基于高通量衛(wèi)星的鐵路應急指揮通信系統(tǒng)研究

張鵬

【摘要】? ? 朔黃鐵路是我國西煤東運的第二大通道，雙線電氣化鐵路，線路高挖深填、橋隧相連，屬典型的山區(qū)鐵路。鐵路應急事件具有隨機、突發(fā)等多種不確定性特點，應急指揮面臨 “無網(wǎng)、無路、無電”的三大痛點。本文重點研究了基于高通量衛(wèi)星如何構建公專融合的應急指揮網(wǎng)絡，提供更加安全可靠的通信機制的同時，便于故障智慧研判分析和輔助決策。

【關鍵詞】? ? 朔黃鐵路? ? 高通量衛(wèi)星? ? 應急指揮

引言：

在鐵路運營和建設過程中，突發(fā)事件或事故應急救援時，通信保障是應急指揮的關鍵。隨著朔黃鐵路運量逐漸加大， 對鐵路應急通信也提出了更高的要求[2]。由于事故具有隨機性、突發(fā)性特點，救援現(xiàn)場的時間、地點、通信條件通常具有不確定性， “無網(wǎng)、無路、無電”通常是阻礙應急救援以及多方高效協(xié)同的三大痛點。構建便攜、易部署、可靠的無線通信系統(tǒng)能幫助一線作戰(zhàn)人員實現(xiàn) “最后一公里”通信。

目前，國內(nèi)傳統(tǒng)的鐵路應急通信手段主要依靠117事故救援電話和無線電臺等有線網(wǎng)絡，通過鐵路區(qū)間通話柱，通信區(qū)域有限，且在電氣化區(qū)段干擾嚴重。此外，從鐵路應急通信網(wǎng)絡來看，基本處于分散保障、各自保障狀態(tài)，無法形成全網(wǎng)全系統(tǒng)的通信保障，各機動用戶網(wǎng)和核心網(wǎng)結合起來使用時僅完成了基本的互連功能，未能實現(xiàn)各網(wǎng)系的有機融合，且在使用上距離隨遇接入、廣域的信息共享、信息互操作仍有很大差距，造成各機動用戶網(wǎng)廣域覆蓋與互連能力仍然有限。

當前，全球已有數(shù)十顆高通量衛(wèi)星 （High throughput satellite，HTS）在軌運行提供運營服務。我國首顆高通量通信衛(wèi)星 “中星16號”在軌交付使用。標志著我國衛(wèi)星通信技術正式進入了“高通量”時代，以自主可控的高通量衛(wèi)星，空間衛(wèi)星段資源和地面段網(wǎng)絡系統(tǒng)及業(yè)務支撐系統(tǒng)有機融合，將有利于構鑄“空地一體化”的鐵路應急通信網(wǎng)。

針對“三無”場景無線通信挑戰(zhàn)，采用集成核心網(wǎng)、基站以及調(diào)度系統(tǒng)于一體化融合通信指揮系統(tǒng)，系統(tǒng)設備可通過背負、車載、無人機等方式實現(xiàn)救援現(xiàn)場快速可達，基于完全自主可控技術的解決方案，為現(xiàn)場提供安全、可靠、可控的廣域的無線通信。同時，得益于LTE技術的高帶寬，可實現(xiàn)救援現(xiàn)場與指揮中心全場景、全程可視指揮調(diào)度及視頻、圖片、數(shù)據(jù)、地理信息系統(tǒng)彩/ 短信等多媒體信息實時共享。

一、鐵路應急通信需求及目標

鐵路應急通信系統(tǒng)是當發(fā)生自然災害或突發(fā)事件等緊急情況時，為確保鐵路運輸實時救援指揮的需要，在突發(fā)事件救援現(xiàn)場內(nèi)部、現(xiàn)場與救援指揮中心之間以及各相關救援指揮中心之間建立的語音、圖像等通信系統(tǒng)。應急通信系統(tǒng)通常由應急救援中心、傳輸網(wǎng)絡、應急通信接入設備等構成。應急通信接入設備包括現(xiàn)場應急設備、應急搶險終端、圖像采集發(fā)送設備。鐵路應急通信主要包括四方面的需求：

1.自成體系，公專融合。鐵路應急現(xiàn)場發(fā)生地點通常比較偏遠或公網(wǎng)覆蓋不足導致網(wǎng)絡覆蓋盲區(qū)。鐵路應急通信系統(tǒng)應當既能自成體系、獨立組網(wǎng)應對極端條件，又能充分利用公網(wǎng)資源，實現(xiàn)公專融合，協(xié)調(diào)指揮，平戰(zhàn)結合，降低成本。

2.無線帶寬，高清可視。需要較大的區(qū)域無線覆蓋能力，以及延鐵路線的縱深延展能力。遠程指揮中心需要實時查看應急現(xiàn)場的高清視頻，從而有效地提升遠程指揮中心指揮決策的效率。

3.輕便易攜，展開迅速。在極端情況下，車輛無法到達，需要單兵背負（通常重量≤25kg）徒步到達現(xiàn)場，無需專業(yè)技術，支持一鍵開機。

4.保密通信，安全可靠。在許多特殊場景下，鐵路應急指揮具有保密性，需要對通信信道或信源進行加密，以保障通信安全。

以鐵路應急救援指揮問題為導向，以“看得清、聽得到、能指揮、可協(xié)作”為目標，構建“自成體系、高清可視、便攜易用”的多媒體可視化應急指揮平臺，為各級指揮人員提供準確、實時、全面、安全的通信信息支撐。

二、系統(tǒng)總體架構

系統(tǒng)綜合運用高通量衛(wèi)星、LTE無線寬帶，關鍵任務（Mission critical，MC）融合通信等技術，構建獨立性強、帶寬高、易使用的指揮網(wǎng)絡。系統(tǒng)以多媒體調(diào)度指揮系統(tǒng)為統(tǒng)一通信平臺，建立“遠程指揮中心”、“前方指揮所”、“應急現(xiàn)場”的三級指揮體系。

應急現(xiàn)場：現(xiàn)場人員通過手持終端、布控攝像頭、無人機等多媒體設備和傳感器，采集現(xiàn)場信息，并與指揮所、遠程中心進行實時通信。

前方指揮所：通過高通量衛(wèi)星地面設備、LTE一體化基站實現(xiàn)與衛(wèi)星、專網(wǎng)、公網(wǎng)的融合通信，構建承上啟下的指揮樞紐。

指揮中心：指揮員通過衛(wèi)星、專網(wǎng)、公網(wǎng)接入，實時掌握應急現(xiàn)場態(tài)勢，分析研判，合理指揮。

三、高通量衛(wèi)星接入實現(xiàn)

為便于在應急狀態(tài)下迅速建立穩(wěn)定可靠的高通量衛(wèi)星傳輸鏈路，衛(wèi)星接入設備應當具有輕量化、體積小、易操作特點。我國首顆高通量通信衛(wèi)星 “中星16號”已經(jīng)交付使用，系統(tǒng)選用了兩款該衛(wèi)星的便攜式小型化衛(wèi)星站，采用連續(xù)可調(diào)節(jié)符號率數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術，具有解調(diào)門限低、傳輸穩(wěn)定、同步字節(jié)小，傳輸效率高的特點。同時采用主流的LDPC和Turbo信道編碼技術，使得信道傳輸效率進一步提升。為應對天氣環(huán)境變化，采用基于自適應調(diào)制編碼技術，使得傳輸鏈路能夠結合傳輸鏈路質(zhì)量的變化，而自動動態(tài)調(diào)整衛(wèi)星傳輸帶寬。

考慮到極端條件下，需要人工徒步攜帶，所以衛(wèi)星地面收發(fā)設備重點考慮便攜性。上述兩款設備天線面采用碳纖維材質(zhì)，在支撐結構部分采用輕量化鋁質(zhì)材質(zhì)設計。在結構方面，可拼裝，各功能模塊高度集成，以滿足小型化、輕量化的要求，且操作簡單，設計全自動對星。

四、基于LTE無線寬帶的區(qū)域覆蓋

在高通量衛(wèi)星接入的基礎上，應急現(xiàn)場還需要實現(xiàn)無線寬帶區(qū)域覆蓋。運用LTE無線寬帶技術，為應急現(xiàn)場提供大范圍寬帶無線通信網(wǎng)路，快速建立現(xiàn)場應急指揮通信系統(tǒng)，解決“最后一公里”接入問題，為現(xiàn)場各類專用終端提供數(shù)據(jù)回傳通道，同時提供實時無線音視頻傳輸和調(diào)度指揮功能，并為現(xiàn)場工作人員提供寬帶無線接入等功能。

無線寬帶專網(wǎng)包括一體化無線基站和用戶終端設備。采用成熟的LTE技術體制，支持TDD/FDD-LTE等不同調(diào)制方式[9]，具有高可靠性、強抗干擾性和支持不同級別服務業(yè)務等級等特點。一體化無線基站：包括核心網(wǎng)處理單元、基帶處理單元、無線射頻單元、調(diào)度指揮單元和網(wǎng)絡管理單元;用戶終端設備：包括手持終端、無線攝像頭、無人機、各種傳感器等設備。

背負式一體化基站總體重量<10kg，支持單兵背負、車載，支持“靜中通”、“動中通”。具有靈活的組網(wǎng)方式，支持衛(wèi)星、公網(wǎng)、Mesh、專網(wǎng)多種回傳方式，可通過中繼回傳、終端拉遠等、終端“背靠背”。

五、基于MCX技術的多媒體指揮系統(tǒng)

與傳統(tǒng)通信方式不同，應急通信應當具有集群通信功能，要求具有一鍵呼、組播、通播、強插、強拆等功能，終端兼容性要求高。3GPP的MCX通信標準，先后推出R13-R15，具有MC-PTT、MC-VIDEO、MC-DATA等多項服務定義。

MC-PTT：支持語音單呼、語音組呼、話語權控制、語音廣播、動態(tài)重組、遠程監(jiān)聽等。

MC-DATA：支持數(shù)據(jù)服務、文件分發(fā)、數(shù)據(jù)流傳輸、圖片傳送、錄像傳送等。

MC-VIDEO：支持視頻單呼、視頻組呼、視頻上拉、視頻推送、視頻廣播、單播/組播資源管理、環(huán)境監(jiān)視等。

基于MCX標準的多媒體指揮系統(tǒng)是基于IP技術架構的新一代綜合指揮通信系統(tǒng)，集語音、視頻、位置信息、數(shù)據(jù)業(yè)務為一體;能夠提供包括語音指揮、視頻指揮、GIS指揮、數(shù)據(jù)上傳、文本消息等多種多媒體信息的互聯(lián)互通。系統(tǒng)是應急過程中安全可靠的通信基礎，解決應急指揮員與相關方的通信協(xié)同問題，用戶可以進行單呼、組播、會議等語音通信操作，指揮終端還可以進行強插、強拆、監(jiān)聽、禁話、轉(zhuǎn)接、橋接、代答等調(diào)度操作。并支持無人值守、振鈴組、輪巡組（優(yōu)先、平衡）等功能;集群對講，終端只需按下PTT鍵即可實現(xiàn)一鍵式對講;支持多組、多級別對講;支持動態(tài)重組和緊急呼叫;支持具有視頻屬性的指揮終端（GB/T 28181監(jiān)控終端，IP攝像頭、平板電腦、2/3/4/5G手機等），調(diào)閱現(xiàn)場視頻幫助指揮中心實時了解現(xiàn)場的各種變化，還可以把接收到的視頻轉(zhuǎn)發(fā)到其他指揮終端臺和視頻設備，便于指揮員做出快速合理的應急決策和協(xié)同處置。在應急條件下，指揮人員具有臨時性，通常無法按照組織結構進行編組。因此，基于GIS的應急指揮功能非常實用，指揮員在指揮中心，通過可視化的指揮平臺，可以清楚的掌握現(xiàn)場周圍的資源，車輛人員的到位情況，根據(jù)救援進展情況，實時調(diào)派資源。

六、安全加密機制

在許多特定條件下，鐵路應急指揮具有信息保密性，需要對通信信道或信源進行加密，以保障通信安全。在構建應急通信網(wǎng)絡時，對移動終端設備和網(wǎng)絡側(cè)進行加密，實現(xiàn)保密通信。應急指揮通信系統(tǒng)綜合運用密碼技術和安全技術，構建集終端安全、網(wǎng)絡安全、應用安全于一體的安全保密通信平臺。支持端到端、端到服務的通信加密能力，具備“廣域覆蓋、隨遇接入、安全保密”的移動通信能力，為應急指揮系統(tǒng)提供安全保障。

對于前方指揮所和指揮中心，數(shù)據(jù)在接入非可信網(wǎng)絡時，通過網(wǎng)絡保密機進行加密，保障數(shù)據(jù)傳輸安全。

對于移動通信終端（如手機、平板），由于可以直接接入公網(wǎng)和專網(wǎng)，無法在網(wǎng)絡側(cè)進行加密。因此，采用支持TF卡密碼模塊（硬件）與安全套件（軟件）加密技術。TF加密模塊為標準Micro TF形態(tài)，內(nèi)置自主可控的國產(chǎn)化芯片，可集成到帶有TF插槽的設備中，提供基礎密碼服務。卡內(nèi)集成一體化安全保密模塊與安全接入模塊（支持3G/4G/5G），對終端數(shù)據(jù)進行信源加密，實現(xiàn)終端的數(shù)據(jù)傳輸加密、身份認證、存儲加密等功能。安全接入模塊實現(xiàn)物理門衛(wèi)式加密，保障公網(wǎng)和專網(wǎng)的安全接入。

七、結束語

本系統(tǒng)以小型化便攜衛(wèi)星地面站為基礎，通過我國首顆高通量通信衛(wèi)星 “中星16號”實現(xiàn)大帶寬衛(wèi)星接入，結合LTE無線寬帶技術實現(xiàn)應急現(xiàn)場的無線寬帶覆蓋，同時基于MCX技術實現(xiàn)多媒體應急指揮系統(tǒng)，以加密技術對網(wǎng)絡側(cè)和終端側(cè)進行加密，為通信衛(wèi)星提供安全可靠的通信機制。

參? 考? 文? 獻

[1]田裳，沈堯星.鐵路應急通信[M].北京：中國鐵道出版社，2008.4

[2]王燕梅﹒鐵路應急通信的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J.鐵道通信信號，2012，48（5）.

[3]郭忠平.淺談鐵路應急通信系統(tǒng)的接人技術[J.鐵道通信信號，2007，43（4）.

[4]張炯韜.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在鐵路應急通信中的應用研究[J].鐵路通信信號工程技術，2013，10（06）：11-12+43.

[5]蹇峽.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在鐵路應急通信中的應用研究[J].中國新技術新產(chǎn)品，2013（01）：27.

[6]陳伯龍，王浩，鄧迪，陸嘉恩，林澤兵.高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)交織多址接入方法研究[J].自動化與儀器儀表，2021（01）：140-143.

[7]張志國.基于LTE-R專網(wǎng)的應急通信研討[J].中國新通信，2019，21（14）：39-42.