一种基于平流层平台的通信中继系统

郑磊

【摘要】 本文基于平流层通信的特点及发展现状，结合通信中继在应急通信等领域的优势，提出了一种适应平流层平台的通信中继系统架构，对系统架构、工作原理进行了描述，并对同构/异构体制间的中继技术、语音编码及静音检测等关键技术进行了分析与论述。

【关键词】 平流层通信 应急通信 同构/异构体制中继

一、概述

平流层通信是当今无线通信领域的一种新的应用形式，主要是利用平流层稳定的气象条件，使浮空平台在平流层高度下以准静止状态长时间留空，并在浮空平台上搭载有效的通信载荷，实现视距范围内的通信覆盖，并通过通信中继扩展了视距通信可达范围。它具有费用低、部署快速、使用灵活、通信质量好等特点，相对于陆基移动通信系统的脆弱性，以及卫星通信系统的高昂价格及通信容量限制，平流层通信在应对突发自然灾害时的应急通信能力优势明显，是一种很好的应急通信策略。[1，2]平流层通信应用于应急通信场景如图 1所示。

二、方案设计

平流层通信中继系统由两大部分构成：一部分为通信中继载荷，由浮空通信载荷和地面控制系统组成；另一部分为载体即能承载一定负荷的航空器，能提供通信必要的条件，同时能保证所需的升空高度。

2.1平台选型

目前，有多种浮空平台可供选择，其中以动力飞艇和无人机的技术较为成熟。

与无人机不同的是，动力飞艇不需要建机场，修跑道，且飞艇起飞或空中驻留时不需要任何燃料，能够长期停在高空。

由于飞艇既有浮升气体升空，又有动力驱动，因而能源消耗少，载重能力强，安全性、经济性比直升机好，是一种较好的空中平台通信载体。[3]

2.2通信中继载荷设计

2.2.1系统架构

传统的中继系统设计，采用基于独立设备单元背靠背的中继方式，通过独立设备间的物理连接电缆进行收发音频信息的传输，中继链路的构建局限于单一的物理连接，无法做到灵活重构。

为满足跨频段、多体制中继灵活配置和性能最佳的需求，考虑采用软件无线电思想，构建一套综合化的模块化的中继系统。传统中继方式与综合化中继方式的差异见图 2所示。

2.2.2硬件设计

通信中继载荷的硬件设计，系统采用开放式系统架构、软件无线电思想以及综合化、标准化、模块化思路来设计。系统架构如图3所示。

系统天线部分，主要實现系统各路无线电信号的发射和接收。若考虑为每路中继通道都配备天线的方式，无疑天线数量及种类繁多，且增加了天线布局及共址兼容工作的难度。为避免上述问题，可根据系统所需的中继通信体制对天线频段、极化形式、共址兼容、使用阶段等要求，进行天线共用、共孔径、共形等设计，同时利用仿真手段，对各种通信天线布局进行优化设计，以达到天线的最优化配置。

射频前端部分负责完成多频段的射频综合处理，为天线孔径与后端数字处理之间提供射频收发通路。通过射频交换网络和后端的中频交换网络的相互配合，可以进行天线选择、中频选择以及多路并行工作能力。发射通道和接收通道宽开通用设计，支持不同频段、不同通信功能发射和接收，有利于射频处理资源的共用。

数字处理后端部分主要完成中继功能的中频信号处理、数据处理、数字音频处理，并负责中继系统的集中控制管理。系统内部通过中频交换网络及数字及数字交换网络实现中继功能信号处理的搭建，灵活路由以及故障重构。依托上述能力，可支持中频、基带、信息层的不同层信号中继。

2.2.3软件设计

软件设计将软件可靠性和安全性放在首位，采取分层次、模块化设计，能够方便进行裁减和升级。通信中继载荷软件设计自顶向下分为综合控制管理层、数据处理层、信号处理层三层次。各层通过标准接口进行分隔，以实现层之间的独立性。其中，综合控制管理层软件和数据处理层采用组件化设计，信号处理层即通信功能层采用SCA软件架构设计。各部分主要功能如下：

（1）综合控制管理层

集成管理层是系统软件的核心，主要实现中继系统的综合集成管理功能，实现对系统内各类软件组件的集成协调工作，主要包括：外部信息交互、系统工作参数控制管理、状态监视等。

（2）数据处理层

数据处理层根据当前中继链路体制要求，完成业务数据的分帧/组帧、纠错编译码、打包/解包和数据完整性检查等处理，同时负责对各功能模块的收发时序、信道和功放的参数控制和管理。

（3）信号处理层

信号处理层完成不同中继链路的信号处理功能，包括上/下变频、滤波、调制/解调、编/译码等，并产生发射数字中频信号等。

三、关键技术

3.1同构/异构体制间的中继技术

本文设计的中继系统除能够在同构体制链路间实现音频数据的转发外，重点要解决异构链路之间中继转发，包括话音、数据中继，不同体制链路之间的转发等，这意味着要在不同频段、不同体制等各型通信链路之间，自由进行话音及数据的中继转发处理。

系统在设计时，从逻辑层次上划分中继类型，分别在链路层、网络层和应用层等不同层次分别完成数据包转发处理技术，可完成数据包在同构/异构链路之间的传输。

3.2语音编码及静音检测技术

本系统中继方式所具备的灵活多样的优点，在于采用了基于VoIP的话音编解码技术和活动话音检测技术。

VoIP 是 Voice over IP 的缩写。这种技术使得模拟话音信号能够进行数字化、IP化，从而达到在以太网上传输话音的目的。目前，ITU-T 定义的主要编码标准有 G.711、G.729、G.723.1 等[4]。由于语音的IP化，系统可以采用基于IP的高速以太网交换网络，实现控制、话音及数据的总线统一传输。如此可满足G.711编码方式的传输带宽，故系统采用话音质量更高的 G.711 编码方式。

此外，系统综合控制管理实时检测通话过程中的话音激活情况，以识别静音片段不转发。采用静音检测技术后，当中继链路没有收到话音时，通信信息处理器将不会发出转发发射控制信号PTT，从而不会引起长时间单向占用信道的现象，有效的提高中继转发信道的利用率。

四、结束语

随着科技的发展和社会的进步，现代通信在社会生活各方面和国民经济各领域发挥着越来越突出的作用。遇到大的自然灾害如地震、海啸，以及在反恐等场合，原有的基础设施很可能同时遭受破坏，通信系统的丧失会直接影响领导机关或决策机关部门的指挥；另外对于实施应急具体事件处理的公安、消防、抢险、医疗救急等部门的工作也可能会带来极大的障碍，严重时会丧失事情处理或救助最好时机。本文提出的基于平流层平台的通信中继系统，可提供全天候、全方位的通信覆盖，具有费用低、部署迅速等特点，是山区应急通信指挥系统较为理想通信技术。

参 考 文 献

[1] 樊昌信.一种发展中的新移动通信方式平流层通信研发概况[J].现代电子技术，2005，28（19）：1-3.

[2] 罗卫兵，王永生.无人机平台的超视距多链路中继[J].遥测遥控，2003，24（2）：32- 33.

[3] 姚伟，李勇，王文隽，等.美国平流层飞艇发展计划和研制进展[J].航天器工程，2008，17（2）： 69- 75.

[4] 张登银，孙精科.VOIP技术分析与系统设计[M].北京：人民邮电出版社，2003.