尤靜 段洪德

（1 中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所河北石家莊050081）

（2 中國民用航空華北地區(qū)空中交通管理局河北分局河北石家莊050802）

1 引言

當(dāng)前，應(yīng)急通信正處在一個(gè)飛速發(fā)展的階段，相對(duì)于地面通信網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)基站等通信方式，在遭遇洪水、地震等自然災(zāi)害的情況下極易毀壞或斷電，衛(wèi)星通信有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)。衛(wèi)星通信具有的覆蓋范圍廣、通信不受地理環(huán)境條件和距離限制、通信帶寬有保障、鏈路穩(wěn)定、傳輸質(zhì)量高、多址聯(lián)接方式靈活和架設(shè)方便快捷等特點(diǎn)，能夠?yàn)槁毮懿块T處理突發(fā)事件提供了快速、機(jī)動(dòng)與靈活的通信手段。

2 應(yīng)急衛(wèi)星通信系統(tǒng)建設(shè)的必要性

應(yīng)急通信就是為應(yīng)對(duì)突發(fā)事件[1]，在特殊地理?xiàng)l件和氣候條件下，及時(shí)建立通信鏈路，保障通信暢通。針對(duì)以下特點(diǎn)，采用衛(wèi)星通信是解決建立寬帶與穩(wěn)定的通信主干道的必備的手段。

應(yīng)急通信時(shí)間一般是突發(fā)的，而能夠快速到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)并建立通信的時(shí)間往往決定著財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡程度。雖然各國都在積極地建立災(zāi)害預(yù)警機(jī)制，來提前預(yù)防災(zāi)害的發(fā)生，或提前做出準(zhǔn)備將災(zāi)害產(chǎn)生的損失降到最低，但是由于當(dāng)前技術(shù)等因素的限制，往往災(zāi)害的到來是不可預(yù)見的，因此建立通信的時(shí)間必須是隨時(shí)的、快捷的。當(dāng)前衛(wèi)星通信車載站、箱式站等一旦到達(dá)事發(fā)地，經(jīng)過天線對(duì)星、開通鏈路的時(shí)間一般情況下不超過15m in，而動(dòng)中通衛(wèi)星車載站可以在趕往事故現(xiàn)場(chǎng)的過程中實(shí)時(shí)通信，這一優(yōu)勢(shì)大大縮短了通信建立時(shí)間，為指揮決策提供及時(shí)的信息。衛(wèi)星通信設(shè)備可以安裝于各型車載平臺(tái)上，小至越野車，大至載重卡車，均可以在第一時(shí)間到達(dá)，在人跡罕至的地區(qū)，可用直升機(jī)將箱式站投放下去，在天線不受遮擋的地方均可以架設(shè)。

隨著技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備研發(fā)水平的提高，衛(wèi)星通信也從原來的單一話音通信發(fā)展為可以傳輸視頻、音頻和數(shù)據(jù)等綜合業(yè)務(wù)。不僅給指揮員提供一個(gè)話音通信的手段，同時(shí)還可以將現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)圖像傳輸?shù)街笓]所，為救災(zāi)決策提供更直觀的支持；同時(shí)，在指揮中心接入海量信息系統(tǒng)，也可以使工作人員通過衛(wèi)星在現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)查詢有用數(shù)據(jù)。自大力發(fā)展衛(wèi)星事業(yè)以來，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)量不斷增加，先進(jìn)的編碼調(diào)制技術(shù)、IP加速技術(shù)也使得同樣的衛(wèi)星帶寬內(nèi)可以傳輸更高容量的信息，降低了應(yīng)用成本。

綜上所述，亟待建設(shè)的應(yīng)急保障體系中，衛(wèi)星通信系統(tǒng)以其高可靠性、可移動(dòng)性和高性價(jià)比的優(yōu)勢(shì)，成為應(yīng)急通信手段中不可或缺的部分。

3 基于衛(wèi)星的應(yīng)急通信系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成

應(yīng)急衛(wèi)星通信系統(tǒng)是由應(yīng)急指揮中心站和應(yīng)急處理現(xiàn)場(chǎng)的移動(dòng)車載、船載和箱式遠(yuǎn)端站組成。中心站是遠(yuǎn)端站信息的綜合接入點(diǎn)，能夠通過得到突發(fā)現(xiàn)場(chǎng)的視頻、音頻和數(shù)據(jù)及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況，滿足應(yīng)急指揮中心、現(xiàn)場(chǎng)指揮部和第三方專家所在地進(jìn)行視頻會(huì)議的功能，可同時(shí)與幾路現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組網(wǎng)通信，現(xiàn)場(chǎng)指揮部可通過應(yīng)急指揮中心與其他通信網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通。

圖1 應(yīng)急衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成示意圖

遠(yuǎn)端站可以快速到達(dá)現(xiàn)場(chǎng),完成地面現(xiàn)場(chǎng)指揮部與應(yīng)急指揮中心的寬帶通信鏈路的建立，在鏈路建立后向應(yīng)急指揮中心直接傳輸現(xiàn)場(chǎng)的圖像、話音以及數(shù)據(jù)，可接入現(xiàn)場(chǎng)附近的有線或無線局域網(wǎng)絡(luò),使突發(fā)事件現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)可以訪問應(yīng)急指揮中心的相關(guān)資料庫，可接入現(xiàn)場(chǎng)的手機(jī)或固話網(wǎng)絡(luò)，可通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)撥打網(wǎng)內(nèi)衛(wèi)星電話或固話和手機(jī)，可加入應(yīng)急指揮中心和第三方專家所在地進(jìn)行視頻會(huì)議的功能，如圖1所示。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)應(yīng)急通信的功能需求和特點(diǎn)，在突發(fā)事件發(fā)生之前支持監(jiān)視和預(yù)測(cè)結(jié)果的通報(bào)，以及突發(fā)事件發(fā)生后保障救災(zāi)區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)指揮的通信能力。因此在進(jìn)行應(yīng)急衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)全面分析實(shí)際需求，有效地節(jié)省衛(wèi)星資源，提高帶寬利用率，降低功率，進(jìn)而減少運(yùn)營(yíng)的費(fèi)用。在統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)管理下，管理網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式和全網(wǎng)的資源分配，管理各個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)申請(qǐng)和應(yīng)答。同時(shí)所有通信設(shè)備應(yīng)盡量減輕設(shè)備重量、縮小設(shè)備體積、建立友好的用戶界面，便于在機(jī)動(dòng)平臺(tái)上安裝和操作。

典型的應(yīng)急衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要通信設(shè)備包括天線、上下行射頻設(shè)備、調(diào)制解調(diào)器和IP加速器等，中心站還配置有全網(wǎng)管理中心。其中對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化具有重要意義的關(guān)鍵技術(shù)有調(diào)制解調(diào)技術(shù)、編碼技術(shù)以及動(dòng)態(tài)帶寬分配技術(shù)等。

3.3 高效編碼和高階調(diào)制技術(shù)

在實(shí)際的空間信道環(huán)境下，先進(jìn)的編碼和調(diào)制技術(shù)將會(huì)帶來可靠的、高效的傳輸效率。作為技術(shù)成熟、使用廣泛的編碼方式，卷積碼處理延遲短、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。級(jí)連碼編碼增益高于卷積碼，但需要分組編碼與交織，傳輸時(shí)延較高。如IESS-308的級(jí)聯(lián)碼增益比卷積碼高約2 dB[2]，處理時(shí)延約幾毫秒到幾十毫秒量級(jí)（與速率有關(guān)）。隨著現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展，Turbo碼、LDPC碼等新型高效編碼方式得以實(shí)用化，使用迭代譯碼處理可以為通信系統(tǒng)提供比級(jí)連碼高2-3 dB的編碼增益和更短的處理時(shí)延。

選用先進(jìn)的編碼技術(shù)可以有效地提高編碼增益，降低解調(diào)門限。如表1所示，在QPSK條件下，在BER為1×10-6時(shí)，采用碼率為3/4的卷積碼（Viterbi譯碼）的解調(diào)器門限為7.6 dB，TPC3/4編碼時(shí)的解調(diào)門限為3.3 dB，降低了4.3 dB，意味著在同樣的天線、功放配置的條件下，可以提高1.7倍的傳輸速率，如果選用LDPC3/4編碼時(shí)，解調(diào)門限進(jìn)一步降低到2.9 dB。

表1 不同編碼方式下解調(diào)門限值[3]

高階調(diào)制有效地減少了衛(wèi)星帶寬的占用[4]，以傳輸2 048 kbps的信息速率為例，當(dāng)通信的2個(gè)站均為2.4m天線，選用TPC3/4的編碼方式，使用QPSK調(diào)制方式，通過鏈路計(jì)算，占用星上轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬約1.9MHz，占36MHz的轉(zhuǎn)發(fā)器的5.3%，載波下行功率為27.7 dBW，占用星上功率為2.36%；而選用8PSK調(diào)制方式，占用星上轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬約為1.3MHz，站36MHz的轉(zhuǎn)發(fā)器的3.6%，載波下行功率為30.1 dBW，占用星上功率為4.1%，占用星上功率和帶寬的比率相對(duì)平衡。由于衛(wèi)星公司通常取載波占用轉(zhuǎn)發(fā)器的帶寬的百分比和占用轉(zhuǎn)發(fā)器功率的百分比二者中比較大的那個(gè)數(shù)為依據(jù)來計(jì)算租金，因此合理選用調(diào)制和編碼的方式可以有效減少租用轉(zhuǎn)發(fā)器資源的費(fèi)用。

3.4 帶寬動(dòng)態(tài)分配技術(shù)

另外一種最大限度的減少衛(wèi)星資源的方法是通過網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分配帶寬技術(shù)。在固定分配帶寬的衛(wèi)星系統(tǒng)中，根據(jù)預(yù)計(jì)結(jié)果給各地球站的應(yīng)用固定分配一定的帶寬，當(dāng)業(yè)務(wù)量不飽滿時(shí)，勢(shì)必造成衛(wèi)星資源的浪費(fèi)。因此，針對(duì)應(yīng)急使用的情況下，采用有效地網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制，在一個(gè)帶寬池中動(dòng)態(tài)的為需要傳輸業(yè)務(wù)的地球站分配帶寬是十分必要的。

衛(wèi)星通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)管理解決了遠(yuǎn)端站的入退網(wǎng)申請(qǐng)、資源配置和管理、故障和統(tǒng)計(jì)管理等方面的內(nèi)容。遠(yuǎn)端站與中心站之間的網(wǎng)管信道可分為帶內(nèi)和帶外2種。帶外信道是獨(dú)立于業(yè)務(wù)傳輸?shù)膶ｉT的網(wǎng)管信息傳輸信道，帶內(nèi)信道是指使用業(yè)務(wù)信道傳輸網(wǎng)管信息。網(wǎng)管信道主要采取以下幾種方式建立。

獨(dú)立的網(wǎng)管信道由2種形式，即TDM/ALOHA和TDMA[5]，前者采用的是頻分多址的技術(shù)體制，網(wǎng)管中心根據(jù)各個(gè)地球站提出的申請(qǐng)以廣播的方式向網(wǎng)內(nèi)所有站分配信道頻率，各個(gè)地球站以競(jìng)爭(zhēng)的方式向中心站發(fā)出信道資源的申請(qǐng)，一旦申請(qǐng)發(fā)生碰撞，就根據(jù)不同的機(jī)制重發(fā)，直到申請(qǐng)被確認(rèn)為止。通信結(jié)束后，網(wǎng)管中心將收回頻率資源，分配給其他需要的地球站。后者采用的時(shí)分多址的技術(shù)體制，在業(yè)務(wù)信道之外建立一個(gè)獨(dú)立的TDMA星狀網(wǎng)管網(wǎng)，傳輸遠(yuǎn)端站與中心站之間的網(wǎng)管信息，遠(yuǎn)端站從由中心站的TDMA主參考終端實(shí)時(shí)下發(fā)的幀計(jì)劃中得到傳輸時(shí)隙的位置，在給定的時(shí)隙上發(fā)送網(wǎng)管信息，因此與前者相比不存在碰撞和競(jìng)爭(zhēng)的矛盾。在頻分多址系統(tǒng)中常常采用建立獨(dú)立網(wǎng)管信道的方式。

在時(shí)分多址應(yīng)用系統(tǒng)中，將網(wǎng)管信息作為一項(xiàng)業(yè)務(wù)在固定的或幀計(jì)劃分配的時(shí)隙內(nèi)傳輸，即帶內(nèi)傳輸。網(wǎng)管信息通信網(wǎng)與業(yè)務(wù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)具有同樣的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以確保遠(yuǎn)端站與中心站之間的網(wǎng)管信息都可以衛(wèi)星一跳可達(dá)。采用帶內(nèi)傳輸?shù)姆绞?，要求通信網(wǎng)要有很高的可靠性

假設(shè)某應(yīng)急衛(wèi)通網(wǎng)絡(luò)，共有20個(gè)遠(yuǎn)端站，中心站廣播信息4M bps，每個(gè)遠(yuǎn)端站都可能有1M bps的傳輸需求，若采取傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，使用靜態(tài)分配帶寬，如圖2所示，在QPSK調(diào)制、信道編碼為Turbo3/4的情況下，共需要占用21.3MHz的帶寬。而在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，尤其是應(yīng)急條件下，不是所有的遠(yuǎn)端站同時(shí)需要傳輸1Mbps的信息，假設(shè)只有1/4的遠(yuǎn)端站有大容量傳輸?shù)囊髸r(shí)，采用動(dòng)態(tài)帶寬分配，將僅僅需要8.458MHz,節(jié)省帶寬60%左右。

圖2 固定帶寬分配和動(dòng)態(tài)帶寬分配方式下的占用帶寬比較

4 應(yīng)急衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

⑴應(yīng)急衛(wèi)星通信平臺(tái)的多樣化

現(xiàn)代的應(yīng)急衛(wèi)星通信地球站，以背負(fù)、車載、船載和機(jī)載為主要應(yīng)急平臺(tái)[6]，適應(yīng)于任何時(shí)間和地點(diǎn)發(fā)生的形形色色的自然災(zāi)害和突發(fā)事件。車載站以到達(dá)應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行通信的靜中通和運(yùn)動(dòng)中不間斷通信的動(dòng)中通為主，關(guān)鍵技術(shù)在于天線自動(dòng)跟蹤和設(shè)備小型化設(shè)計(jì)。

⑵多手段綜合運(yùn)用

應(yīng)急衛(wèi)星通信系統(tǒng)是一種以衛(wèi)星通信為主，集成了電臺(tái)、數(shù)字集群、移動(dòng)通信、無線接入和有線等多種通信手段綜合通信系統(tǒng)。各種手段接入的數(shù)據(jù)和話音可以在一定程度上交互，各自發(fā)揮不同頻段、適應(yīng)應(yīng)用場(chǎng)合的特點(diǎn)，不僅提高了應(yīng)急作戰(zhàn)的效能，也大大增加了通信系統(tǒng)的可用度。

⑶與地面網(wǎng)絡(luò)的融合

應(yīng)急衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建立為用戶提供了一個(gè)遠(yuǎn)程接入Internet的能力，由遠(yuǎn)端站和通過衛(wèi)星接入與應(yīng)急指揮中心相連的地面網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)資料查詢、下載等功能。由于衛(wèi)星通信與地面光纖網(wǎng)絡(luò)相比所固有的誤碼率高、傳輸時(shí)延長(zhǎng)和傳輸帶寬受限等缺點(diǎn)，目前已有在TCP/IP協(xié)議的基礎(chǔ)上開發(fā)出適合衛(wèi)星信道的TCP/IP壓縮和增強(qiáng)技術(shù)[7]。

⑷多媒體信息的傳輸

衛(wèi)星通信所能承載的業(yè)務(wù)已經(jīng)從單純的話音，發(fā)展到具有圖像、話音、數(shù)據(jù)與會(huì)議電視等多媒體業(yè)務(wù)。尤其是視頻壓縮技術(shù)的發(fā)展，將應(yīng)急通信業(yè)務(wù)提升了一個(gè)臺(tái)階。國際標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)（ISO/IEC）公布了MPEG系列視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)[8]，如MPEG-2、MPEG-4等；國際電聯(lián)（ITU-T）公布了H系列的視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，如H 261、H 263、H 264等。與MPEG-4相比，H.264視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)具有壓縮率高、抗誤碼性能強(qiáng)以及適于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)刃阅埽舆m合于衛(wèi)星應(yīng)急通信的應(yīng)用。

5 結(jié)束語

隨著近年來通信衛(wèi)星的發(fā)射日益活躍，以及對(duì)災(zāi)前預(yù)警監(jiān)測(cè)、災(zāi)后救援通信保障意識(shí)的不斷增強(qiáng)，衛(wèi)星通信成為國內(nèi)外軍、民各級(jí)應(yīng)急通信平臺(tái)體系優(yōu)選的通信手段，開展適合于應(yīng)急通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究，有利于高效的利用衛(wèi)星資源、減低對(duì)衛(wèi)星功率的要求、提高設(shè)備的集成度和增強(qiáng)通信平臺(tái)的機(jī)動(dòng)性能，對(duì)普及衛(wèi)星通信技術(shù)的應(yīng)用，提高應(yīng)對(duì)突發(fā)事件、增強(qiáng)快速反應(yīng)能力具有重要的意義。

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