異型衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)之間共享衛(wèi)星頻譜資源探究

黃 喆，陳 奇，袁正雪，張鳴之，蔡罕龍

（1.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院（自然資源部地質(zhì)災(zāi)害技術(shù)指導(dǎo)中心），北京 100081；2.北京泰利斯達科技有限公司，北京 100089）

1 研究背景

針對我國自然災(zāi)害多發(fā)的情況，自然資源部于2019年決定分期分批建設(shè)地災(zāi)防控及預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)，涉及32個省級單位、400余個地級單位、3 000多個縣級單位及全國現(xiàn)有地質(zhì)災(zāi)害隱患點28.8萬余處，正式拉開了全面實施地災(zāi)監(jiān)測遠程物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的步伐。遠程物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)需要先進高效的傳輸技術(shù)來支撐，4G/5G網(wǎng)絡(luò)是主要的傳輸手段，而衛(wèi)星傳輸技術(shù)則是重要的和必不可少的補充手段[1]。

我國是世界上地質(zhì)災(zāi)害最嚴重、受威脅人口最多的國家之一，地質(zhì)條件復(fù)雜，構(gòu)造活動頻繁，崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地面沉降、地裂縫等災(zāi)害隱患多、分布廣，且隱蔽性、突發(fā)性和破壞性強，防范難度大。有效地開展地質(zhì)災(zāi)害防治工作已成為我國自然環(huán)境保護戰(zhàn)略的重要目標。堅持“預(yù)防為主，避讓與治理相結(jié)合，全面規(guī)劃、突出重點”“自然因素造成的地質(zhì)災(zāi)害，由各級人民政府負責治理；人為因素引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，‘誰引發(fā)、誰治理’”以及“統(tǒng)一管理、分工協(xié)作”這三項原則是主攻方向，因此，高效可靠的地災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)將有效推動和支撐國家生態(tài)文明建設(shè)和防災(zāi)減災(zāi)工作。

眾所周知，高昂的衛(wèi)星帶寬費用一直是制約衛(wèi)星傳輸技術(shù)應(yīng)用的主要障礙，將衛(wèi)星傳輸技術(shù)應(yīng)用于地災(zāi)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)時也面臨同樣的問題。自然資源部已建設(shè)了地災(zāi)防治衛(wèi)星應(yīng)急通信專網(wǎng)，應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的特點是僅僅在出現(xiàn)重大突發(fā)事件或自然災(zāi)害的情況下才需要使用衛(wèi)星帶寬，而這些衛(wèi)星帶寬平時基本上是空閑的，是衛(wèi)星帶寬資源的巨大浪費。而地災(zāi)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)則對傳輸帶寬和實時性的要求都不是很高?？梢钥闯觯瑧?yīng)急通信網(wǎng)和地災(zāi)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)之間業(yè)務(wù)特點和對帶寬的使用要求差別很大，有著很強的互補性，如果能夠在帶寬的分配和調(diào)度上實現(xiàn)在異型VSAT網(wǎng)絡(luò)之間進行“智能監(jiān)測、動態(tài)分配”，就可以在4G/5G公網(wǎng)覆蓋較差的地災(zāi)監(jiān)測節(jié)點，使用現(xiàn)有的應(yīng)急衛(wèi)星帶寬資源構(gòu)建低成本的地災(zāi)監(jiān)測衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)“平時物聯(lián)、戰(zhàn)時應(yīng)急、平戰(zhàn)結(jié)合”的高效應(yīng)用[2]。

自然資源部地災(zāi)防治衛(wèi)星應(yīng)急通信專網(wǎng)系統(tǒng)基于SCPC/DAMA技術(shù)，是在10年前建成并一直穩(wěn)定運行的成功的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。由于物聯(lián)網(wǎng)本身的業(yè)務(wù)特點，SCPC/DAMA技術(shù)并不適用，地災(zāi)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)需要采用更適合稀路由、大規(guī)模組網(wǎng)的TDM/TDMA技術(shù)。如何讓新建設(shè)的TDM/TDMA系統(tǒng)與現(xiàn)有的SCPC/DAMA系統(tǒng)能夠互相協(xié)調(diào)、實現(xiàn)頻率資源共享與規(guī)避，是實現(xiàn)資源共享的必須要解決的問題。本文試圖在應(yīng)急衛(wèi)星網(wǎng)和地災(zāi)監(jiān)測衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)之間共享衛(wèi)星帶寬資源的方法進行一些探討。

2 應(yīng)急衛(wèi)星網(wǎng)帶寬現(xiàn)狀

現(xiàn)有的地災(zāi)防治應(yīng)急衛(wèi)星網(wǎng)采用Comtech公司的Vipersat系統(tǒng)構(gòu)建，配備有VMS衛(wèi)星帶寬按需分配網(wǎng)管系統(tǒng)，能夠根據(jù)應(yīng)急車或便攜站的業(yè)務(wù)需求自動分配和回收衛(wèi)星帶寬。除了少量的衛(wèi)星帶寬用作網(wǎng)管信令傳輸之外，大部分衛(wèi)星帶寬都被設(shè)置為系統(tǒng)的共享頻率池（約為4 MHz），按需分配給有需求的應(yīng)急車或便攜站。

圖1 應(yīng)急系統(tǒng)和帶寬分配示意圖

3 地災(zāi)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求

全國現(xiàn)有地質(zhì)災(zāi)害隱患點28.8萬余處，地災(zāi)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中所涉及的管理對象多、管理對象地域分布廣。地質(zhì)災(zāi)害隱患點存在感知層盲區(qū)多、采集監(jiān)控覆蓋不足；網(wǎng)絡(luò)層通信接入網(wǎng)覆蓋深度不夠、寬度不足等問題。

地災(zāi)監(jiān)測終端全部采用無線公網(wǎng)通信方式，系統(tǒng)部署上存在覆蓋率盲區(qū)，邊遠地區(qū)（山區(qū)、島嶼等）無有效通信接入方式，建設(shè)地災(zāi)監(jiān)測衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)可以完美地解決這些覆蓋盲區(qū)的傳輸問題。

地災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)需要離散性的定時傳輸相關(guān)采集的SCADA信息并遠程傳輸?shù)叫畔⒃破脚_或用閉環(huán)專網(wǎng)方式輸送到指定服務(wù)器端[3]。

4 基于TDM/TDMA地災(zāi)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)VSAT系統(tǒng)

地災(zāi)監(jiān)測衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)采用星狀組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。大部分接入終端主要傳輸傳感器數(shù)據(jù)，前向主要傳輸控制與管理信令，在遠程升級維護時可傳輸升級軟件包，數(shù)據(jù)量較小。返向支持海量接入終端，支持多個傳輸信道的數(shù)據(jù)回傳。

基于地災(zāi)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)傳輸特點，選擇TDM/MF-TDMA衛(wèi)星通信體制。前向采用TDM廣播載波，多個衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)接入終端同時接收TDM載波中的信令，用于返向MF-TDMA信道統(tǒng)一的時隙分配與調(diào)度、控制，同時可支持接入終端升級軟件包的批量下載。

傳統(tǒng)的單個TDMA載波最大可接入終端能力有限，使用載波跳頻的MF-TDMA體制可實現(xiàn)多倍的接入終端接入。地災(zāi)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)的非實時性業(yè)務(wù)傳輸，采用定時輪詢調(diào)度的方式，支持接入終端數(shù)量成倍增長。

4.1 地災(zāi)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)VSAT系統(tǒng)構(gòu)成

在應(yīng)急衛(wèi)星主站添加地災(zāi)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)VSAT主站系統(tǒng)，與應(yīng)急系統(tǒng)共享主站射頻設(shè)備，并在頻率池中把空閑的衛(wèi)星帶寬分配給物聯(lián)網(wǎng)VSAT系統(tǒng)使用。當應(yīng)急系統(tǒng)需要執(zhí)行任務(wù)時，由“頻率共享控制服務(wù)器”感知這個需求，并自動控制地災(zāi)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)VSAT系統(tǒng)自動縮減TDMA載波，實現(xiàn)自動規(guī)避。自動規(guī)避的算法，是本系統(tǒng)的核心，將在后面討論。

地災(zāi)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)VSAT系統(tǒng)主站主要由TDM/MF-TDMA主站基帶設(shè)備和網(wǎng)管系統(tǒng)構(gòu)成，同時為了協(xié)調(diào)與應(yīng)急衛(wèi)星系統(tǒng)的帶寬使用，添加一臺“頻率共享控制服務(wù)器”。

地災(zāi)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)VSAT系統(tǒng)小站由TSwan數(shù)傳終端（包括天線、BUC、LNB、傳輸及控制端元）和地災(zāi)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集設(shè)備構(gòu)成。

圖2 地災(zāi)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)融入應(yīng)急VSAT系統(tǒng)示意圖

4.2 地災(zāi)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)VSAT帶寬及容量核算

地災(zāi)監(jiān)測衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)采用星狀組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。大部分接入終端主要傳輸傳感器數(shù)據(jù)，前向主要傳輸控制與管理信令，在遠程升級維護時可傳輸升級軟件包，數(shù)據(jù)量較小。返向支持海量接入終端，支持多個傳輸信道的數(shù)據(jù)回傳。

基于地災(zāi)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)傳輸特點，選擇TDM/MF-TDMA衛(wèi)星通信體制。前向采用TDM廣播載波，多個衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)接入終端同時接收TDM載波中的信令，有利于返向MF-TDMA信道統(tǒng)一的時隙分配與調(diào)度、控制，同時可支持接入終端升級軟件包的批量下載，提升頻率共享度。返向采用MF-TDMA體制克服了傳統(tǒng)TDMA體制接入終端數(shù)量較多時機動靈活性差的缺點，融合FMDA和TDMA的技術(shù)優(yōu)勢，使用載波跳頻技術(shù)，降低突發(fā)速率，達到減少天線尺寸，降低射頻功率，實現(xiàn)大規(guī)模靈活組網(wǎng)的目的[4]。

傳統(tǒng)的單個TDMA載波最大可接入終端能力有限，使用載波跳頻的MF-TDMA體制可實現(xiàn)多倍的接入終端接入。地災(zāi)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)的非實時性業(yè)務(wù)傳輸，采用定時輪詢調(diào)度的方式，支持接入終端數(shù)量成倍數(shù)級增長。

4.2.1 單TDMA載波接入能力理論估算

使用一個256 kHz TDMA載波，核算結(jié)果如表1所示。

表1 TDMA載波傳輸能力計算

假設(shè)單個衛(wèi)星接入終端接入的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)速率不大于2.4 kbps，單個256 kHz帶寬TDMA載波最大支持145個并發(fā)接入終端接入，若按照50%的并發(fā)概率則可以接入290個。

4.2.2 多TDMA載波可以接入更多的終端數(shù)

表2 TDMA帶寬與容納終端數(shù)量的關(guān)系

可以看出2 MHz衛(wèi)星帶寬可以支持8個256 kHz TDMA載波、2 320個物聯(lián)網(wǎng)終端接入。使用4 MHz衛(wèi)星帶寬，可以支持4 640個物聯(lián)網(wǎng)終端接入。

5 異構(gòu)VSAT網(wǎng)絡(luò)之間衛(wèi)星帶寬的共享

地災(zāi)防治衛(wèi)星應(yīng)急通信和地災(zāi)監(jiān)測衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)共享租用的衛(wèi)通信道頻譜資源，根據(jù)兩個網(wǎng)絡(luò)的實際業(yè)務(wù)傳輸需求變化進行資源的統(tǒng)一動態(tài)調(diào)度。調(diào)度策略采用“忙時應(yīng)急，閑時物聯(lián)”的方式。應(yīng)急通信的衛(wèi)星資源優(yōu)先保障，有應(yīng)急通信業(yè)務(wù)傳輸需求時信道資源無條件分配，地災(zāi)監(jiān)測衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)僅保留0.32 MHz帶寬控制信令的傳輸，可以隨時縮減TDMA業(yè)務(wù)信道數(shù)量，甚至全部關(guān)閉。

統(tǒng)一的衛(wèi)星資源調(diào)度需要協(xié)調(diào)有限的衛(wèi)星通信頻譜資源，在衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)和衛(wèi)星應(yīng)急通信網(wǎng)間高效應(yīng)用。衛(wèi)星資源綜合調(diào)度平臺將衛(wèi)星頻譜資源規(guī)劃為兩部分，一部分是衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的保留頻譜資源，用于衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的前向信令和少量必要業(yè)務(wù)傳輸用；一部分為動態(tài)共享資源，這部分資源基于應(yīng)急通信和物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)傳輸需求動態(tài)進行調(diào)配。綜合調(diào)度平臺基于已有的應(yīng)急衛(wèi)星通信的SCPC/DAMA網(wǎng)管進行構(gòu)建，通過網(wǎng)管間資源調(diào)度接口完成共享資源的動態(tài)分配和回收。

綜合調(diào)度平臺利用應(yīng)急通信系統(tǒng)網(wǎng)管（COMTECH網(wǎng)管VMS）提供的資源監(jiān)控接口實現(xiàn)動態(tài)資源調(diào)配。應(yīng)急衛(wèi)星通信網(wǎng)通過VMS分配頻譜資源后，綜合調(diào)度平臺向地災(zāi)監(jiān)測衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)中心站下達資源釋放信令，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的返向動態(tài)頻譜資源重新自動規(guī)劃，并通過靜態(tài)規(guī)劃的前向載波廣播信令信道下發(fā)給所有的物聯(lián)網(wǎng)終端，物聯(lián)網(wǎng)終端接收到該信令后自動停止載波發(fā)射，轉(zhuǎn)為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)本地緩存模式。為避免物聯(lián)網(wǎng)終端狀態(tài)頻繁切換，物聯(lián)網(wǎng)終端在使用頻率時設(shè)置空閑時間門限，僅當應(yīng)急通信系統(tǒng)釋放資源達到空閑時間門限后再啟用接入終端使用該頻率資源。綜合調(diào)度平臺的管理流程圖如圖3所示。

圖3 綜合帶寬調(diào)度流程圖

6 經(jīng)濟和社會效益分析

項目針對地災(zāi)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)感知層設(shè)備，在管理與維護過程中存在邊遠地區(qū)通信不暢、人工成本高、故障點定位難、上報不及時等問題，攻克關(guān)鍵技術(shù)、研發(fā)關(guān)鍵設(shè)備，構(gòu)造狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應(yīng)用便捷靈活的地災(zāi)監(jiān)測衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)，為提高地災(zāi)預(yù)警預(yù)報服務(wù)質(zhì)量，培育發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，提供強有力的資源支撐，具有明顯的安全、經(jīng)濟和社會效益。

（1）大幅度提高現(xiàn)有衛(wèi)星帶寬利用率。目前，應(yīng)急使用的衛(wèi)星帶寬大部分時間處于空置狀態(tài)，造成嚴重的資源浪費。項目成果推廣后，按照衛(wèi)星頻率1 MHz每年30萬租賃費計算，項目每年可充分利用頻率資源經(jīng)費約120萬元。

（2）地災(zāi)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)VSAT終端成本可控、便于大規(guī)模應(yīng)用。全國現(xiàn)有地質(zhì)災(zāi)害隱患點28.8萬余處，需要使用VSAT技術(shù)補充4G/5G覆蓋不足的地點數(shù)量很大，地災(zāi)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)通信接入建設(shè)需求巨大。項目成果推廣后，VSAT接入終端（TSwan）批量供應(yīng)會大幅降低規(guī)模建設(shè)成本及單站通信成本（單站年通信費用可低于200元人民幣），具備大規(guī)模接入條件，將大幅提升地災(zāi)監(jiān)測建設(shè)、安全運行和經(jīng)濟運營的水平。

7 結(jié)束語

結(jié)合項目成果推廣，可實現(xiàn)地災(zāi)監(jiān)測通信網(wǎng)絡(luò)資源商業(yè)化與專網(wǎng)化結(jié)合的靈活運營。在地災(zāi)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)邊緣地帶，無傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)和無公網(wǎng)覆蓋的邊遠地區(qū)，通過衛(wèi)星接入終端設(shè)備（TSwan）實現(xiàn)地災(zāi)監(jiān)測衛(wèi)星通信運營，不僅為當?shù)厝嗣裉峁┛煽康牡貫?zāi)預(yù)警預(yù)報服務(wù)，為人民生命財產(chǎn)設(shè)立了可靠的保障，也實現(xiàn)了響應(yīng)黨中央提出的實現(xiàn)全民共同富裕的奮斗目標，具備顯著的社會效益?！?/p>