輕量化消防救援衛星通信系統設計

□文/徐海強 華丹 黃康宇 朱斌豪

面對全災種、大應急的任務拓展，消防救援隊伍在處置臺風、地震、雨雪等自然災害時往往面臨地面道路中斷、網絡癱瘓等情況，短波、超短波、集群、公網等傳統的消防通信手段容易受到環境、信號、通信距離等多方面不利因素影響。確保救援現場與后方指揮中心之間保持穩定、可靠的通信，一直是消防救援應急通信保障不斷研究和改進的課題。

衛星通信技術受自然環境和地理條件影響小，通信可靠性高，能夠滿足語音、數據、圖像、視頻等綜合通信需求在消防隊伍中得到了全面部署和應用，目前全國支隊級通信保障分隊均配備了相關衛星通信裝備，極大提升了消防應急通信保障能力。

近年來，隨著高通量衛星、小衛星星座技術蓬勃發展和應急衛星通信系統國產化進程不斷推進，消防救援任務的拓展對現有的衛星通信系統保障提出了新的需求。在分析各種新需求的基礎上，本文設計了一種輕量化的消防衛星通信系統，提出了相應的關鍵技術和實現方法。

消防救援衛星通信新需求

隨遇接入通信需求

目前消防衛星通信系統采用預約方式使用，通信保障前要通過電話方式向部消防局中心站值班室申請，由網管控制建立鏈路。這種方式可實現資源統管，讓有限的資源保障最重要的任務。但是多了人工交互的環節，存在響應速度較慢問題，在真實災害發生時，可能因申請處理不及時而影響到救援行動。因此在后續系統建設中，應考慮參照衛星電話的使用方式，支持隨遇接入功能，用戶在需要時可以及時按需呼叫建鏈，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必備的業務形式，但是隨著多媒體和視頻業務的普及，出現了寬帶通信取代窄帶話音的情況，許多指揮調度系統以視頻通信為主，以視頻暢通作為通信保障成功的主要標準。但是對于衛星通信來說，星上資源比較寶貴，而寬帶通信對于設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?？紤]到應急情況下的應用需求，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。

業務融合需求

目前消防調度指揮以視頻通信和視頻會議為主，通常是先建立衛星鏈路，讓音視頻終端接入消防指揮調度網，然后通過圖像綜合管理平臺或者語音調度平臺進行音視頻通信調度，實現“1對1”或者“1對多”的話音或視頻指揮。這種方式能夠實現全國應急指揮的暢通，也可實現通信與指揮業務的分離，方便不同系統分別建設實施。但是語音業務與視頻業務相互獨立，沒有實現融合互通；通信與業務也相互分離，需要分步建鏈，保障過程比較復雜。隨著信息系統建設的發展，應考慮建設融合話音、視頻、數據等多種業務的綜合指揮調度平臺，并將衛星通信終端與音視頻業務終端集成，在需要通信時自動建鏈，降低操作復雜性，提高通信保障效率，分級接入通信需求.

目前消防衛星通信網統一通過部消防局中心站落地接入，隨著網絡規模的擴大，中心站的接入能力和服務保障能力面臨飽和和過載的情況，時常會出現資源不足和爭用的現象。應考慮在總隊固定站提供接入能力，形成兩級接入架構，能夠支持本省內的遠端站接入，從而緩解中心站接入和業務處理的壓力。

高通量衛星應用

高通量衛星（High Throughput Satellite,HTS）[4]因容量大、速率高很受關注，衛星通信終端也能夠做得更小，從而實現更強的通信能力。目前國內采用的中星16可提供Ka頻段的高速互聯網服務，但是所有業務都需要經過衛通主站落地后接入互聯網，如果兩個機動站需要通信，也要經主站落地后按兩跳的方式實現互通。這種鏈接方式不僅存在極高的信息安全隱患，同時也造成了流量資費的大量增加。另外，該系統只覆蓋了我國中部、東部的國土和近海地區，尚未實現全國組網，現在來看還不具備支持應急通信的條件。在后續系統建設中，應采用自主國產技術，并且為應急通信提供獨立的行業專網，從物理層保證網絡隔離和信息安全，確保應急通信安全可靠。

天通衛星移動通信應用

天通移動衛星通信系統（簡稱天通系統）由中國電信運營，衛星移動網絡通過信關站落地后與地面電話網和互聯網相連，呈星狀網結構向用戶提供服務，用戶側采用S頻段。其手持終端支持話音和低速數據，背負和車載型便攜終端最大可支持384kbps的數據業務，可與專用的視頻終端配合實現比較流暢的音視頻通信。為了實現天通衛星移動通信網與應急通信的結合，中國電信與應急管理部達成合作，開通應急專用號段，并采用專線形式將應急用戶的數據直接接入應急指揮網。原則上，如果信關站采用獨立的硬件設備接收應急用戶的流量，可實現應急用戶與普通用戶的物理層隔離，從而構建應急服務專網，為應急通信提供有力的支持。同時，中國電信為應急部開放了用戶管理和業務調度的接口，支持通過交互接口實現對在網用戶的狀態查詢、位置查詢和業務通信，為業務融合創造了條件。

天通衛星移動通信系統存在的問題主要是本地干擾，因S頻段頻率較低，與地面移動網絡、Wi-Fi等信號頻率有重疊，用戶通信質量和系統通信容量都受到很大影響，陸地上的呼通率與地面移動網絡的要求有較大差距。另外因帶寬的限制，手持終端用戶的數據業務未開通，能夠支持的高速數據業務并發數量也很少，無法利用該數據業務支撐較大規模的應急指揮應用。

輕量化消防衛星通信系統設計

系統架構

針對上述問題，綜合考慮傳統Ku頻段VSAT衛星通信（簡稱VSAT系統）、高通量衛星和天通衛星移動通信系統的特點，結合消防救援通信保障的具體需求，從整體上對應急衛星通信系統進行設計，系統結構如圖1所示。

▲圖1 輕量化消防衛星通信系統架構

該系統框架摒棄了目前尚不成熟的高通量衛星系統，天通系統和VSAT系統分別通過主站與三級綜合業務融合調度平臺（簡稱調度平臺）對接。主要采用手持和便攜式衛星終端，通過調度平臺將音視頻業務終端與衛星通信設備融合成一個有機的整體，構建了一套輕量化消防衛星通信系統，可實現跨網的電話和視頻業務，為消防救援任務提供全面的通信保障支持。

關鍵技術及實現方法

最低限通信保障

在強震、洪澇等極端災害發生時，衛星成了最有效的通信保障手段，必須考慮最低限通信暢通。在設計中考慮通過天通衛星電話、Ku頻段輕型便攜站等設備來提供最低限通信保障。在產品形態上，設備比較小巧，可人工攜帶，對道路無特殊要求；在可靠性上，通過兩種方式的互補，基本可應對全部的應急場景；在使用方式上，都支持隨時入網和按需通信。

為保障最低限通信，Ku頻段衛星通信系統應參照移動通信系統進行升級改造。衛星主站應具備持續服務能力，支持隨遇接入、按需通信。為便于通信，業務終端可進行整合，應支持通過智能手機進行業務通信，不需要另配IP電話機或者音視頻會議終端設備。同時，系統需要通過擴頻、降速等手段，提高話音通信的可靠性，對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營級（不低于99.999%），需要從理論上進行設計保證。天通衛星電話的可用度按99%計算，則VSAT最低限通信的可用度應不低于99.9%。VSAT話音業務速率按2.4kbps計算，暴雨條件下的雨衰按15dB計算，為保障0.5米口徑天線，配置6瓦功放時，話音業務采用BPSK調制方式、1/2前向糾錯碼率，并采用4倍擴頻時可保證通信可靠性，如表1所示。

表1 VSAT話音業務可靠性方案

音視頻業務融合調度

現有應急通信系統仍相對獨立，或者通過網關或中間件進行對接，僅實現了基本通信功能的融合。為了實現音視頻業務融合，需要解決統一編址編碼和協議轉換，然后分別設計話音融合和視頻融合方案。

1）統一編址編碼及協議轉換

編址編碼可通過管理和技術相結合的方式解決。相關研究者在天地一體化信息網絡中指出了基于地理位置和邏輯位置的兩種IPv6統一編址方案。本設計面臨多衛星通信系統的融合問題，因此提出基于系統位置的統一編址方案，如圖2所示。這種方案通過增加系統編號來解決不同分系統之間的統一編址，然后綜合路由前綴和其他編址字段來進行尋址。該方案能夠支持不同通信系統的音視頻業務編址和尋址。

▲圖2 基于系統位置的編址

互聯互通問題始終是衛星通信中較難解決的問題，基于網絡層實現業務的互聯互通[17]和基于物理層實現空中接口的互聯互通能夠提供系統之間的互通鏈路，并提供不同系統終端之間的路由。在本設計中，不同通信系統采取的音視頻協議不一致，因此在音視頻融合上需要進行協議轉換，將不同標準的協議統一成標準協議后進行互通。需要轉換的業務主要包括話音和視頻兩種，數據業務一般都統一成標準的IP格式，即使用基于網絡層實現業務的互聯互通方法。

2）話音融合

衛星通信系統中的話音多種多樣，將這些不同的話音進行融合，提供統一的話音調度通信平臺，是話音融合調度系統需要解決的問題。話音融合一般采用基于SIP的標準，將不同類型的話音統一轉換成標準話音后通過SIP協議進行業務交換互通。

為了能夠統一使用SIP標準，提出各終端的SIP層設計方案如圖3所示。SIP層中的解析器分布對SIP信令、SDP會話和URL進行解析和獲取，并在RFC3261、RFC3264和RFC3265的SIP協議描述過程的基礎上，對SIP交互過程進行狀態管理。SDP會話協商編碼，幫助記錄請求和響應消息，并支持終端做出快速準確的應答。

▲圖3 話音融合終端SIP層設計方案

3）視頻融合

視頻通信和視頻會議是重要的應急救援指揮方式。因底層網絡的速率和傳輸特性不同，視頻采集和顯示設備的標準和性能多樣，必須建設能夠統一融合互通的視頻平臺。對于滿足標準的視頻設備和系統，可以通過標準接入服務直接接入統一的視頻平臺，對于非標準的要通過協議轉換服務進行協議標準化轉換后接入視頻平臺。

視頻平臺要依托消防圖像綜合管理平臺構建，實現分級部署、平臺互聯，視頻全衛星通信系統融合，如圖4所示。系統中任何一個節點都可以在平臺權限策略下訪問現場視頻采集點。

業務平臺與通信系統融合

為提高業務調度的效率，應將業務調度平臺與底層通信系統進行融合。主要實現方式是業務調度平臺與衛星通信系統的控制中心進行交互，直接調用控制中心提供的接口，實現對衛星通信系統運行狀態、衛星站位置的查詢，以及衛星通信鏈路的控制。業務調度平臺與通信系統的融合方案如圖5所示。

▲圖5 業務調度平臺與通信系統融合方案

結束語

衛星通信是消防救援應急通信中的重要保障，但其技術含量高，使用復雜，在消防救援通信保障中缺乏深入的運用。在新的應急通信保障體系下，應在技術、產品和保障機制上進行創新，不斷引入先進技術，探索通信保障模式，為消防救援隊伍更好的履行新的使命任務提供有力的支撐。本文從技術角度對消防救援衛星通信系統進行了整體設計，并對實現消防通信新需求的關鍵技術和實現方法進行了描述，可供各級信通部門參考借鑒。當然，要建設一個完善的消防救援衛星通信系統，需要研究和分析的問題還有很多，將在后續的應用和研究中進一步探索與完善。