新型便携式卫星通信终端设计

李 广，班亚明，赵燕飞

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081;2.中国人民解放军61846部队，河北涿州 072750)

0 引言

近些年，各种自然灾害和人为事故频发，对应急通信提出了更高的要求。在灾区地面线路和蜂窝网络遭到破坏或由于业务量太大而造成阻塞时，现场信息不能及时传回，严重影响了决策和调度。卫星通信由于不受地形和通信距离的影响，已成为灾害现场应急通信的首选。

目前国内外各种卫星通信终端多以分机简单集成为主，设备体积大、耗能高，不适宜便携。这里推出一种新型便携式卫星通信终端(以下简称便携终端)，采 用 了 TCP 加 速［1，2］、QoS［3］、高 效 编 码 调制［4］、数字化中频［5］和一体化设计［6］等技术，将调制解调、路由、IP接入、编解码和配电等单元设计在单一机箱内，体积小、重量轻、可靠性高，可实现人工背负携行，实现话音、视频以及数据等业务的传输。

1 总体设计

目前移动便携卫星通信系统业务上从单一的视频图像传输发展到目前的包括话音、传真、数据和视频图像综合性业务的传输，因此又被称为综合业务卫星通信系统。建立快捷、操作简便、运行可靠的综合业务卫星通信系统是当今卫星通信技术的一个主要的应用发展方向。便携终端是一款集成了音视频编解码、IP处理、调制解调、L频段中频单元和供电等单元的高性能卫星通信终端，支持全IP业务传输，并具有路由选择、TCP加速、Qos及接入控制等功能，传输的业务包括话音、传真、视频图像及高速数据等，可在数分钟内建立起通信链路，实现综合业务的传输功能。其应用示意图如图1所示。便携终端还可以作为其他卫星通信车载站或者固定站的备份系统，提供补充备份功能。便携终端设计充分考虑未来行业的发展趋势，以及实际业务发展的需要，系统具有开放性和可扩展性。

图1 应用示意图

便携终端支持选配网管信道功能，通过该功能可以接收网管中心的广播信号，发送网管信息给网管中心，网管中心认为合法站，允许其入网。入网后，便携卫星终端的呼叫、资源分配及资源回收等都在网管中心的管理下完成。

2 工作原理与组成

2.1 工作原理

便携卫星终端能够提供1路视频、2路电话和1路IP数据的接入，各种业务通过网络视频编解码器、语音网关等汇聚到交换模块，经过IP接入提供各种业务的接入控制、路由转发后送入调制解调单元，经基带处理、调制等转换为L频段信号送入卫星上行射频单元(BUC)，接入BUC的信号经过滤波、频率转换、放大处理，转换为Ku频段的射频信号后，送入天线发送到卫星;通过天线接收到的由卫星转发过来的Ku频段的信号，经过低噪声放大器(LNB)滤波、频率变换和放大等处理，转换成L频段的信号，送入调制解调单元，经过解调、基带处理等转换为数字信号后，送入IP接入单元处理后送给各个业务模块，最后还原为语音、视频及数据等业务信号到达用户终端。

2.2 便携终端组成

如图2所示，便携终端由调制解调单元、IP接入、视频编解码及语音网关(VoIP)等单元组成，集成了话音、视频图像及IP应用接口的功能，特点是:体积小，功能强，便携性强，扩展性强等。

图2 终端组成框图

①调制解调单元

调制解调单元由调制和解调组成:调制包括编码、成形滤波、基带调制及L上变频等部分;解调包括低通滤波、A/D转换、数字下变频、匹配滤波器、信号检测、定时估计、AGC、频率估计及载波提取等部分。

②IP接入单元

IP接入单元由接入模块和交换模块组成:IP接入模块是以Power PC处理器模块为作为核心单元，采用嵌入式Linux操作系统，运行各种协议处理软件，以及有FPGA等外围电路一起完成系统功能;交换模块采用成熟的交换芯片88E6083组成，分别连接IP接入模块、语音网关、视频编解码器及IP数据。

③视频编解码及语音网关模块

集成市场上同类成熟产品，为卫星通信专门定制开发，支持 H.264编码及2路话音用户接口(FXS)，以达到与其他站型终端的互联互通。

3 关键技术及应用创新

3.1 TCP加速技术

卫星通信系统的传输延迟、传输速率及链路误码率等信道特性会对终端设备上的可靠TCP流协议产生实质性影响，因此在卫星网上采用TCP协议进行数据传输，为了提高传输效率，必须使用 TCP加速技术。目前TCP协议加速技术主要分为2类:其一，针对卫星信道的特点，对TCP协议本身进行修改或扩展，这种方法虽然可以很好地解决问题，但要求更换所有用户终端设备的协议栈，显然不可取;其二，采用协议变换的方式将TCP协议在卫星链路上转换为另一种协议，从而增强TCP传输性能，但这种方法要求收发两端必须都要配置协议变换设备，无法实现单端配置，同时对于加速后面配置路由有一定限制，因此应用时具有一定的局限性。

在该设计中采取TCP分段来实现TCP加速技术，即在不改变TCP语义的情况下(保证提供端到端的可靠性)，将TCP客户端到TCP服务器的TCP连接分成2个部分，一段是TCP客户端到TCP加速模块，TCP加速模块模拟TCP服务器向TCP客户端发送应答;另一段是TCP加速模块到TCP服务器，TCP加速模块将TCP客户发送的数据转发给TCP服务器，同时接收TCP服务器发送的数据并将其转发给TCP客户端。通过TCP分段，使得TCP客户端认为自己在和地面网上一台主机进行通信，这样，就消除了长延时信道对发送速率的不利影响，从而大大提高信道利用率。由于在传输过程中没有进行协议变换，因此TCP加速模块可以透明地接入卫星网中，而且可以进行单端配置，即只在数据发送端配置TCP加速模块。TCP分段加速原理如图3所示。

图3 TCP分段加速原理

3.2 QoS技术

QoS旨在针对各种业务流对延时、抖动及吞吐量的不同需求，为其提供不同的服务质量保证。卫星网络中卫星资源十分宝贵并且有限，使得网络的带宽瓶颈存在于卫星链路处，拥塞也容易发生在这里。基于IP的卫星网络是面向无连接的网络，IP分组按照一种“尽力而为”的原则传送业务，这种方法公平地对待各个不同业务的数据包，不确定性很强，无法满足各业务对延时、抖动及带宽等的不同需求。因此，必须在数据进入卫星网络时进行有效的服务质量管理。

目前，地面网中常用的2种服务模型主要有综合服务模型(Integrated service)和区分服务模型(Differentiated service)。卫星网络显著区别于地面网络的最大优点就是卫星网良好的广播能力，并且网络中存在大量的单工站，同时，卫星网的拓扑结构相对于复杂的地面网络来说一般要简单很多，采用区分服务模型就能保证很好的端到端的服务质量保证。因此，该设备中采用区分服务模型来实现对网络中业务的QoS管理。在实际应用中，考虑不同业务的重要性，将视频业务置于最高优先级，话音、传真业务次之。

3.3 数字化中频

该设计中采用了一种新的调制解调硬件平台，该平台采用数字化中频技术，减小模拟中频部分的规模和设计难度，采用模块化设计，便于各部分升级维护。在保证技术指标的前提下，极大地减小了设备体积和功耗。新的调制解调平台原理如图4所示。该平台调制中频由基带提高到800 MHz，解调中频由基带提高到390 MHz，通过FGPA程序实现中频以下调制解调，降低了变频模块设计的复杂度，同时提高了调制解调器的集成化程度，减小了设备体积。

图4 数字化中频原理框图

4 测试结果

该便携终端已完成了从样机到产品的初步定型。国家相关部门对该设备进行了指标和环境测试，主要结果如下:

① 通信速率:128 kbps、256 kbps、384 kbps、512 kbps、768 kbps、1024 kbps、2048 kbps;

② 业务接口:电话、LAN、音视频;

③ 开通时间(含天线):小于5 min;

④ 设备重量(含电池):小于8 kg;

⑤ 工作温度:-40℃ ～55℃。

同时，在工作环境中对该设备的加速能力进行了测试。在设定卫星信道速率为1 Mbps的情况下发送500 M的数据包，分别记录在开启关闭TCP加速时的TCP业务传输速率，结果如图5所示。

图5 TCP业务的发送速率

由仿真结果可见，未开启TCP加速功能时，TCP业务的传输速率很低，约为130 kbps;而在开启TCP加速后，TCP业务的传输速率约为920 kbps，卫星信道利用率达到90%，大大提高了业务的传输速率和信道的带宽利用率。

另外，还对该设备的QOS能力进行了测试。在固定带宽(1 Mbps)的工作环境中，关闭QOS时，视频马赛克明显，而在打开QOS时，视频质量得到明显提高。

由以上测试结果可看出，该设备满足了应急通信对终端的需求。

5 结束语

随着卫星通信系统在各种应急通信系统中的广泛应用，基于IP接入的便携终端具有接口通用、与地面网接入互联方便的特点，便于系统组网和与固定指挥中心互联，符合信息接入IP化发展趋势。随着社会对信息化需求的不断增长，特别是国家公共安全及应急系统建设的全面展开，市场对便携终端的需求量会不断加大，因此该设备具有广阔的应用前景和价值，可以在以下行业和领域推广应用:热焦点地区突发事件高质量图像传输、抢险救灾、野外ISP接入、远程医疗、会议电视、远程监测、科考探险和公共安全等等。

［1］徐宇杰.TCP/IP协议深入分析［M］.北京:清华大学出版社，2009.

［2］王健，王海涛.卫星通信网中TCP加速技术研究［J］.科学技术与工程，2009，9(11):3148-3152.

［3］龙飞.卫星网络鲁棒QoS路由技术研究［M］.北京:国防工业出版社，2010.

［4］关清三，崔炳哲，张岩.数字调制解调基础［M］.北京:科学出版:OHM社，2002.

［5］宋大凤，姚元飞，吴仡.一种通用型低成本中频数字化方案的实现［J］.电讯技术，2010，50(6):59-62.

［6］马刈非.卫星通信网络技术［M］.北京:国防工业出版社，2003.