基于衛(wèi)星的應急通信若干關(guān)鍵技術(shù)研究

尤靜 段洪德

（1 中國電子科技集團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

當前，應急通信正處在一個飛速發(fā)展的階段，相對于地面通信網(wǎng)絡、移動基站等通信方式，在遭遇洪水、地震等自然災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。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)接方式靈活和架設方便快捷等特點，能夠為職能部門處理突發(fā)事件提供了快速、機動與靈活的通信手段。

2 應急衛(wèi)星通信系統(tǒng)建設的必要性

應急通信就是為應對突發(fā)事件[1]，在特殊地理條件和氣候條件下，及時建立通信鏈路，保障通信暢通。針對以下特點，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。

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

隨著技術(shù)的發(fā)展，設備研發(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。不僅給指揮員提供一個話音通信的手段，同時還可以將現(xiàn)場的實時圖像傳輸?shù)街笓]所，為救災決策提供更直觀的支持；同時，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)場及時查詢有用數(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，降低了應用成本。

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

3 基于衛(wèi)星的應急通信系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成

應急衛(wèi)星通信系統(tǒng)是由應急指揮中心站和應急處理現(xiàn)場的移動車載、船載和箱式遠端站組成。中心站是遠端站信息的綜合接入點，能夠通過得到突發(fā)現(xiàn)場的視頻、音頻和數(shù)據(jù)及時了解現(xiàn)場情況，滿足應急指揮中心、現(xiàn)場指揮部和第三方專家所在地進行視頻會議的功能，可同時與幾路現(xiàn)場進行組網(wǎng)通信，現(xiàn)場指揮部可通過應急指揮中心與其他通信網(wǎng)絡和計算機網(wǎng)絡互聯(lián)互通。

圖1 應急衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成示意圖

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

3.2 系統(tǒng)設計中的關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)應急通信的功能需求和特點，在突發(fā)事件發(fā)生之前支持監(jiān)視和預測結(jié)果的通報，以及突發(fā)事件發(fā)生后保障救災區(qū)域現(xiàn)場指揮的通信能力。因此在進行應急衛(wèi)星通信系統(tǒng)設計時，應全面分析實際需求，有效地節(jié)省衛(wèi)星資源，提高帶寬利用率，降低功率，進而減少運營的費用。在統(tǒng)一網(wǎng)絡管理下，管理網(wǎng)絡的組網(wǎng)方式和全網(wǎng)的資源分配，管理各個用戶節(jié)點的業(yè)務申請和應答。同時所有通信設備應盡量減輕設備重量、縮小設備體積、建立友好的用戶界面，便于在機動平臺上安裝和操作。

典型的應急衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要通信設備包括天線、上下行射頻設備、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。其中對系統(tǒng)設計優(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)

在實際的空間信道環(huán)境下，先進的編碼和調(diào)制技術(shù)將會帶來可靠的、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、實時性強，實現(xiàn)簡單。級連碼編碼增益高于卷積碼，但需要分組編碼與交織，傳輸時延較高。如IESS-308的級聯(lián)碼增益比卷積碼高約2 dB[2]，處理時延約幾毫秒到幾十毫秒量級（與速率有關(guān)）。隨著現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，Turbo碼、LDPC碼等新型高效編碼方式得以實用化，使用迭代譯碼處理可以為通信系統(tǒng)提供比級連碼高2-3 dB的編碼增益和更短的處理時延。

選用先進的編碼技術(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，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，解調(diào)門限進一步降低到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，當通信的2個站均為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數(shù)為依據(jù)來計算租金，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)器資源的費用。

3.4 帶寬動態(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)絡管理系統(tǒng)動態(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)預計結(jié)果給各地球站的應用固定分配一定的帶寬，當業(yè)務量不飽滿時，勢必造成衛(wèi)星資源的浪費。因此，針對應急使用的情況下，采用有效地網(wǎng)絡管理機制，在一個帶寬池中動態(tài)的為需要傳輸業(yè)務的地球站分配帶寬是十分必要的。

衛(wèi)星通信網(wǎng)的網(wǎng)絡管理解決了遠端站的入退網(wǎng)申請、資源配置和管理、故障和統(tǒng)計管理等方面的內(nèi)容。遠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。帶外信道是獨立于業(yè)務傳輸?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)各個地球站提出的申請以廣播的方式向網(wǎng)內(nèi)所有站分配信道頻率，各個地球站以競爭的方式向中心站發(fā)出信道資源的申請，一旦申請發(fā)生碰撞，就根據(jù)不同的機制重發(fā)，直到申請被確認為止。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。后者采用的時分多址的技術(shù)體制，在業(yè)務信道之外建立一個獨立的TDMA星狀網(wǎng)管網(wǎng)，傳輸遠端站與中心站之間的網(wǎng)管信息，遠端站從由中心站的TDMA主參考終端實時下發(fā)的幀計劃中得到傳輸時隙的位置，在給定的時隙上發(fā)送網(wǎng)管信息，因此與前者相比不存在碰撞和競爭的矛盾。在頻分多址系統(tǒng)中常常采用建立獨立網(wǎng)管信道的方式。

在時分多址應用系統(tǒng)中，將網(wǎng)管信息作為一項業(yè)務在固定的或幀計劃分配的時隙內(nèi)傳輸，即帶內(nèi)傳輸。網(wǎng)管信息通信網(wǎng)與業(yè)務傳輸?shù)木W(wǎng)絡具有同樣的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，可以確保遠端站與中心站之間的網(wǎng)管信息都可以衛(wèi)星一跳可達。采用帶內(nèi)傳輸?shù)姆绞?，要求通信網(wǎng)要有很高的可靠性

假設某應急衛(wèi)通網(wǎng)絡，共有20個遠端站，中心站廣播信息4M bps，每個遠端站都可能有1M bps的傳輸需求，若采取傳統(tǒng)的設計方法，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。而在實際應用環(huán)境中，尤其是應急條件下，不是所有的遠端站同時需要傳輸1Mbps的信息，假設只有1/4的遠端站有大容量傳輸?shù)囊髸r，采用動態(tài)帶寬分配，將僅僅需要8.458MHz,節(jié)省帶寬60%左右。

圖2 固定帶寬分配和動態(tài)帶寬分配方式下的占用帶寬比較

4 應急衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展趨勢

⑴應急衛(wèi)星通信平臺的多樣化

現(xiàn)代的應急衛(wèi)星通信地球站，以背負、車載、船載和機載為主要應急平臺[6]，適應于任何時間和地點發(fā)生的形形色色的自然災害和突發(fā)事件。車載站以到達應急現(xiàn)場進行通信的靜中通和運動中不間斷通信的動中通為主，關(guān)鍵技術(shù)在于天線自動跟蹤和設備小型化設計。

⑵多手段綜合運用

應急衛(wèi)星通信系統(tǒng)是一種以衛(wèi)星通信為主，集成了電臺、數(shù)字集群、移動通信、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、適應應用場合的特點，不僅提高了應急作戰(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)絡的融合

應急衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建立為用戶提供了一個遠程接入Internet的能力，由遠端站和通過衛(wèi)星接入與應急指揮中心相連的地面網(wǎng)絡，實現(xiàn)資料查詢、下載等功能。由于衛(wèi)星通信與地面光纖網(wǎng)絡相比所固有的誤碼率高、傳輸時延長和傳輸帶寬受限等缺點，目前已有在TCP/IP協(xié)議的基礎上開發(fā)出適合衛(wèi)星信道的TCP/IP壓縮和增強技術(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)與會議電視等多媒體業(yè)務。尤其是視頻壓縮技術(shù)的發(fā)展，將應急通信業(yè)務提升了一個臺階。國際標準化委員會（ISO/IEC）公布了MPEG系列視頻壓縮編碼標準[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準，如H 261、H 263、H 264等。與MPEG-4相比，H.264視頻編解碼標準具有壓縮率高、抗誤碼性能強以及適于網(wǎng)絡傳輸?shù)刃阅埽舆m合于衛(wèi)星應急通信的應用。

5 結(jié)束語

隨著近年來通信衛(wèi)星的發(fā)射日益活躍，以及對災前預警監(jiān)測、災后救援通信保障意識的不斷增強，衛(wèi)星通信成為國內(nèi)外軍、民各級應急通信平臺體系優(yōu)選的通信手段，開展適合于應急通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究，有利于高效的利用衛(wèi)星資源、減低對衛(wèi)星功率的要求、提高設備的集成度和增強通信平臺的機動性能，對普及衛(wèi)星通信技術(shù)的應用，提高應對突發(fā)事件、增強快速反應能力具有重要的意義。

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