消防救援卫星通信“双模”应用研究

短波通信、超短波通信、集群通信、公网无线通信是几种传统的消防通信手段[1]，但是它们容易受到环境、信号、通信距离和灾害等多方面因素影响。卫星通信系统有着不受地域限制、覆盖范围广、通信距离远、通信机动灵活等特点[2]，能够满足语音、数据、图像、视频等综合通信需求[3]，可以实现救援现场与后方指挥中心的远距离、不间断通信，已经成为消防救援通信的一种重要手段。

现有的消防救援卫星通信地球站大多数是“单模”的，即只能接入应急管理部消防救援局（下文简称部消防救援局）专网。而公网接入往往能够为救援现场与自组网、无人机和其他综合视频平台提供灵活对接，并且可以提供应用端的开放性。本文针对消防救援卫星通信中的通信保障和应用需求，从基本属性和性能指标两方面分析专网应用和公网应用两者的区别，并提出公网和专网“双模”卫星通信站的应用建议，为消防救援中的各种专网应用和公网应用提供一种解决方案。

一、消防救援专网应用

通过在部消防救援局建立完整的卫星通信系统主站，构建消防救援卫星通信专网。为此，主站需要具备网管功能，可以对通信网内所有远端站进行统一管理。主站通过地面线路将卫星通信专网与消防指挥调度内网进行连接。各形态远端站（如便携站、车载站等）与部消防救援局中心站建立业务连接，实现应急现场与消防指挥调度内网的互联互通，各形态语音、视频和数据终端（如视频指挥箱）可通过卫星链路接入相应的图像综合管理平台、实战指挥平台和语音综合管理平台，并可通过图像综合管理平台、实战指挥平台等系统实现应急现场与部消防救援局、总队、支队等各级指挥中心之间的视频指挥。

在救援现场地球站配置专网调制解调器，各消防支队可以通过卫星链路接入指挥调度网，保障救援现场和指挥中心的实时不间断通信，整体网络结构如图1所示。消防救援队伍配备丰富的图像采集设备，可以使得专网应用具有良好的兼容性，可与视频指挥箱、布控球、单兵图传以及无人机等设备组合使用，将所采集的音视频现场画面回传至指挥调度网以及图像综合管理平台。

图1 消防救援专网应用示意图

二、消防救援公网应用

在救援现场地球站配置公网调制解调器，所需传输的音视频数据将通过天线经互联网接入到消防指挥调度网，具体接入方式与4G移动通信系统的网络接入方式[4]类似。首先，地球站与关口站建立卫星链路，通过该关口站接入互联网，同时，地球站与数据传输设备相连，为该设备提供网络接入服务。数据传输设备中的数据先接入到互联网上的现场图像传输平台，然后通过安全隔离设备进入到消防指挥调度内网，通过内外的现场图传平台中转后接入消防各级图像综合管理平台，具体接入方式如图2所示。该应用方式同样可以与视频指挥箱、布控球、单兵图传以及无人机等设备组合使用，将所采集的音视频现场画面回传至指挥调度网以及图像综合管理平台。

图2 消防救援公网应用示意图

三、两种应用模式的对比

专网应用和公网应用两种模式在组网模式、接入方式和支持应用等方面具有不同的技术特点。专网应用需要接入专用网络，因此需要建设主站和专网网管，而公网应用则无此需求，但是为了接入Internet，需要通过互联网接入关口站。关于两种模式基本特点的比较如表1所示。

表1 两种模式的基本特点比较

两种应用模式在性能要求上也有很多的不同，主要体现在以下几个方面，如表2所示。

表2 两种模式的性能要求比较

（一）丰富性

专网是一个封闭式的网络，其中的应用往往是简单或由卫星服务供应商定制的，当需要使用类似于视频会议等稍微复杂一点的应用时，需要在部消防救援局端搭建视频会议服务器，会增加部消防救援局搭建和维护这些应用的成本。封闭性使得专网接入往往在应用上捉襟见肘。

公网接入对比专网接入，最大特点在于应用的开放性，使得用户可以自由地使用Internet 上各种丰富的应用。此时部消防救援局不需要执行搭建服务器等相关要求，减少了相应的成本。另外，远端站用户可以通过卫星链路接入Internet，可以在无公网环境下继续使用微信、钉钉等常用办公和社交工具，使得应用上具备很大的灵活性。

（二）可用性

专网应用由于其系统容量、卫星资源池有限等限制，用户在使用前往往需要借助电话提前和部消防救援局网管中心预约资源，在有重大突发事件或集体训练考核任务的情况下，甚至会出现无法接入主站，或者需要排队使用的情况。无法从真正意义上实现无公网情况下的快速开通。

而公网应用由于运营商的系统规模较大，且卫星资源池较广，用户在使用时无需提前预约资源，可以做到在设备完成架设及对星过程后的一键开通建链。其高可用度切实保障了该系统在真正遇到完全无公网的情况下，可无需与主站沟通，独立快速建链。

（三）可控性

专网需要建立主站和网管，能够通过主站网管和配备的值班员对整个网络进行管控和监视，因此它的可控性高。网络中存在不同优先级的业务应用，例如，如高实时性的指挥命令、高分辨率的视频图像、长数据包分组的数据信息等。通过网管的调度策略，专网可以允许高级别用户优先接入网络，以此保障应急救援现场和指挥中心之间的指挥调度。

公网应用中的运营商主站同样配备了先进的卫星通信网管系统，该系统具备动态资源分配机制，可以实时对各种应用的服务质量进行调整，评估整个网络的资源使用情况，采取各种措施减少网络拥塞，保证用户通信的可靠性。

（四）选择性

专网系统在使用过程中，只能按照部消防救援局分配的链路进行通信，用户对于数据带宽的大小、使用的时段和市场都不具备自由的选择性。

而公网系统为用户提供了不同带宽大小和使用时长的套餐选择，可以满足用户对于不同业务类型所导致的不同带宽需求。并且，公网运营商主站提供7x24 运维服务，确保了用户在任意时刻都可以无障碍开通链路。

（五）安全性

专网建设好后，专门为不同层级的消防救援部门服务。当需要保障其中通信的安全性时，可以在网络中自由地施加双向认证、空口加密、端到端加密等多种安全策略。而且专网采用独立的网络设施，与外网是物理隔绝的，能够提供极强的安全性保障。

公网接入的方式同样可以进行不同方式的加密配置，包括基于卫星信道的加密，以及采用VPN 等方式对信息进行加密，都可以在保持公网开放性的基础上，使得数据安全性得到保障。

四、双模应用系统设计

通过上述对比可以看到，公网应用模式和专网应用模式具有各自的优点和缺点，在消防管理局统一组织的活动和任务中，专网应用模式显然更加适合；在各支队日常训练和地方性任务中，公网应用模式更加有效。因此，如果同一卫星通信地球站能够同时支持专网和公网两种应用模式，将给消防救援工作带来巨大的便利。

专网卫星通信装备和公网卫星通信装备的核心差异在于卫星调制解调器，天线、功放、LNB 等射频部分并没有差别。因此，在卫星通信地球站中集成专网和公网调制解调器，通过分合路器共用射频器件，能够构建一个双模系统，同时支持专网和公网应用模式，满足消防救援工作多样化的需求。下面以一辆应用于救援现场的卫星通信车为例，对双模应用系统的设计进行介绍，其他站型可以借鉴其中的思路。卫星通信车的双模应用架构如图3所示。

图3 双模应用系统设计架构图

在车顶安装0.8米等效口径的动中通卫星天线，并配置40WKu 波段功放及LNB，车外部分为共用部分。通信车内部机架上安装专网和公网两台卫星调制解调器，两台设备的射频出入口使用射频线缆连接至有源合分路器，再与车顶安装的功放及LNB 连接，使两台卫星调制解调器可以共用一套射频系统。有源合分路器是本系统架构中的重要部件，也是实现双模应用的关键所在，它主要由合路器和分路器两部分组成。

其中合路器用于发射端，它包含两个输入端口和一个输出端口，两个输入端口分别连接专网卫星调制解调器和公网卫星调制解调器，输出端口则连接40WKu 波段功放。合路器作用是将专网卫星调制解调器和公网卫星调制解调器发出的射频信号合为一路信号，送到天线发射的射频器件，并且对各个卫星调制解调器进行有效的隔离，尽量减少信号之间的相互干扰。端口隔离度是合路器的一个比较重要的指标，用于描述两路信号互不影响的能力。

分路器则用于接收端，它包含一个输入端口和两个输出端口，两个输出端口分别连接专网卫星调制解调器和公网卫星调制解调器，输入端口接收Ku 波段LNB 的信号。分路器的作用是将天线接收到的射频信号中的专网信号和公网信号分离为两路单一的信号，分别输出到专网卫星调制解调器和公网卫星调制解调器。它里面由放大器和耦合器组成，具有一定的增益，可以补偿信号在传输过程中的损害，以保证每个卫星调制解调器端的信号强度满足要求，因此它很好地解决了双模应用系统产生的信号衰减等问题。

该双模应用系统支持专网、公网单独使用和同时使用，需要配备良好的控制软件和设备。操作人员使用该系统时，可以通过控制设备的开关来切换系统的运行状态，并且在天线系统中预设了每个分系统所使用的卫星信息参数，同样可以做到天线姿态的一键切换。

两套卫星通信设备的业务接口在车内接入了同一个交换系统，并与该车辆的车载业务系统对接，操作人员在进行卫通系统切换的时候无需进行任何线缆插拔、接口变更等操作，两条卫星通路均可实现业务系统的建链功能。在该架构的支持下，车载业务系统具备良好的可扩展性，各种专网应用和公网应用可以灵活部署。

五、结语

消防救援现场通常使用卫星通信便携站、动中通车载站[5]等，可以实现救援现场与后方指挥中心的远距离、不间断和机动的通信。在远端站使用公网接入的方式能够提供各种灵活多变的应用，满足消防救援的不同应用需求，提高救援工作的效率。公网应用凭借其优异的丰富性、可用性和选择性使其成为专网应用的完美补充。因此，在消防卫星通信系统的建设中，可以集两家之长，通过在救援现场的卫星通信站配置专网和公网的调制解调器，形成“双模”卫星通信地球站，通过公网接入提供快速且丰富的应用，但需要高度管控统一调配的时候，又可以切换为专网接入，通过多种通信通道，能够确保应急通信的灵活机动和稳定可靠。因此，对于消防救援卫星通信应该坚持专网建设，结合公网优势，让两者在通信保障上形成合力。