Ku衛(wèi)星傳輸及視頻監(jiān)測系統(tǒng)設計

摘要：通過VSAT衛(wèi)星網絡將先進管理手段延伸到作業(yè)現場，為油田管理ERP系統(tǒng)提供傳輸平臺，為生產遠程監(jiān)控和指揮調度提供信息通信保障?？紤]到衛(wèi)星網絡所特有的覆蓋范圍廣、不受地理條件限制、建設周期短、且具有可搬移性，可重復利用、以及能夠迅速開通提供服務等優(yōu)勢，網絡中還可加入車載站，以滿足緊急情況下應急通信的需要。

關鍵詞：Ku波段；衛(wèi)星傳輸；視頻監(jiān)控

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A文章編號：1009-3044（2012）30-7358-04

衛(wèi)星通信和現有的其它通信方式（如光纖通信和移動通信等）相比，具有通信容量大、覆蓋地域廣、不受地理條件限制和通信方式機動靈活等顯著優(yōu)點。考慮到衛(wèi)星網絡所特有的覆蓋范圍廣、不受地理條件限制、建設周期短、且具有可搬移性，可重復利用、以及能夠迅速開通提供服務等優(yōu)勢，網絡中還可加入車載站，以滿足緊急情況下應急通信的需要。從海上油田發(fā)展的角度來看，將衛(wèi)星網絡的通信業(yè)務擴展到海上平臺、船只或可搬移站，從而打造一個覆蓋全面、業(yè)務立體、資源利用高效的一體化通信平臺是十分有必要的。

1 系統(tǒng)設計要求

擬將位于油田總部的地面網絡延伸到邊遠油田和海上鉆井平臺。通過衛(wèi)星延伸，提供為測井生產監(jiān)控、指揮調度日常通信和自然災害情況下的生產支持系統(tǒng)。此測井作業(yè)信息監(jiān)控管理系統(tǒng)的主要功能為：

a、通過監(jiān)控視頻回傳和控制，提供為測井生產監(jiān)控、指揮調度日常通信和自然災害情況下的生產支持系統(tǒng)。

b、為偏遠地區(qū)及海上平臺測井作業(yè)現場提供與油田總部之間的話音通信、油田ERP系統(tǒng)的互聯(lián)互通、因特網訪問以及作業(yè)現場情況回傳等任務。

c、向邊遠油田和海上鉆井平臺提供到油田總部的通信服務，并在需要時向作業(yè)船只提供船載通信服務。接入測井專用營房式方艙，支持現場應急指揮通信，按需傳輸視頻監(jiān)控、數據、話音業(yè)務。

d、向其他公司提供業(yè)務支持便利，從而綜合利用衛(wèi)星通信資源。

e、遠端站之間實現話音和數據通信，比如任何兩個海上平臺測井作業(yè)現場或兩個車載遠端站之間。

f、在建設初期，衛(wèi)星網絡由中心站和遠端站組成，中心站設在油田總部，遠端站都分布在作業(yè)現場，遠端站采用可搬移方艙式。

g、遠端站與中心站設計有傳輸兩路雙向話音，一路視頻和一路數據的能力。各遠端站之間設計為有傳輸話音和數據的能力。

2 系統(tǒng)分析

2.1 衛(wèi)星通信體制分析

2.1.1工作波段的選擇

本系統(tǒng)首選使用Ku波段，其優(yōu)點是：首先，工作頻率高，在同樣天線增益條件下，地球站天線口徑小，在同樣口徑下，地球站天線波束窄，降低了接收系統(tǒng)的成本；同時，目前Ku波段衛(wèi)星轉發(fā)器的EIRP和G/T值都比C波段高，降低了發(fā)射系統(tǒng)的成本；其次，緩解C波段頻段擁擠的情況，由于這個頻段遠離于地面無線電中繼通信頻段，不存在地面中繼與衛(wèi)星通信之間的相互干擾問題，因此，接收設備不必避開中繼站，允許設在城市區(qū)，節(jié)約了投入費用；再次，其租用的衛(wèi)星帶寬的費用要比C波段的低很多。

2.1.2中繼衛(wèi)星的選擇

中繼衛(wèi)星的選擇原則是：一、衛(wèi)星的覆蓋范圍；二、衛(wèi)星轉發(fā)器在業(yè)務需求范圍的EIRP、 G/T和 SFD等與鏈路計算相關的參數；三、中心站和遠端站的天線仰角，天線仰角設計為不低于10度。根據這些原則我們選擇了AsiaSat-4號衛(wèi)星。

2.1.3衛(wèi)星通信網絡拓撲結構

系統(tǒng)采用星狀+網狀的混合網絡拓撲，其中以星狀網為主，遠端站和中心站可進行話音、數據、視頻通信；以網狀網為輔，遠端站之間可進行話音、數據通信。

2.1.4 iDirect網絡結構功能的實現

1）iDirect 星形/網狀體系結構

iDirect星形/網狀解決方案將星形網絡拓撲結構的優(yōu)勢與網狀網絡的直接單跳遠端站之間連接結合起來。在星形網絡中，所有遠程終端與中心站直接連接。這是應用程序（終結為互聯(lián)網、公共電話網絡或企業(yè)數據中心等公共點）的理想選擇。在網狀網絡中，基于目的地IP地址，遠程終端可以將IP數據包直接發(fā)送至其它遠程終端。星形/網狀遠程衛(wèi)星路由器可以將標準入向信道和和中心站出向信道用于網狀控制信息。iDirect網狀網解決方案是使用與星狀網完全相同的入向MF-TDMA，來實現網狀通信。圖1為網絡體系結構。

2）下行信道

iDirect中心站是在下行信道傳輸的星形/網狀網絡中的唯一節(jié)點。需要從中心站發(fā)送到遠端站的IP數據包在所有遠端站均可接收的共享廣播信道上發(fā)送。每個遠程終端為運用獨特媒體存取控制（MAC）地址識別的數據包篩選輸入數據流，并將其發(fā)送至LAN端口。下行信道也可用于發(fā)送來自中心站網絡管理系統(tǒng)（NMS）和動態(tài)帶寬分配變化的網絡控制信息。

3）網狀MF-TDMA上行信道

星形/網狀網絡的上行鏈路包括一個或多個共享D-TDMA信道，該信道提供了遠程終端之間和由遠端站返回到中心站的IP連接。在協(xié)議處理器中，基于動態(tài)帶寬分配算法，信道上的中心站為遠程終端分配了傳輸時隙。

因此，iDirect系統(tǒng)不僅具有功能強大的星狀網絡通信能力，還可實現遠端站之間的衛(wèi)星一跳通信連接，帶寬動態(tài)共享，工作在一個網絡內的全部遠端站都可以實現互通，不需要人工干預。

2.1.5衛(wèi)星通信體制

該項目的網絡設計為一個中心站出向TDM載波，一個網狀入向TDMA載波和一個星狀入向TDMA載波組成。則通信體制即采用的是TDM/TDMA體制。

2.2業(yè)務功能設計

本系統(tǒng)的主要業(yè)務功能設計為：1）網絡連接；2）話音和傳真；3）視頻監(jiān)控和視頻會議；4）遠端站的“靜中通”的工作方式；5）網絡中的帶寬能實現自動的帶寬按需分配；6）完善的網管功能，具有完善的帶寬按需分配（BOD）功能和優(yōu)先等級（QoS）保證機制。提供TCP加速功能；7）具有高度可擴展性；8）系統(tǒng)工作在Ku頻段；9）遠端站選用具備“一鍵式”自動對星功能的天線；

2.3業(yè)務容量和載波設計

在該衛(wèi)星視頻傳輸及監(jiān)測系統(tǒng)中，用戶的業(yè)務分為VoIP話音、IP數據、視頻監(jiān)控以及視頻會議幾類，這幾種業(yè)務具有不同的特點。通常，話音和視頻業(yè)務屬于實時業(yè)務，享有較高優(yōu)先級，以保證其傳輸質量。但除了固定的視頻監(jiān)控外，其它視頻業(yè)務，如應急現場的視頻回傳、視頻會議多屬于偶發(fā)或少發(fā)業(yè)務，故在載波設計時可考慮與優(yōu)先級較低的數據業(yè)務共用帶寬。當有視頻業(yè)務時，優(yōu)先傳輸視頻業(yè)務。一旦傳輸完成，帶寬即可釋放給其他業(yè)務使用，從而使帶寬得到充分利用。

該項目的網絡設計為一個中心站出向TDM載波，一個星狀入向TDMA載波和一個網狀入向TDMA載波組成。根據載波分析，可以算出全系統(tǒng)總占用帶寬，由此可與衛(wèi)星公司聯(lián)系衛(wèi)星轉發(fā)器租用事宜。

2.4系統(tǒng)功率配置

系統(tǒng)功率配置按照有200個遠端站進行功率配置，這樣在后期系統(tǒng)擴容則功率配置無需改變，系統(tǒng)設計數據速率為2.256Mbps，同時支持中心站與遠端站之間的話音、數據及視頻通信和遠端站之間的話音和數據通信。

用戶中心站原有6.2米天線，遠端站采用1.2米Ku波段天線。

由于本網絡要求支持遠端站與遠端站之間的單跳通信，所以設計時首先考慮遠端站與遠端站之間采用256Kbps TDMA載波時的天線和功放配置情況。

則各站功率配置如下：中心站：40W，遠端站：10W。

3 系統(tǒng)設備

3.1 系統(tǒng)配置

系統(tǒng)將采用星狀+網狀的通信拓撲方式，中心站采用6.2米口徑天線，遠端站采用1.2米可搬移方艙式遠端站，并需要考慮網狀業(yè)務傳輸要求。iDirect網絡拓撲結構和系統(tǒng)體制示意圖如圖2所示。

圖2 網絡拓撲結構和系統(tǒng)體制示意圖

3.2 中心站設計

中心站向遠端站廣播TDM載波，接收遠端站的TDMA回傳。

中心站由天線及自動跟蹤系統(tǒng)、射頻設備、衛(wèi)星通信信道設備和網管系統(tǒng)組成。天線口徑為6.2米。中心站天線圖3如下：

中心站的功能設計：1）網絡管理；2）實現與遠端站的數據通信；3）實現與遠端站的視頻傳輸；4）實現接入Internet；5）保證與遠端站的電話通信及接入市話網功能；6）保證遠端站與使用廠家局域網聯(lián)網；7）中心站下行信道提供網狀拓撲結構控制（包括遠端站之間通信量的載波和時隙分配）信息的傳送通道。

3.3 遠端站設計

遠端站采用可搬移方艙式，方艙式移動站我們是將通信終端設備放置在一個集裝箱中，將衛(wèi)星天線安裝在集裝箱頂部，將通信終端設備、衛(wèi)星通信天線和集裝箱組合成一體，把集裝箱改裝成操作方艙，這樣整個衛(wèi)星通信終端有利于運輸和搬運，具備了VSAT衛(wèi)星通信的所有優(yōu)點：（圖4為遠端站設備連接示意圖。）

1）通信距離不受地理環(huán)境限制；2）組網靈活，建設周期短，擴展能力強；3）通信容量大、質量高，支持寬帶多媒體業(yè)務；4）成本與距離無關，設備維護方便；5）安全、可靠的系統(tǒng)運行，保密性強；6）廣播和組播特性。

還具備了一些新的優(yōu)點：1）天線折疊收于集裝箱內，便于運輸以及防止海上鹽霧腐蝕等；2）天線電動展開，自動尋星，組網方便；3）天線和操作方艙一體，不需要安裝，隨時可用。

4 系統(tǒng)擴展性分析

系統(tǒng)可擴展性主要按以下幾個部分分析：1） 覆蓋地區(qū)擴展；2） 頻段擴展；3） 設備的可擴展和兼容性；4） 網絡拓撲結構的擴展。

5 結論

通過VSAT衛(wèi)星網絡將先進管理手段延伸到作業(yè)現場，為油田管理ERP系統(tǒng)提供傳輸平臺，為生產遠程監(jiān)控和指揮調度提供信息通信保障。

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