基于北斗和移動通信的應(yīng)急通信保障系統(tǒng)設(shè)計

李 博，袁永衛(wèi)

(1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點實驗室，河北 石家莊 050081; 2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

隨著信息時代的飛速發(fā)展，移動通信技術(shù)也在不斷更新?lián)Q代。3G、4G技術(shù)在短短數(shù)年時間就取得了突破性進展，用戶數(shù)量也迅猛增長，給人們生活帶來極大便利。然而，在一些特殊地區(qū)，受到移動基站的布設(shè)和維護成本以及使用量極少等因素的限制，基本沒有移動通信信號覆蓋，一旦進入這些區(qū)域，將無法與外界取得聯(lián)系[1]。

衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)(RDSS)[2]是我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所特有的業(yè)務(wù)功能，具備全天候、全天時的通信能力，能夠支持北斗用戶之間進行短報文通信，在無移動通信信號覆蓋區(qū)域通信方面具有明顯優(yōu)勢，可提供安全、可靠的通信保障[3]，國內(nèi)在應(yīng)急通信保障方面也有很多這方面的應(yīng)用，但是僅限于北斗終端之間的通信，無法實現(xiàn)北斗終端與移動通信終端(手機)之間的互聯(lián)互通。

本文設(shè)計的基于北斗和移動通信的應(yīng)急通信保障系統(tǒng)，是將北斗RDSS業(yè)務(wù)與移動通信業(yè)務(wù)相結(jié)合，實現(xiàn)北斗通信網(wǎng)與移動通信網(wǎng)的互聯(lián)互通，進而實現(xiàn)北斗應(yīng)用終端與移動手機終端之間短報文—短信的互發(fā)，解決了特殊區(qū)域與外界通信難、區(qū)域內(nèi)目標(biāo)無法監(jiān)視等難題，為特殊區(qū)域內(nèi)各項人類活動提供通信保障。

1 系統(tǒng)體系架構(gòu)

基于北斗和移動通信的應(yīng)急通信保障系統(tǒng)設(shè)計，具備業(yè)務(wù)融合、網(wǎng)絡(luò)集成、雙向?qū)崟r通信和靈活可控的特點，系統(tǒng)在通信模式、協(xié)議設(shè)計和轉(zhuǎn)發(fā)尋址等方面涉及多項關(guān)鍵技術(shù)，保證系統(tǒng)能夠提供安全可靠的應(yīng)急通信保障。

1.1 廣域連續(xù)通信無縫集成技術(shù)

移動通信基站的布設(shè)，由于受到各方面因素的限制，在一些特殊地區(qū)無法實現(xiàn)全域覆蓋，導(dǎo)致該區(qū)域的人類活動受限；而北斗RDSS能夠提供廣域覆蓋，全天時通信，能夠為特殊區(qū)域人類活動提供通信服務(wù)保障[4]。基于北斗和移動通信的應(yīng)急通信保障系統(tǒng)，充分考慮二者在通信方面的優(yōu)勢，實現(xiàn)北斗和移動通信的無縫集成[5]。

正常情況下，用戶可通過移動通信網(wǎng)絡(luò)進行信息交互，當(dāng)用戶到達(dá)無移動通信信號覆蓋區(qū)域后，系統(tǒng)中北斗手持型用戶終端會自動切換到北斗鏈路與后臺進行信息交互；同理，當(dāng)用戶重新到達(dá)移動通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域后，系統(tǒng)中北斗手持型用戶終端會自動切換到移動通信鏈路進行信息交互，從而形成在廣域范圍內(nèi)的應(yīng)急通信能力，將人類活動由區(qū)域擴展至全域范圍。

1.2 高效的轉(zhuǎn)發(fā)尋址技術(shù)

北斗與移動通信之間進行雙向通信時，需要實現(xiàn)通信轉(zhuǎn)發(fā)時的雙向?qū)ぶ罚虼耍⒈倍酚脩襞c移動通信終端用戶之間的雙向?qū)ぶ匪饕軌蚩焖賹崿F(xiàn)目的代號向目的用戶的尋址檢索，從而提高通信轉(zhuǎn)發(fā)的效率[6]。尋址索引如圖1和圖2所示。

圖1 尋址索引示意圖1

圖2 尋址索引示意圖2

1.3 自動分包處理技術(shù)

受北斗RDSS以及移動通信通道容量的限制，北斗通信單次最多只支持420BYTE的數(shù)據(jù)傳輸，而移動短信最多只支持140BYTE的數(shù)據(jù)傳輸，若要進行長報文通信，則需要分多次發(fā)送。移動通信長信息傳輸，系統(tǒng)可自動完成分包處理，本文所涉及的自動分包處理技術(shù)主要針對北斗長報文傳輸。對通信協(xié)議進行優(yōu)化設(shè)計，以適應(yīng)長報文傳輸?shù)男枰鐖D3所示。

圖3 分包傳輸示意圖

北斗手持型用戶機按照北斗通信傳輸頻度，將長報文分成n包，通過北斗鏈路發(fā)送到應(yīng)急通信保障中心，應(yīng)急通信保障中心收到所有數(shù)據(jù)包后，將n包數(shù)據(jù)按包序組合還原成長報文信息，反之亦然。

若傳輸過程中出現(xiàn)丟包情況，則應(yīng)急通信保障中心通過北斗鏈路向北斗手持型用戶機發(fā)送丟包數(shù)據(jù)請求，若每個丟包3次請求內(nèi)能夠獲取到丟包數(shù)據(jù)，則可組合成完整的長報文；否則，應(yīng)急通信保障中心通過北斗鏈路向北斗手持型用戶機發(fā)送長報文傳輸失敗通知，本次長報文傳輸失敗。

通過對傳輸信息進行分包和組包處理，可實現(xiàn)長報文通信的自動化傳輸。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

基于北斗和移動通信的應(yīng)急通信保障系統(tǒng)由北斗應(yīng)用終端、短信收發(fā)設(shè)備、移動通信終端、應(yīng)急通信服務(wù)器以及應(yīng)急通信服務(wù)平臺軟件構(gòu)成，各組成部分在北斗通信網(wǎng)和移動通信網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施組成的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)支持下，完成北斗短報文和移動短信的收發(fā)[7-8]。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

北斗應(yīng)用終端包括北斗手持/車載型用戶機和北斗指揮型用戶機。北斗手持/車載型用戶機用于進入特殊區(qū)域人員/車輛攜帶使用；北斗指揮型用戶機部署在應(yīng)急通信保障中心，提供應(yīng)急通信保障服務(wù)。北斗手持/車載型用戶機與北斗指揮型用戶機之間通過北斗RDSS鏈路進行短報文通信。

短信收發(fā)是具備移動短信收發(fā)功能的通信設(shè)備，通過通信基站實現(xiàn)與移動通信終端(手機)的短信收發(fā)，其容量的大小可根據(jù)業(yè)務(wù)量的大小進行選擇。短信收發(fā)設(shè)備部署在應(yīng)急通信保障中心，提供應(yīng)急通信保障服務(wù)。

應(yīng)急通信服務(wù)器部署了應(yīng)急通信服務(wù)平臺軟件，負(fù)責(zé)對北斗指揮型用戶機和短信收發(fā)設(shè)備進行管理，提供北斗短報文和移動短信之間的轉(zhuǎn)發(fā)與尋址服務(wù)。

2.1 系統(tǒng)功能

基于北斗和移動通信的應(yīng)急通信保障系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)北斗手持/車載型用戶機與移動通信終端的互聯(lián)互通、北斗手持/車載型用戶的實時位置監(jiān)視、監(jiān)視軌跡的事后回放，以及對北斗手持/車載型用戶機以及移動通信終端進行管理[9-10]。

2.1.1 通信服務(wù)功能

該系統(tǒng)能夠提供北斗手持/車載型用戶機與移動通信終端之間的短報文—短信收發(fā)服務(wù)。當(dāng)北斗手持/車載型用戶機與移動通信終端通信時，需經(jīng)過北斗通信服務(wù)平臺進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，再將轉(zhuǎn)換后的短報文/短信發(fā)送至目標(biāo)終端設(shè)備。

2.1.2 實時監(jiān)視功能

該系統(tǒng)能夠?qū)Ρ倍肥殖?車載型用戶機用戶的位置進行實時監(jiān)視。北斗手持/車載型用戶機用戶的位置信息通過北斗鏈路實時上報到北斗應(yīng)急通信服務(wù)平臺，北斗應(yīng)急服務(wù)平臺在電子地圖上實時標(biāo)繪該用戶的位置以及行進軌跡，從而實現(xiàn)對該用戶的動態(tài)監(jiān)視。

2.1.3 軌跡回放功能

該系統(tǒng)能夠?qū)Ρ倍肥殖?車載型用戶機用戶的歷史行進路線進行軌跡回放。北斗應(yīng)急通信服務(wù)平臺根據(jù)用戶設(shè)定條件檢索北斗手持/車載型用戶機用戶的歷史位置信息，并將位置信息按照時間序列和預(yù)設(shè)回放速度在電子地圖上進行動態(tài)標(biāo)繪。

2.1.4 設(shè)備管理功能

該系統(tǒng)能夠?qū)Ρ倍肥殖?車載型用戶機以及移動通信終端進行信息管理。設(shè)備信息包括北斗手持/車載型用戶機的北斗ID號、序列號和使用人等；移動通信終端的序列號、手機號和使用人等。設(shè)備信息是通信服務(wù)短信息收發(fā)尋址的基礎(chǔ)，為其他功能的實現(xiàn)起到支撐作用。

2.2 系統(tǒng)工作原理

2.2.1 北斗通信工作原理

特殊區(qū)域北斗手持/車載型用戶機發(fā)送北斗短報文通信申請，該通信申請中包含了接收方ID號和通信內(nèi)容；北斗衛(wèi)星接收到該通信申請后，將該用戶機信號經(jīng)變頻器放大后發(fā)送給北斗衛(wèi)星地面站；北斗衛(wèi)星地面站將該信號加入持續(xù)廣播的出站電文中，再經(jīng)衛(wèi)星廣播給地面北斗指揮型用戶機；地面北斗指揮型用戶機接收出站信號，解調(diào)出站電文，完成北斗短報文接收。北斗通信工作原理如圖5所示。

圖5 北斗通信工作原理圖

地面北斗指揮型用戶機向特殊區(qū)域北斗手持/車載型用戶機發(fā)送北斗短報文原理，同理。

2.2.2 移動通信工作原理

短信收發(fā)設(shè)備發(fā)送短信信息，移動通信基站接收短信收發(fā)設(shè)備發(fā)出的通信信號；移動通信基站將該短信信息轉(zhuǎn)發(fā)到短信業(yè)務(wù)中心(SMSC)；短信業(yè)務(wù)中心再通過移動通信基站，將短信信息發(fā)送到接收方移動通信終端[11-12]。移動通信基站工作原理如圖 6所示。

圖6 移動通信工作原理圖

移動通信終端向短信收發(fā)設(shè)備發(fā)送短信信息工作原理，同理。

2.2.3 基于北斗和移動通信的應(yīng)急通信保障系統(tǒng)工作原理

特殊區(qū)域北斗手持/車載型用戶機發(fā)送北斗短消息申請，該用戶機信號經(jīng)過北斗鏈路到達(dá)北斗指揮型用戶機；北斗指揮型用戶機解調(diào)出站電文，并將短消息信息通過串口上報給應(yīng)急通信服務(wù)器；部署在應(yīng)急通信服務(wù)器上的應(yīng)急通信服務(wù)平臺軟件根據(jù)北斗標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，解析出北斗短消息，然后按照系統(tǒng)協(xié)議進行組幀；應(yīng)急通信服務(wù)平臺軟件將重新組幀的短消息通過串口發(fā)送至短信收發(fā)設(shè)備；短信收發(fā)設(shè)備經(jīng)移動通信傳輸鏈路將短信發(fā)送至接收方移動通信終端[13]。基于北斗和移動通信的應(yīng)急通信保障系統(tǒng)工作原理如圖 7所示。

圖7 系統(tǒng)工作原理

移動通信終端向特殊區(qū)域北斗手持/車載型用戶機發(fā)送短信信息工作原理，同理。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

該系統(tǒng)成功保障了國內(nèi)一批資深探險愛好者穿越阿里大北線。2016年9月～10月，國內(nèi)8位資深探險愛好者借北斗車載型用戶機從拉薩出發(fā)，穿越西藏阿里地區(qū)，歷時16天，行程共計4 500余千米。在這次穿越過程中，該系統(tǒng)持續(xù)為探險愛好者提供通信服務(wù)，在阿里大北線無移動通信信號覆蓋區(qū)域，使得探險者依然能夠順暢的與外界區(qū)域取得聯(lián)系。

應(yīng)急通信服務(wù)平臺軟件實時監(jiān)視探險愛好者旅行中的軌跡，如圖 8所示。

圖8 探險愛好者探險旅程軌跡

探險愛好者與外界通過該系統(tǒng)進行短報文—短信收發(fā)，如圖9所示。

圖9 探險愛好者與外界短報文—短信收發(fā)界面

該系統(tǒng)在本次阿里大北線穿越過程中的成功應(yīng)用，充分體現(xiàn)了其在應(yīng)急通信保障方面的優(yōu)勢。系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了探險愛好者之間的位置共享和信息交互，更重要的是保障了探險愛好者與外界的通信聯(lián)絡(luò)，這樣，在遇到險情或者突發(fā)狀況的情況下，探險愛好者能夠第一時間對外界區(qū)域發(fā)出求救，救援人員也能夠根據(jù)求救者的位置快速實時救助，保障探險愛好者的生命安全。

4 結(jié)束語

基于北斗和移動通信的應(yīng)急通信保障系統(tǒng)，實現(xiàn)了北斗通信網(wǎng)與移動通信網(wǎng)的互聯(lián)互通，解決了特殊區(qū)域無移動通信信號覆蓋導(dǎo)致的無法與外界取得聯(lián)系的難題，實現(xiàn)了北斗手持/車載型用戶機與移動通信終端的信息通信，為特殊區(qū)域的人類活動提供了應(yīng)急通信保障。由于受短信收發(fā)設(shè)備容量的限制，導(dǎo)致系統(tǒng)在提供應(yīng)急通信服務(wù)時存在一定的局限性，當(dāng)大容量用戶并發(fā)請求時，系統(tǒng)性能將大大降低，因此，實現(xiàn)應(yīng)急通信服務(wù)平臺直接與移動通信短信服務(wù)中心的互聯(lián)互通，將大大提升大容量用戶通信請求時的服務(wù)性能，也將成為系統(tǒng)下一步研究和改進的方向。

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