电力应急通信系统中快速建链技术研究*

（广东电网有限责任公司电力调度控制中心，广东 广州 510000）

0 引言

近些年，伴随全球化气候的变暖和环境的复杂多变，各种天气、地质等自然灾害发生得越来越频繁。我国每年都遭受大量的自然灾害侵袭，会摧毁城市的基础设施（包括电力设施和通信设施等）。这种情况下需要及时掌握受灾现场的实时信息，并快速建立通信渠道以实施有效救援。如果电力通信网络全部中断，应急通信系统可以解决指挥中心与应急抢修现场的远程联络，保证整个电力通信的网络畅通。因此，未来提升电力系统的安全性和稳定性，需要建立应急通信系统[1-3]。

电力是经济社会发展的重要支柱。电力应急通信体系是保障电网安全运行的重要手段。电力应急通信体系主要包括视频会议指挥系统、卫星通信系统、超短波通信系统、无人机、组网应用、便携终端以及应急通信车等[4-6]。卫星通信利用外层空间的人造通信卫星作为中继进行通信，具有覆盖面积广、通信距离远、适用于多种业务、通信容量大、组网灵活、通信质量高、通信链路稳定可靠以及不易受环境条件影响等特点。因此，卫星通信网成为国家电力通信网骨干通信电路的重要组成部分，也是应急通信的主要手段。灾后24 h 内的救援时机非常重要。快速建立应急卫星通信网络是建立可靠应急指挥通信网络的前提[7-9]。目前，卫星重叠通信技术是快速建立卫星通信链路的研究热点之一。

本文首先描述主流的电力应急通信系统的主要功能和组成结构，其次介绍卫星通信系统在电力应急通信系统中的作用，再次介绍卫星重叠通信技术的原理，最后基于亚洲5 号卫星搭建了一个仿真验证模型，为电力系统中应急通信的快速组网提供参考。

1 电力应急通信系统现状

1.1 电力应急通信系统组成

我国电力应急通信系统通常由应急指挥中心、卫星转发器和多个远端站组成，从而形成一个信息收集发布网络，支持点播、组播和广播等多种业务发布形式。传输的业务类型包括遥控遥测、音频和视频信息等，支持实时音频、视频播放和存储功能。飞行器遥控遥测指令的下发和状态回报。我国电力应急通信系统组成如图1 所示。

指挥中心是应急指挥总部，全面负责应急救援工作。一般配置固定中心站，接收各方面采集的受灾现场行信息，并对信息汇总和存储后，将最新的指挥命令发布给现场救援小分队和前方指挥所。

图1 电力应急通信系统组成

应急通信车作为前方指挥所是现场指挥中心，直接负责指挥、协调现场的救援工作。应急通信车可开到离现场较近的位置，同时与指挥中心和现场救援小分队进行话音和低速数据通信。

救援现场为各救援小分队配备便携终端，单人可背负。便携终端通过接入应急卫星通信系统或无线公网，从而实现与应急通信车或指挥中心的联络。

无人机兼具数据采集和挂载能力。搭载的可见光或红外探头可实现对象巡视、拍摄及分析，可以快速观察到受灾地区的受损情况，为救援方案的制定和救援物资的投放提供帮助。

在基础通信设施可能受损严重的情况下，卫星通信网是电力应急通信系统的基础支撑通信方式。但是，在一些灾情不严重的场景下，公网4G/5G 可以作为备用通信网络[10-13]。

1.2 指挥中心架构设计

从功能上分析，指挥中心需要通过卫星链路实现与前方终端（包括应急通信车、便携终端、无人机等）的通信，需要实现视频会议，需要实现用户管理、网络资源管理以及业务数据存储、交换、转发等功能。因此，可以把指挥中心分为管理子系统、信道子系统和天线子系统。

1.2.1 管理子系统

管理子系统可以集成视频会议、用户管理、终端用户管理以及业务数据存储、交换、转发等功能。如图2 所示，它由用户管理服务器、数据库服务器和视频会议服务器组成。管理子系统各硬件平台对外接口为以太网口，各服务器配置相关客户端软件。

图2 指挥中心管理子系统设备组成

（1）终端用户主要包括前方现场的应急通信车、无人机以及便携终端等设备，通过信道子系统处理，得到基于IP 的数据包接入交换机。

（2）用户管理服务器用于用户相关信息的管理。软件模块划分如图3 所示。

图3 用户管理服务器功能模块结构

具备的功能：①支持TCP 连接；②对所有用户信息进行增加、删除以及修改等管理操作；③对用户的合法性；④应用基本功能、日志记录、状态反馈以及信息设定等；⑤终端用户的控制功能和无人机飞控配置等。

（3）数据库服务器用于系统中各项信息的数据存储。软件模块划分如图4 所示。

图4 数据库服务器功能模块结构

具备的功能：①支持TCP 连接；②保存和备份所有用户信息数据；②保存和备份所有视频和图像数据；③保存和备份对终端用户下发的控制指令。

（4）视频会议服务器用于为电力企业日常管理、应急指挥提供符合电力特殊需求的视频会议业务。软件模块划分如图5 所示。

图5 视频会议服务器功能模块结构

具备的功能：①支持TCP 连接；②支持会议数据的录制、回放；②支持多画面显示、多分辨率显示；③支持文件共享和文件传输；④支持多人同时在线。

1.2.2 信道子系统

指挥中心信道子系统包括的信道处理设备集成了卫星信号调制解调和业务接入功能，由若干调制解调器组成。

调制器将数字化后的用户业务数据进行信道纠错编码和数字载波调制，并变换为中频信号后送入天线子系统。天线子系统接收处理后的中频信号进入解调器完成数字信号解调和译码，再产生数字化的用户业务数据。

目前多采用一体化设计，将调制器和解调器融合集成。支持多通道调制解调的终端通信设备很常见。为了降低成本、提高设备的集成度，许多卫星通信设备厂商在同一个设备中集成了调制解调、业务接入以及管理控制功能，一般称这类设备为信道终端设备。

1.2.3 天线子系统

天线子系统主要实现无线信号的发射与接收功能。射频发射部分主要包括上变频器和功率放大器。上变频器将调制器输出的中频信号调制到射频频段，然后放大调制后的信号功率，通过天线将放大后的信号辐射到卫星。射频接收部分主要包括低噪声放大器和下变频器。低噪声放大器将天线收到的极弱的射频信号放大，然后经下变频器转换到中频，最终将中频信号送到后端解调器进行解调。为了进行正常的业务互通，通信过程天线主波束应该永远对准卫星。

由于指挥中心的发送信息量较大，因此需要较高功率的载波来发送信息。所以，需要配置较大功率和较大口径的天线，不但便于远端终端设备可以使用较小口径天线接收其发送的低速数据业务，而且可以进行微弱信号的接收。

1.3 现场救援架构设计

国家电网公司在编制完成的“十三五”通信规划中明确“必须要完善应急通信手段”的工作要求。其中，应急通信车、便携设备以及无人机等都是满足这一要求的选择[14]。

应急通信车搭载的车载管理平台系统可以解决电力应急通信中音、视频传输互动应用与数据传输，以及电力作业与指挥调度的功能要求，也可以解决目前电力应急抢险、工程施工勘察以及现场检测评估等各类型环境下所需解决的临时通信传输问题。应急通信车可以构建出前方应急指挥小组工作平台，通过无线通信、卫星传输等通信方式，及时接收指挥中心发出的应急指挥命令，并且可以与电力应急指挥中心快速形成指挥网络。

便携设备可以分为便携站和卫星电话两类，均采用天线、射频以及基带处理一体化设计，需要具有体积小、质量轻、功耗低以及简易使用的特点。便携设备一般由接收单元、业务单元、发射单元和音视频单元组成。接收单元主要接收来自指挥中心发布的各种信息，完成文本信息的提取和音频信息解压缩，经由接口单元适配后，将显示信息和音频信息发送到业务单元。业务单元可以进行各种业务信息的显示和播放，还可以产生应急警报信号。便携设备装配的音视频采集器可以将受灾现场情况，压缩编码后经发射单元发送给指挥中心[15]。

无人机接收指挥中心发出的遥控遥测指令，进行高分辨率图像、视频拍摄，或者应急物资的定点投放作业，可以保障受灾严重地区的可靠通信。

2 电力应急通信中的卫星链路

卫星通信属于与宇宙空间有关的无线电通信，是地球上的无线电通信站利用人造通信卫星作中继站进行的通信。如图6 所示，卫星通信实际上是利用通信卫星作为中继站的一种特殊的微波中继通信方式[16]。

图6 卫星作为中继站进行通信

2.1 卫星通信系统组成

电力应急通信系统中卫星链路的组成如图7 所示，主要由通信卫星、地球站、监控管理系统以及跟踪遥测系统组成。

图7 卫星通信系统组成

通信卫星作为通信中继站，由转发器和天线完成将所有地面站发出的信号转发到对方地面站的工作。

地球站是让用户接入卫星链路进行无线通信的无线电微波收发设备。电力应急通信系统中的卫星通信地球站包括应急通信车、便携终端、无人机以及指挥中心天线信道设备。

跟踪遥测系统和监控管理系统一般由卫星公司运营。相关政府部门建设的电力应急通信系统只是申请租用相应的卫星转发器资源，并不涉及通信卫星的跟踪遥测系统。所以，在电力应急通信系统中，只把各地球站和通信卫星组成的通信网络称为卫星通信系统。

2.2 卫星通信链路

电力应急通信系统中的卫星通信链路包含从地球站到卫星的上行链路和从卫星到地球站的下行链路，还有可能包括2 个卫星之间的星间链路。卫星通信的上行链路和下行链路是射频载波链路，星间链路是射频载波链路或激光链路。各种类型的链路不但有信号传输，而且链路中存在噪声和干扰。卫星通信链路的快速建立，是实现电力应急通信系统中指挥中心、应急通信车和其他便携终端信息沟通的桥梁。

电力应急通信系统中的卫星通信链路应用的多址方式主要有以下几种。

2.2.1 频分多址

频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）方式是当多个地球站公用卫星转发器时，根据不同的载频来区分各地球站的站址，即把各站发射的信号配置在转发器不同的频率位置上。各站接收时，根据不同的载频区分各站的站址。

2.2.2 时分多址

时分多址（Time Division Multiple Address，TDMA）方式是指各地球站在定时同步系统的控制下，只能在指定的时隙内向卫星发射信号，时间上互不重叠。卫星转发器将地球站各地球站发来的信号按时序转发出去。

2.2.3 码分多址

码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）方式是一种扩展频谱系统，分为直接序列码分多址（Diret Sequence-Code Division Multiple Access，DSCDMA）和跳频码分多址（Frequency Hopping-Code Division Multiple Access，FH-CDMA）。DS-CDMA将已调的PSK 信号频谱展宽，调制信号发射功率谱密度低，信号掩埋在噪音下系统仍可以工作。FHCDMA 采用跳频方式，载波在很宽的频带内近似随机跳变，从而躲避干扰。

2.2.4 空分多址

空分多址（Space Division Multiple Address，SDMA）方式是指根据卫星上许多不同空间指向的波束来区分（或覆盖）不同地域的地球站的地址。

电力应急通信系统中，卫星通信链路的建立离不开我国上空的卫星转发器资源租用。租用通信卫星转发器资源的经费与租用带宽大小、时间长短、功率使用情况、有无特殊要求等因素有关。由于应急事件具有随机性和不确定性，长期租用转发器会导致卫星资源的浪费。如果应急事件发生后临时租用转发器，又难以保证时效性。此时，卫星重叠通信可望在一定程度上缓解这一矛盾[17]。

3 卫星重叠通信技术

卫星重叠通信是指在紧急情况下，将应急卫星通信系统的有用信号与转发器上原有授权卫星通信系统的通信信号共频带传输，实现较短时间内的小容量应急通信组网，特别适合在突发情况下，电力通信专网遭受严重破坏，指挥中心急需与受灾现场实现远距离音、视频通信的要求。

3.1 卫星重叠通信技术概述

在电力应急通信系统中，卫星重叠通信是将指挥中心发射机发出的目标信号叠加于已有的卫星通信系统上，通过借用卫星转发器实现信号的传输。目标信号经过特殊处理后，被借用的卫星系统就视叠加的信号为背景噪声。目标信号与信道加性噪声统计独立，因此对卫星原业务信号而言，仅使信道的噪声功率谱密度发生一定程度的变化。

基于以上特点，卫星重叠通信采用抗干扰能力强的DS-CDMA 技术，如图8 所示。卫星转发器上原有授权通信信号可能是CDMA、TDMA 或FDMA信号，且功率不等。与多载波共频带传输时，叠加的DS 扩频信号可以看作与信道加性白高斯噪声统计独立的白噪声。对DS 扩频信号而言，多载波信号对它的影响很复杂，对不同发射功率、信号带宽和中心频率位置的窄带信号带来的影响不同。

图8 卫星重叠通信的多载波共频带传输

3.2 卫星重叠通信实施方案

卫星重叠通信技术的可行性已经被论证[18-19]。而将电力应急通信系统中用户站接入卫星通信网络的核心是依据卫星参数计算系统总的发射功率，保证重叠系统可以兼容授权用户和“借用”用户的兼容性。下面介绍目前可行的一种实施方案[20]。

步骤1：确定授权通信系统可以允许的上行链路性能恶化量λ，一般假设为1 dB。

式中：LU为上行链路的自由空间损耗；k为波尔兹曼常数，为-228.6 dBJ/K；B为重叠扩频信号的带宽。

步骤4：计算卫星转发器的增益GS。

式中，EIRPSS为单载波时转发器的饱和输出功率，BOi为转发器的输入补偿，BOo为转发器的输出补偿，SFD为转发器的饱和通量密度。

步骤5：计算重叠扩频信号的下行载噪比。

式中，EIRPJ_i为用户i的发射功率，Bi为用户i的信号带宽。

步骤8：计算重叠扩频信号的最大的传输速率[Rb]。

4 系统仿真

根据3.2 节介绍的电力通信系统中卫星重叠通信方案搭建测试模型，假设电力应急通信系统中卫星重叠通信系统使用亚洲5 号卫星进行通信，工作在C 频段，采用星状网组网。亚洲5 号卫星主要技术参数如表1 所示。

表1 亚洲5 号卫星C 频段卫星主要技术参数表

计算上行空间自由损耗：

计算下行空间自由损耗：

根据式（3）计算卫星转发器的增益GS：

根据式（4）计算重叠扩频信号的下行载噪比

根据式（5）计算重叠扩频信号总的载噪比

假定授权用户比最大全向辐射功率低3 dBW，根据式（6）～式（8）计算卫星接收到的总的授权用户载噪比：

根据式（9）计算重叠扩频信号的最大的传输速率[Rb]：

如图10 所示，如果授权系统信号允许的恶化量不同，重叠扩频信号的最大的传输速率[Rb]也不同。

图10 重叠信号最大传输速率与授权信号恶化量的关系

5 结语

针对我国对突发灾害中电力工业恢复效率要求的提升，电力应急通信系统是电网通信系统必不可少的组成部分。本文从组成架构的角度出发，介绍目前我国电力应急通信系统的各子系统及其功能。由于光缆接入和电力线接入的通信模式极易受自然灾害的破坏性而损毁，因此本文阐述了卫星通信在电力应急通信系统中无可替代的重要作用。考虑到组建电力应急通信系统卫星专网成本高且浪费资源，考虑引入卫星重叠扩频通信技术，并介绍了一种快速打通卫星通信链路的应用方案。最后，以亚洲5 号卫星为例搭建了测试模型，给出了Matlab 仿真结果。本文介绍的电力应急通信系统中卫星通信快速建链的方法具有较强的实际使用价值，在工程实现中能够得到应用。