基于天通衛(wèi)星移動通信的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計

張開禾，王力權(quán)，王力男

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊050081)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)用途廣泛，遍及智能交通、環(huán)境保護(hù)、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、老人護(hù)理、個人健康、花卉栽培、水系監(jiān)測和食品溯源等多個領(lǐng)域[1-3]。物聯(lián)網(wǎng)最核心部分為網(wǎng)絡(luò)層[4-5]，負(fù)責(zé)所有數(shù)據(jù)和指令傳輸，是上下行數(shù)據(jù)通路。但是，目前網(wǎng)絡(luò)層均采用地面移動通信網(wǎng)，受到區(qū)域限制、地形限制，以及無法防御自然災(zāi)害。衛(wèi)星移動通信業(yè)務(wù)的顯著特點(diǎn)在于可提供不受地理環(huán)境、氣候條件限制的通信服務(wù)，其適用于地面通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋不完善、通信質(zhì)量無法保證、甚至無法提供服務(wù)的海洋、山區(qū)、災(zāi)區(qū)、航空和偏遠(yuǎn)地區(qū)，是地面移動通信系統(tǒng)和地面固定網(wǎng)覆蓋的補(bǔ)充和延伸。

衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)是國家的戰(zhàn)略性通信資源，在國家社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著不可替代的重要通信保障作用[6-7]。但是衛(wèi)星資源有限，除緊急話音業(yè)務(wù)外，所能提供的大量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)較少。因此，具有數(shù)據(jù)量少，非連續(xù)發(fā)送的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)已經(jīng)成為衛(wèi)星移動通信業(yè)務(wù)的主流應(yīng)用。“天通一號”衛(wèi)星移動通信民用系統(tǒng)是我國空間信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，為中國及周邊、中東和非洲等相關(guān)地區(qū)，以及太平洋、印度洋大部分海域的用戶提供全天候、全天時、穩(wěn)定可靠的移動通信服務(wù)，支持話音、短信息和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

目前，衛(wèi)星系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用(如位置跟蹤、SOS告警等)均采用天通系統(tǒng)短消息功能作為信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，但短消息傳輸需要保持終端在網(wǎng)狀態(tài)，終端功耗較大，造成待機(jī)時間比較短。同時，采用短消息模式傳遞數(shù)據(jù)時需要建立專用業(yè)務(wù)信道，建立鏈接時間較長，占用專用衛(wèi)星資源。由于衛(wèi)星功率受限，信道資源較少，這就造成同時使用該方法的物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)量極少，不能滿足各行各業(yè)用戶的需求。因此，在已投入運(yùn)營的衛(wèi)星移動民用信關(guān)站中需要加入滿足物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)特點(diǎn)的分系統(tǒng)，以滿足社會需求。

1 衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)在邏輯上可以分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層。認(rèn)知層是由各類傳感器、條形碼和攝像頭等組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)，它的作用是實現(xiàn)對物體的感知、識別、檢測及數(shù)據(jù)采集，以及反應(yīng)和控制等。網(wǎng)絡(luò)層，即由各種有線及無線節(jié)點(diǎn)、固定與移動網(wǎng)關(guān)組成的通信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合體，它的作用是把認(rèn)知層的數(shù)據(jù)接入網(wǎng)絡(luò)以供上層使用。平臺層是在高性能計算機(jī)和海量存儲技術(shù)的支撐下，將大規(guī)模數(shù)據(jù)高效可靠地組織起來，為上層服務(wù)層提供智能的支撐平臺。應(yīng)用層，即物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與各類行業(yè)應(yīng)用相結(jié)合，通過物聯(lián)網(wǎng)的“物物互聯(lián)”實現(xiàn)無所不在的智能化應(yīng)用，例如智能物流、智能電網(wǎng)、智能交通和環(huán)境監(jiān)測等[8-9]。

衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)是在網(wǎng)絡(luò)層加入衛(wèi)星移動通信網(wǎng)絡(luò)，與地面通信手段智能融合[10-11]，負(fù)責(zé)下層信息傳輸，其架構(gòu)如圖1所示。

圖1 全網(wǎng)融合物聯(lián)系統(tǒng)架構(gòu)

衛(wèi)星移動通信作為物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層模式之一，其通信不受地理環(huán)境、氣候條件限制，與地面其他通信手段智能融合，實現(xiàn)全天候，全時段萬物互聯(lián)。

2 衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)總體設(shè)計

設(shè)計天通物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要從2個方面進(jìn)行研究：物理層和協(xié)議層。物理層主要分析在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)信號下采用擴(kuò)頻體制[12-13]，作為物聯(lián)網(wǎng)物理信道，用來傳輸用戶信息；協(xié)議層設(shè)計主要分析在不改變傳輸體制的前提下，通過設(shè)計高層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，滿足物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需求。

2.1 物理層擴(kuò)頻體制分析

如果頻帶內(nèi)既存在天通標(biāo)準(zhǔn)信號又存在擴(kuò)頻信號，針對擴(kuò)頻信號，衛(wèi)星接收的信噪比：

式中，N為AWGN，I為頻帶內(nèi)其他信號產(chǎn)生的干擾，一般：

將天通標(biāo)準(zhǔn)信號看作窄帶干擾，在頻域進(jìn)行干擾抑制。對該方法進(jìn)行了初步仿真，結(jié)果如圖2所示。仿真結(jié)果表明，當(dāng)占用帶寬超過1/2時，信號無法解調(diào)譯碼。信噪比惡化情況如表1所示。

圖2 干擾仿真圖

表1 信噪比惡化(@誤碼率10-5)情況

序號干擾帶寬(歸一化)信噪比惡化/dB11/9(干擾帶寬388 kHz)1.6421/8(干擾帶寬437 kHz)1.8231/6(干擾帶寬583 kHz)2.5241/3(干擾帶寬1 166 kHz)6.52

綜上所述，當(dāng)天通一號常規(guī)載波返向頻率占用達(dá)到1/2以上時，即使采用頻譜消除法，也無法使用擴(kuò)頻體制。

2.2 協(xié)議層架構(gòu)設(shè)計

鑒于擴(kuò)頻體制無法應(yīng)用在該物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，在不改變現(xiàn)有體制下，反向仍采用21.6 kHz載波(16 ksps的符號速率)，增加D-RACH邏輯信道用于業(yè)務(wù)回傳；前向在廣播信道上復(fù)用BCCH幀結(jié)構(gòu)，定義D-BCCH/D-AGCH邏輯信道用來廣播上行頻點(diǎn)以及對上行數(shù)據(jù)應(yīng)答。

根據(jù)天通通用模式架構(gòu)及地面3GPP通信架構(gòu)[14-20]，設(shè)計了一種接入網(wǎng)協(xié)議架構(gòu)方案，用來實現(xiàn)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)，其架構(gòu)如圖3所示。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)框圖

物聯(lián)網(wǎng)終端和接入網(wǎng)間為Uu空中接口，包括無線資管控制層(RRC)、無線鏈路控制層RLC、媒質(zhì)接入控制層MAC和衛(wèi)星物理層TT Physical組成。數(shù)據(jù)服務(wù)器與接入網(wǎng)之間通過Iu-T協(xié)議進(jìn)行通信，包括TCP協(xié)議層、IP網(wǎng)絡(luò)層和物理層Physical組成。

該類終端數(shù)據(jù)經(jīng)過衛(wèi)星鏈路接入接入網(wǎng)，由接入網(wǎng)進(jìn)行特殊處理后，轉(zhuǎn)入專用的數(shù)據(jù)服務(wù)器，經(jīng)由核心網(wǎng)的短信網(wǎng)關(guān)，近而轉(zhuǎn)發(fā)到指定的應(yīng)用服務(wù)器。

2.2.1 GTS設(shè)計

無線收發(fā)系統(tǒng)(GTS)是信關(guān)站中負(fù)責(zé)接收和發(fā)射載頻處理功能的軟硬件實體，主要完成信關(guān)站和通信衛(wèi)星之間的饋電鏈路無線傳輸功能。GTS能夠完成所有波束中與物聯(lián)網(wǎng)終端的空口信號發(fā)射和接收，并且配合GSC完成物聯(lián)網(wǎng)模式下的資源控制和管理。

基帶處理板是整個GTS的核心部分，主要實現(xiàn)衛(wèi)星移動通信信號物理層處理[21]。設(shè)計中GTS采用DSP+FPGA架構(gòu),上行鏈路中的解調(diào)、同步檢測、符號變換和下行鏈路的信道編碼、符號映射部分用DSP設(shè)計實現(xiàn)；IR接口、上行鏈路中的多載波低通濾波部分用FPGA實現(xiàn)。其中，在多核DSP中實現(xiàn)了大量數(shù)據(jù)并行處理的高速矢量處理機(jī)技術(shù)，使多路數(shù)據(jù)同時進(jìn)入不同的處理單元，在各自單元內(nèi)同時完成運(yùn)算處理。該技術(shù)數(shù)據(jù)處理速度快，數(shù)據(jù)吞吐率高，在處理大、小數(shù)據(jù)量時均能保持良好的處理性能，可滿足大量基帶數(shù)據(jù)處理的實時性和高效性需求，其整體架構(gòu)如圖4所示。

圖4 GTS處理框架圖

2.2.2 GSC及數(shù)據(jù)服務(wù)平臺設(shè)計

該設(shè)計在核心網(wǎng)內(nèi)不存在終端信息，沒有類似HSS設(shè)備，建議終端信息在GSC內(nèi)進(jìn)行維護(hù)。同時轉(zhuǎn)發(fā)到應(yīng)用層，并對終端合法性進(jìn)行確認(rèn)，接入網(wǎng)能夠通過終端標(biāo)識(IMSI)區(qū)分不同的應(yīng)用，以進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

數(shù)據(jù)服務(wù)平臺主要包括接口處理單元、數(shù)據(jù)處理單元和數(shù)據(jù)存儲備份單元等。接口處理單元完成與其他設(shè)備之間的接口協(xié)議轉(zhuǎn)換，包括與GSC完成終端數(shù)據(jù)的收發(fā)，以及對終端上行數(shù)據(jù)的確認(rèn)；短消息中心接口實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)計費(fèi)處理；綜合業(yè)務(wù)平臺接口完成數(shù)據(jù)的計費(fèi)、服務(wù)開啟等功能；IP接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺到互聯(lián)網(wǎng)的轉(zhuǎn)發(fā)。數(shù)據(jù)處理單元完成終端上行數(shù)據(jù)的接收，以及不同類型的數(shù)據(jù)分發(fā)到不同的應(yīng)用中心。數(shù)據(jù)存儲備份單元完成終端數(shù)據(jù)的循環(huán)備份，備份周期1周。其關(guān)鍵技術(shù)主要包括：

① 高速大容量存儲：由于每個波束下數(shù)據(jù)采集終端數(shù)據(jù)較多，上報數(shù)據(jù)量較大，這就要求實時存儲速率較高。設(shè)計中采用高性能處理器，并運(yùn)行嵌入式實時操作系統(tǒng)，在解析采集數(shù)據(jù)后，能夠以較高速率進(jìn)行實時硬盤存儲，同時，也能在控制中心調(diào)度下實現(xiàn)數(shù)據(jù)的回放。

② 實時任務(wù)調(diào)度：為了完成大量數(shù)量處理，包括網(wǎng)口接收和發(fā)送、GSC數(shù)據(jù)處理、硬盤存儲和數(shù)據(jù)回放等過程，需要采用實時嵌入式操作系統(tǒng)，設(shè)計不同的任務(wù)優(yōu)先級，并通過消息隊列和信號量實現(xiàn)任務(wù)通信和調(diào)度。

2.3 數(shù)據(jù)流程設(shè)計

2.3.1 數(shù)據(jù)幀格式設(shè)計

終端標(biāo)識用于在一定范圍內(nèi)唯一識別物聯(lián)網(wǎng)中的物理和邏輯實體、資源及服務(wù)，使網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用能夠基于其對目標(biāo)對象進(jìn)行控制和管理，以及進(jìn)行相關(guān)信息的獲取、處理、傳送與交換。其中，通信類標(biāo)識的形式可以為電話號碼，由服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的用戶平臺IP地址或終端，通信標(biāo)識可以作為相對或絕對地址用于通信或?qū)ぶ罚糜诮⒌酵ㄐ殴?jié)點(diǎn)的連接。

該種方式幀內(nèi)容需要包括發(fā)送端和接收端的標(biāo)識：本地地址為IMSI，目的地址為電話號碼，源端數(shù)據(jù)通過服務(wù)中心直接轉(zhuǎn)發(fā)到目的終端。該方式報文內(nèi)容可承載35個字節(jié)，其幀格式如表2所示。

表2 幀格式定義

序號名稱長度內(nèi)容1幀類型2 bit終端到終端幀2目的地址60 bit目的電話號碼3報文長度6 bit報文實際長度4報文內(nèi)容1～35 Byte實際報文內(nèi)容

2.3.2 數(shù)據(jù)交互流程設(shè)計

終端和信關(guān)站的數(shù)據(jù)交互主要包括無線資源廣播、數(shù)據(jù)上行傳輸及應(yīng)答、數(shù)據(jù)下行發(fā)送等，其流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)交互流程

(1)資源廣播流程

當(dāng)打開物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)時，數(shù)據(jù)服務(wù)器通知接入網(wǎng)建立邏輯信道D-BCCH/D-AGCH和D-RACH，接入網(wǎng)在通用BCCH信道中復(fù)用D-BCCH信道：

① 數(shù)據(jù)服務(wù)器通知接入網(wǎng)申請資源并建立邏輯信道；

② 在D-BCCH信道上通過下行消息DEDICATED SYSTEM INFORMATION廣播物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)信息。

(2)數(shù)據(jù)上行發(fā)送流程

終端在D-RACH信道發(fā)送上行數(shù)據(jù)，接入網(wǎng)收到后轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)服務(wù)，數(shù)據(jù)服務(wù)對數(shù)據(jù)校驗后，通過下行D-AGCH信道對數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)：

① 終端解析D-BCCH信道內(nèi)容后建立上行D-RACH信道；

② 終端發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過上行消息INFORMATION TRANSFER REQUEST發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)側(cè)；

③ 網(wǎng)絡(luò)側(cè)收到后，通過下行消息INFORMATION TRANSFER RESPONSE進(jìn)行數(shù)據(jù)確認(rèn)。

(3)數(shù)據(jù)下行發(fā)送

下行信道為復(fù)用信道，網(wǎng)絡(luò)側(cè)通過D-AGCH信道下發(fā)給某個終端：

網(wǎng)絡(luò)側(cè)向終端發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過下行消息DEDICATEDSYSTEM INFORMATION發(fā)送到終端。

3 容量及能力分析

該系統(tǒng)運(yùn)行后其服務(wù)區(qū)域為天通衛(wèi)星覆蓋的任何區(qū)域，按照每個波束配置一條前向邏輯信道的情況，系統(tǒng)容量為620萬次/h。后續(xù)可根據(jù)需求，增加復(fù)用前向信道的數(shù)量，用戶容量則能倍增。

數(shù)據(jù)報需要包括發(fā)送端和接收端的標(biāo)識：本地地址為IMSI，目的地址為電話號碼，源數(shù)據(jù)通過應(yīng)用服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)到目的終端。該方式報文內(nèi)容可承載35個用戶字節(jié)。依據(jù)所支持的用戶數(shù)據(jù)長度，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以支持業(yè)務(wù)類型包括：

① 上行百字節(jié)量級、下行十百字節(jié)量級，非連續(xù)傳輸；

② 上行十字節(jié)量級、下行十字節(jié)量級，非連續(xù)傳輸；

③ 下行十字節(jié)量級，非連續(xù)傳輸。

4 結(jié)束語

該方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：① 傳輸速度快。常規(guī)衛(wèi)星模式傳遞相同量數(shù)據(jù)需要與信關(guān)站進(jìn)行多次交互，多次鏈路時間延遲，需要十幾秒才能完成數(shù)據(jù)發(fā)送和確認(rèn)；該物聯(lián)網(wǎng)方案僅采用一次交互即可實現(xiàn)，僅需0.6 s，傳輸速度遠(yuǎn)大于常規(guī)模式。② 系統(tǒng)功率影響小。“天通一號”衛(wèi)星移動通信是前向功率受限系統(tǒng)，設(shè)計方案不增加前向載波，直接復(fù)用民用廣播載波中高穿透尋呼信道之一，用來廣播系統(tǒng)消息和進(jìn)行數(shù)據(jù)確認(rèn)，不影響原系統(tǒng)話音用戶容量。③ 系統(tǒng)兼容性好。常規(guī)模式協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)無修改，終端設(shè)計兼容原常規(guī)模式話音、短信和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

目前，該系統(tǒng)已安裝完成，由中國電信運(yùn)營試運(yùn)行。