基于卫星的应急通信若干关键技术研究

尤静 段洪德

（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 中国民用航空华北地区空中交通管理局河北分局河北石家庄050802）

1 引言

当前，应急通信正处在一个飞速发展的阶段，相对于地面通信网络、移动基站等通信方式，在遭遇洪水、地震等自然灾害的情况下极易毁坏或断电，卫星通信有着不可比拟的优势。卫星通信具有的覆盖范围广、通信不受地理环境条件和距离限制、通信带宽有保障、链路稳定、传输质量高、多址联接方式灵活和架设方便快捷等特点，能够为职能部门处理突发事件提供了快速、机动与灵活的通信手段。

2 应急卫星通信系统建设的必要性

应急通信就是为应对突发事件[1]，在特殊地理条件和气候条件下，及时建立通信链路，保障通信畅通。针对以下特点，采用卫星通信是解决建立宽带与稳定的通信主干道的必备的手段。

应急通信时间一般是突发的，而能够快速到达现场并建立通信的时间往往决定着财产损失和人员伤亡程度。虽然各国都在积极地建立灾害预警机制，来提前预防灾害的发生，或提前做出准备将灾害产生的损失降到最低，但是由于当前技术等因素的限制，往往灾害的到来是不可预见的，因此建立通信的时间必须是随时的、快捷的。当前卫星通信车载站、箱式站等一旦到达事发地，经过天线对星、开通链路的时间一般情况下不超过15m in，而动中通卫星车载站可以在赶往事故现场的过程中实时通信，这一优势大大缩短了通信建立时间，为指挥决策提供及时的信息。卫星通信设备可以安装于各型车载平台上，小至越野车，大至载重卡车，均可以在第一时间到达，在人迹罕至的地区，可用直升机将箱式站投放下去，在天线不受遮挡的地方均可以架设。

随着技术的发展，设备研发水平的提高，卫星通信也从原来的单一话音通信发展为可以传输视频、音频和数据等综合业务。不仅给指挥员提供一个话音通信的手段，同时还可以将现场的实时图像传输到指挥所，为救灾决策提供更直观的支持；同时，在指挥中心接入海量信息系统，也可以使工作人员通过卫星在现场及时查询有用数据。自大力发展卫星事业以来，卫星转发器数量不断增加，先进的编码调制技术、IP加速技术也使得同样的卫星带宽内可以传输更高容量的信息，降低了应用成本。

综上所述，亟待建设的应急保障体系中，卫星通信系统以其高可靠性、可移动性和高性价比的优势，成为应急通信手段中不可或缺的部分。

3 基于卫星的应急通信系统

3.1 系统组成

应急卫星通信系统是由应急指挥中心站和应急处理现场的移动车载、船载和箱式远端站组成。中心站是远端站信息的综合接入点，能够通过得到突发现场的视频、音频和数据及时了解现场情况，满足应急指挥中心、现场指挥部和第三方专家所在地进行视频会议的功能，可同时与几路现场进行组网通信，现场指挥部可通过应急指挥中心与其他通信网络和计算机网络互联互通。

图1 应急卫星通信系统组成示意图

远端站可以快速到达现场,完成地面现场指挥部与应急指挥中心的宽带通信链路的建立，在链路建立后向应急指挥中心直接传输现场的图像、话音以及数据，可接入现场附近的有线或无线局域网络,使突发事件现场计算机可以访问应急指挥中心的相关资料库，可接入现场的手机或固话网络，可通过卫星网络拨打网内卫星电话或固话和手机，可加入应急指挥中心和第三方专家所在地进行视频会议的功能，如图1所示。

3.2 系统设计中的关键技术

根据应急通信的功能需求和特点，在突发事件发生之前支持监视和预测结果的通报，以及突发事件发生后保障救灾区域现场指挥的通信能力。因此在进行应急卫星通信系统设计时，应全面分析实际需求，有效地节省卫星资源，提高带宽利用率，降低功率，进而减少运营的费用。在统一网络管理下，管理网络的组网方式和全网的资源分配，管理各个用户节点的业务申请和应答。同时所有通信设备应尽量减轻设备重量、缩小设备体积、建立友好的用户界面，便于在机动平台上安装和操作。

典型的应急卫星通信系统主要通信设备包括天线、上下行射频设备、调制解调器和IP加速器等，中心站还配置有全网管理中心。其中对系统设计优化具有重要意义的关键技术有调制解调技术、编码技术以及动态带宽分配技术等。

3.3 高效编码和高阶调制技术

在实际的空间信道环境下，先进的编码和调制技术将会带来可靠的、高效的传输效率。作为技术成熟、使用广泛的编码方式，卷积码处理延迟短、实时性强，实现简单。级连码编码增益高于卷积码，但需要分组编码与交织，传输时延较高。如IESS-308的级联码增益比卷积码高约2 dB[2]，处理时延约几毫秒到几十毫秒量级（与速率有关）。随着现代数字信号处理技术的飞速发展，Turbo码、LDPC码等新型高效编码方式得以实用化，使用迭代译码处理可以为通信系统提供比级连码高2-3 dB的编码增益和更短的处理时延。

选用先进的编码技术可以有效地提高编码增益，降低解调门限。如表1所示，在QPSK条件下，在BER为1×10-6时，采用码率为3/4的卷积码（Viterbi译码）的解调器门限为7.6 dB，TPC3/4编码时的解调门限为3.3 dB，降低了4.3 dB，意味着在同样的天线、功放配置的条件下，可以提高1.7倍的传输速率，如果选用LDPC3/4编码时，解调门限进一步降低到2.9 dB。

表1 不同编码方式下解调门限值[3]

高阶调制有效地减少了卫星带宽的占用[4]，以传输2 048 kbps的信息速率为例，当通信的2个站均为2.4m天线，选用TPC3/4的编码方式，使用QPSK调制方式，通过链路计算，占用星上转发器带宽约1.9MHz，占36MHz的转发器的5.3%，载波下行功率为27.7 dBW，占用星上功率为2.36%；而选用8PSK调制方式，占用星上转发器带宽约为1.3MHz，站36MHz的转发器的3.6%，载波下行功率为30.1 dBW，占用星上功率为4.1%，占用星上功率和带宽的比率相对平衡。由于卫星公司通常取载波占用转发器的带宽的百分比和占用转发器功率的百分比二者中比较大的那个数为依据来计算租金，因此合理选用调制和编码的方式可以有效减少租用转发器资源的费用。

3.4 带宽动态分配技术

另外一种最大限度的减少卫星资源的方法是通过网络管理系统动态分配带宽技术。在固定分配带宽的卫星系统中，根据预计结果给各地球站的应用固定分配一定的带宽，当业务量不饱满时，势必造成卫星资源的浪费。因此，针对应急使用的情况下，采用有效地网络管理机制，在一个带宽池中动态的为需要传输业务的地球站分配带宽是十分必要的。

卫星通信网的网络管理解决了远端站的入退网申请、资源配置和管理、故障和统计管理等方面的内容。远端站与中心站之间的网管信道可分为带内和带外2种。带外信道是独立于业务传输的专门的网管信息传输信道，带内信道是指使用业务信道传输网管信息。网管信道主要采取以下几种方式建立。

独立的网管信道由2种形式，即TDM/ALOHA和TDMA[5]，前者采用的是频分多址的技术体制，网管中心根据各个地球站提出的申请以广播的方式向网内所有站分配信道频率，各个地球站以竞争的方式向中心站发出信道资源的申请，一旦申请发生碰撞，就根据不同的机制重发，直到申请被确认为止。通信结束后，网管中心将收回频率资源，分配给其他需要的地球站。后者采用的时分多址的技术体制，在业务信道之外建立一个独立的TDMA星状网管网，传输远端站与中心站之间的网管信息，远端站从由中心站的TDMA主参考终端实时下发的帧计划中得到传输时隙的位置，在给定的时隙上发送网管信息，因此与前者相比不存在碰撞和竞争的矛盾。在频分多址系统中常常采用建立独立网管信道的方式。

在时分多址应用系统中，将网管信息作为一项业务在固定的或帧计划分配的时隙内传输，即带内传输。网管信息通信网与业务传输的网络具有同样的网络拓扑结构，可以确保远端站与中心站之间的网管信息都可以卫星一跳可达。采用带内传输的方式，要求通信网要有很高的可靠性

假设某应急卫通网络，共有20个远端站，中心站广播信息4M bps，每个远端站都可能有1M bps的传输需求，若采取传统的设计方法，使用静态分配带宽，如图2所示，在QPSK调制、信道编码为Turbo3/4的情况下，共需要占用21.3MHz的带宽。而在实际应用环境中，尤其是应急条件下，不是所有的远端站同时需要传输1Mbps的信息，假设只有1/4的远端站有大容量传输的要求时，采用动态带宽分配，将仅仅需要8.458MHz,节省带宽60%左右。

图2 固定带宽分配和动态带宽分配方式下的占用带宽比较

4 应急卫星通信技术的发展趋势

⑴应急卫星通信平台的多样化

现代的应急卫星通信地球站，以背负、车载、船载和机载为主要应急平台[6]，适应于任何时间和地点发生的形形色色的自然灾害和突发事件。车载站以到达应急现场进行通信的静中通和运动中不间断通信的动中通为主，关键技术在于天线自动跟踪和设备小型化设计。

⑵多手段综合运用

应急卫星通信系统是一种以卫星通信为主，集成了电台、数字集群、移动通信、无线接入和有线等多种通信手段综合通信系统。各种手段接入的数据和话音可以在一定程度上交互，各自发挥不同频段、适应应用场合的特点，不仅提高了应急作战的效能，也大大增加了通信系统的可用度。

⑶与地面网络的融合

应急卫星通信系统的建立为用户提供了一个远程接入Internet的能力，由远端站和通过卫星接入与应急指挥中心相连的地面网络，实现资料查询、下载等功能。由于卫星通信与地面光纤网络相比所固有的误码率高、传输时延长和传输带宽受限等缺点，目前已有在TCP/IP协议的基础上开发出适合卫星信道的TCP/IP压缩和增强技术[7]。

⑷多媒体信息的传输

卫星通信所能承载的业务已经从单纯的话音，发展到具有图像、话音、数据与会议电视等多媒体业务。尤其是视频压缩技术的发展，将应急通信业务提升了一个台阶。国际标准化委员会（ISO/IEC）公布了MPEG系列视频压缩编码标准[8]，如MPEG-2、MPEG-4等；国际电联（ITU-T）公布了H系列的视频压缩编码标准，如H 261、H 263、H 264等。与MPEG-4相比，H.264视频编解码标准具有压缩率高、抗误码性能强以及适于网络传输等性能，更加适合于卫星应急通信的应用。

5 结束语

随着近年来通信卫星的发射日益活跃，以及对灾前预警监测、灾后救援通信保障意识的不断增强，卫星通信成为国内外军、民各级应急通信平台体系优选的通信手段，开展适合于应急通信系统的关键技术研究，有利于高效的利用卫星资源、减低对卫星功率的要求、提高设备的集成度和增强通信平台的机动性能，对普及卫星通信技术的应用，提高应对突发事件、增强快速反应能力具有重要的意义。

[1]孙 玉.应急通信技术总体框架讨论[M].北京:人民邮电出版社,2009:9-17.

[2]甘仲民,张更新,王华力等.毫米波通信技术与系统[M].北京:电子工业出版社,2003:234-236.

[3]CDM-570/570L Inst alla t io n a nd Op e r a t io n M a nu al[M].USA C o m t e ch EF DATA，2005.

[4]丹尼斯·罗迪.卫星通信[M].北京:人民邮电出版社,2004:182-196.

[5]王秉钧,王少勇.卫星通信系统[M].北京:机械工业出版社,1994:51-60.

[6]刘建锐.应急通信中各种通信手段的优劣分析[J].计算机与网络,2012(10):65-67.

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

[8]陈文周,韩明华.多媒体数据压缩技术研究[J].电视技术,2000 (6):76-80.