轻量化消防救援卫星通信系统设计

□文/徐海强 华丹 黄康宇 朱斌豪

面对全灾种、大应急的任务拓展，消防救援队伍在处置台风、地震、雨雪等自然灾害时往往面临地面道路中断、网络瘫痪等情况，短波、超短波、集群、公网等传统的消防通信手段容易受到环境、信号、通信距离等多方面不利因素影响。确保救援现场与后方指挥中心之间保持稳定、可靠的通信，一直是消防救援应急通信保障不断研究和改进的课题。

卫星通信技术受自然环境和地理条件影响小，通信可靠性高，能够满足语音、数据、图像、视频等综合通信需求在消防队伍中得到了全面部署和应用，目前全国支队级通信保障分队均配备了相关卫星通信装备，极大提升了消防应急通信保障能力。

近年来，随着高通量卫星、小卫星星座技术蓬勃发展和应急卫星通信系统国产化进程不断推进，消防救援任务的拓展对现有的卫星通信系统保障提出了新的需求。在分析各种新需求的基础上，本文设计了一种轻量化的消防卫星通信系统，提出了相应的关键技术和实现方法。

消防救援卫星通信新需求

随遇接入通信需求

目前消防卫星通信系统采用预约方式使用，通信保障前要通过电话方式向部消防局中心站值班室申请，由网管控制建立链路。这种方式可实现资源统管，让有限的资源保障最重要的任务。但是多了人工交互的环节，存在响应速度较慢问题，在真实灾害发生时，可能因申请处理不及时而影响到救援行动。因此在后续系统建设中，应考虑参照卫星电话的使用方式，支持随遇接入功能，用户在需要时可以及时按需呼叫建链，提高通信保障效率。

窄带通信需求

窄带话音通信是早期通信系统必备的业务形式，但是随着多媒体和视频业务的普及，出现了宽带通信取代窄带话音的情况，许多指挥调度系统以视频通信为主，以视频畅通作为通信保障成功的主要标准。但是对于卫星通信来说，星上资源比较宝贵，而宽带通信对于设备和资源的要求都比较高，特别是在雨雪等恶劣天气下，宽带通信的效果难以保证。考虑到应急情况下的应用需求，必须保留高可靠性、极低速的话音通信手段，确保恶劣气候条件下最后一道通信方式可用。

业务融合需求

目前消防调度指挥以视频通信和视频会议为主，通常是先建立卫星链路，让音视频终端接入消防指挥调度网，然后通过图像综合管理平台或者语音调度平台进行音视频通信调度，实现“1对1”或者“1对多”的话音或视频指挥。这种方式能够实现全国应急指挥的畅通，也可实现通信与指挥业务的分离，方便不同系统分别建设实施。但是语音业务与视频业务相互独立，没有实现融合互通；通信与业务也相互分离，需要分步建链，保障过程比较复杂。随着信息系统建设的发展，应考虑建设融合话音、视频、数据等多种业务的综合指挥调度平台，并将卫星通信终端与音视频业务终端集成，在需要通信时自动建链，降低操作复杂性，提高通信保障效率，分级接入通信需求.

目前消防卫星通信网统一通过部消防局中心站落地接入，随着网络规模的扩大，中心站的接入能力和服务保障能力面临饱和和过载的情况，时常会出现资源不足和争用的现象。应考虑在总队固定站提供接入能力，形成两级接入架构，能够支持本省内的远端站接入，从而缓解中心站接入和业务处理的压力。

高通量卫星应用

高通量卫星（High Throughput Satellite,HTS）[4]因容量大、速率高很受关注，卫星通信终端也能够做得更小，从而实现更强的通信能力。目前国内采用的中星16可提供Ka频段的高速互联网服务，但是所有业务都需要经过卫通主站落地后接入互联网，如果两个机动站需要通信，也要经主站落地后按两跳的方式实现互通。这种链接方式不仅存在极高的信息安全隐患，同时也造成了流量资费的大量增加。另外，该系统只覆盖了我国中部、东部的国土和近海地区，尚未实现全国组网，现在来看还不具备支持应急通信的条件。在后续系统建设中，应采用自主国产技术，并且为应急通信提供独立的行业专网，从物理层保证网络隔离和信息安全，确保应急通信安全可靠。

天通卫星移动通信应用

天通移动卫星通信系统（简称天通系统）由中国电信运营，卫星移动网络通过信关站落地后与地面电话网和互联网相连，呈星状网结构向用户提供服务，用户侧采用S频段。其手持终端支持话音和低速数据，背负和车载型便携终端最大可支持384kbps的数据业务，可与专用的视频终端配合实现比较流畅的音视频通信。为了实现天通卫星移动通信网与应急通信的结合，中国电信与应急管理部达成合作，开通应急专用号段，并采用专线形式将应急用户的数据直接接入应急指挥网。原则上，如果信关站采用独立的硬件设备接收应急用户的流量，可实现应急用户与普通用户的物理层隔离，从而构建应急服务专网，为应急通信提供有力的支持。同时，中国电信为应急部开放了用户管理和业务调度的接口，支持通过交互接口实现对在网用户的状态查询、位置查询和业务通信，为业务融合创造了条件。

天通卫星移动通信系统存在的问题主要是本地干扰，因S频段频率较低，与地面移动网络、Wi-Fi等信号频率有重叠，用户通信质量和系统通信容量都受到很大影响，陆地上的呼通率与地面移动网络的要求有较大差距。另外因带宽的限制，手持终端用户的数据业务未开通，能够支持的高速数据业务并发数量也很少，无法利用该数据业务支撑较大规模的应急指挥应用。

轻量化消防卫星通信系统设计

系统架构

针对上述问题，综合考虑传统Ku频段VSAT卫星通信（简称VSAT系统）、高通量卫星和天通卫星移动通信系统的特点，结合消防救援通信保障的具体需求，从整体上对应急卫星通信系统进行设计，系统结构如图1所示。

▲图1 轻量化消防卫星通信系统架构

该系统框架摒弃了目前尚不成熟的高通量卫星系统，天通系统和VSAT系统分别通过主站与三级综合业务融合调度平台（简称调度平台）对接。主要采用手持和便携式卫星终端，通过调度平台将音视频业务终端与卫星通信设备融合成一个有机的整体，构建了一套轻量化消防卫星通信系统，可实现跨网的电话和视频业务，为消防救援任务提供全面的通信保障支持。

关键技术及实现方法

最低限通信保障

在强震、洪涝等极端灾害发生时，卫星成了最有效的通信保障手段，必须考虑最低限通信畅通。在设计中考虑通过天通卫星电话、Ku频段轻型便携站等设备来提供最低限通信保障。在产品形态上，设备比较小巧，可人工携带，对道路无特殊要求；在可靠性上，通过两种方式的互补，基本可应对全部的应急场景；在使用方式上，都支持随时入网和按需通信。

为保障最低限通信，Ku频段卫星通信系统应参照移动通信系统进行升级改造。卫星主站应具备持续服务能力，支持随遇接入、按需通信。为便于通信，业务终端可进行整合，应支持通过智能手机进行业务通信，不需要另配IP电话机或者音视频会议终端设备。同时，系统需要通过扩频、降速等手段，提高话音通信的可靠性，对抗雨雪天气和其他干扰的影响。

为将最低限通信的可靠性提高到电信运营级（不低于99.999%），需要从理论上进行设计保证。天通卫星电话的可用度按99%计算，则VSAT最低限通信的可用度应不低于99.9%。VSAT话音业务速率按2.4kbps计算，暴雨条件下的雨衰按15dB计算，为保障0.5米口径天线，配置6瓦功放时，话音业务采用BPSK调制方式、1/2前向纠错码率，并采用4倍扩频时可保证通信可靠性，如表1所示。

表1 VSAT话音业务可靠性方案

音视频业务融合调度

现有应急通信系统仍相对独立，或者通过网关或中间件进行对接，仅实现了基本通信功能的融合。为了实现音视频业务融合，需要解决统一编址编码和协议转换，然后分别设计话音融合和视频融合方案。

1）统一编址编码及协议转换

编址编码可通过管理和技术相结合的方式解决。相关研究者在天地一体化信息网络中指出了基于地理位置和逻辑位置的两种IPv6统一编址方案。本设计面临多卫星通信系统的融合问题，因此提出基于系统位置的统一编址方案，如图2所示。这种方案通过增加系统编号来解决不同分系统之间的统一编址，然后综合路由前缀和其他编址字段来进行寻址。该方案能够支持不同通信系统的音视频业务编址和寻址。

▲图2 基于系统位置的编址

互联互通问题始终是卫星通信中较难解决的问题，基于网络层实现业务的互联互通[17]和基于物理层实现空中接口的互联互通能够提供系统之间的互通链路，并提供不同系统终端之间的路由。在本设计中，不同通信系统采取的音视频协议不一致，因此在音视频融合上需要进行协议转换，将不同标准的协议统一成标准协议后进行互通。需要转换的业务主要包括话音和视频两种，数据业务一般都统一成标准的IP格式，即使用基于网络层实现业务的互联互通方法。

2）话音融合

卫星通信系统中的话音多种多样，将这些不同的话音进行融合，提供统一的话音调度通信平台，是话音融合调度系统需要解决的问题。话音融合一般采用基于SIP的标准，将不同类型的话音统一转换成标准话音后通过SIP协议进行业务交换互通。

为了能够统一使用SIP标准，提出各终端的SIP层设计方案如图3所示。SIP层中的解析器分布对SIP信令、SDP会话和URL进行解析和获取，并在RFC3261、RFC3264和RFC3265的SIP协议描述过程的基础上，对SIP交互过程进行状态管理。SDP会话协商编码，帮助记录请求和响应消息，并支持终端做出快速准确的应答。

▲图3 话音融合终端SIP层设计方案

3）视频融合

视频通信和视频会议是重要的应急救援指挥方式。因底层网络的速率和传输特性不同，视频采集和显示设备的标准和性能多样，必须建设能够统一融合互通的视频平台。对于满足标准的视频设备和系统，可以通过标准接入服务直接接入统一的视频平台，对于非标准的要通过协议转换服务进行协议标准化转换后接入视频平台。

视频平台要依托消防图像综合管理平台构建，实现分级部署、平台互联，视频全卫星通信系统融合，如图4所示。系统中任何一个节点都可以在平台权限策略下访问现场视频采集点。

业务平台与通信系统融合

为提高业务调度的效率，应将业务调度平台与底层通信系统进行融合。主要实现方式是业务调度平台与卫星通信系统的控制中心进行交互，直接调用控制中心提供的接口，实现对卫星通信系统运行状态、卫星站位置的查询，以及卫星通信链路的控制。业务调度平台与通信系统的融合方案如图5所示。

▲图5 业务调度平台与通信系统融合方案

结束语

卫星通信是消防救援应急通信中的重要保障，但其技术含量高，使用复杂，在消防救援通信保障中缺乏深入的运用。在新的应急通信保障体系下，应在技术、产品和保障机制上进行创新，不断引入先进技术，探索通信保障模式，为消防救援队伍更好的履行新的使命任务提供有力的支撑。本文从技术角度对消防救援卫星通信系统进行了整体设计，并对实现消防通信新需求的关键技术和实现方法进行了描述，可供各级信通部门参考借鉴。当然，要建设一个完善的消防救援卫星通信系统，需要研究和分析的问题还有很多，将在后续的应用和研究中进一步探索与完善。