海域宽带网络空海协同传输关键技术研究

作     者：傅宇舟 

作者单位：广西大学 

学位级别：硕士

导师姓名：覃玉荣

授予年度：2019年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 081505[工学-港口、海岸及近海工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 0810[工学-信息与通信工程] 081105[工学-导航、制导与控制] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0815[工学-水利工程] 0804[工学-仪器科学与技术] 0824[工学-船舶与海洋工程] 081001[工学-通信与信息系统] 0814[工学-土木工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：海域宽带通信网络 空海协同 传输效率 传输安全 

摘      要：随着海洋经济的迅速发展以及人类在海上活动的日益频繁,对海域宽带通信的需求急速增长。然而目前我国大部分海上经济开发区的海上无线通信系统属于窄带通信系统,通常用于传输海域内船只的静态和动态信息,传输业务有限,而陆地蜂窝网络覆盖距离近且难以支撑海域通信业务。尽管随着卫星通信技术的发展,海事卫星逐渐被用于实现海域通信覆盖,但因应用成本高、安全性差等问题而难以大规模普及。此外,由于卫星通信系统、陆地蜂窝网络和海上无线通信系统之间相互独立、互不兼容,因此各系统之间都存在覆盖盲区,系统间管理不统一和带宽分配不合理等严重问题。所以将海上各通信方式高效融合,建立一种高效、可靠和安全的空海协同海域宽带通信网络非常必要,其中传输效率和安全性是亟待解决的关键问题。为此,本文在国内外现有的研究基础上,结合海域通信系统的网络模型,侧重研究了海域宽带通信网络的传输效率和安全性问题,主要工作总结如下:第一,针对现今海域无线通信网络带宽窄、传输效率较低和覆盖范围较小的问题,提出了一种基于船舶自动识别系统(Automatic Identification System,AIS)的接入选择和功率分配算法。该算法的优化问题建模为非凸问题,可使网络的通信容量最大化。并且在解非凸问题的过程中,引入了对数逼近法和连续凸逼近法进行求解。在该算法的系统模型中,本文利用船载基站作为接入节点,为用户船提供高速的传输业务和扩大通信覆盖范围,同时卫星采用广播方式可为船载基站提供AIS信息与控制信息。此外,岸上的网络控制中心基于AIS系统提供的船只位置信息,通过该算法可对用户船接入的选择和基站船功率进行管控。实验仿真结果表明:在网络存在复杂干扰条件下,该算法通过优化海域网络中用户船的接入选择和基站船的功率分配,使每艘用户船获得的平均通信容量比其它算法所得提高了约 1.5%～8.2%。第二,为保证近海海域通信网络的传输安全,本文提出了一种近海安全路由传输算法以便最大化网络的安全容量。根据AIS系统提供的船只的位置信息可确定海域各船只的地理位置,包括潜在的窃听者位置。利用船载基站和海事卫星作为接入节点,通过接入节点的选择保证用户船和基站船的通信链路的安全。当用户船的接入链路无法保证安全时,通过设备到设备通信(Device-to-Device Communication,D2D)方式与加密技术相结合,避免了信息的泄露和信息被窃听者截获。仿真结果表明:在多窃听者和多用户存在条件下,与DFbORS算法相比,本文传输算法使窃听者截获成功率至少降低了10-2单位量级;窃听者的信息恢复率低于22%;且平均每艘船的安全容量提高了约1.4%～9.8%,从而达到有效保证近海海域通信网络的传输安全目的。第三,为保证远海海域通信网络的传输安全,本文提出了一种远海安全传输方案。在该方案中,利用大型船只作为中继节点为远海用户提供高速的传输接入,基于AIS信息通过选择合适的中继节点尽可能地避开窃听者,且通过功率优化减少了信息的泄露;然后在信号传输过程中将喷泉编码作为信道编码,在发射端对编码包发送的数量进行了分配优化,减少了窃听者所能截获的编码包。最后根据远海用户的译码情况还设计了一个D2D通信路由选择算法,保证了中继链路不安全的远海用户可以安全地接收到全部信息。此外,卫星网络和中继网络进行协同传输,在保证传输安全的前提下提高了高塔基站的传输效率。在卫星网络和中继网络存在相互干扰、多窃听者多用户的条件下的实验仿真结果表明,与AFbORS算法相比,本算法的窃听者截获成功率至少降低了约77%;在窃听者数目较少时,窃听者的信息恢复率在窃听者数目较少时低于7%;传输效率大约比AFbORS算法提高了约1.20倍～1.82倍;平均每艘船的安全容量提高了约26%～37%,使远海海域通信网络的传输安全得到保障。第四,作为海上用户的通信终端,客户终端设备(Client terminal equipment,CPE)分系统是构架海域宽带通信网络的重要组成部分。本文作为由清华大学负责的海域宽带通信网络项目研究工作的一部分,还完成了对项目组研制的海域宽带通信网络中的CPE实地测试工作。测试结果表明:该CPE系统的动态波束功能及各类业务功能已基本实现,满足设计预期结果,可较好地对准发射基站进行通信,并且在变速和较远距离的条件下仍可保证信号可靠地传输。