一種衛星移動通信系統地面線路巡檢系統設計

馬凱旋，馬立波，肖 躍，劉 凡，張 健

（1.中電防務科技有限公司，江蘇 南京 210000；2.北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094）

0 引言

“天通一號”衛星移動通信系統是我國自主研制建設的衛星移動通信系統，近年來，已相繼完成多顆組網衛星的發射。隨著我國衛星移動通信系統用戶的不斷增多以及應用業務領域的不斷推廣，對系統通信服務可靠性的要求愈加突出。相比于傳統的衛星通信系統，衛星移動通信系統網絡設備類型多、數量大，網絡維護的工作更加復雜，因此，迫切需要開發出一套行之有效的、針對通信服務可用性的巡檢系統，能夠自動地，常態化檢測全系統每個波束覆蓋區域下通信是否暢通，保證通信服務質量，提升用戶體驗。

1 研究現狀

巡檢一般意義上是指采取人工或者自動的方式，按照預先規劃的巡檢路線或者制定的巡檢任務，在規定的時間段內到達巡檢路線中的每一點，并在規定時間內完成對規定區域的巡查，執行巡檢任務[1]，及時發現問題。

目前，巡檢系統的應用非常廣泛，尤其是在包括通信、能源、城建在內的一些基礎設施行業中應用尤其廣泛。例如，在電力系統中，為了避免輸電環節出現問題影響整個電力系統的運行，通常會對輸電線路進行巡檢[2]。傳統的做法是采取人工的方式，派專業電力檢修人員到現場作業，這種做法效率低下，尤其是對于分布在山區野外等人跡罕至區域，不僅設備物資難以運輸，作業人員的安全也得不到保障。近些年，無人機以其靈活性高、體型小、質量輕、方便攜帶、成本低等優點，開始被廣泛應用在電力系統的自動化巡檢中。無人機可以被快速部署到復雜地理環境中執行巡檢任務。通常無人機會攜帶高分辨率攝像機、紅外測溫儀等傳感儀器，按照預定的巡檢任務路線，對輸電線路進行診斷，然后通過4G或者衛星等無線網絡回傳到地面系統中進行自動分析，極大地提高了電力巡檢的效率。近年來，無人機和智能機器人也逐漸應用到石油、天然氣輸送管道的巡檢以及智能建筑的安防巡檢中。

在地面移動通信系統中，對移動通信基站與通信線路的巡檢通常采取路測的方式。測試人員會攜帶安裝有專業撥測軟件的計算機、專業測試儀表等，前往各個無線基站下，按照預先規劃的路線，對整個路段進行撥測并收集性能數據。它是無線網絡優化的重要手段之一，根據不同運營商的不同需求，對無線環境的業務性能進行驗證，用于支持無線網絡環境的合理規劃和資源的優化配置。然而，這種方式不僅成本較高，而且單純依靠人工的方式避免不了錯漏現象的出現。

區別于地面移動通信系統中單個基站只能為有限范圍的區域提供通信服務，衛星移動通信系統通過高軌道GEO衛星上轉發器的轉發功能，利用單個基站即可完成對整個國土范圍的通信覆蓋。如果采用地面移動通信系統中路測的方式，那么運營單位需要派遣大量測試人員在全國范圍內開展長期測試，這種做法不僅效率低下、成本高昂，也無法完全做到對通信服務區域的全面覆蓋，如山區、荒漠以及需要船上作業的遠洋區域等。因此這種做法只適用于系統開通時，運營單位進行通信服務的摸底測試，或者對任務重點保障區域進行有針對性測試，如果把它作為常態化的巡檢手段則明顯不切實際。

因此，衛星通信系統的巡檢在過去更加關注對地面段通信設備的監控，而不是通信線路是否正常，即通信服務是否可用。這種做法通常依賴于地面段網絡管理系統的設備監控能力，對發生故障的設備能夠及時產生告警，提示運維人員進行排查和檢修。然而單純依賴網絡管理系統的監控能力往往具有局限性，這一方面是由于衛星移動通信系統地面段設備構成非常復雜，不僅包括一些通信設備，還包括一些負責協議處理、數據交換的軟件進程等，網絡管理系統很難做到對所有通信節點的全面覆蓋；另一方面是由于一些關鍵節點本身不具備被監控的能力，如一些射頻線纜的分合路器、接插件等，這些器件的破損、松動往往也會導致通信線路的故障，而網絡管理系統很難感知到這類故障，運營單位只能在收到用戶的反饋時才能發現這類問題，嚴重影響用戶的使用體驗，因此需要其他巡檢手段，彌補單純設備盯防存在的缺陷和不足。

2 系統設計目標

為了彌補過去單純采取設備盯防的手段進行日常巡檢維護存在的缺陷和不足，筆者認為必須采取設備盯防與通信線路盯防相結合的方式，對衛星移動通信系統開展日常巡檢，因此，本文提出一種衛星移動通信系統地面線路巡檢系統的設計方法。該系統結合衛星移動通信系統自身的特點，參考地面移動通信系統路測巡檢的方式，提出一種在地面段模擬衛星轉發，無須經過星地鏈路，即可實現在任意波束下撥測的目的，從而避免需要派遣測試人員前往各個待測波束覆蓋區域帶來的測試效率低的問題。本系統能夠按照規劃的巡檢任務，在規定的時間點和時間段內，自動完成對所有待測波束下地面通信線路的檢測，有效保證通信網絡的暢通。

3 系統設計思路

衛星移動通信系統由地面段和空間段組成，地面段主要由各式用戶移動終端和信關站組成。信關站是衛星移動通信系統的地面基站，用戶終端之間通信，首先需要在信關站落地，再完成雙跳通信。衛星與信關站間的通信鏈路為饋電鏈路，工作在F饋電頻段，衛星與用戶終端間的通信鏈路為用戶鏈路，工作在F用戶頻段，F饋電頻段與F用戶頻段之間的頻率轉換工作由衛星上的轉發器在空間段完成。

為了解決衛星移動通信系統相較于地面移動通信系統頻率利用率低的問題，衛星移動通信系統在用戶鏈路上采取多波束賦形以達到頻率在空間上復用的目的，在饋電鏈路上采取極化復用的方式，提高頻率資源的利用率，增加系統容量。

考慮到星上處理較為簡單，并且衛星工作較為可靠，因此如果能夠確認信關站內地面通信線路正常，則基本可以保證整個系統對外提供通信服務的可用。基于此點考慮出發，可以在信關站天線后端的每個極化方向上放置一臺處理變頻設備模擬星上轉發器的工作，以及一臺專門用于撥測的移動終端，一起連接到信關站的地面環路中，通過靈活配置變頻器的工作中心頻點，向移動終端下發撥測任務，即可實現對任一波束通信線路的巡檢。

4 系統總體設計

4.1 系統組成

巡檢系統由巡檢管理軟件、巡檢終端、巡檢變頻器、SIP軟終端組成。

巡檢終端是將衛星移動終端去除電池、人機交互等模塊，以及其他適配改造工作后的2U機箱設備，方便在信關站機房內上架安裝。巡檢終端上安裝有撥測軟件，可以在巡檢管理軟件的遠程控制下做語音、數據和短信業務測試。

巡檢變頻器負責模擬衛星上變頻轉發功能。如圖1中所示，工作在某一個極化方向上的變頻器的F饋電輸入口連接到信關站天線后端該極化方向的上行鏈路（即信關站的發射方向），F饋電輸出口連接到該極化方向的下行鏈路（即信關站的接收方向）；變頻器的F用戶輸入和輸出口分別連接巡檢終端的F用戶輸出和輸入口，這樣巡檢終端與信關站的一個極化方向上的地面線路即可構成回路。為了保證巡檢能夠覆蓋任意一個極化方向上的波束，巡檢系統在每個極化方向上各需部署一套巡檢終端和巡檢變頻器。

在巡檢業務測試過程中，巡檢終端只作為主叫方使用，因此，在核心網下部署一部SIP軟終端作為被叫。本系統選用的SIP軟終端為CounterPath公司的產品eyeBeam，可以設置自動接聽功能，方便語音呼叫測試。

巡檢管理軟件主要用于管理和控制巡檢系統內的巡檢終端和巡檢變頻器。一方面為了監控巡檢系統本身組成設備的工作狀態，另一方面，用戶可以通過巡檢管理軟件下發巡檢任務，巡檢管理軟件會通過遠程配置變頻器操控巡檢終端來自動執行巡檢任務，存儲巡檢任務執行的詳細結果。對于巡檢任務執行過程中出現的業務測試失敗，巡檢管理軟件能夠立即產生一條故障告警，提示執勤用戶進行排查和檢修。

巡檢管理軟件采用IT界流行的前后端分離的B/S架構實現。前端為使用VUE.js和ElementUI開發的單頁應用；后端使用Spring Boot構建單個服務程序，采用模塊化分層設計。前后端間通過定義清晰的接口交互數據，避免前后端代碼的耦合，方便各自的擴展和維護。

4.2 系統功能設計

巡檢系統主要支持包括單波束巡檢、多波束巡檢和全網常態化巡檢三種方式的巡檢任務。

4.2.1 單波束巡檢

為了方便用戶快速掌握某一個波束通信服務的情況，用戶可以從巡檢管理軟件的人機界面輸入待測波束的波束號，選擇需要測試的業務類型，并輸入該業務類型測試所需配置的參數，例如語音業務測試需要配置循環測試次數、被叫SIP軟終端的號碼等。任務提交后，巡檢管理軟件在后臺會自動執行指定波束下的巡檢任務，用戶可以在巡檢任務執行結束后查看任務執行的詳細結果。

一次單波束巡檢任務的執行結果分為入網結果、語音結果、短信結果、分組結果等幾個部分。其中，入網結果中包含結果指示、DACCH誤碼率、無線接口中一些關鍵參數、入網失敗情況下的原因等；語音呼叫結果包含結果指示、接通時間、語音速率、呼叫失敗情況下的原因等；分組結果包含結果指示、上下行速率、丟包率、ping包時延等信息。此外，針對每一次檢測過程還有詳細的信令流程展示，方便在出現業務失敗的情況下，分析信令流程中的異常點，輔助分析地面線路中故障點位，例如，當信令流程中斷在“位置更新拒絕”處時，可基本鎖定故障點位于核心網的用戶移動性管理部分。

4.2.2 多波束巡檢

對于重點任務保障區域，通常不止有一個波束覆蓋，可能會有多個交疊波束同時覆蓋。用戶希望快速掌握整個任務區域內的通信服務質量，可以通過巡檢系統的巡檢管理軟件下發包含多個待測波束的巡檢任務，巡檢管理軟件會按序調度各個波束的測試，其對各個波束的巡檢與上述單波束巡檢功能相同。

4.2.3 全網常態化巡檢

全網常態化巡檢是巡檢系統最重要的功能，因為巡檢系統的根本目的就是為了確保所有波束通信服務的可用性。巡檢系統能夠定時遍歷所有波束進行話音、短信和分組數據的業務功能測試，保證通信服務在地理覆蓋以及業務種類覆蓋上的全面性。用戶可以在巡檢管理軟件中規劃巡檢任務執行的時間段，錯開用戶使用的高峰時段，避免通信服務忙時對系統資源的占用。

4.3 工作流程

由于全網巡檢及多波束巡檢都是按序調度單個波束巡檢任務的執行，因此文章重點介紹單波束巡檢的工作流程。

（1）首先用戶利用巡檢管理軟件規劃并提交巡檢任務。

（2）巡檢管理軟件在后臺根據待測波束所在的極化方向，確定本次巡檢任務需要用到哪一套巡檢變頻器和巡檢終端。

（3）巡檢管理軟件根據系統預先規劃的待測波束的中心頻點，配置巡檢變頻器工作的中心頻率，確保與之相連的巡檢終端能夠接收該波束下的廣播信號，并且信關站能夠收到該巡檢終端的上行信號。

（4）巡檢管理軟件將系統預先規劃的待測波束的廣播頻點及任務配置，一起作為一次撥測任務下發給巡檢終端，巡檢終端直接切換到該廣播頻點搜索待測波束的廣播信號，從而避免掃頻盲搜，提高巡檢任務執行的效率。

（5）巡檢終端收到撥測任務后，開始調度終端內的CP模塊完成入網、呼叫、短信和分組數據等流程。

（6）巡檢終端在本次撥測任務結束后，返回結果給巡檢管理軟件。

（7）巡檢管理軟件收到測試結果后入庫保存，并對測試結果進行分析，如果發現結果中出現了錯誤，如入網失敗、呼叫失敗、分組激活失敗或者漏測等情況，將通過蜂鳴告警的方式，提示用戶及時進行故障排查。

（8）用戶可以在巡檢管理軟件的任務歷史記錄中查詢到本次測試的詳細結果。

5 結束語

文章結合衛星移動通信系統自身特點設計的地面線路巡檢系統，彌補了過去單純采取對地面段通信設備盯防手段進行日常巡檢維護存在的缺陷和不足，并且可以繞過星地鏈路，無須前往各波束覆蓋的特定地理區域，在信關站內部即可完成對所有波束通信線路的巡檢，在提高巡檢效率的同時，有效保證通信網絡的暢通。未來本系統還可以與地面段網絡管理系統深度融合，幫助運營單位從多個維度實時掌握系統運行的整體狀況。