基于天通衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸終端設(shè)計

劉士謙，楊子涵

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣州 510663）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)與科技的不斷發(fā)展，各種無人化設(shè)備在不同的行業(yè)和領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。如何實現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控?zé)o人化設(shè)備，使其可以更為有效地進(jìn)行高精度和高強(qiáng)度作業(yè)，成為提升無人化設(shè)備價值能力的關(guān)鍵。衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)作為一種新興的通信方式，通過以衛(wèi)星作為通信中繼站，以具有大規(guī)模數(shù)據(jù)接收與處理能力的地面站作為主站，以數(shù)量眾多的遠(yuǎn)端站作為數(shù)據(jù)采集終端，輔以完善的通信協(xié)議將這些設(shè)備組網(wǎng)，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、分析、存儲和應(yīng)用。該系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣、不受地域地形條件限制的特點，其組網(wǎng)靈活、通信成本與距離無關(guān)，可以很好地解決對無人化設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控的問題。本文設(shè)計一款基于天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸終端，以滿足對各類型無人化設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控的需要。

1 應(yīng)用場景介紹

天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，是我國自主研發(fā)的首個衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶終端組成，共同構(gòu)成天地一體化移動通信系統(tǒng)，可以為我國領(lǐng)土領(lǐng)海范圍及周邊、中東、非洲相關(guān)地區(qū)，以及太平洋、印度洋大部分海域用戶提供全天候、全天時、穩(wěn)定可靠的話音、短消息和數(shù)據(jù)等移動通信服務(wù)，填補我國移動衛(wèi)星通信空白。

相對于國外移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)，天通一號系統(tǒng)具有以下特點。

（1）自主設(shè)計，安全可靠。天通一號衛(wèi)星系統(tǒng)是我國自主設(shè)計、制造，擁有完整知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)。系統(tǒng)的使用不受任何國外勢力的影響和干擾。

（2）系統(tǒng)使用費用低。目前天通一號衛(wèi)星系統(tǒng)由中國電信負(fù)責(zé)進(jìn)行運營維護(hù)，其使用費用明顯低于國外同類衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

（3）具備定位與通信雙重功能。天通衛(wèi)星終端具備衛(wèi)星移動通信和北斗定位的雙重功能，可同時為用戶提供通信和位置服務(wù)。

天通無人設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為空、地兩層?？罩惺翘焱ㄒ惶栃l(wèi)星通信系統(tǒng)，地面包括天通數(shù)據(jù)傳輸終端、天通衛(wèi)星地面站、后臺監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)施。天通數(shù)據(jù)傳輸終端的通信采用尋星、撥號、建立話音鏈路通道、通信的方式進(jìn)行監(jiān)控數(shù)據(jù)的交互，從而實現(xiàn)后臺監(jiān)控系統(tǒng)對無人設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖1 天通無人設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)據(jù)傳輸終端設(shè)計

2.1 終端硬件設(shè)計

本天通數(shù)據(jù)傳輸終端的組成原理框架如圖2所示。終端設(shè)備由天線單元和衛(wèi)星通信單元兩部分組成，在結(jié)構(gòu)上采用一體化的設(shè)計。其中天線單元位于終端的上部，終端的下部分則為衛(wèi)星通信單元。

圖2 終端組成原理框架

終端天線單元由GPS/BD天線和S移動天線組成，分別用于接收衛(wèi)星定位信號和天通衛(wèi)星信號，能適應(yīng)各類復(fù)雜的工況環(huán)境。衛(wèi)星通信單元則由CPU、天通衛(wèi)星通信模塊、GPS/BD模塊、電源模塊和存儲單元（eMMC）等部分組成。其中，CPU選用國產(chǎn)全志F1C100S作為主控，與天通衛(wèi)星通信模塊間通過多路虛擬串口進(jìn)行通信交互。在衛(wèi)星通信方面，天通衛(wèi)星通信模塊、北斗定位模塊，分別實現(xiàn)天通話音通路數(shù)據(jù)傳輸功能和北斗定位功能。

2.1.1 天通衛(wèi)星通信模塊

天通衛(wèi)星通信模塊作為天通數(shù)據(jù)傳輸終端的核心部件，承擔(dān)著數(shù)據(jù)通信的重任，即：在通過天通衛(wèi)星移動通信網(wǎng)絡(luò)接收后臺監(jiān)控系統(tǒng)所發(fā)送的指令，供終端主控CPU分析使用的同時，將無人設(shè)備反饋的信息數(shù)據(jù)通過天通衛(wèi)星移動通信網(wǎng)絡(luò)傳送給后臺監(jiān)控系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對無人設(shè)備的閉環(huán)監(jiān)控。

本天通數(shù)據(jù)傳輸終端選用HTDM2211E天通衛(wèi)星通信模塊，該模塊集成基帶芯片、射頻芯片、功放及外圍芯片等，提供語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)功能。射頻部分由射頻收發(fā)芯片、聲表面波濾波器SAW、低噪放LNA、功放PA及收發(fā)開關(guān)SWITCH等組成，用于S波段衛(wèi)通移動通信信號的收發(fā)。模塊工作電壓為3.8V，支持半雙工通信，內(nèi)置電源管理芯片，最大發(fā)射功率2W。采用MINI-PCIE接口設(shè)計，集成度高，利于終端小型化設(shè)計。

2.1.2 北斗定位模塊

本天通數(shù)據(jù)傳輸終端選用國產(chǎn)UM220-IV雙系統(tǒng)高性能GNSS模塊提供北斗定位功能。該模塊是UM220系列的第四代產(chǎn)品，外形尺寸緊湊，能夠同時支持BD2 B1、GPSL1兩個頻點或者GPSL1、GLONASSL1兩個頻點，水平定位精度2.0m（雙系統(tǒng)開闊天空環(huán)境），兼具低功耗（小于53mW）和極致小型化的特點。模塊帶有兩路UART接口且支持NMEA0183數(shù)據(jù)格式，能夠與絕大多數(shù)的MCU構(gòu)成完整的定位接收機(jī)，在各類終端、手持設(shè)備，以及監(jiān)控/導(dǎo)航領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。模塊具體電路設(shè)計如圖3所示。

圖3 北斗定位模塊電路

2.1.3 電源模塊

為應(yīng)對不同應(yīng)用場景中供電方式的差異，天通數(shù)據(jù)傳輸終端電源模塊支持以下兩種供電方式：①對于能夠采用外部POE電源進(jìn)行供電的場景，由外部POE電源經(jīng)對終端POE電源電壓轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行供電。由其轉(zhuǎn)換生成5 V電壓后，經(jīng)過三塊DC-DC電壓管理轉(zhuǎn)換芯片，生成合適的電壓向終端內(nèi)各模塊供電；②對于無法采用外部POE電源進(jìn)行供電的場景，則通過專用的電源接口直接向三塊DC-DC電壓管理轉(zhuǎn)換芯片提供5 V的輸入，以生成合適的電壓向終端內(nèi)各模塊進(jìn)行供電。

2.2 終端軟件設(shè)計

2.2.1 終端程序總體設(shè)計

天通數(shù)據(jù)傳輸終端在硬件上采用了模塊化設(shè)計，相應(yīng)地在軟件程序上也設(shè)計了對應(yīng)的軟件功能模塊。天通數(shù)據(jù)傳輸終端采用Linux操作系統(tǒng)，終端控制軟件的各個功能模塊，均以任務(wù)的形式運行于Linux操作系統(tǒng)中，由操作系統(tǒng)依次調(diào)度執(zhí)行：終端上電啟動后，首先初始化各類總線和外設(shè)端口，以及終端正常運行所需的參數(shù)信息。初始化完成后，創(chuàng)建終端運行所需的各個軟件功能模塊，并交由操作系統(tǒng)調(diào)度執(zhí)行。具體的程序模塊組成，如圖4所示。

圖4 終端程序模塊圖

2.2.2 話音通路數(shù)據(jù)傳輸功能設(shè)計

在無人設(shè)備應(yīng)用過程中，最重要的是實現(xiàn)無人設(shè)備和后臺監(jiān)控系統(tǒng)間的遠(yuǎn)程實時監(jiān)控。這就要求所有指令和數(shù)據(jù)的傳輸時延應(yīng)當(dāng)被控制在一個確定的范圍內(nèi)。任何無人設(shè)備的監(jiān)控、通信應(yīng)用，離開了實時性將會變得沒有意義。當(dāng)前天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，既可以通過分組交換接入互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，也可以通過電路交換直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其中，分組交換方式普遍存在時延較大、實時性較差、數(shù)據(jù)傳輸過程中可能會出現(xiàn)失序、丟失等問題，無法很好地滿足無人設(shè)備對實時性的要求。而電路交換的方式則在通信雙方間建立一條獨占的物理通路，數(shù)據(jù)傳輸直達(dá)、時延非常小，而且不存在失序的問題。因此，為確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，在通過天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)對無人設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控時，將采用基于電路交換的方式進(jìn)行通用數(shù)據(jù)的傳輸。

本終端所采用的HTDM2211E天通衛(wèi)星通信模塊支持采用電路交換的多語音業(yè)務(wù)。在其“語音壓縮數(shù)據(jù)通過串口傳輸（聲碼器在外部）&加解密”功能中，CP模塊從串口接收到數(shù)據(jù)后，通過衛(wèi)星話音通路實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的實時傳輸。其中，主控程序和CP模塊之間通過多路虛擬串口中的MUX9通道以115200 bps波特率進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸。主控程序每隔60 ms將數(shù)據(jù)傳送到CP模塊（1.2 K速率9 bytes/2.4 K速率18 bytes/4.0 K速率30 bytes）；CP模塊同樣以60 ms為周期把數(shù)據(jù)（1.2 K速率9+4 byte/2.4 K速率18+4 bytes/4.0 K速率30+4 bytes，4 bytes預(yù)留字節(jié)）傳送到主控程序中。在每個傳送周期中，CP模塊傳送到主控程序的有效數(shù)據(jù)，前部都帶有4個預(yù)留字節(jié)。

終端主控程序中，數(shù)據(jù)傳輸處理功能模塊由接收處理任務(wù)和發(fā)送處理任務(wù)兩部分組成。具體運行流程如圖5所示。終端設(shè)備在開機(jī)后或語音業(yè)務(wù)發(fā)起前，由主控程序下發(fā)AT^VOICEMODE=＜mode＞指令，通知CP采用“語音壓縮數(shù)據(jù)通過串口傳輸（聲碼器在外部）&加解密”業(yè)務(wù)模式，開啟話音數(shù)據(jù)傳輸通路。然后初始化創(chuàng)建話音通路數(shù)據(jù)接收處理任務(wù)和話音通路數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)，并開啟發(fā)送任務(wù)中的發(fā)送處理定時器。

圖5 話音通路數(shù)據(jù)處理模塊運行流程

當(dāng)主控程序中話音通路數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)發(fā)送處理定時器計數(shù)超時后（60 ms），檢查當(dāng)前是否有待發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。如有，則通過話音通路數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)，向CP模塊話音通路發(fā)送待傳送數(shù)據(jù)信息；如果沒有，則發(fā)送維持話音通路連接用的填充數(shù)據(jù)。發(fā)送完后重置發(fā)送處理定時器，等待新的超時到來時進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

主控程序中話音通路數(shù)據(jù)接收處理任務(wù)在開啟后，阻塞等待接收話音通路傳輸過來的數(shù)據(jù)，以執(zhí)行數(shù)據(jù)接收處理操作。當(dāng)接收到數(shù)據(jù)信息后，先檢查當(dāng)前話音通路所采用的語音速率，依照各語音速率對應(yīng)的幀長度解析所接收到的數(shù)據(jù)。如果為有效數(shù)據(jù)信息，則發(fā)送到設(shè)備操控模塊執(zhí)行相應(yīng)的操控作業(yè)后重新阻塞等待接收數(shù)據(jù)；如果為無效數(shù)據(jù)信息，則拋棄該數(shù)據(jù)，重新阻塞等待接收數(shù)據(jù)。

3 測試驗證

選取A、B兩臺天通數(shù)據(jù)傳輸終端，通過上位機(jī)軟件操控完成話音通信鏈路建立后，先由A終端向B終端發(fā)送測試數(shù)據(jù)。B終端在接收到數(shù)據(jù)后將其反向發(fā)送回A終端，并由A上報至上位機(jī)軟件。通過分析上位機(jī)軟件日志記錄中發(fā)送、接收數(shù)據(jù)的時間戳，對通過話音通路進(jìn)行通用數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延情況進(jìn)行測試和計算。具體統(tǒng)計情況如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)傳輸時延情況統(tǒng)計表

以上測試結(jié)果顯示，話音通路數(shù)據(jù)收發(fā)總時延平均值為3087 ms，折算成單向傳輸時延均值約為1543 ms。且在整個測試過程中，時延波動變化較小，能夠較好地滿足無人設(shè)備對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求。

4 結(jié)語

天通衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)終端設(shè)備普遍具有使用靈活、低功耗、保密性強(qiáng)等特點，為實現(xiàn)無人設(shè)備遠(yuǎn)距離監(jiān)控提供了一個較好的解決方案。本文結(jié)合無人設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控的需求和天通衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的特點，設(shè)計了一款天通數(shù)據(jù)傳輸終端。該終端組網(wǎng)靈活、不受地域地形條件限制、通信成本與距離無關(guān)，很好地解決對無人設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控的問題，有較高的使用價值和應(yīng)用前景。