衛星通信支撐下的多通道網絡平臺探究

謝鵬飛，張帥帥

（山東省郵電規劃設計院有限公司，山東 濟南 250101）

0 引 言

在應對自然災害和緊急情況時，穩定可靠的通信網絡對于有效的應急響應至關重要。隨著技術的發展，衛星通信為跨越地理限制提供了強大的支持，特別是在傳統通信網絡不可用或受損時。本研究的目的是探討衛星通信如何支撐構建一個多通道應急網絡平臺，以提升應急通信的效率和可靠性，確保在關鍵時刻能夠提供持續穩定的通信服務。

1 衛星通信支撐下的多通道應急網絡平臺設計

1.1 系統組成

本系統架構綜合運用現代通信技術，形成了一套高效的應急通信網絡，具體如圖1 所示。該系統由應急中心固定站和應急移動便攜衛星站兩大子系統組成，覆蓋面廣泛，在各種環境下均能穩定運行。衛星通信系統提供了廣域覆蓋能力，能夠在地面通信受阻時提供有效的通信手段；北斗通信系統利用國產衛星導航技術，為系統提供精準的定位與時間同步服務；3G、4G、5G 系統確保系統能夠利用現有的移動通信網絡，實現高速的數據傳輸；計算機及網絡系統作為數據處理與指揮控制的核心，保障信息流暢傳遞與處理；圖像采集與傳輸和音視頻設備系統為現場情況的實時監控提供了強有力的技術支持；配電系統確保整個系統的穩定供電；環境應急通信管理系統在各種復雜環境下保障通信系統的正常運作[1]。該系統不僅能夠滿足常規的通信需求，更能在應急情況下發揮關鍵作用，確保信息的實時、準確傳遞，從而提升應急管理的效率與效果。

圖1 平臺系統組成

1.2 系統網絡的拓撲設計

在衛星通信支撐下的多通道應急網絡平臺設計中，系統網絡的拓撲設計是確保通信有效性和穩定性的關鍵。該設計利用軟件系統進行環境應急通信指揮管理，通過多路接入技術整合多種網絡通信方式，包括甚小天線地球站（Very Small Aperture Terminal，VSAT）、單路單載波（Single Channel Per Carrier，SCPC）衛星網、北斗衛星、海事衛星、以太網及環保專網等，形成一個多元化、高效率的通信網絡，如圖2所示[2]。此外，系統網絡拓撲預留了4G網絡接口，以便未來進行技術升級和網絡擴展。

圖2 系統網絡的拓撲設計

系統按功能劃分為終端信息管理、主站設備管理、終端設備管理、統計報表、應急裝備管理、鏈路調配、故障檢測、系統配置、地理信息系統（Geographic Information System，GIS）定位以及多通道集中控制10 個模塊。這種模塊化的設計不僅優化了資源分配，還提高了系統的靈活性和可擴展性。通信平臺覆蓋SCPC 衛星網、北斗衛星、海事衛星、3G 網絡以及環保專網，構建了一個全方位、無縫連接的通信網絡。在日常應用中，環保部利用STAR 星狀網可同時接入2 路衛星車，每輛衛星車占用1 MHz 帶寬[3]。當需求增加，需要接入更多衛星車時，可切換至SCPC衛星網，通過中網衛通主站中繼，最多接入4 路衛星信號，每路占用1 MHz 帶寬。如果每路信號的占用帶寬減半至512 kHz，系統則能接入8 路衛星信號，進一步提升了網絡的接入能力和靈活性。該網絡拓撲設計，確保了應急通信網絡的高效率和高可靠性，能夠在各種緊急情況下提供穩定的通信支持，保障關鍵信息的及時傳遞和處理，為應急管理和決策提供強有力的技術支撐。

1.3 設備連接

衛星通信支撐下的多通道應急網絡平臺設計中，設備連接構成了系統運行的基礎。應急中心固定站的設備連接涉及精密的技術配置，確保通信系統的高效運行和穩定性[4]。固定站主要由多通道集中控制器、北斗天線、北斗指揮機、天線饋源雙工器、功率放大器、低噪聲下變頻器、雙模衛星通信終端、頻譜儀、通信輔助配件、網絡交換機以及服務器等關鍵設備組成。

在具體的連接方式上，北斗天線通過高質量的同軸電纜連接至北斗指揮機，確保信號的傳輸無損失。北斗指揮機則與多通道集中控制器相連。集中控制器是整個應急中心固定站的核心，負責統籌各個設備的信號處理和分發。天線饋源雙工器連接至雙模衛星通信終端，負責信號的收發轉換，同時連接至功率放大器和低噪聲下變頻器。功率放大器用于增強發射信號的強度，而低噪聲下變頻器則負責接收來自衛星的信號，并將其轉換為較低頻率的信號以便進行進一步處理。雙模衛星通信終端是連接頻譜儀和通信輔助配件的關鍵節點，不僅可以處理來自雙工器的信號，監控頻譜儀以確保信號質量，還可以通過通信輔助配件進行必要的信號調節。網絡交換機和服務器構成了系統的數據處理與存儲中心。所有的通信數據通過網絡交換機流轉，服務器則負責數據的處理和存儲，保障了整個應急通信網絡的高效和穩定運行。該設備連接方案，通過精密的設計與配置，確保各個設備能夠高效協同工作，為應急情況下的通信提供堅實的技術支持，保證信息傳輸的準確性和實時性，為應急管理提供有力的技術保障。

1.4 通信鏈路計算

在衛星通信支撐下的多通道應急網絡平臺設計中，通信鏈路計算是確保系統性能符合設計要求的關鍵環節[5]。此計算以總鏈路損耗Lt為主，計算公式為

式中：Lp為路徑損耗；Lf為饋線損耗；Lm為其他損耗，如天線失配損耗等。路徑損耗Lp的計算通常基于自由空間路徑損耗，考慮衛星通信的特點，可以表達為

式中：d為衛星與接收站之間的距離，km；f為傳輸頻率，GHz。同時，需要考慮接收端的性能，接收信號的載噪比（C/N）是衡量通信鏈路質量的重要指標，其計算公式為

式中：Pt為發射功率，dBW；Gt為發送天線增益，dBi；Gr為接收天線增益，dBi；k為玻爾茲曼常數；T為系統噪聲溫度，K；B為接收帶寬，Hz。要確保通信鏈路的載噪比高于系統所需的最小載噪比，以保障通信鏈路的可靠性。

通過計算，設計人員可以評估各個鏈路段的性能，對于不滿足要求的部分，可以適時調整設備參數或增加中繼，以確保整個應急通信網絡的穩定和高效運行。這種精確的鏈路計算方法為多通道應急網絡平臺的設計提供了科學的依據，確保平臺在關鍵時刻的通信可靠性。

1.5 衛星鏈路計算

在衛星通信支撐下的多通道應急網絡平臺設計中，衛星鏈路計算對于確保通信的有效性和可靠性至關重要[6]。該計算涵蓋了信號的發射、傳播以及接收等各個環節，確保整個通信系統能夠在各種條件下穩定運作。

衛星鏈路的基本計算可以從鏈路預算開始，這是評估系統性能的關鍵。鏈路預算考慮了從發射端到接收端的所有增益和損失。為計算通信鏈路的質量，需要確定載噪比，計算公式為

式中：Ptx為發射功率，dBW；Gtx為發射天線增益，dBi；Lfs為自由空間的路徑損耗，dB；Lo為其他損耗（包括大氣衰減、雨衰等），dB；Grx為接收天線增益，dBi。系統噪聲溫度T是地面站接收系統的噪聲溫度和衛星本身的噪聲溫度的總和，影響整個系統的性能，尤其是在信號較弱時。

通過該計算，設計人員可以預測衛星鏈路的性能，并據此優化系統設計，如調整發射功率、選擇合適的天線或改善接收條件等，以保證多通道應急網絡平臺在各種環境下均能提供穩定可靠的通信服務。不僅確保了通信鏈路的有效性，也有助于識別潛在的性能瓶頸，為進一步的系統優化提供依據。

2 衛星通信支撐下的多通道應急網絡平臺搭建應用

2.1 應急移動便攜衛星站搭建與應用

應急移動便攜衛星站采用1.2 m全自動尋星天線，滿足應急通信的需求。應急移動便攜衛星站的系統由天線箱、業務箱以及附件箱3 個部分組成。天線箱內存放的全自動衛星天線確保快速高效地建立通信鏈路[7]。業務箱的靈活配置支持多種設備，如調制解調器、視頻會議終端、路由器，確保滿足多樣化的通信需求。附件箱則為現場應用提供必要的支持和備件。

便攜站的全自動對星功能極大地簡化了現場操作，使非專業人員也能快速部署和使用該系統[8]。此外，其內置的局域網/無線局域網（Local Area Networks/Wireless Local Area Networks，LAN/WLAN）接口和上位機控制軟件提供了強大的網絡支持與用戶友好的操作界面。在實際應用中，此類便攜站可迅速部署在自然災害、緊急救援或臨時活動現場，提供穩定的視頻會議、互聯網協議語音（Voice over Internet Protocol，VoIP）電話通信、高速數據傳輸以及無線圖像傳送服務。特別是在災害發生后通信基礎設施受損的情況下，該便攜站能夠快速建立獨立的通信網絡，為救援隊伍提供實時的信息交流平臺，確保指揮調度、救援決策以及后勤保障的有效進行。應急移動便攜衛星站不僅在技術層面上實現高度的自動化和靈活性，而且在快速響應、穩定通信以及多功能服務方面具有顯著優勢，為應急通信領域提供了一種高效可靠的解決方案。

2.2 應急通信固定站搭建與應用

應急通信固定站分為室外單元和室內單元，兩者共同協作，形成強大的通信基礎設施。室外單元以一套Ku 頻段、直徑為1.8 m 的雙向天線為核心，能夠接入4路衛星車，實現每路768 kb/s的圖像傳輸能力。根據鏈路計算結果，為保證通信質量，這種天線需配置不小于16 W 的功放，以增強信號傳輸的穩定性和遠距離傳輸能力。室內單元的核心是雙模通信機，這種通信機結合了VSAT 星狀網和SCPC 點對點兩種通信體制，兼具兩者的優勢。VSAT 網絡在環保行業已廣泛部署，提供了基本的通信服務；然而，當通信需求增加，尤其是在數據傳輸量大的情況下，VSAT 可能會受到帶寬限制。此時，SCPC 模式顯得尤為重要，其提供的10 MHz 以上帶寬能夠滿足更高的數據傳輸需求，也具備靈活的擴容能力，確保固定站能夠應對各種緊急情況。應急通信固定站的應用場景廣泛，如環保、災害應急響應、公共安全以及遠程醫療等領域[9]。在實際操作中，固定站的穩定通信能力可以支持遠程視頻會議、高速數據交換、實時圖像傳輸等關鍵任務，確保關鍵信息在關鍵時刻能夠迅速、準確地傳遞。應急通信固定站的搭建與應用不僅提高了通信效率，還增強了多通道應急網絡平臺的可靠性和靈活性，為各種緊急情況下的通信保障提供了堅實的技術支撐。

3 結 論

經過全面的研究和探索，文章成功搭建并分析了衛星通信支撐下的多通道應急網絡平臺。通過具體實施應急移動便攜衛星站和固定站的搭建與應用，展示了衛星通信在提升應急通信能力中的核心作用。便攜站的靈活部署能力與固定站的穩定高效通信相結合，為環保等關鍵領域提供了強大的通信支撐。通過本研究，不僅驗證了衛星通信在應急網絡平臺中的應用價值，還為未來的網絡設計和應急響應提供了寶貴的經驗和參考。隨著技術的進步和應用場景的拓展，衛星通信支撐的多通道應急網絡平臺將繼續發揮其不可替代的作用，為應對各種緊急情況提供堅實的通信保障。