輕量化消防救援衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

□文/徐海強(qiáng) 華丹 黃康宇 朱斌豪

面對(duì)全災(zāi)種、大應(yīng)急的任務(wù)拓展，消防救援隊(duì)伍在處置臺(tái)風(fēng)、地震、雨雪等自然災(zāi)害時(shí)往往面臨地面道路中斷、網(wǎng)絡(luò)癱瘓等情況，短波、超短波、集群、公網(wǎng)等傳統(tǒng)的消防通信手段容易受到環(huán)境、信號(hào)、通信距離等多方面不利因素影響。確保救援現(xiàn)場(chǎng)與后方指揮中心之間保持穩(wěn)定、可靠的通信，一直是消防救援應(yīng)急通信保障不斷研究和改進(jìn)的課題。

衛(wèi)星通信技術(shù)受自然環(huán)境和地理?xiàng)l件影響小，通信可靠性高，能夠滿足語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像、視頻等綜合通信需求在消防隊(duì)伍中得到了全面部署和應(yīng)用，目前全國(guó)支隊(duì)級(jí)通信保障分隊(duì)均配備了相關(guān)衛(wèi)星通信裝備，極大提升了消防應(yīng)急通信保障能力。

近年來(lái)，隨著高通量衛(wèi)星、小衛(wèi)星星座技術(shù)蓬勃發(fā)展和應(yīng)急衛(wèi)星通信系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程不斷推進(jìn)，消防救援任務(wù)的拓展對(duì)現(xiàn)有的衛(wèi)星通信系統(tǒng)保障提出了新的需求。在分析各種新需求的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一種輕量化的消防衛(wèi)星通信系統(tǒng)，提出了相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法。

消防救援衛(wèi)星通信新需求

隨遇接入通信需求

目前消防衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用預(yù)約方式使用，通信保障前要通過(guò)電話方式向部消防局中心站值班室申請(qǐng)，由網(wǎng)管控制建立鏈路。這種方式可實(shí)現(xiàn)資源統(tǒng)管，讓有限的資源保障最重要的任務(wù)。但是多了人工交互的環(huán)節(jié)，存在響應(yīng)速度較慢問(wèn)題，在真實(shí)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，可能因申請(qǐng)?zhí)幚聿患皶r(shí)而影響到救援行動(dòng)。因此在后續(xù)系統(tǒng)建設(shè)中，應(yīng)考慮參照衛(wèi)星電話的使用方式，支持隨遇接入功能，用戶在需要時(shí)可以及時(shí)按需呼叫建鏈，提高通信保障效率。

窄帶通信需求

窄帶話音通信是早期通信系統(tǒng)必備的業(yè)務(wù)形式，但是隨著多媒體和視頻業(yè)務(wù)的普及，出現(xiàn)了寬帶通信取代窄帶話音的情況，許多指揮調(diào)度系統(tǒng)以視頻通信為主，以視頻暢通作為通信保障成功的主要標(biāo)準(zhǔn)。但是對(duì)于衛(wèi)星通信來(lái)說(shuō)，星上資源比較寶貴，而寬帶通信對(duì)于設(shè)備和資源的要求都比較高，特別是在雨雪等惡劣天氣下，寬帶通信的效果難以保證。考慮到應(yīng)急情況下的應(yīng)用需求，必須保留高可靠性、極低速的話音通信手段，確保惡劣氣候條件下最后一道通信方式可用。

業(yè)務(wù)融合需求

目前消防調(diào)度指揮以視頻通信和視頻會(huì)議為主，通常是先建立衛(wèi)星鏈路，讓音視頻終端接入消防指揮調(diào)度網(wǎng)，然后通過(guò)圖像綜合管理平臺(tái)或者語(yǔ)音調(diào)度平臺(tái)進(jìn)行音視頻通信調(diào)度，實(shí)現(xiàn)“1對(duì)1”或者“1對(duì)多”的話音或視頻指揮。這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)全國(guó)應(yīng)急指揮的暢通，也可實(shí)現(xiàn)通信與指揮業(yè)務(wù)的分離，方便不同系統(tǒng)分別建設(shè)實(shí)施。但是語(yǔ)音業(yè)務(wù)與視頻業(yè)務(wù)相互獨(dú)立，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)融合互通；通信與業(yè)務(wù)也相互分離，需要分步建鏈，保障過(guò)程比較復(fù)雜。隨著信息系統(tǒng)建設(shè)的發(fā)展，應(yīng)考慮建設(shè)融合話音、視頻、數(shù)據(jù)等多種業(yè)務(wù)的綜合指揮調(diào)度平臺(tái)，并將衛(wèi)星通信終端與音視頻業(yè)務(wù)終端集成，在需要通信時(shí)自動(dòng)建鏈，降低操作復(fù)雜性，提高通信保障效率，分級(jí)接入通信需求.

目前消防衛(wèi)星通信網(wǎng)統(tǒng)一通過(guò)部消防局中心站落地接入，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，中心站的接入能力和服務(wù)保障能力面臨飽和和過(guò)載的情況，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)資源不足和爭(zhēng)用的現(xiàn)象。應(yīng)考慮在總隊(duì)固定站提供接入能力，形成兩級(jí)接入架構(gòu)，能夠支持本省內(nèi)的遠(yuǎn)端站接入，從而緩解中心站接入和業(yè)務(wù)處理的壓力。

高通量衛(wèi)星應(yīng)用

高通量衛(wèi)星（High Throughput Satellite,HTS）[4]因容量大、速率高很受關(guān)注，衛(wèi)星通信終端也能夠做得更小，從而實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的通信能力。目前國(guó)內(nèi)采用的中星16可提供Ka頻段的高速互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，但是所有業(yè)務(wù)都需要經(jīng)過(guò)衛(wèi)通主站落地后接入互聯(lián)網(wǎng)，如果兩個(gè)機(jī)動(dòng)站需要通信，也要經(jīng)主站落地后按兩跳的方式實(shí)現(xiàn)互通。這種鏈接方式不僅存在極高的信息安全隱患，同時(shí)也造成了流量資費(fèi)的大量增加。另外，該系統(tǒng)只覆蓋了我國(guó)中部、東部的國(guó)土和近海地區(qū)，尚未實(shí)現(xiàn)全國(guó)組網(wǎng)，現(xiàn)在來(lái)看還不具備支持應(yīng)急通信的條件。在后續(xù)系統(tǒng)建設(shè)中，應(yīng)采用自主國(guó)產(chǎn)技術(shù)，并且為應(yīng)急通信提供獨(dú)立的行業(yè)專(zhuān)網(wǎng)，從物理層保證網(wǎng)絡(luò)隔離和信息安全，確保應(yīng)急通信安全可靠。

天通衛(wèi)星移動(dòng)通信應(yīng)用

天通移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)天通系統(tǒng)）由中國(guó)電信運(yùn)營(yíng)，衛(wèi)星移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)信關(guān)站落地后與地面電話網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)相連，呈星狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)向用戶提供服務(wù)，用戶側(cè)采用S頻段。其手持終端支持話音和低速數(shù)據(jù)，背負(fù)和車(chē)載型便攜終端最大可支持384kbps的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，可與專(zhuān)用的視頻終端配合實(shí)現(xiàn)比較流暢的音視頻通信。為了實(shí)現(xiàn)天通衛(wèi)星移動(dòng)通信網(wǎng)與應(yīng)急通信的結(jié)合，中國(guó)電信與應(yīng)急管理部達(dá)成合作，開(kāi)通應(yīng)急專(zhuān)用號(hào)段，并采用專(zhuān)線形式將應(yīng)急用戶的數(shù)據(jù)直接接入應(yīng)急指揮網(wǎng)。原則上，如果信關(guān)站采用獨(dú)立的硬件設(shè)備接收應(yīng)急用戶的流量，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)急用戶與普通用戶的物理層隔離，從而構(gòu)建應(yīng)急服務(wù)專(zhuān)網(wǎng)，為應(yīng)急通信提供有力的支持。同時(shí)，中國(guó)電信為應(yīng)急部開(kāi)放了用戶管理和業(yè)務(wù)調(diào)度的接口，支持通過(guò)交互接口實(shí)現(xiàn)對(duì)在網(wǎng)用戶的狀態(tài)查詢、位置查詢和業(yè)務(wù)通信，為業(yè)務(wù)融合創(chuàng)造了條件。

天通衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)存在的問(wèn)題主要是本地干擾，因S頻段頻率較低，與地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi等信號(hào)頻率有重疊，用戶通信質(zhì)量和系統(tǒng)通信容量都受到很大影響，陸地上的呼通率與地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的要求有較大差距。另外因帶寬的限制，手持終端用戶的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)未開(kāi)通，能夠支持的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)并發(fā)數(shù)量也很少，無(wú)法利用該數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)支撐較大規(guī)模的應(yīng)急指揮應(yīng)用。

輕量化消防衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)架構(gòu)

針對(duì)上述問(wèn)題，綜合考慮傳統(tǒng)Ku頻段VSAT衛(wèi)星通信（簡(jiǎn)稱(chēng)VSAT系統(tǒng)）、高通量衛(wèi)星和天通衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合消防救援通信保障的具體需求，從整體上對(duì)應(yīng)急衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

▲圖1 輕量化消防衛(wèi)星通信系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)框架摒棄了目前尚不成熟的高通量衛(wèi)星系統(tǒng)，天通系統(tǒng)和VSAT系統(tǒng)分別通過(guò)主站與三級(jí)綜合業(yè)務(wù)融合調(diào)度平臺(tái)（簡(jiǎn)稱(chēng)調(diào)度平臺(tái)）對(duì)接。主要采用手持和便攜式衛(wèi)星終端，通過(guò)調(diào)度平臺(tái)將音視頻業(yè)務(wù)終端與衛(wèi)星通信設(shè)備融合成一個(gè)有機(jī)的整體，構(gòu)建了一套輕量化消防衛(wèi)星通信系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)的電話和視頻業(yè)務(wù)，為消防救援任務(wù)提供全面的通信保障支持。

關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方法

最低限通信保障

在強(qiáng)震、洪澇等極端災(zāi)害發(fā)生時(shí)，衛(wèi)星成了最有效的通信保障手段，必須考慮最低限通信暢通。在設(shè)計(jì)中考慮通過(guò)天通衛(wèi)星電話、Ku頻段輕型便攜站等設(shè)備來(lái)提供最低限通信保障。在產(chǎn)品形態(tài)上，設(shè)備比較小巧，可人工攜帶，對(duì)道路無(wú)特殊要求；在可靠性上，通過(guò)兩種方式的互補(bǔ)，基本可應(yīng)對(duì)全部的應(yīng)急場(chǎng)景；在使用方式上，都支持隨時(shí)入網(wǎng)和按需通信。

為保障最低限通信，Ku頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)參照移動(dòng)通信系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。衛(wèi)星主站應(yīng)具備持續(xù)服務(wù)能力，支持隨遇接入、按需通信。為便于通信，業(yè)務(wù)終端可進(jìn)行整合，應(yīng)支持通過(guò)智能手機(jī)進(jìn)行業(yè)務(wù)通信，不需要另配IP電話機(jī)或者音視頻會(huì)議終端設(shè)備。同時(shí)，系統(tǒng)需要通過(guò)擴(kuò)頻、降速等手段，提高話音通信的可靠性，對(duì)抗雨雪天氣和其他干擾的影響。

為將最低限通信的可靠性提高到電信運(yùn)營(yíng)級(jí)（不低于99.999%），需要從理論上進(jìn)行設(shè)計(jì)保證。天通衛(wèi)星電話的可用度按99%計(jì)算，則VSAT最低限通信的可用度應(yīng)不低于99.9%。VSAT話音業(yè)務(wù)速率按2.4kbps計(jì)算，暴雨條件下的雨衰按15dB計(jì)算，為保障0.5米口徑天線，配置6瓦功放時(shí)，話音業(yè)務(wù)采用BPSK調(diào)制方式、1/2前向糾錯(cuò)碼率，并采用4倍擴(kuò)頻時(shí)可保證通信可靠性，如表1所示。

表1 VSAT話音業(yè)務(wù)可靠性方案

音視頻業(yè)務(wù)融合調(diào)度

現(xiàn)有應(yīng)急通信系統(tǒng)仍相對(duì)獨(dú)立，或者通過(guò)網(wǎng)關(guān)或中間件進(jìn)行對(duì)接，僅實(shí)現(xiàn)了基本通信功能的融合。為了實(shí)現(xiàn)音視頻業(yè)務(wù)融合，需要解決統(tǒng)一編址編碼和協(xié)議轉(zhuǎn)換，然后分別設(shè)計(jì)話音融合和視頻融合方案。

1）統(tǒng)一編址編碼及協(xié)議轉(zhuǎn)換

編址編碼可通過(guò)管理和技術(shù)相結(jié)合的方式解決。相關(guān)研究者在天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中指出了基于地理位置和邏輯位置的兩種IPv6統(tǒng)一編址方案。本設(shè)計(jì)面臨多衛(wèi)星通信系統(tǒng)的融合問(wèn)題，因此提出基于系統(tǒng)位置的統(tǒng)一編址方案，如圖2所示。這種方案通過(guò)增加系統(tǒng)編號(hào)來(lái)解決不同分系統(tǒng)之間的統(tǒng)一編址，然后綜合路由前綴和其他編址字段來(lái)進(jìn)行尋址。該方案能夠支持不同通信系統(tǒng)的音視頻業(yè)務(wù)編址和尋址。

▲圖2 基于系統(tǒng)位置的編址

互聯(lián)互通問(wèn)題始終是衛(wèi)星通信中較難解決的問(wèn)題，基于網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的互聯(lián)互通[17]和基于物理層實(shí)現(xiàn)空中接口的互聯(lián)互通能夠提供系統(tǒng)之間的互通鏈路，并提供不同系統(tǒng)終端之間的路由。在本設(shè)計(jì)中，不同通信系統(tǒng)采取的音視頻協(xié)議不一致，因此在音視頻融合上需要進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，將不同標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議統(tǒng)一成標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議后進(jìn)行互通。需要轉(zhuǎn)換的業(yè)務(wù)主要包括話音和視頻兩種，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)一般都統(tǒng)一成標(biāo)準(zhǔn)的IP格式，即使用基于網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的互聯(lián)互通方法。

2）話音融合

衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的話音多種多樣，將這些不同的話音進(jìn)行融合，提供統(tǒng)一的話音調(diào)度通信平臺(tái)，是話音融合調(diào)度系統(tǒng)需要解決的問(wèn)題。話音融合一般采用基于SIP的標(biāo)準(zhǔn)，將不同類(lèi)型的話音統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)話音后通過(guò)SIP協(xié)議進(jìn)行業(yè)務(wù)交換互通。

為了能夠統(tǒng)一使用SIP標(biāo)準(zhǔn)，提出各終端的SIP層設(shè)計(jì)方案如圖3所示。SIP層中的解析器分布對(duì)SIP信令、SDP會(huì)話和URL進(jìn)行解析和獲取，并在RFC3261、RFC3264和RFC3265的SIP協(xié)議描述過(guò)程的基礎(chǔ)上，對(duì)SIP交互過(guò)程進(jìn)行狀態(tài)管理。SDP會(huì)話協(xié)商編碼，幫助記錄請(qǐng)求和響應(yīng)消息，并支持終端做出快速準(zhǔn)確的應(yīng)答。

▲圖3 話音融合終端SIP層設(shè)計(jì)方案

3）視頻融合

視頻通信和視頻會(huì)議是重要的應(yīng)急救援指揮方式。因底層網(wǎng)絡(luò)的速率和傳輸特性不同，視頻采集和顯示設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)和性能多樣，必須建設(shè)能夠統(tǒng)一融合互通的視頻平臺(tái)。對(duì)于滿足標(biāo)準(zhǔn)的視頻設(shè)備和系統(tǒng)，可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接入服務(wù)直接接入統(tǒng)一的視頻平臺(tái)，對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)的要通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換服務(wù)進(jìn)行協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換后接入視頻平臺(tái)。

視頻平臺(tái)要依托消防圖像綜合管理平臺(tái)構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)分級(jí)部署、平臺(tái)互聯(lián)，視頻全衛(wèi)星通信系統(tǒng)融合，如圖4所示。系統(tǒng)中任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以在平臺(tái)權(quán)限策略下訪問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)視頻采集點(diǎn)。

業(yè)務(wù)平臺(tái)與通信系統(tǒng)融合

為提高業(yè)務(wù)調(diào)度的效率，應(yīng)將業(yè)務(wù)調(diào)度平臺(tái)與底層通信系統(tǒng)進(jìn)行融合。主要實(shí)現(xiàn)方式是業(yè)務(wù)調(diào)度平臺(tái)與衛(wèi)星通信系統(tǒng)的控制中心進(jìn)行交互，直接調(diào)用控制中心提供的接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、衛(wèi)星站位置的查詢，以及衛(wèi)星通信鏈路的控制。業(yè)務(wù)調(diào)度平臺(tái)與通信系統(tǒng)的融合方案如圖5所示。

▲圖5 業(yè)務(wù)調(diào)度平臺(tái)與通信系統(tǒng)融合方案

結(jié)束語(yǔ)

衛(wèi)星通信是消防救援應(yīng)急通信中的重要保障，但其技術(shù)含量高，使用復(fù)雜，在消防救援通信保障中缺乏深入的運(yùn)用。在新的應(yīng)急通信保障體系下，應(yīng)在技術(shù)、產(chǎn)品和保障機(jī)制上進(jìn)行創(chuàng)新，不斷引入先進(jìn)技術(shù)，探索通信保障模式，為消防救援隊(duì)伍更好的履行新的使命任務(wù)提供有力的支撐。本文從技術(shù)角度對(duì)消防救援衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)，并對(duì)實(shí)現(xiàn)消防通信新需求的關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了描述，可供各級(jí)信通部門(mén)參考借鑒。當(dāng)然，要建設(shè)一個(gè)完善的消防救援衛(wèi)星通信系統(tǒng)，需要研究和分析的問(wèn)題還有很多，將在后續(xù)的應(yīng)用和研究中進(jìn)一步探索與完善。