基于天通卫星移动通信的物联网系统设计

张开禾，王力权，王力男

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄050081)

0 引言

物联网系统用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、环境监测、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系监测和食品溯源等多个领域[1-3]。物联网最核心部分为网络层[4-5]，负责所有数据和指令传输，是上下行数据通路。但是，目前网络层均采用地面移动通信网，受到区域限制、地形限制，以及无法防御自然灾害。卫星移动通信业务的显著特点在于可提供不受地理环境、气候条件限制的通信服务，其适用于地面通信网络覆盖不完善、通信质量无法保证、甚至无法提供服务的海洋、山区、灾区、航空和偏远地区，是地面移动通信系统和地面固定网覆盖的补充和延伸。

卫星移动通信系统是国家的战略性通信资源，在国家社会经济发展中发挥着不可替代的重要通信保障作用[6-7]。但是卫星资源有限，除紧急话音业务外，所能提供的大量数据业务较少。因此，具有数据量少，非连续发送的物联网业务已经成为卫星移动通信业务的主流应用。“天通一号”卫星移动通信民用系统是我国空间信息基础设施的重要组成部分，为中国及周边、中东和非洲等相关地区，以及太平洋、印度洋大部分海域的用户提供全天候、全天时、稳定可靠的移动通信服务，支持话音、短信息和数据业务。

目前，卫星系统数据采集应用(如位置跟踪、SOS告警等)均采用天通系统短消息功能作为信息传输网络，但短消息传输需要保持终端在网状态，终端功耗较大，造成待机时间比较短。同时，采用短消息模式传递数据时需要建立专用业务信道，建立链接时间较长，占用专用卫星资源。由于卫星功率受限，信道资源较少，这就造成同时使用该方法的物联网终端数量极少，不能满足各行各业用户的需求。因此，在已投入运营的卫星移动民用信关站中需要加入满足物联网系统特点的分系统，以满足社会需求。

1 卫星物联网概述

物联网在逻辑上可以分为感知层、网络层、平台层和应用层。认知层是由各类传感器、条形码和摄像头等组成的传感器网络，它的作用是实现对物体的感知、识别、检测及数据采集，以及反应和控制等。网络层，即由各种有线及无线节点、固定与移动网关组成的通信网络与互联网的融合体，它的作用是把认知层的数据接入网络以供上层使用。平台层是在高性能计算机和海量存储技术的支撑下，将大规模数据高效可靠地组织起来，为上层服务层提供智能的支撑平台。应用层，即物联网技术与各类行业应用相结合，通过物联网的“物物互联”实现无所不在的智能化应用，例如智能物流、智能电网、智能交通和环境监测等[8-9]。

卫星物联网是在网络层加入卫星移动通信网络，与地面通信手段智能融合[10-11]，负责下层信息传输，其架构如图1所示。

图1 全网融合物联系统架构

卫星移动通信作为物联网的网络层模式之一，其通信不受地理环境、气候条件限制，与地面其他通信手段智能融合，实现全天候，全时段万物互联。

2 卫星物联网总体设计

设计天通物联网系统主要从2个方面进行研究：物理层和协议层。物理层主要分析在现有标准信号下采用扩频体制[12-13]，作为物联网物理信道，用来传输用户信息；协议层设计主要分析在不改变传输体制的前提下，通过设计高层网络架构，优化网络节点，满足物联网系统需求。

2.1 物理层扩频体制分析

如果频带内既存在天通标准信号又存在扩频信号，针对扩频信号，卫星接收的信噪比：

式中，N为AWGN，I为频带内其他信号产生的干扰，一般：

将天通标准信号看作窄带干扰，在频域进行干扰抑制。对该方法进行了初步仿真，结果如图2所示。仿真结果表明，当占用带宽超过1/2时，信号无法解调译码。信噪比恶化情况如表1所示。

图2 干扰仿真图

表1 信噪比恶化(@误码率10-5)情况

序号干扰带宽(归一化)信噪比恶化/dB11/9(干扰带宽388 kHz)1.6421/8(干扰带宽437 kHz)1.8231/6(干扰带宽583 kHz)2.5241/3(干扰带宽1 166 kHz)6.52

综上所述，当天通一号常规载波返向频率占用达到1/2以上时，即使采用频谱消除法，也无法使用扩频体制。

2.2 协议层架构设计

鉴于扩频体制无法应用在该物联网系统，在不改变现有体制下，反向仍采用21.6 kHz载波(16 ksps的符号速率)，增加D-RACH逻辑信道用于业务回传；前向在广播信道上复用BCCH帧结构，定义D-BCCH/D-AGCH逻辑信道用来广播上行频点以及对上行数据应答。

根据天通通用模式架构及地面3GPP通信架构[14-20]，设计了一种接入网协议架构方案，用来实现卫星物联网，其架构如图3所示。

图3 物联网架构框图

物联网终端和接入网间为Uu空中接口，包括无线资管控制层(RRC)、无线链路控制层RLC、媒质接入控制层MAC和卫星物理层TT Physical组成。数据服务器与接入网之间通过Iu-T协议进行通信，包括TCP协议层、IP网络层和物理层Physical组成。

该类终端数据经过卫星链路接入接入网，由接入网进行特殊处理后，转入专用的数据服务器，经由核心网的短信网关，近而转发到指定的应用服务器。

2.2.1 GTS设计

无线收发系统(GTS)是信关站中负责接收和发射载频处理功能的软硬件实体，主要完成信关站和通信卫星之间的馈电链路无线传输功能。GTS能够完成所有波束中与物联网终端的空口信号发射和接收，并且配合GSC完成物联网模式下的资源控制和管理。

基带处理板是整个GTS的核心部分，主要实现卫星移动通信信号物理层处理[21]。设计中GTS采用DSP+FPGA架构,上行链路中的解调、同步检测、符号变换和下行链路的信道编码、符号映射部分用DSP设计实现；IR接口、上行链路中的多载波低通滤波部分用FPGA实现。其中，在多核DSP中实现了大量数据并行处理的高速矢量处理机技术，使多路数据同时进入不同的处理单元，在各自单元内同时完成运算处理。该技术数据处理速度快，数据吞吐率高，在处理大、小数据量时均能保持良好的处理性能，可满足大量基带数据处理的实时性和高效性需求，其整体架构如图4所示。

图4 GTS处理框架图

2.2.2 GSC及数据服务平台设计

该设计在核心网内不存在终端信息，没有类似HSS设备，建议终端信息在GSC内进行维护。同时转发到应用层，并对终端合法性进行确认，接入网能够通过终端标识(IMSI)区分不同的应用，以进行数据转发。

数据服务平台主要包括接口处理单元、数据处理单元和数据存储备份单元等。接口处理单元完成与其他设备之间的接口协议转换，包括与GSC完成终端数据的收发，以及对终端上行数据的确认；短消息中心接口实现对物联网数据计费处理；综合业务平台接口完成数据的计费、服务开启等功能；IP接口实现数据服务平台到互联网的转发。数据处理单元完成终端上行数据的接收，以及不同类型的数据分发到不同的应用中心。数据存储备份单元完成终端数据的循环备份，备份周期1周。其关键技术主要包括：

① 高速大容量存储：由于每个波束下数据采集终端数据较多，上报数据量较大，这就要求实时存储速率较高。设计中采用高性能处理器，并运行嵌入式实时操作系统，在解析采集数据后，能够以较高速率进行实时硬盘存储，同时，也能在控制中心调度下实现数据的回放。

② 实时任务调度：为了完成大量数量处理，包括网口接收和发送、GSC数据处理、硬盘存储和数据回放等过程，需要采用实时嵌入式操作系统，设计不同的任务优先级，并通过消息队列和信号量实现任务通信和调度。

2.3 数据流程设计

2.3.1 数据帧格式设计

终端标识用于在一定范围内唯一识别物联网中的物理和逻辑实体、资源及服务，使网络应用能够基于其对目标对象进行控制和管理，以及进行相关信息的获取、处理、传送与交换。其中，通信类标识的形式可以为电话号码，由服务器转发给相应的用户平台IP地址或终端，通信标识可以作为相对或绝对地址用于通信或寻址，用于建立到通信节点的连接。

该种方式帧内容需要包括发送端和接收端的标识：本地地址为IMSI，目的地址为电话号码，源端数据通过服务中心直接转发到目的终端。该方式报文内容可承载35个字节，其帧格式如表2所示。

表2 帧格式定义

序号名称长度内容1帧类型2 bit终端到终端帧2目的地址60 bit目的电话号码3报文长度6 bit报文实际长度4报文内容1～35 Byte实际报文内容

2.3.2 数据交互流程设计

终端和信关站的数据交互主要包括无线资源广播、数据上行传输及应答、数据下行发送等，其流程如图5所示。

图5 数据交互流程

(1)资源广播流程

当打开物联网服务时，数据服务器通知接入网建立逻辑信道D-BCCH/D-AGCH和D-RACH，接入网在通用BCCH信道中复用D-BCCH信道：

① 数据服务器通知接入网申请资源并建立逻辑信道；

② 在D-BCCH信道上通过下行消息DEDICATED SYSTEM INFORMATION广播物联网系统信息。

(2)数据上行发送流程

终端在D-RACH信道发送上行数据，接入网收到后转发给数据服务，数据服务对数据校验后，通过下行D-AGCH信道对数据进行确认：

① 终端解析D-BCCH信道内容后建立上行D-RACH信道；

② 终端发送数据时，通过上行消息INFORMATION TRANSFER REQUEST发送到网络侧；

③ 网络侧收到后，通过下行消息INFORMATION TRANSFER RESPONSE进行数据确认。

(3)数据下行发送

下行信道为复用信道，网络侧通过D-AGCH信道下发给某个终端：

网络侧向终端发送数据时，通过下行消息DEDICATEDSYSTEM INFORMATION发送到终端。

3 容量及能力分析

该系统运行后其服务区域为天通卫星覆盖的任何区域，按照每个波束配置一条前向逻辑信道的情况，系统容量为620万次/h。后续可根据需求，增加复用前向信道的数量，用户容量则能倍增。

数据报需要包括发送端和接收端的标识：本地地址为IMSI，目的地址为电话号码，源数据通过应用服务器转发到目的终端。该方式报文内容可承载35个用户字节。依据所支持的用户数据长度，卫星物联网系统可以支持业务类型包括：

① 上行百字节量级、下行十百字节量级，非连续传输；

② 上行十字节量级、下行十字节量级，非连续传输；

③ 下行十字节量级，非连续传输。

4 结束语

该方案具有如下优点：① 传输速度快。常规卫星模式传递相同量数据需要与信关站进行多次交互，多次链路时间延迟，需要十几秒才能完成数据发送和确认；该物联网方案仅采用一次交互即可实现，仅需0.6 s，传输速度远大于常规模式。② 系统功率影响小。“天通一号”卫星移动通信是前向功率受限系统，设计方案不增加前向载波，直接复用民用广播载波中高穿透寻呼信道之一，用来广播系统消息和进行数据确认，不影响原系统话音用户容量。③ 系统兼容性好。常规模式协议标准无修改，终端设计兼容原常规模式话音、短信和数据业务。

目前，该系统已安装完成，由中国电信运营试运行。