语音调度、短数据发送、安全管理、可视化调度、多级调度等功能。

4.7.2固定电话对接智慧云平台可以通过PSTN网关设备将TETRA系统与公网固定电话互联，实现TETRA终端、调度台、固定电话语音互通，更加方便快捷地满足客户调度需求。

4.7.3与视频监控对接智慧云平台可以实现与港口内部的视频监控系统对接。在获取港口视频监控的相应接口权限后，可在调度平台上实时显示港口内的监控画面，将语音调度、视频监控合二为一。同时，智慧云平台集成了本地视频播放、网页浏览、备忘录等实用功能。

4.8承载网

基站与核心网之间、应用终端与核心网之间的承载网必须基于现有的技术、安全、需求等多方面综合考虑来设计。港口内已建码头已铺设光纤，拥有成熟稳定的传输网，所以基站与中控、调度、网管之前均通过IP光纤链路连接。基站与手持台、车载台、固定台之间则通过TETRA无线网络连接。考虑到各站点UPS无余量，拟为各站点配置5kVA/8h的UPS。其他配套设施，如机房、铁塔、桥架、防雷接地等均利用原站点设施。

5效益及推广应用前景

5.1网络系统整体性能提升

①性能提升86%；平均时延由原来的233ms减至31ms；丢包率由原来的38%降为0。②宽带和窄带相结合无线网络系统的覆盖半径＞10km，兼顾覆盖深度和广度，宽带和窄带相结合无线网络系统具有更高的安全性、可靠性以及智能性，同时更高效。

5.2经济效益分析

目前天津港4G专网包括1套核心网和31套基站。系统预计远期(3年后)用户数为2000户，收入采取入网服务费的模式，每个用户按照200元/月计算，天津港集团对4G专网的日常运行只存在运行成本，1套核心网和31套基站运行成本为固定费用，人员费50万元/年，基站电费31万元/年，光纤维护费20万元/年。3年后，预期年收益379万元/年。

5.3社会效益分析

项目对无线资源进行了统一规划、建设、管理，与有线网络组成立体化天津港网络资源，为智能港口建设奠定数据传输基础，满足及保障天津港无线数据传输和视频传输等应用功能，解决无线网络使用混乱、干扰严重和成本高问题，收到良好的社会效益。

5.4推广前景

TD-LTE具有TDD宽带、高速移动和大容量的特征，基于TDD、OFDM和多流智能天线，能够实现百兆高速率、十倍于3G的大容量；高带宽高速率、多模多频、低功耗、复杂干扰等[2]；克服了频段高、频谱散、电磁干扰繁杂、地理环境和场景复杂等问题，提供了高效干扰控制网络规划和体系化覆盖及优化等方案，具有良好的使用性、创新性以及推广价值。

参考文献

［1］窦路，汤文扬，高倍力，等.天津港无线通信现状分析与发展探讨[J].电子技术与软件工程，2015(8)：42-43.

［2］虞疆，刘远彬.TD-LTE网络性能分析[J].现代信息科技，2019(8)：64-66.

［3］蒋浩.集装箱码头无线技术应用探讨[C].北京：中国港口集装箱码头高峰论坛，2010：271-274

［4］刘守文，崔丽.中兴GoTa数字集群通信系统[J].中兴通讯技术，2005(1)：26-28

作者：李长军 单位：天津港股份有限公司