VSAT卫星小站在遥测中继站的应用

李 钢，秦超杰

（1.水利部水利信息中心，北京 100053；2.淮河水利委员会通信总站，安徽蚌埠 233000）

1 概述

随着国家对防汛抗旱工作的日益重视，为了确保防汛抗旱指挥调度命令传送和水雨情遥测数据传输，水利系统建设了大量超短波通信系统作为偏远地区的基础通信方式。目前，主要使用155、230 MHz2 个频段，提供语音调度和水雨情数据传输业务服务。随着水利行业对通信带宽和传输可靠性的要求不断提高，传统的超短波通信系统暴露出通信覆盖范围小、通信带宽窄、信号误码率高等问题，严重制约了水利核心业务发展。

中继站是超短波通信网的核心，直接决定了整个网络的性能，为了充分利用现有资源，将传统的超短波通信中继站升级为超短波—卫星混合式中继站，用较低的投资大幅度提高超短波通信系统的综合性能。

2 超短波通信系统现状

超短波通信系统具有技术成熟、组网灵活、设备价格低廉的特点，国家无线电管理委员会划分230 MHz频段作为水利专用通信频段。经过多年建设，超短波通信系统在水利无线话音及数据通信的占有率超过30%。大量超短波水雨情遥测系统的建成，解决了基层单位（特别在公网GSM覆盖不佳的偏远地区）的防汛抗旱指挥调度及水雨情测报问题。

随着通信技术的快速发展，基于超短波技术组建的无线通信网在带宽、覆盖范围、数据加密等方面已经无法满足水利信息化的发展需求，严重制约了水利信息化的发展。

2.1 超短波中继站的性能限制

中继站是超短波通信网的核心，只有中继站通信覆盖范围内的站点才能进行通信。由于实际地理环境的限制，1 个超短波的中继站的覆盖范围不超过20 km2，扩大系统覆盖范围就只能靠增加中继次数实现，而多次中继往往会出现信号质量下降、噪声叠加、工程成本大幅上升等问题。超短波通信网的通信性能依据超短波链路计算公式计算，公式如下：

式中：Pr 为接收功率（dBw），Pr≥Sr，Sr 为设备的接收灵敏度（dBw）；Pt 为设备的发射功率（dBw）；Gta为发射天线的增益（dBi）；Gra 为接收天线的增益（dBi）；Ltl 为发射端传输线路衰耗（dB）；Lrl 为接收端传输线路衰耗（dB）；Ltm 为传输空间衰耗（dB），Ltm= 92.5 + 20 1ogf +20 1ogd，f 为使用频率（GHz），d为两站之间的距离（km）。

Pr≥Sr的预留程度应根据实地电磁环境的复杂程度、链路之间的物理环境和通信距离来定。一般在近距离的情况下，最少应预留3 dBm 以上。传输距离越远预留增益应越大，在远距离时预留增益应在20 dBm左右。

由超短波链路计算公式可以看出，Ltl、Lrl、Ltm由实际地理环境决定，Pr 仅仅由Pt、Gta、Gra 决定。通信系统中较偏远的站点为了满足通信链路的可靠，保证Pr 大于系统设计的最低值，需要提供更高的发射功率和更大的天线增益。

2.2 覆盖范围有限

2.2.1 覆盖范围及局限

超短波中继站的通信覆盖范围是严格限制的，主要受天线增益、双工电台的发射功率、中继站的海拔位置、地理环境及电磁环境等因素决定。公网超短波网络中多采用蜂窝式布局扩大系统的覆盖范围，但水利系统中超短波通信网络往往沿河而建，呈长条状布局，长度跨度经常高达数百公里。为了保证流域内的超短波通信畅通，不得不兴建大量的超短波中继站并且为减少中继次数增加通信距离而降低系统的通信指标（主要是降低误码率指标）来满足对通信距离的苛刻要求，如图1所示。

图1 现有超短波通信网络结构

图2 通信网络结构

由图2 可知，在地域跨度大的地区需要多次中继才能进行远距离通信。多级中继通信体制存在着工程投资大、系统利用率低、设备数量多、土建成本高、后期维护工作量大等诸多问题。

2.2.2 天线的尺寸受限

（1）增加天线的尺寸可以增加天线增益及扩大覆盖面积。以8 db全向天线为例，其长度超过5 m，而3 db的全向天线的长度则不超过0.4 m。

（2）全向天线的尺寸比定像天线的尺寸大。由于设计原理不同，相同增益的定向天线的尺寸仅仅相当于全向天线的40%。

（3）大尺寸的天线需要更好的地基基础。由于超短波中继站需要选址在地势较高的山顶或楼顶，因此天线承受的风力较大，需要建造大型地基，尤其是在风力较大的西北和华东地区天线尺寸被严格限制。

综上所述，实际工程中全向超短波天线受工程地质气象等条件制约，全向天线的体积受限，增益往往不超过10 db。

2.2.3 电台发射功率有限

（1）增加电台的发射功率可以扩大中继站的覆盖范围。但过高的发射功率会产生严重的干扰杂波（二次谐波危害最大），影响其他无线电系统的正常运行。我国无线电管理委员会对电台有着严格要求，严禁发射功率过高或性能指标不合格的设备使用。

（2）电台的发射功率增大，其功耗也会大幅度增加。尤其是野外地区的中继站，业务繁忙的全双工电台处于24 h不间断工作状态，供电又大多采用太阳能/蓄电池的方式，因此电台的发射功率通常不能超过35 W。

综上所述，在市电支持下的超短波中继站的发射功率可以达到50～100 W，但在偏远地区为采用太阳能/蓄电池方式供电的超短波中继站的发射功率不超过35 W。

2.3 多级中继导致的通信质量恶化

在超短波模拟通信系统中最严重的问题就是由于中继次数的增加而导致的信号质量严重下降。模拟中继将接收到的信号进行放大以补偿空间链路的传输损耗，其本身不对信号进行处理，这导致载波信号放大的同时噪声也同步进行了放大，每进行一次模拟中继都会造成噪声的积累（简称加性噪声），多次中继后信噪比严重恶化。

在超短波数字通信系统中，数字中继将接收到的信号进行再生、放大处理后再将信号发送出去，可以解决信道加性噪声累加问题。但数字中继需要发送设备和接收设备均采用同一编码方式才能进行通信。目前超短波中继站的生产厂家分属不同系统自成体系，设备间难以兼容。如，A厂家的数字系统采用汉明码，B厂家的数字系统采用格雷码，两个厂家生产的设备很难互通。兼容问题严重影响了超短波数字中继系统的推广速度。

2.4 通信带宽低

目前，水利系统的超短波通信系统受发射功率及天线尺寸的限制，整体性能较低，传输速率不超过9 600 bps，仅能满足传输一路话音和低速水雨情数据的传输，不支持TCP/IP 协议，无法传输IP 数据包。大量基于230 M超短波通信的水雨情数据采集网，原设计中链路设计的指标较低，在满足偏远地区话音及低速数据传输的基础上在通信覆盖范围和系统投资之间取得了较好的平衡，但这种系统不适合传输大容量、高实时性的业务，更无法支持现在主流的IP数据通信。

3 VSAT卫星中继站的应用

3.1 VSAT卫星小站的特点

VSAT 卫星通信网是具有甚小口径天线的智能化小型地球站，集成度高、系统投资低、组网方案灵活可靠，近年来得到了广泛应用，截至2014年底全国水利卫星VSAT小站数量已经突破600个。VSAT卫星通信网具有以下特点：

（1）集成度高，设备体积小，重量轻，耗电少，造价低，维护和操作简单。根据使用条件的不同，小站天线的直径可以控制在0.3～2.4 m，发射功率可以在1～2 W。设备集成度高，建站费用比建超短波中继站节约50%以上。

（2）通信距离远，覆盖范围大，组网灵活。通过静止卫星进行通信，通信范围可以覆盖全国，通信费用不因距离的增加而增加。如，在图1 中的长条形通信中，连接通信站1、2、3、4 的中继站可以由超短波中继站的8个减少到4个VSAT卫星中继站，减少中继站数量，节约系统投资。

（3）通信效率高，性能质量好。系统带宽支持64 kbps～2 Mbps等多种带宽划分方案。

（4）基于IP数据传输。可将模拟中继机接收的模拟数据转换为标准的IP数据包进行转发，整个数据传输过程中支持差错控制等多种安全机制，以确保数据传输的可靠性。

3.2 VSAT卫星中继站与超短波通信网的组网

VSAT 卫星中继站可以方便地与现有超短波通信网融合互联，仅增加串口服务器、卫星小站单元IDU、功放BUC、低噪放大器LNB、天线等硬件设备，结构如图3—4所示。

遥测站将水情数据发送到中继站，中继站的串口服务器将接收到的水情数据转换成标准的IP 数据包后发送到卫星小站单元IDU，功放BUC 将IDU处理后的IP数据发送到通信卫星，经过通信卫星转发，水情分中心可以实时接收各种类型遥测站的水情数据。

图3 VSAT卫星中继站组网

图4 VSAT卫星中继站设备组网

4 结语

超短波通信网是目前偏远地区水利无线通信系统里的重要组成部分，如何在充分利用现有资源的基础上提高系统的综合性能成为水利信息化技术人员的研究重点。超短波中继站决定了整个网络系统的性能，通过增加VSAT 卫星小站设备，超短波中继站可以更加灵活地布局，增加超短波通信网的覆盖范围，减少中继站数量，提高链路信号质量。