一種基于平流層平臺(tái)的通信中繼系統(tǒng)

鄭磊

【摘要】 本文基于平流層通信的特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合通信中繼在應(yīng)急通信等領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，提出了一種適應(yīng)平流層平臺(tái)的通信中繼系統(tǒng)架構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)、工作原理進(jìn)行了描述，并對(duì)同構(gòu)/異構(gòu)體制間的中繼技術(shù)、語(yǔ)音編碼及靜音檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析與論述。

【關(guān)鍵詞】 平流層通信 應(yīng)急通信 同構(gòu)/異構(gòu)體制中繼

一、概述

平流層通信是當(dāng)今無(wú)線通信領(lǐng)域的一種新的應(yīng)用形式，主要是利用平流層穩(wěn)定的氣象條件，使浮空平臺(tái)在平流層高度下以準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)長(zhǎng)時(shí)間留空，并在浮空平臺(tái)上搭載有效的通信載荷，實(shí)現(xiàn)視距范圍內(nèi)的通信覆蓋，并通過(guò)通信中繼擴(kuò)展了視距通信可達(dá)范圍。它具有費(fèi)用低、部署快速、使用靈活、通信質(zhì)量好等特點(diǎn)，相對(duì)于陸基移動(dòng)通信系統(tǒng)的脆弱性，以及衛(wèi)星通信系統(tǒng)的高昂價(jià)格及通信容量限制，平流層通信在應(yīng)對(duì)突發(fā)自然災(zāi)害時(shí)的應(yīng)急通信能力優(yōu)勢(shì)明顯，是一種很好的應(yīng)急通信策略。[1，2]平流層通信應(yīng)用于應(yīng)急通信場(chǎng)景如圖 1所示。

二、方案設(shè)計(jì)

平流層通信中繼系統(tǒng)由兩大部分構(gòu)成：一部分為通信中繼載荷，由浮空通信載荷和地面控制系統(tǒng)組成；另一部分為載體即能承載一定負(fù)荷的航空器，能提供通信必要的條件，同時(shí)能保證所需的升空高度。

2.1平臺(tái)選型

目前，有多種浮空平臺(tái)可供選擇，其中以動(dòng)力飛艇和無(wú)人機(jī)的技術(shù)較為成熟。

與無(wú)人機(jī)不同的是，動(dòng)力飛艇不需要建機(jī)場(chǎng)，修跑道，且飛艇起飛或空中駐留時(shí)不需要任何燃料，能夠長(zhǎng)期停在高空。

由于飛艇既有浮升氣體升空，又有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，因而能源消耗少，載重能力強(qiáng)，安全性、經(jīng)濟(jì)性比直升機(jī)好，是一種較好的空中平臺(tái)通信載體。[3]

2.2通信中繼載荷設(shè)計(jì)

2.2.1系統(tǒng)架構(gòu)

傳統(tǒng)的中繼系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用基于獨(dú)立設(shè)備單元背靠背的中繼方式，通過(guò)獨(dú)立設(shè)備間的物理連接電纜進(jìn)行收發(fā)音頻信息的傳輸，中繼鏈路的構(gòu)建局限于單一的物理連接，無(wú)法做到靈活重構(gòu)。

為滿足跨頻段、多體制中繼靈活配置和性能最佳的需求，考慮采用軟件無(wú)線電思想，構(gòu)建一套綜合化的模塊化的中繼系統(tǒng)。傳統(tǒng)中繼方式與綜合化中繼方式的差異見(jiàn)圖 2所示。

2.2.2硬件設(shè)計(jì)

通信中繼載荷的硬件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)、軟件無(wú)線電思想以及綜合化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化思路來(lái)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

系統(tǒng)天線部分，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各路無(wú)線電信號(hào)的發(fā)射和接收。若考慮為每路中繼通道都配備天線的方式，無(wú)疑天線數(shù)量及種類繁多，且增加了天線布局及共址兼容工作的難度。為避免上述問(wèn)題，可根據(jù)系統(tǒng)所需的中繼通信體制對(duì)天線頻段、極化形式、共址兼容、使用階段等要求，進(jìn)行天線共用、共孔徑、共形等設(shè)計(jì)，同時(shí)利用仿真手段，對(duì)各種通信天線布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到天線的最優(yōu)化配置。

射頻前端部分負(fù)責(zé)完成多頻段的射頻綜合處理，為天線孔徑與后端數(shù)字處理之間提供射頻收發(fā)通路。通過(guò)射頻交換網(wǎng)絡(luò)和后端的中頻交換網(wǎng)絡(luò)的相互配合，可以進(jìn)行天線選擇、中頻選擇以及多路并行工作能力。發(fā)射通道和接收通道寬開(kāi)通用設(shè)計(jì)，支持不同頻段、不同通信功能發(fā)射和接收，有利于射頻處理資源的共用。

數(shù)字處理后端部分主要完成中繼功能的中頻信號(hào)處理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)字音頻處理，并負(fù)責(zé)中繼系統(tǒng)的集中控制管理。系統(tǒng)內(nèi)部通過(guò)中頻交換網(wǎng)絡(luò)及數(shù)字及數(shù)字交換網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)中繼功能信號(hào)處理的搭建，靈活路由以及故障重構(gòu)。依托上述能力，可支持中頻、基帶、信息層的不同層信號(hào)中繼。

2.2.3軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)將軟件可靠性和安全性放在首位，采取分層次、模塊化設(shè)計(jì)，能夠方便進(jìn)行裁減和升級(jí)。通信中繼載荷軟件設(shè)計(jì)自頂向下分為綜合控制管理層、數(shù)據(jù)處理層、信號(hào)處理層三層次。各層通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行分隔，以實(shí)現(xiàn)層之間的獨(dú)立性。其中，綜合控制管理層軟件和數(shù)據(jù)處理層采用組件化設(shè)計(jì)，信號(hào)處理層即通信功能層采用SCA軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)。各部分主要功能如下：

（1）綜合控制管理層

集成管理層是系統(tǒng)軟件的核心，主要實(shí)現(xiàn)中繼系統(tǒng)的綜合集成管理功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各類軟件組件的集成協(xié)調(diào)工作，主要包括：外部信息交互、系統(tǒng)工作參數(shù)控制管理、狀態(tài)監(jiān)視等。

（2）數(shù)據(jù)處理層

數(shù)據(jù)處理層根據(jù)當(dāng)前中繼鏈路體制要求，完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的分幀/組幀、糾錯(cuò)編譯碼、打包/解包和數(shù)據(jù)完整性檢查等處理，同時(shí)負(fù)責(zé)對(duì)各功能模塊的收發(fā)時(shí)序、信道和功放的參數(shù)控制和管理。

（3）信號(hào)處理層

信號(hào)處理層完成不同中繼鏈路的信號(hào)處理功能，包括上/下變頻、濾波、調(diào)制/解調(diào)、編/譯碼等，并產(chǎn)生發(fā)射數(shù)字中頻信號(hào)等。

三、關(guān)鍵技術(shù)

3.1同構(gòu)/異構(gòu)體制間的中繼技術(shù)

本文設(shè)計(jì)的中繼系統(tǒng)除能夠在同構(gòu)體制鏈路間實(shí)現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)外，重點(diǎn)要解決異構(gòu)鏈路之間中繼轉(zhuǎn)發(fā)，包括話音、數(shù)據(jù)中繼，不同體制鏈路之間的轉(zhuǎn)發(fā)等，這意味著要在不同頻段、不同體制等各型通信鏈路之間，自由進(jìn)行話音及數(shù)據(jù)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)處理。

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，從邏輯層次上劃分中繼類型，分別在鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層等不同層次分別完成數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)處理技術(shù)，可完成數(shù)據(jù)包在同構(gòu)/異構(gòu)鏈路之間的傳輸。

3.2語(yǔ)音編碼及靜音檢測(cè)技術(shù)

本系統(tǒng)中繼方式所具備的靈活多樣的優(yōu)點(diǎn)，在于采用了基于VoIP的話音編解碼技術(shù)和活動(dòng)話音檢測(cè)技術(shù)。

VoIP 是 Voice over IP 的縮寫。這種技術(shù)使得模擬話音信號(hào)能夠進(jìn)行數(shù)字化、IP化，從而達(dá)到在以太網(wǎng)上傳輸話音的目的。目前，ITU-T 定義的主要編碼標(biāo)準(zhǔn)有 G.711、G.729、G.723.1 等[4]。由于語(yǔ)音的IP化，系統(tǒng)可以采用基于IP的高速以太網(wǎng)交換網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)控制、話音及數(shù)據(jù)的總線統(tǒng)一傳輸。如此可滿足G.711編碼方式的傳輸帶寬，故系統(tǒng)采用話音質(zhì)量更高的 G.711 編碼方式。

此外，系統(tǒng)綜合控制管理實(shí)時(shí)檢測(cè)通話過(guò)程中的話音激活情況，以識(shí)別靜音片段不轉(zhuǎn)發(fā)。采用靜音檢測(cè)技術(shù)后，當(dāng)中繼鏈路沒(méi)有收到話音時(shí)，通信信息處理器將不會(huì)發(fā)出轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)射控制信號(hào)PTT，從而不會(huì)引起長(zhǎng)時(shí)間單向占用信道的現(xiàn)象，有效的提高中繼轉(zhuǎn)發(fā)信道的利用率。

四、結(jié)束語(yǔ)

隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，現(xiàn)代通信在社會(huì)生活各方面和國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越突出的作用。遇到大的自然災(zāi)害如地震、海嘯，以及在反恐等場(chǎng)合，原有的基礎(chǔ)設(shè)施很可能同時(shí)遭受破壞，通信系統(tǒng)的喪失會(huì)直接影響領(lǐng)導(dǎo)機(jī)關(guān)或決策機(jī)關(guān)部門的指揮；另外對(duì)于實(shí)施應(yīng)急具體事件處理的公安、消防、搶險(xiǎn)、醫(yī)療救急等部門的工作也可能會(huì)帶來(lái)極大的障礙，嚴(yán)重時(shí)會(huì)喪失事情處理或救助最好時(shí)機(jī)。本文提出的基于平流層平臺(tái)的通信中繼系統(tǒng)，可提供全天候、全方位的通信覆蓋，具有費(fèi)用低、部署迅速等特點(diǎn)，是山區(qū)應(yīng)急通信指揮系統(tǒng)較為理想通信技術(shù)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 樊昌信.一種發(fā)展中的新移動(dòng)通信方式平流層通信研發(fā)概況[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2005，28（19）：1-3.

[2] 羅衛(wèi)兵，王永生.無(wú)人機(jī)平臺(tái)的超視距多鏈路中繼[J].遙測(cè)遙控，2003，24（2）：32- 33.

[3] 姚偉，李勇，王文雋，等.美國(guó)平流層飛艇發(fā)展計(jì)劃和研制進(jìn)展[J].航天器工程，2008，17（2）： 69- 75.

[4] 張登銀，孫精科.VOIP技術(shù)分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2003.