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摘要：采用形式化描述、建模與驗證技術，通過對LTE信道模型的抽象與簡化，建立基于寬帶和窄帶相結合的系統模型，驗證無線通信網絡對應用系統相關性能的影響。特別是針對覆蓋率、無線接通率和通訊保持能力等關鍵技術指標進行測試，既為寬帶和窄帶在港口作業應用以及發展提供重要支撐，也將為今后無線網絡系統的升級換代提供參考依據。配套的圖像加密系統具有理想的置亂效果、良好的抗攻擊能力、有效抵御差分攻擊能力、良好的均勻性以及密鑰敏感性。

關鍵詞：天津港；調度指揮；無線通信；網絡系統

引言

天津港是環渤海地區及我國北方規模最大的綜合性港口。目前港口各碼頭公司專網通信窄帶語音調度業務無線頻率資源緊缺，語音調度作業存在相互干擾、頻率資源無法共享的問題，港口無線通信系統則提供了有力的通訊保障手段。天津港目前的無線網絡構建都是由其二級公司各自投資建設，存在規劃不一致，管理不統一的狀況。規劃天津港無線頻率，建立專用數字集群網，提供大范圍無線通信時快速反應、便捷使用及多級調度，將為港口的統一管理指揮提供可靠的通信保障[1]。

1天津港建設調度指揮無線通信專用網絡系統必要性

“十三五”期間，天津港將加快轉變經濟發展方式，積極調整優化產業結構，進一步完善以港口裝卸、國際物流、港口地產、港口綜合服務“四大產業”為核心的適度多元化產業發展格局。隨著業務量的上升與港口規模的擴大，天津港的各碼頭頻率資源緊缺、作業相互干擾、通信資源無法共享的問題日趨嚴重。建設智慧港口、科技港口的理念要求完善無線網絡，以實現港口作業流程、人和技術實現充分融合，提高運營效率，滿足發展需求。

1.1天津港統一調度管理與應急的需要

隨著全球貿易的高速發展，海運需求強勁，水運經濟指標快速增長，全球港口的業務量不斷增長，業務范圍不斷擴大，沿海港口需要依靠清晰、快速、可靠的通信，來確保頻繁的聯系，促進決策和信息交換，并協調設備及貨物的調配，從而實現對沿海港口碼頭進行高效運營和管理。

1.2港區安全生產作業的需要

港區一般有集裝箱裝卸組、門機指導員組、調度組、工程維修組、理貨組等。其通信的工作特點如下：①無線通信系統用于生產調度，要求較高的工作效率與安全保障。②工作范圍廣，港口內各工作組不同，單位的活動區域不同，需解決區域內的調度通信問題。③話務量大，港口內語音通信頻繁，需要切實保障高效的溝通反饋。綜上，對天津港進行無線電頻率資源規劃，設計、建設一個集語音業務、多媒體業務、應急指揮、綜合管理調度、高速數據業務于一體的安全、可靠的無線通信網絡系統，是非常有必要的。

2建設原則

①技術先進性。采用國際上先進的數字移動通信標準技術、自動化控制技術和管理技術，選用當前具有國際先進水平的商品化產品，滿足應用及遠程網絡管理需求。②技術成熟性。選擇技術先進、設備成熟、具有大量應用案例的產品，保證系統各項功能的實現，系統組網設計科學合理，符合實際應用需求。③可擴展性。系統總體架構合理，設計容量適度，并且具有可擴展性，同時具備標準的二次開發應用接口，以滿足不同部門的擴展應用需要。④可靠性。采用分布式控制與集中式控制有機結合的系統架構設計、各單元模塊化設計理念，支持多級故障弱化模式，有效提高系統的可靠性。⑤安全性。符合工信部相關要求；嚴格按照要求設置用戶使用權限；信息的傳輸具備防止各種非法提取或篡改能力；重要數據備份；嚴格執行國家安全生產相關規定。

3天津港應用現狀

3.1模擬150M、400M對講

模擬150M、400M直通對講是天津港生產調度、現場組織、設備維修維護、港口保安等主要語音通信手段，天津港現有VHF、UHF單工頻點共計100個左右。基本能滿足目前散雜貨碼頭、石油化工等碼頭生產作業需求，對于使用模擬直通的集裝箱公司、煤碼頭公司，主要存在以下問題：①2015年后對模擬對講機不再進行核準，對于天津港大型的港口作業，模擬對講機的使用已經不能滿足其發展需求。②信道用戶容量小，頻點資源緊張。隨著業務發展，用戶規模逐漸擴大，導致頻率資源緊張。③模擬對講通話質量差、保密性差，對于集裝箱起吊裝卸等狀況非常不利。

3.2800MGOTA數字集群

港區唯一大規模應用的數字集群系統是天津電信提供的GOTA數字集群系統，終端用戶數量大致為1800個。采用的是次800M頻點，建設基站11座。港區GOTA數字集群今后的應用面臨以下主要問題[4]：①網絡容量不能滿足天津港目前及今后發展需求；②GOTA終端款支撐不足。

3.3400M/2.4G/5.8GHzWi-Fi數據作業系統/監視、無線監控系統

天津港目前的數據傳輸業務覆蓋不全面，各個公司的數據傳輸缺乏統一的管理與規劃。①400MHz數據傳輸。優點是傳輸波長較長，在集裝箱等有遮擋的碼頭應用時，信號繞射能力較強。但目前使用的終端為DOS系統，界面友好性差，技術相對比較落后，在散雜貨碼頭應用相對較多。②2.4GHzWi-Fi數據傳輸。頻點少，會造成一定的相互干擾。此外，2.4GHz衰減快，在集裝箱碼頭容易造成覆蓋盲區。某些集裝箱碼頭公司毗鄰，出現相互干擾的狀況。③5.8GHzWi-Fi數據傳輸。目前天津港5.8GHzWi-Fi數據傳輸視頻的分辨率難以達到相關部門要求，穩定性較差，在日常作業生產中的應用基本滿足現狀[3]。

4工程建設方案

工程將建設TETRA無線數字集群調度通信系統，包括1個交換控制中心，8個基站，網絡覆蓋車載臺，在港口內室外覆蓋率達95％，手持機在港口覆蓋率達90％，重要地區覆蓋率達100％。

4.1網絡架構

天津港TETRA系統網絡拓撲圖如圖1所示。控制交換中心由交換控制服務器、調度服務器、網管服務器、定位服務器、網管終端、智慧云調度平臺、互聯網關等設備組成。鏈路由以太網交換機、路由器、防火墻、光纖等設備組成。TETRA集群基站由基站控制器、信道機、電源、射頻分配系統、天饋等設備組成。

4.2網絡覆蓋

4.2.1整體覆蓋需求根據天津港各單位分布和使用需求，預計需要有效覆蓋的范圍在300km2左右。考慮室內覆蓋的需求，預計需要7～8個基站，并且多個基站的室外重疊覆蓋區域會很多。預選點分布如圖2所示。

4.2.2勘測結果及說明本次勘探勘察并測試了預選的南十三基站、D局基站、東方海陸基站、太平洋基站，并且和各單位初步溝通了終端的大致數量和分組編號數。其中，D局基站、東方海陸基站、太平洋基站的測試結果與預估基本吻合，除航油大樓和環球滾裝公司大樓室內信號稍弱以外，已測試的各地點通話質量良好；南十三基站有幾處盲區，可以通過直放站進行補盲處理。

4.3容量規劃

港口作業具有呼叫密度高、強度大的特點，一般實行24小時不間斷進行，單次組呼時長及平均組呼時長遠遠高于一般的語音呼叫，平均組呼時長在20～30min，話務量密集。假定港口每一組用戶一天內平均每小時呼叫一次，時長為20min，那么一組用戶的平均話務量(a)＝20/60＝0.33elr。通過對8個基站的實際電測考察測試，東方海陸基站的話務量太大，按最大基站容量設計也滿足不了需求，為此將通過網絡優化來滿足需求，增大LNG基站和信息公司基站的覆蓋，使其與東方海陸基站的重疊覆蓋區加大，然后把這2個基站的配置由4載頻擴到8載頻，使其分擔東方海陸基站的話務壓力。

4.4頻率規劃

目前，天津港口GoTa數字集群通信網已占用頻率816～821MHz/861～866MHz頻段中的60對頻率。本次天津港項目預計架設8個基站，每個基站根據用戶組數及話務量決定具體載頻數。由于每個基站最大支持8載頻，可提供31個業務信道，對于組數較多的區域，考慮增設基站來增加業務信道。頻率規劃需按照以下幾點原則：①在申請到可用頻點后，按照無三階互調的原則分組，以4載頻或8載頻一組，組內頻無三階互調。②基站重疊覆蓋區無同頻或臨頻干擾。③若有同頻段系統需要設置一定的保護帶寬，防止系統間相互干擾。④相對于整個城市而言，由于港口總面積不是很大，若申請到的頻點足夠滿足系統需求則不用做頻率復用；若頻點不夠，則根據以上3點原則規劃頻率復用的方案。

4.5系統功能

①呼叫功能：語音單呼、語音組呼、組呼遲入、組呼并入、廣播呼叫、緊急呼叫、優先呼叫、有線電話呼叫。②數據傳送功能：狀態消息、短消息、衛星定位信息傳輸、分組數據、系統輔助功能、漫游、越區切換、通話限時、限定基站呼叫、呼叫限制、鑒權、報警、強拆、遙暈/復活。③其他功能：端到端加密、全呼、全雙工單呼、呼叫搶話權、呼叫搶用戶、空口寫頻開戶、長短消息、短消息網關。

4.6交換控制中心

交換控制中心包含移動交換中心、網管、智慧云調度平臺以及各種互聯網關等設備組成，主要實現基站間、基站和調度臺之間以及不同系統之間的呼叫處理、接續，網絡設備的管理監控等，是整個系統的處理中心(圖3)。天津港TETRA系統交換控制中心硬件設計除了具有調度服務器、網管服務器、控制服務器、定位服務器以外，還需要具有互聯網關設備。交換控制中心通過該網關與PSTN和視頻網絡進行融合，實現多套系統的互聯互通互控，進行融合調度。為了滿足天津港日常調度和應急調度等應用，數字集群系統的交換控制中心需要具備網管功能、調度功能、錄音功能、定位功能、二次開發應用功能。

4.6.1網絡管理功能①網絡監控功能，包括基站各模塊監控、遠程升級管理、網絡拓撲監控等。②用戶管理功能，包括用戶信息管理、組信息管理、隸屬關系管理等。③配置管理功能，包括基站配置管理、信道機配置管理、交換控制中心配置管理等。④故障管理功能，包括告警實時顯示、告警過濾顯示等。⑤性能統計功能，統計的數據包括規定時間間隔內系統的呼叫次數、呼叫類型、通話時長、用戶和通話組登記次數、基站內呼叫次數、基站平均呼叫時長以及基站排隊次數，以及在規定時間間隔內某個用戶的呼叫次數、呼叫類型、通話時長等。

4.6.2全網錄音功能可對全網通話進行錄音。具有錄音查詢回放功能，通過權限控制來實現錄音數據的分別查詢。4.6.3定位功能系統實現對目標移動臺的定位監視和查詢功能。具體要求如下：①提供定位對象選對功能，只對被選定的對象提供有關的定位顯示功能；②實時顯示選定手持終端及車載終端所處的位置；③電子地圖上跟蹤顯示目標移動臺的動態位置及軌跡；④對指定目標、指定時段的運動軌跡進行回放；⑤對GPS定位數據進行管理、存儲、更新或備份，存儲時間不少于3個月；⑥對GPS已丟失的動態目標可以找到記憶丟失前最后的位置信息和時鐘信息。

4.7調度指揮中心

智慧云平臺融合了模擬常規、數字常規、模擬集群、數字集群以及PSTN等系統實現互聯互通，提供遠程統一調度與管理的數字調度解決方案(圖4)。幫助用戶以最快速度、最有效的手段進行緊急通知和命令，并可以直觀顯示被通知對象的狀態。

4.7.1指揮調度功能智慧云平臺通過對接TETRA系統API接口，實現對TETRA系統內的終端用戶指揮調度的功能。在智慧云平臺上可以實現語音調度、短數據發送、安全管理、可視化調度、多級調度等功能。

4.7.2固定電話對接智慧云平臺可以通過PSTN網關設備將TETRA系統與公網固定電話互聯，實現TETRA終端、調度臺、固定電話語音互通，更加方便快捷地滿足客戶調度需求。

4.7.3與視頻監控對接智慧云平臺可以實現與港口內部的視頻監控系統對接。在獲取港口視頻監控的相應接口權限后，可在調度平臺上實時顯示港口內的監控畫面，將語音調度、視頻監控合二為一。同時，智慧云平臺集成了本地視頻播放、網頁瀏覽、備忘錄等實用功能。

4.8承載網

基站與核心網之間、應用終端與核心網之間的承載網必須基于現有的技術、安全、需求等多方面綜合考慮來設計。港口內已建碼頭已鋪設光纖，擁有成熟穩定的傳輸網，所以基站與中控、調度、網管之前均通過IP光纖鏈路連接。基站與手持臺、車載臺、固定臺之間則通過TETRA無線網絡連接。考慮到各站點UPS無余量，擬為各站點配置5kVA/8h的UPS。其他配套設施，如機房、鐵塔、橋架、防雷接地等均利用原站點設施。

5效益及推廣應用前景

5.1網絡系統整體性能提升

①性能提升86%；平均時延由原來的233ms減至31ms；丟包率由原來的38%降為0。②寬帶和窄帶相結合無線網絡系統的覆蓋半徑＞10km，兼顧覆蓋深度和廣度，寬帶和窄帶相結合無線網絡系統具有更高的安全性、可靠性以及智能性，同時更高效。

5.2經濟效益分析

目前天津港4G專網包括1套核心網和31套基站。系統預計遠期(3年后)用戶數為2000戶，收入采取入網服務費的模式，每個用戶按照200元/月計算，天津港集團對4G專網的日常運行只存在運行成本，1套核心網和31套基站運行成本為固定費用，人員費50萬元/年，基站電費31萬元/年，光纖維護費20萬元/年。3年后，預期年收益379萬元/年。

5.3社會效益分析

項目對無線資源進行了統一規劃、建設、管理，與有線網絡組成立體化天津港網絡資源，為智能港口建設奠定數據傳輸基礎，滿足及保障天津港無線數據傳輸和視頻傳輸等應用功能，解決無線網絡使用混亂、干擾嚴重和成本高問題，收到良好的社會效益。

5.4推廣前景

TD-LTE具有TDD寬帶、高速移動和大容量的特征，基于TDD、OFDM和多流智能天線，能夠實現百兆高速率、十倍于3G的大容量；高帶寬高速率、多模多頻、低功耗、復雜干擾等[2]；克服了頻段高、頻譜散、電磁干擾繁雜、地理環境和場景復雜等問題，提供了高效干擾控制網絡規劃和體系化覆蓋及優化等方案，具有良好的使用性、創新性以及推廣價值。

參考文獻

［1］竇路，湯文揚，高倍力，等.天津港無線通信現狀分析與發展探討[J].電子技術與軟件工程，2015(8)：42-43.

［2］虞疆，劉遠彬.TD-LTE網絡性能分析[J].現代信息科技，2019(8)：64-66.

［3］蔣浩.集裝箱碼頭無線技術應用探討[C].北京：中國港口集裝箱碼頭高峰論壇，2010：271-274

［4］劉守文，崔麗.中興GoTa數字集群通信系統[J].中興通訊技術，2005(1)：26-28

作者：李長軍 單位：天津港股份有限公司