基于單路單載波的遠(yuǎn)端地面站天然氣應(yīng)急移動(dòng)通信系統(tǒng)

宋旭東

陜西省天然氣股份有限公司 生產(chǎn)運(yùn)行部 （陜西 西安 710016）

基于單路單載波的遠(yuǎn)端地面站天然氣應(yīng)急移動(dòng)通信系統(tǒng)

宋旭東

陜西省天然氣股份有限公司 生產(chǎn)運(yùn)行部 （陜西 西安 710016）

隨著輸氣管道的不斷延伸和對(duì)突發(fā)事件應(yīng)急指揮管理水平的提高，配置一套甚小口徑遠(yuǎn)端地面站（VSAT）應(yīng)急移動(dòng)通信系統(tǒng)成為必要的需求。VSAT應(yīng)急移動(dòng)通信系統(tǒng)將由3座衛(wèi)星地面站組成，即2座車載站和陜西省天然氣股份有限公司總部西安地面站。該系統(tǒng)具有強(qiáng)大的應(yīng)急工作能力、靈活的移動(dòng)指揮、可靠的通信手段，為天然氣管道決策者快速、準(zhǔn)確、科學(xué)的應(yīng)對(duì)突發(fā)事件提供了有力保障。

單路單載波（SCPC） 甚小口徑遠(yuǎn)端地面站（VSAT） 天然氣輸氣管道 應(yīng)急移動(dòng)通信系統(tǒng)

現(xiàn)代社會(huì)財(cái)富與人口向城市及特定區(qū)域的高度集中，自然災(zāi)害、事故災(zāi)難、公共衛(wèi)生事件、社會(huì)安全等突發(fā)事件對(duì)社會(huì)的危害也越來越大。因此，突發(fā)事件的應(yīng)急指揮管理被提升到一個(gè)新的高度，同時(shí)也顯示出應(yīng)急領(lǐng)域信息化的重要性。

陜西天然氣衛(wèi)星通信網(wǎng)主要功能為輸氣管線SCADA數(shù)據(jù)采集/監(jiān)控以及勤務(wù)話音等業(yè)務(wù)提供傳輸信道。隨著輸氣管道的不斷延伸和對(duì)突發(fā)事件應(yīng)急指揮管理水平的提高，配置一套車載衛(wèi)星通信系統(tǒng)成為必要，利用該系統(tǒng)可將遠(yuǎn)端現(xiàn)場(chǎng)的視頻圖像、數(shù)據(jù)及話音傳至公司總部，也可以在遠(yuǎn)端現(xiàn)場(chǎng)與公司總部之間進(jìn)行視頻會(huì)議業(yè)務(wù)。

衛(wèi)星通信車載站的構(gòu)成及應(yīng)用

系統(tǒng)由1座中心站和1臺(tái)靜中通車載站和1臺(tái)動(dòng)中通車載站組成。

中心站沿用原有衛(wèi)星中心站的大部分設(shè)備和機(jī)房。天線口徑為4.5m。為了提高機(jī)動(dòng)性能，靜中通車載站的天線采用口徑為75cm的自動(dòng)對(duì)星天線。動(dòng)中通車載站的天線采用平板相控陣天線。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為經(jīng)衛(wèi)星的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)一跳直達(dá)雙向鏈路。衛(wèi)星通信頻段選用Ku頻段，轉(zhuǎn)發(fā)器按亞洲2號(hào)K6衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器考慮。

1 總體設(shè)計(jì)

整個(gè)VSAT應(yīng)急移動(dòng)通信系統(tǒng)由3座衛(wèi)星地面站組成，即2座車載站和公司總部西安地面站。其中前者為新建站，后者可共用公司中心站的大部分衛(wèi)星通信設(shè)備而只需新增視頻編解碼器等少量設(shè)備。

按車載站的天線類型進(jìn)行分類，車載站可分為靜中通車載站和動(dòng)中通車載站。所謂靜中通是車載站工作時(shí)承載車輛處于停駛狀態(tài)，天線需要展開對(duì)星后系統(tǒng)才可工作。動(dòng)中通是車輛在行駛過程中，天線自動(dòng)指向并跟蹤衛(wèi)星，系統(tǒng)可正常通信。

系統(tǒng)可以完成以下功能：

（1）能夠把應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶蠓街笓]中心的服務(wù)器。

（2）能夠把應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)壓縮后的視頻和音頻數(shù)據(jù)通過車載站傳送到西安調(diào)度指揮中心的視頻交互設(shè)備中。

（3）能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)急指揮中心遠(yuǎn)程指揮調(diào)度，進(jìn)行語音或者視頻的雙向通信。

（4）能夠在應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)接入。

2 采用無線圖像微波傳輸系統(tǒng)解決圖像中繼問題

在某些應(yīng)急通信場(chǎng)合，衛(wèi)星通信車載站無法?？吭趹?yīng)急現(xiàn)場(chǎng)附近，而又需要將現(xiàn)場(chǎng)圖像及聲音通過衛(wèi)星通信車傳回到應(yīng)急指揮中心。在這種情況下，采用“傲圖”系列數(shù)字無線圖像傳輸設(shè)備來完成信號(hào)的中繼傳輸（單向）。

該圖像傳輸系統(tǒng)采用了先進(jìn)的COFDM調(diào)制解調(diào)技術(shù)、信道編解碼技術(shù)，并結(jié)合數(shù)字圖像壓縮MPEG2／MPEG4等多媒體網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，能夠在高速移動(dòng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)視頻、話音或數(shù)據(jù)等寬帶多媒體業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)、同步傳輸。具有覆蓋范圍廣、靈敏度高、移動(dòng)性好、抗干擾和抗衰落能力強(qiáng)、傳輸數(shù)據(jù)率高、穩(wěn)定性和可靠性突出等顯著優(yōu)點(diǎn)。

無線微波圖象發(fā)射設(shè)備可分為扣板式和背負(fù)式兩種?？郯迨娇芍苯涌垩b在肩扛式攝像機(jī)的后背上使用（微波攝像機(jī)）。背負(fù)式則將發(fā)射機(jī)和配套電池裝置在一個(gè)雙肩背的背包內(nèi)。隨車人員可攜帶攝像機(jī)和扣板式或背負(fù)式發(fā)射機(jī)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)，并通過發(fā)射機(jī)將現(xiàn)場(chǎng)圖像和聲音傳輸至衛(wèi)星通信車，由安裝在車上的天線和無線圖像接收機(jī)接收，再經(jīng)衛(wèi)星通信車中繼實(shí)時(shí)地傳回總部。在有遮擋的情況下（如城市街道）微波攝像機(jī)的信號(hào)傳輸覆蓋半徑約為1-3km。如果衛(wèi)星車（相當(dāng)于基地臺(tái)）與微波攝像機(jī)之間的通視條件良好，微波攝像機(jī)信號(hào)傳輸距離可達(dá)幾十千米。

3 采用TCP/IP、H.264等通信協(xié)議

采用基于TCP/IP、H.264視頻通信協(xié)議作為本應(yīng)急衛(wèi)星通信網(wǎng)的主要通信協(xié)議。TCP/IP為當(dāng)今各類通信網(wǎng)愈來愈多采用的通信協(xié)議，為技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[1]。采用TCP/IP及H.264視頻通信協(xié)議，既便于視頻設(shè)備與計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)包括個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行互連互通，又可以利用本系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和IP話音通信等增值業(yè)務(wù)。采用H.264視頻會(huì)議終端設(shè)備，比采用一般的H.323視頻會(huì)議終端，在通信效果相同的情況下，節(jié)省通信所需帶寬，降低系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

4 采用高清視訊會(huì)議終端

采用美國(guó)LifeSize公司的高清視訊會(huì)議電視終端。其Team產(chǎn)品采用嵌入式操作系統(tǒng)，為采用TIDM642高性能數(shù)字處理芯片的硬件平臺(tái)。其主要特點(diǎn)為：在1Mbps帶寬的情況下實(shí)現(xiàn)1 280×720高解析度，體現(xiàn)了高效率的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用；30-60幀/s；16：9高清晰幅型比；從信號(hào)源、編解碼、DSP處理芯片到最終顯示設(shè)備全面實(shí)現(xiàn)高清的產(chǎn)品；集成超寬頻麥克風(fēng)提供高達(dá)16kHz的超寬音頻；1M帶寬下多種自適應(yīng)分辨率，保證低帶寬下的視頻質(zhì)量；帶寬支持在128K-2.5M可調(diào)；支持H.263，H.264，H.264 HD等視頻標(biāo)準(zhǔn)，并向下兼容傳統(tǒng)視頻會(huì)議終端。

5 采用RaySat平板式相控陣車載動(dòng)中通天線

動(dòng)中通應(yīng)急衛(wèi)星通信車載站適用于政府及公共安全等職能部門在處置突發(fā)事件時(shí)實(shí)施指揮調(diào)度，提高應(yīng)急聯(lián)動(dòng)和快速反應(yīng)能力的需求。該車載站具有不受時(shí)間、地域、距離的限制、實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)條件下的實(shí)時(shí)雙向視頻圖像、數(shù)據(jù)和話音傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。其創(chuàng)新的天線系統(tǒng)自動(dòng)搜索捕獲指定的衛(wèi)星信號(hào)，并且在車輛運(yùn)動(dòng)過程中通過自動(dòng)控制方位、仰角和極化角，自動(dòng)跟蹤保持天線指向，并支持車輛在時(shí)速300km行駛條件下雙向高速數(shù)據(jù)傳輸速率。

該天線采用平板相控陣天線技術(shù)，體積小、重量輕。特別是其高度小，但安裝在車頂時(shí)可達(dá)到“隱身”的效果。

6 采用SCPC多址通信體制

中心站以SCPC(單路單載波)出向載波將中心站發(fā)向車載站的圖像、數(shù)據(jù)和話音復(fù)用在一起傳輸至車載站；與此同時(shí)車載站將發(fā)向中心站的信息以SCPC入向載波的方式傳輸?shù)街行恼?。載波的信息傳輸速率可在64kb/s至2 048kb/s之間選擇(具體可達(dá)到的最高速率與所用的功放功率有關(guān))。該衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖如圖1所示（圖1中載波F2稱為SCPC出向載波，F(xiàn)1稱為SCPC入向載波）。

7 接口

中心站和車載站可為用戶提供下列通信接口：

（1）視訊：分量視頻接口、VGA、S-Video。

（2）數(shù)據(jù)：物理 RJ45，協(xié)議 802.3(10/100Base-T)，TCP/IP，UDP/IP。

（3）話音：物理RJ11，F(xiàn)XS或FXO。

系統(tǒng)具備良好的業(yè)務(wù)擴(kuò)展性能。出向載波的數(shù)量及帶寬可根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展。各入向載波的帶寬也可根據(jù)各站的實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整。

頻帶分配計(jì)算

本系統(tǒng)支持非對(duì)稱傳輸速率方式，即車載站至中心站的傳輸速率可不同于中心站至車載站的傳輸速率。在應(yīng)急使用情況下，一般要求車載站現(xiàn)場(chǎng)的回傳圖像質(zhì)量較高（速率高）。

設(shè)車載站向中心站回傳的復(fù)合數(shù)據(jù)信息的信息傳輸速率為512kb/s。若調(diào)制方式為QPSK，F(xiàn)EC前向糾錯(cuò)編碼為Viterbi 1/2，則該入向載波需占用轉(zhuǎn)發(fā)器頻帶寬度約為 B1=512×（2/1）×（1/2）×1.4=720 kHz[2]。

設(shè)中心站向車載站發(fā)送的復(fù)合數(shù)據(jù)信息的信息傳輸速率為256kb/s。若調(diào)制方式為QPSK，F(xiàn)EC前向糾錯(cuò)編碼為Viterbi 1/2，則該出向載波需占用轉(zhuǎn)發(fā)器頻帶約為B2=256×（2/1）×（1/2）×1.4=360kHz[2]。

于是系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需要占用的轉(zhuǎn)發(fā)器頻帶約為B=B1+B2=1 080kHz。

此時(shí)頻帶規(guī)劃示意圖如圖2所示。

圖2 頻帶規(guī)劃示意圖

為了簡(jiǎn)化操作控制，視頻通信所需的轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬占用采用固定預(yù)分配方式。當(dāng)需要進(jìn)行視頻會(huì)議時(shí)，可隨用隨通，屆時(shí)操作人員不需要對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)可支持視訊會(huì)議、數(shù)據(jù)和IP話音等通信業(yè)務(wù)。在中心站設(shè)置有一臺(tái)SMR5000調(diào)制解調(diào)路由器。該SMR5000一方面發(fā)射SCPC載波至車載站，另一方面接收車載站回傳的SCPC載波。SMR5000的基帶用戶接口為 10/100Base-T以太網(wǎng)接口。SMR5000通過以太網(wǎng)交換機(jī)與視頻會(huì)議終端、IP話音網(wǎng)關(guān)、路由器等設(shè)備連接在一起。

在車載站配置有一臺(tái)SMR5000L調(diào)制解調(diào)路由器，其一方面接收中心站發(fā)出的SCPC載波，信號(hào)經(jīng)處理轉(zhuǎn)換為基帶IP數(shù)據(jù)包后，送交以太網(wǎng)交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)至視訊會(huì)議終端或數(shù)據(jù)、話音終端設(shè)備；另一方面發(fā)射SCPC載波，將圖像、數(shù)據(jù)或話音調(diào)制處理后發(fā)向中心站。室外射頻收發(fā)信機(jī)主要有兩方面的功能，一方面由LNB（低噪聲放大變頻模塊）接收天線接收到的微弱信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行放大并下變頻至SMR5000L可接收的L波段中頻信號(hào)；另一方面將SMR5000L要發(fā)射的L波段中頻信號(hào)上變頻至KU波段并進(jìn)行功率放大，最后饋送至天線。

中心站和車載站均為視訊會(huì)議終端設(shè)備提供10/100Base-T以太網(wǎng)接口。衛(wèi)星通信設(shè)備為視訊會(huì)議終端設(shè)備構(gòu)建了一條雙向的IP數(shù)據(jù)鏈路。數(shù)據(jù)鏈路的傳輸速率可按需在64kb/s至2048kb/s之間進(jìn)行選擇。實(shí)際可傳輸?shù)淖畲笮畔⑺俾逝c天線尺寸、功放的額定功率輸出及衛(wèi)星信能有關(guān)[3]。

除視訊會(huì)議業(yè)務(wù)之外，本系統(tǒng)還可支持中心站與車載站之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和話音通信業(yè)務(wù)。各站可提供10/100Base-T RJ45以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接口。

因?qū)嶋H上視頻會(huì)議圖像、數(shù)據(jù)和話音是復(fù)用在同一信道中傳輸，所以在視頻會(huì)議進(jìn)行的同時(shí)，數(shù)據(jù)和話音通信可照常進(jìn)行。

系統(tǒng)應(yīng)用案例

當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，當(dāng)?shù)氐耐ㄓ嵲O(shè)施常常遭到了破壞而無法使用。衛(wèi)星通信車在第一時(shí)間趕到事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)后，可在10min內(nèi)搭建起應(yīng)急通信平臺(tái)，恢復(fù)當(dāng)?shù)嘏c外界的電話通信。應(yīng)急指揮中心可通過VSAT應(yīng)急移動(dòng)通信系統(tǒng)將受災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況以圖像直播方式發(fā)送至總部，便于采取相應(yīng)的救助措施。借助VSAT應(yīng)急移動(dòng)通信系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)救助人員可以同決策者、專家面對(duì)面討論救助方案。VSAT應(yīng)急移動(dòng)通信系統(tǒng)可將社會(huì)各界對(duì)災(zāi)區(qū)的關(guān)心和幫助傳達(dá)到災(zāi)區(qū)。

1 衛(wèi)星通信車可無障礙到達(dá)事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)

當(dāng)衛(wèi)星通信車停在事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)，隨車人員可在10min內(nèi)開通衛(wèi)星站，建立與外界的視頻、話音和數(shù)據(jù)的聯(lián)系。隨車人員可手持?jǐn)z像機(jī)（有線）在以車為中心半徑15m之內(nèi)將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況通過衛(wèi)星通信車傳至總部，或接受總部對(duì)事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)救援工作的指導(dǎo)。

2 衛(wèi)星通信車不能靠近事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)

當(dāng)衛(wèi)星車不能靠近事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，而外界想了解事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)況時(shí)，隨車人員可攜帶車上的微波攝像機(jī)（無線）進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)取得第一手資料，并通過微波攝像機(jī)將現(xiàn)場(chǎng)圖像和聲音傳輸至衛(wèi)星通信車，再經(jīng)衛(wèi)星通信車中繼實(shí)時(shí)地傳回總部或其他相關(guān)部門。微波攝像機(jī)的信號(hào)傳輸覆蓋半徑約為2-6km，如果衛(wèi)星車（相當(dāng)于基地臺(tái)）與微波攝像機(jī)之間的通視情況良好，微波攝像機(jī)信號(hào)傳輸距離可達(dá)幾十千米。

3 衛(wèi)星通信車與事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)之間被河流相隔

在這種情況下，隨車人員可攜帶微波攝像機(jī)（單兵系統(tǒng)）到河對(duì)岸，通過微波攝像機(jī)將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況（包括視頻、音頻）傳給衛(wèi)星車，通過衛(wèi)星車將信息傳至總部及相關(guān)部門?，F(xiàn)場(chǎng)與總部間的聯(lián)系均可以通過這種方式建立。

4 衛(wèi)星通信車與事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)之間被山相隔

在這種情況下，車輛無法翻越前方的山坡時(shí)，隨車人員可攜帶便攜式衛(wèi)星地面站（箱式）趕到事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)，建立事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)與外界的話音、視頻、數(shù)據(jù)通信。通過便攜式衛(wèi)星地面站將事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)的情況傳回到總部或相關(guān)部門。

基于SCPC的VSAT應(yīng)急通信系統(tǒng)是一個(gè)綜合的，具有多種功能的，能夠快速移動(dòng)的應(yīng)急指揮工作站，憑借其強(qiáng)大的應(yīng)急工作能力，靈活的移動(dòng)指揮，有針對(duì)性的系統(tǒng)構(gòu)成，可靠的通信手段，成為了應(yīng)急領(lǐng)域信息化的重要手段和執(zhí)行力量。為決策者快速、準(zhǔn)確、科學(xué)的應(yīng)對(duì)突發(fā)事件提供了有力保障[4]。

[1]陳振國(guó)，齊懷亮，林瑩.衛(wèi)星地球站數(shù)字通信設(shè)備[M].北京：人民郵電出版社，1995.

[2]呂海寰.衛(wèi)星通信系統(tǒng)（修訂本）[M].北京：人民郵電出版社，1994.

[3]楊運(yùn)年.VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)[M].北京：人民郵電出版社，1997.

[4]總裝備部軍事訓(xùn)練教材編輯工作委員會(huì).衛(wèi)星通信技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2000.

With the continuous extension of gas pipeline and the improvement of management capacity to handle the emergency,it is very necessary to set an emergency-aid movable communication system of VSAT.The emergency movable communication system of VSAT consists of three satellite ground stations:two car-charged stations,Xi'an ground station that is located at the Headquarter of Shaanxi Natural Gas Limited Company.This system possesses the strong emergency-aid working capacity,the flexible movable command,and the reliable communication means,and thus providing the strong and solid guarantee for decision makers to handle the emergency quickly,exactly and scientifically.

SCPC;VSAT;natural gas pipeline;emergency-aid movable communication system

宋旭東（1970-），男，碩士研究生，工程師，主要從事天然氣生產(chǎn)技術(shù)管理工作。

2009-08-31