基于卫星通信的无人岛通信系统设计

蔡亚军 万隆君 徐轶群 徐风云

摘 要：无人岛的开发利用对维护国家海洋权益和促进社会经济发展具有重要意义，而通信系统的建立是無人海岛开发利用的重要一环。文中应用卫星通信方式，快速组建无人岛通信系统，实现了无人岛上用户通过智能手机WiFi热点接入宽带卫星，在卫星模型下拨打电话、发送短信、接收电子邮件等功能。并结合软件功能需求分析，确定平台功能模块，设计了基于B/S架构的无人岛语音通信管理平台，对系统的语音通信数据进行分类统计，实现了对语音通信系统的远程监管功能。

关键词：无人岛；卫星通信；管理平台；B/S架构

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）04-00-03

0 引 言

无人岛是指没有户籍居民居住的岛屿。据国家海洋局公布的数据，我国面积超过500 m2的无人岛有6 500多个，500m2以下的岛屿数以万计，均为无居民海岛[1]。无人岛的开发是我国发展海洋事业的重要内容，海岛经济将成为我国沿海各省的重要发展方向，关于无人岛屿通信系统的建设需求日益迫切。

海底光缆通信是一项复杂的系统工程， 需要沿线铺设，线路易被破坏，工程量大，建设和维护成本高；移动通信需要建设海岛基站，设备材料搬运费用高，信号传输不稳定，施工及维护要求高，且信号仅覆盖了近海，对于处于远海的无人岛来讲，没有建设意义。相对于海底光缆通信和移动通信，卫星通信具有覆盖面广、频带宽、容量大，性能稳定可靠，搭建方便、机动灵活，成本与传输距离无关等优点[2]，并且随着低成本宽带卫星技术的发展，卫星通信技术在海岛通信领域将有更广阔的发展前景，无人岛通信系统的建立是为了方便无人岛资源的开发利用，而以最低成本、最快速度搭建通信系统是开发人员考虑的首要问题。因此针对无人岛屿通信，采取卫星通信方式比其他两种通信方式更符合实际。

文献[3]对卫星通信的发展做了介绍，并分析了卫星通信的发展趋势；文献[4]提出了模块化组建便携式卫星小站的思路，但系统多应用于应急通信领域；文献[5]介绍了移动终端通过宽带卫星接入网络的技术方法，但并未进一步开发语音通信管理平台；文献[6]介绍了移动通信海岛基站的建设目的，并提出了解决方案，但投资过大，现实困难较多；基于文献[7]设计的海岛小型通信系统，研究了更适应无人岛现实条件的基于卫星通信的无人岛通信系统。

1 系统架构

1.1 系统构架设计

本系统主要由卫星地面站系统、微基站或大功率WiFi模块、北斗终端和若干用户手机组成，系统架构如图1所示。卫星地面站系统主要用于接收卫星网络信号，由地面站天线、卫星调制解调器、低噪声放大下变频模块LNB、上变频功率放大模块BUC（功放）、功分器、软波导、多业务路由器、工作站、连接器材等组成，卫星地面站设备连接示意图如图2所示。微基站或大功率WiFi模块包含VOIP语音网关和无线路由功能，前者可通过SIP协议实现使用智能手机拨打IP电话的功能[8]，后者将网络信号传输给智能手机。北斗终端可实现通过北斗卫星短报文通信向后台发送短消息的功能。

1.2 系统软件架构

根据系统的功能特点，设计了图3所示的系统软件构架图。该系统从逻辑上分为三个层次，即用户界面层、服务层、数据层。

用户界面层由用户认证界面、用户拨号界面、计时计费界面组成，采用Portal进行用户认证，在连接WiFi热点后，通过互联网浏览器发起访问请求，Portal服务器向用户推送认证页面。用户只需输入正确的用户名和密码并点击确定，认证成功后即可实现上网功能[9]。通过网页认证的用户信息将被保存在白名单数据库中，用户再次使用本系统时无需进行二次注册。用户拨号界面和计时计费界面指手机语音通话软件界面。

服务层主要由语音通信服务和无线网络服务组成。用户通过语音通话软件的用户拨号界面即可进行实时语音通信，同时还可以通过无线网络发送短信、接收电子邮件，以及使用一些社交媒体和实时通信应用程序等服务。

数据层主要由用户信息数据库、语音通信数据库组成，用户信息数据库用以管理服务器白名单信息，并对其加密保存，确保信息不丢失、不泄露，语音通信记录数据库用于存储用户的语音通话数据，包括通话时间，通话时长，主叫或被叫等信息。

1.3 流量值分配

无人岛通信系统用户的流量值分配是指通信卫星分配给无人岛通信系统的带宽值。带宽分配又分为固定分配和按需分配，从本系统的应用前景来看，带宽按需分配机制有利于提高网络资源的利用率，提高服务质量（QoS）。考虑到本系统构成简单方便，主要实现语音通信功能，所需带宽较为稳定，且每个用户都处于相同的优先级，因此采用文献[10]提出的基于完全共享的带宽分配策略。无人岛上用户数量通过用户手机连接WiFi热点后确定，并通过北斗终端短报文通信功能，将岛上的用户数量经北斗卫星发送到系统后台，后台根据用户数量计算所需带宽并向宽带卫星发送带宽请求，带宽请求流程如图4所示。

分配算法：假设C为系统的总带宽，N为无人岛的数量，ui为无人岛i上一手机用户所需的带宽，根据G723语音编解码标准，语音通话带宽约占22.9 k/s，因此每个手机用户所需带宽取22.9 k/s。Ui为无人岛i请求的带宽，ni为无人岛i的手机用户数量，因此Ui=ui×ni。Vi为N个无人岛所需的总带宽，Wi为Vi>C时i岛分配的带宽。流量值分配算法如图5所示。

2 通信管理软件设计

考虑到本通信系统采用的卫星通信带宽资源有限，因此设计了语音通信管理平台，对系统的语音通信数据进行统计分类管理，为系统管理员提供远程监管功能，让无人岛通信系统的管理更加便捷有效。

2.1 软件开发相关技术

无人岛语音通信管理平台基于B/S架构设计，是一款动态网站平台，选择Java作为其后台程序开发语言，JSP作为前台脚本开发语言设计通信管理软件平台。搭建以Windows操作系统、Tomcat服务器、MySQL数据库为基础的开发环境。选用Eclipse作为平台软件开发工具。

2.2 软件功能需求分析

设计本平台的目的在于方便系统管理员对本系统进行科学有效的监管，因此平台具备以下功能：

（1）平台应方便随时随地对通信系统实施监管。采用B/S架构，系统管理员只需通过连接互联网的浏览器即可登录本平台，查看本系统内的语音通信数据。

（2）平台应具有设置手机用户通话权限的功能，只需在平台上进行设置，即可更改手机用户权限。

（3）平台应能够记录分机用户的通话数据，方便管理员对语音通话信息进行统计。

（4）平台应能配置更新平台用户的账号密码，并具备对全部用户信息进行管理的功能。

2.3 系统功能设计

系统设计适用于所有安装本通信系统的无人岛用户，结合语音通话平台的功能需求，设计系统功能如图6所示。系统共包含五个功能，包括用户状态管理、呼叫日志管理、系统日志管理、用户管理，其中用户管理模块仅供系统超级管理员使用，其余功能模块各系统管理员均可使用。系统还具备一个后台功能模块用于数据转存。系统后台服务器访问语音网关中的临时通信数据，将一段时间内的数据转存到系统后台数据库中，并通过调用数据库信息在平台页面显示。系统管理员通过浏览器访问语音管理平台网页，就能对整个语音通信系统进行监管。

2.3.1 登录界面及主页

无人岛语音通信管理平台登录界面如图7所示。系统管理员登录平台需要输入用户名（邮箱）和密码，提供记住密码功能，方便用户登录，若用户忘记密码，可点击“忘记密码”重新设置密码。

2.3.2 用户状态管理

用户状态是指手机用户的状态信息，当岛上的用户手机连接网络管理员提供的WiFi热点后，通过智能手机中安装的语音通话软件就可实现拨打IP电话的功能。用户状态管理页面参数主要包括分机编号、线路编号、呼叫权限、计流量功能、语音信箱、通话状态。在用户状态管理页面，用户可根据自身管理权限查看权限系统内每个手机用户的状态信息，并且可通过网关自带的获取流量接口计算手机用户使用的流量值，并将该信息发送至手机用户语音信箱。由于本平台还未在无人岛屿进行试验，因此以下所有页面中的数据均为假设数据。用户状态管理功能如图8所示。

2.3.3 呼叫日志管理

呼叫日志管理页面设置的参数包括ID编号，通话类型，呼叫开始时间，呼叫结束时间，通话时长，主叫号码，被叫号码。用户输入起始时间和结束时间，并点击查询后，即可查询到平台权限内所有用户分机在该时间段内的所有语音通话记录。呼叫日志管理如图9所示。

2.3.4 系统日志管理

系统日志用以记录系统发生事件的信息。系统管理员可通过查看系统日志，及时发现系统发生的故障，确保系统良好运行。管理员进入系统日志管理后，可查看一段时间内的系统事件，同时支持导出系统日志文件。系统事件的参数包括事件ID，事件类型，事件发生时间，发生主体。系统日志管理如图10所示。

2.3.5 用户管理

用户管理页面的主要参数包括用户名、密码、所属公司、电子邮箱、电话、权限等，登录用户的账号密码，可对用户权限进行设置。本功能模块主要显示各用户信息，如图11所示。

2.3.6 数据转存功能

由于VOIP语音网关的存储空间较小，数据存储能力有限，并且语音网关会定期清空存储的数据，为保留历史数据方便用户审查，将通过平台服务器定时访问采集语音网关的通信数据转存入后台数据库。该数据存储机制如图12所示。

3 结 语

本系统利用宽带卫星通信技术实现了无人岛手机用户在卫星模型下拨打电话、发送短信、接收电子邮件，以及使用一些社交媒体和实时通信应用程序等功能，能够让无人岛手机用户在无三大通信运营商信号覆盖的情况下进行语音通话和发送求救信号。解决了无人岛用户通信困难的问题，在应用上创新性地将智能手机接入卫星网络资源进行通信，为无人岛通信领域的发展提供了新的思路。并为系统管理人员设计了语音通信管理平台，可实现对通信系统的远程监管。未来将进行无人岛通信实验，进一步完善本系统，争取早日投入使用。

参考文献

[1]刘永刚，于彬.辽宁海岛经济与无人岛的开发利用（上）[J].辽宁经济，2013（1）：75-79.

[2]毕亚平.浅谈三种常见的通信技术及未来发展的创新点[J].科学之友，2013（7）：142-143.

[3]杜青，夏克文，乔延华.卫星通信发展动态[J].无线通信技术，2010，19（3）：24-29.

[4]安徽.综合业务卫星通信便携小站系统设计方案[D].北京：北京邮电大学，2011.

[5]张轶.基于宽带卫星系统的通信平台的設计与实现[D].北京：北京交通大学， 2007.

[6]王旭，安钢.浅析移动通信海岛基站的设计及难点[J].邮电设计技术，2015（2）：42-46.

[7]林睿，徐轶群.宽带卫星通信在小型海岛通信中的应用研究[J].微型机与应用，2017，36（16）：70-72，77.

[8]王凤妮.基于SIP协议的可视VOIP终端系统研究及设计[D].西安：西安电子科技大学，2007.

[9]周来雷.WiFi城域网接入认证的设计与实现[D].青岛：中国石油大学（华东）， 2013.

[10]秦勇，张军，张涛.基于带宽按需分配的宽带卫星无线资源管理技术研究综述[J].计算机科学，2010，37（2）：23-30.