李 廣，班亞明，趙燕飛

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊 050081;2.中國(guó)人民解放軍61846部隊(duì)，河北涿州 072750)

0 引言

近些年，各種自然災(zāi)害和人為事故頻發(fā)，對(duì)應(yīng)急通信提出了更高的要求。在災(zāi)區(qū)地面線路和蜂窩網(wǎng)絡(luò)遭到破壞或由于業(yè)務(wù)量太大而造成阻塞時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)信息不能及時(shí)傳回，嚴(yán)重影響了決策和調(diào)度。衛(wèi)星通信由于不受地形和通信距離的影響，已成為災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急通信的首選。

目前國(guó)內(nèi)外各種衛(wèi)星通信終端多以分機(jī)簡(jiǎn)單集成為主，設(shè)備體積大、耗能高，不適宜便攜。這里推出一種新型便攜式衛(wèi)星通信終端(以下簡(jiǎn)稱(chēng)便攜終端)，采 用 了 TCP 加 速［1，2］、QoS［3］、高 效 編 碼 調(diào)制［4］、數(shù)字化中頻［5］和一體化設(shè)計(jì)［6］等技術(shù)，將調(diào)制解調(diào)、路由、IP接入、編解碼和配電等單元設(shè)計(jì)在單一機(jī)箱內(nèi)，體積小、重量輕、可靠性高，可實(shí)現(xiàn)人工背負(fù)攜行，實(shí)現(xiàn)話音、視頻以及數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)的傳輸。

1 總體設(shè)計(jì)

目前移動(dòng)便攜衛(wèi)星通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)上從單一的視頻圖像傳輸發(fā)展到目前的包括話音、傳真、數(shù)據(jù)和視頻圖像綜合性業(yè)務(wù)的傳輸，因此又被稱(chēng)為綜合業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)。建立快捷、操作簡(jiǎn)便、運(yùn)行可靠的綜合業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)是當(dāng)今衛(wèi)星通信技術(shù)的一個(gè)主要的應(yīng)用發(fā)展方向。便攜終端是一款集成了音視頻編解碼、IP處理、調(diào)制解調(diào)、L頻段中頻單元和供電等單元的高性能衛(wèi)星通信終端，支持全I(xiàn)P業(yè)務(wù)傳輸，并具有路由選擇、TCP加速、Qos及接入控制等功能，傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)包括話音、傳真、視頻圖像及高速數(shù)據(jù)等，可在數(shù)分鐘內(nèi)建立起通信鏈路，實(shí)現(xiàn)綜合業(yè)務(wù)的傳輸功能。其應(yīng)用示意圖如圖1所示。便攜終端還可以作為其他衛(wèi)星通信車(chē)載站或者固定站的備份系統(tǒng)，提供補(bǔ)充備份功能。便攜終端設(shè)計(jì)充分考慮未來(lái)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，以及實(shí)際業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，系統(tǒng)具有開(kāi)放性和可擴(kuò)展性。

圖1 應(yīng)用示意圖

便攜終端支持選配網(wǎng)管信道功能，通過(guò)該功能可以接收網(wǎng)管中心的廣播信號(hào)，發(fā)送網(wǎng)管信息給網(wǎng)管中心，網(wǎng)管中心認(rèn)為合法站，允許其入網(wǎng)。入網(wǎng)后，便攜衛(wèi)星終端的呼叫、資源分配及資源回收等都在網(wǎng)管中心的管理下完成。

2 工作原理與組成

2.1 工作原理

便攜衛(wèi)星終端能夠提供1路視頻、2路電話和1路IP數(shù)據(jù)的接入，各種業(yè)務(wù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)視頻編解碼器、語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)等匯聚到交換模塊，經(jīng)過(guò)IP接入提供各種業(yè)務(wù)的接入控制、路由轉(zhuǎn)發(fā)后送入調(diào)制解調(diào)單元，經(jīng)基帶處理、調(diào)制等轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)頻段信號(hào)送入衛(wèi)星上行射頻單元(BUC)，接入BUC的信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、頻率轉(zhuǎn)換、放大處理，轉(zhuǎn)換為Ku頻段的射頻信號(hào)后，送入天線發(fā)送到衛(wèi)星;通過(guò)天線接收到的由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的Ku頻段的信號(hào)，經(jīng)過(guò)低噪聲放大器(LNB)濾波、頻率變換和放大等處理，轉(zhuǎn)換成L頻段的信號(hào)，送入調(diào)制解調(diào)單元，經(jīng)過(guò)解調(diào)、基帶處理等轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，送入IP接入單元處理后送給各個(gè)業(yè)務(wù)模塊，最后還原為語(yǔ)音、視頻及數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)信號(hào)到達(dá)用戶終端。

2.2 便攜終端組成

如圖2所示，便攜終端由調(diào)制解調(diào)單元、IP接入、視頻編解碼及語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)(VoIP)等單元組成，集成了話音、視頻圖像及IP應(yīng)用接口的功能，特點(diǎn)是:體積小，功能強(qiáng)，便攜性強(qiáng)，擴(kuò)展性強(qiáng)等。

圖2 終端組成框圖

①調(diào)制解調(diào)單元

調(diào)制解調(diào)單元由調(diào)制和解調(diào)組成:調(diào)制包括編碼、成形濾波、基帶調(diào)制及L上變頻等部分;解調(diào)包括低通濾波、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字下變頻、匹配濾波器、信號(hào)檢測(cè)、定時(shí)估計(jì)、AGC、頻率估計(jì)及載波提取等部分。

②IP接入單元

IP接入單元由接入模塊和交換模塊組成:IP接入模塊是以Power PC處理器模塊為作為核心單元，采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，運(yùn)行各種協(xié)議處理軟件，以及有FPGA等外圍電路一起完成系統(tǒng)功能;交換模塊采用成熟的交換芯片88E6083組成，分別連接IP接入模塊、語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)、視頻編解碼器及IP數(shù)據(jù)。

③視頻編解碼及語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)模塊

集成市場(chǎng)上同類(lèi)成熟產(chǎn)品，為衛(wèi)星通信專(zhuān)門(mén)定制開(kāi)發(fā)，支持 H.264編碼及2路話音用戶接口(FXS)，以達(dá)到與其他站型終端的互聯(lián)互通。

3 關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用創(chuàng)新

3.1 TCP加速技術(shù)

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的傳輸延遲、傳輸速率及鏈路誤碼率等信道特性會(huì)對(duì)終端設(shè)備上的可靠TCP流協(xié)議產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響，因此在衛(wèi)星網(wǎng)上采用TCP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，為了提高傳輸效率，必須使用 TCP加速技術(shù)。目前TCP協(xié)議加速技術(shù)主要分為2類(lèi):其一，針對(duì)衛(wèi)星信道的特點(diǎn)，對(duì)TCP協(xié)議本身進(jìn)行修改或擴(kuò)展，這種方法雖然可以很好地解決問(wèn)題，但要求更換所有用戶終端設(shè)備的協(xié)議棧，顯然不可取;其二，采用協(xié)議變換的方式將TCP協(xié)議在衛(wèi)星鏈路上轉(zhuǎn)換為另一種協(xié)議，從而增強(qiáng)TCP傳輸性能，但這種方法要求收發(fā)兩端必須都要配置協(xié)議變換設(shè)備，無(wú)法實(shí)現(xiàn)單端配置，同時(shí)對(duì)于加速后面配置路由有一定限制，因此應(yīng)用時(shí)具有一定的局限性。

在該設(shè)計(jì)中采取TCP分段來(lái)實(shí)現(xiàn)TCP加速技術(shù)，即在不改變TCP語(yǔ)義的情況下(保證提供端到端的可靠性)，將TCP客戶端到TCP服務(wù)器的TCP連接分成2個(gè)部分，一段是TCP客戶端到TCP加速模塊，TCP加速模塊模擬TCP服務(wù)器向TCP客戶端發(fā)送應(yīng)答;另一段是TCP加速模塊到TCP服務(wù)器，TCP加速模塊將TCP客戶發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給TCP服務(wù)器，同時(shí)接收TCP服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)發(fā)給TCP客戶端。通過(guò)TCP分段，使得TCP客戶端認(rèn)為自己在和地面網(wǎng)上一臺(tái)主機(jī)進(jìn)行通信，這樣，就消除了長(zhǎng)延時(shí)信道對(duì)發(fā)送速率的不利影響，從而大大提高信道利用率。由于在傳輸過(guò)程中沒(méi)有進(jìn)行協(xié)議變換，因此TCP加速模塊可以透明地接入衛(wèi)星網(wǎng)中，而且可以進(jìn)行單端配置，即只在數(shù)據(jù)發(fā)送端配置TCP加速模塊。TCP分段加速原理如圖3所示。

圖3 TCP分段加速原理

3.2 QoS技術(shù)

QoS旨在針對(duì)各種業(yè)務(wù)流對(duì)延時(shí)、抖動(dòng)及吞吐量的不同需求，為其提供不同的服務(wù)質(zhì)量保證。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星資源十分寶貴并且有限，使得網(wǎng)絡(luò)的帶寬瓶頸存在于衛(wèi)星鏈路處，擁塞也容易發(fā)生在這里?；贗P的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是面向無(wú)連接的網(wǎng)絡(luò)，IP分組按照一種“盡力而為”的原則傳送業(yè)務(wù)，這種方法公平地對(duì)待各個(gè)不同業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)包，不確定性很強(qiáng)，無(wú)法滿足各業(yè)務(wù)對(duì)延時(shí)、抖動(dòng)及帶寬等的不同需求。因此，必須在數(shù)據(jù)進(jìn)入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時(shí)進(jìn)行有效的服務(wù)質(zhì)量管理。

目前，地面網(wǎng)中常用的2種服務(wù)模型主要有綜合服務(wù)模型(Integrated service)和區(qū)分服務(wù)模型(Differentiated service)。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)顯著區(qū)別于地面網(wǎng)絡(luò)的最大優(yōu)點(diǎn)就是衛(wèi)星網(wǎng)良好的廣播能力，并且網(wǎng)絡(luò)中存在大量的單工站，同時(shí)，衛(wèi)星網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)于復(fù)雜的地面網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)一般要簡(jiǎn)單很多，采用區(qū)分服務(wù)模型就能保證很好的端到端的服務(wù)質(zhì)量保證。因此，該設(shè)備中采用區(qū)分服務(wù)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)的QoS管理。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮不同業(yè)務(wù)的重要性，將視頻業(yè)務(wù)置于最高優(yōu)先級(jí)，話音、傳真業(yè)務(wù)次之。

3.3 數(shù)字化中頻

該設(shè)計(jì)中采用了一種新的調(diào)制解調(diào)硬件平臺(tái)，該平臺(tái)采用數(shù)字化中頻技術(shù)，減小模擬中頻部分的規(guī)模和設(shè)計(jì)難度，采用模塊化設(shè)計(jì)，便于各部分升級(jí)維護(hù)。在保證技術(shù)指標(biāo)的前提下，極大地減小了設(shè)備體積和功耗。新的調(diào)制解調(diào)平臺(tái)原理如圖4所示。該平臺(tái)調(diào)制中頻由基帶提高到800 MHz，解調(diào)中頻由基帶提高到390 MHz，通過(guò)FGPA程序?qū)崿F(xiàn)中頻以下調(diào)制解調(diào)，降低了變頻模塊設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，同時(shí)提高了調(diào)制解調(diào)器的集成化程度，減小了設(shè)備體積。

圖4 數(shù)字化中頻原理框圖

4 測(cè)試結(jié)果

該便攜終端已完成了從樣機(jī)到產(chǎn)品的初步定型。國(guó)家相關(guān)部門(mén)對(duì)該設(shè)備進(jìn)行了指標(biāo)和環(huán)境測(cè)試，主要結(jié)果如下:

① 通信速率:128 kbps、256 kbps、384 kbps、512 kbps、768 kbps、1024 kbps、2048 kbps;

② 業(yè)務(wù)接口:電話、LAN、音視頻;

③ 開(kāi)通時(shí)間(含天線):小于5 min;

④ 設(shè)備重量(含電池):小于8 kg;

⑤ 工作溫度:-40℃ ～55℃。

同時(shí)，在工作環(huán)境中對(duì)該設(shè)備的加速能力進(jìn)行了測(cè)試。在設(shè)定衛(wèi)星信道速率為1 Mbps的情況下發(fā)送500 M的數(shù)據(jù)包，分別記錄在開(kāi)啟關(guān)閉TCP加速時(shí)的TCP業(yè)務(wù)傳輸速率，結(jié)果如圖5所示。

圖5 TCP業(yè)務(wù)的發(fā)送速率

由仿真結(jié)果可見(jiàn)，未開(kāi)啟TCP加速功能時(shí)，TCP業(yè)務(wù)的傳輸速率很低，約為130 kbps;而在開(kāi)啟TCP加速后，TCP業(yè)務(wù)的傳輸速率約為920 kbps，衛(wèi)星信道利用率達(dá)到90%，大大提高了業(yè)務(wù)的傳輸速率和信道的帶寬利用率。

另外，還對(duì)該設(shè)備的QOS能力進(jìn)行了測(cè)試。在固定帶寬(1 Mbps)的工作環(huán)境中，關(guān)閉QOS時(shí)，視頻馬賽克明顯，而在打開(kāi)QOS時(shí)，視頻質(zhì)量得到明顯提高。

由以上測(cè)試結(jié)果可看出，該設(shè)備滿足了應(yīng)急通信對(duì)終端的需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著衛(wèi)星通信系統(tǒng)在各種應(yīng)急通信系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，基于IP接入的便攜終端具有接口通用、與地面網(wǎng)接入互聯(lián)方便的特點(diǎn)，便于系統(tǒng)組網(wǎng)和與固定指揮中心互聯(lián)，符合信息接入IP化發(fā)展趨勢(shì)。隨著社會(huì)對(duì)信息化需求的不斷增長(zhǎng)，特別是國(guó)家公共安全及應(yīng)急系統(tǒng)建設(shè)的全面展開(kāi)，市場(chǎng)對(duì)便攜終端的需求量會(huì)不斷加大，因此該設(shè)備具有廣闊的應(yīng)用前景和價(jià)值，可以在以下行業(yè)和領(lǐng)域推廣應(yīng)用:熱焦點(diǎn)地區(qū)突發(fā)事件高質(zhì)量圖像傳輸、搶險(xiǎn)救災(zāi)、野外ISP接入、遠(yuǎn)程醫(yī)療、會(huì)議電視、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、科考探險(xiǎn)和公共安全等等。

［1］徐宇杰.TCP/IP協(xié)議深入分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009.

［2］王健，王海濤.衛(wèi)星通信網(wǎng)中TCP加速技術(shù)研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2009，9(11):3148-3152.

［3］龍飛.衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)魯棒QoS路由技術(shù)研究［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

［4］關(guān)清三，崔炳哲，張巖.數(shù)字調(diào)制解調(diào)基礎(chǔ)［M］.北京:科學(xué)出版:OHM社，2002.

［5］宋大鳳，姚元飛，吳仡.一種通用型低成本中頻數(shù)字化方案的實(shí)現(xiàn)［J］.電訊技術(shù)，2010，50(6):59-62.

［6］馬刈非.衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2003.