一种卫星移动通信系统地面线路巡检系统设计

马凯旋，马立波，肖 跃，刘 凡，张 健

（1.中电防务科技有限公司，江苏 南京 210000；2.北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094）

0 引言

“天通一号”卫星移动通信系统是我国自主研制建设的卫星移动通信系统，近年来，已相继完成多颗组网卫星的发射。随着我国卫星移动通信系统用户的不断增多以及应用业务领域的不断推广，对系统通信服务可靠性的要求愈加突出。相比于传统的卫星通信系统，卫星移动通信系统网络设备类型多、数量大，网络维护的工作更加复杂，因此，迫切需要开发出一套行之有效的、针对通信服务可用性的巡检系统，能够自动地，常态化检测全系统每个波束覆盖区域下通信是否畅通，保证通信服务质量，提升用户体验。

1 研究现状

巡检一般意义上是指采取人工或者自动的方式，按照预先规划的巡检路线或者制定的巡检任务，在规定的时间段内到达巡检路线中的每一点，并在规定时间内完成对规定区域的巡查，执行巡检任务[1]，及时发现问题。

目前，巡检系统的应用非常广泛，尤其是在包括通信、能源、城建在内的一些基础设施行业中应用尤其广泛。例如，在电力系统中，为了避免输电环节出现问题影响整个电力系统的运行，通常会对输电线路进行巡检[2]。传统的做法是采取人工的方式，派专业电力检修人员到现场作业，这种做法效率低下，尤其是对于分布在山区野外等人迹罕至区域，不仅设备物资难以运输，作业人员的安全也得不到保障。近些年，无人机以其灵活性高、体型小、质量轻、方便携带、成本低等优点，开始被广泛应用在电力系统的自动化巡检中。无人机可以被快速部署到复杂地理环境中执行巡检任务。通常无人机会携带高分辨率摄像机、红外测温仪等传感仪器，按照预定的巡检任务路线，对输电线路进行诊断，然后通过4G或者卫星等无线网络回传到地面系统中进行自动分析，极大地提高了电力巡检的效率。近年来，无人机和智能机器人也逐渐应用到石油、天然气输送管道的巡检以及智能建筑的安防巡检中。

在地面移动通信系统中，对移动通信基站与通信线路的巡检通常采取路测的方式。测试人员会携带安装有专业拨测软件的计算机、专业测试仪表等，前往各个无线基站下，按照预先规划的路线，对整个路段进行拨测并收集性能数据。它是无线网络优化的重要手段之一，根据不同运营商的不同需求，对无线环境的业务性能进行验证，用于支持无线网络环境的合理规划和资源的优化配置。然而，这种方式不仅成本较高，而且单纯依靠人工的方式避免不了错漏现象的出现。

区别于地面移动通信系统中单个基站只能为有限范围的区域提供通信服务，卫星移动通信系统通过高轨道GEO卫星上转发器的转发功能，利用单个基站即可完成对整个国土范围的通信覆盖。如果采用地面移动通信系统中路测的方式，那么运营单位需要派遣大量测试人员在全国范围内开展长期测试，这种做法不仅效率低下、成本高昂，也无法完全做到对通信服务区域的全面覆盖，如山区、荒漠以及需要船上作业的远洋区域等。因此这种做法只适用于系统开通时，运营单位进行通信服务的摸底测试，或者对任务重点保障区域进行有针对性测试，如果把它作为常态化的巡检手段则明显不切实际。

因此，卫星通信系统的巡检在过去更加关注对地面段通信设备的监控，而不是通信线路是否正常，即通信服务是否可用。这种做法通常依赖于地面段网络管理系统的设备监控能力，对发生故障的设备能够及时产生告警，提示运维人员进行排查和检修。然而单纯依赖网络管理系统的监控能力往往具有局限性，这一方面是由于卫星移动通信系统地面段设备构成非常复杂，不仅包括一些通信设备，还包括一些负责协议处理、数据交换的软件进程等，网络管理系统很难做到对所有通信节点的全面覆盖；另一方面是由于一些关键节点本身不具备被监控的能力，如一些射频线缆的分合路器、接插件等，这些器件的破损、松动往往也会导致通信线路的故障，而网络管理系统很难感知到这类故障，运营单位只能在收到用户的反馈时才能发现这类问题，严重影响用户的使用体验，因此需要其他巡检手段，弥补单纯设备盯防存在的缺陷和不足。

2 系统设计目标

为了弥补过去单纯采取设备盯防的手段进行日常巡检维护存在的缺陷和不足，笔者认为必须采取设备盯防与通信线路盯防相结合的方式，对卫星移动通信系统开展日常巡检，因此，本文提出一种卫星移动通信系统地面线路巡检系统的设计方法。该系统结合卫星移动通信系统自身的特点，参考地面移动通信系统路测巡检的方式，提出一种在地面段模拟卫星转发，无须经过星地链路，即可实现在任意波束下拨测的目的，从而避免需要派遣测试人员前往各个待测波束覆盖区域带来的测试效率低的问题。本系统能够按照规划的巡检任务，在规定的时间点和时间段内，自动完成对所有待测波束下地面通信线路的检测，有效保证通信网络的畅通。

3 系统设计思路

卫星移动通信系统由地面段和空间段组成，地面段主要由各式用户移动终端和信关站组成。信关站是卫星移动通信系统的地面基站，用户终端之间通信，首先需要在信关站落地，再完成双跳通信。卫星与信关站间的通信链路为馈电链路，工作在F馈电频段，卫星与用户终端间的通信链路为用户链路，工作在F用户频段，F馈电频段与F用户频段之间的频率转换工作由卫星上的转发器在空间段完成。

为了解决卫星移动通信系统相较于地面移动通信系统频率利用率低的问题，卫星移动通信系统在用户链路上采取多波束赋形以达到频率在空间上复用的目的，在馈电链路上采取极化复用的方式，提高频率资源的利用率，增加系统容量。

考虑到星上处理较为简单，并且卫星工作较为可靠，因此如果能够确认信关站内地面通信线路正常，则基本可以保证整个系统对外提供通信服务的可用。基于此点考虑出发，可以在信关站天线后端的每个极化方向上放置一台处理变频设备模拟星上转发器的工作，以及一台专门用于拨测的移动终端，一起连接到信关站的地面环路中，通过灵活配置变频器的工作中心频点，向移动终端下发拨测任务，即可实现对任一波束通信线路的巡检。

4 系统总体设计

4.1 系统组成

巡检系统由巡检管理软件、巡检终端、巡检变频器、SIP软终端组成。

巡检终端是将卫星移动终端去除电池、人机交互等模块，以及其他适配改造工作后的2U机箱设备，方便在信关站机房内上架安装。巡检终端上安装有拨测软件，可以在巡检管理软件的远程控制下做语音、数据和短信业务测试。

巡检变频器负责模拟卫星上变频转发功能。如图1中所示，工作在某一个极化方向上的变频器的F馈电输入口连接到信关站天线后端该极化方向的上行链路（即信关站的发射方向），F馈电输出口连接到该极化方向的下行链路（即信关站的接收方向）；变频器的F用户输入和输出口分别连接巡检终端的F用户输出和输入口，这样巡检终端与信关站的一个极化方向上的地面线路即可构成回路。为了保证巡检能够覆盖任意一个极化方向上的波束，巡检系统在每个极化方向上各需部署一套巡检终端和巡检变频器。

在巡检业务测试过程中，巡检终端只作为主叫方使用，因此，在核心网下部署一部SIP软终端作为被叫。本系统选用的SIP软终端为CounterPath公司的产品eyeBeam，可以设置自动接听功能，方便语音呼叫测试。

巡检管理软件主要用于管理和控制巡检系统内的巡检终端和巡检变频器。一方面为了监控巡检系统本身组成设备的工作状态，另一方面，用户可以通过巡检管理软件下发巡检任务，巡检管理软件会通过远程配置变频器操控巡检终端来自动执行巡检任务，存储巡检任务执行的详细结果。对于巡检任务执行过程中出现的业务测试失败，巡检管理软件能够立即产生一条故障告警，提示执勤用户进行排查和检修。

巡检管理软件采用IT界流行的前后端分离的B/S架构实现。前端为使用VUE.js和ElementUI开发的单页应用；后端使用Spring Boot构建单个服务程序，采用模块化分层设计。前后端间通过定义清晰的接口交互数据，避免前后端代码的耦合，方便各自的扩展和维护。

4.2 系统功能设计

巡检系统主要支持包括单波束巡检、多波束巡检和全网常态化巡检三种方式的巡检任务。

4.2.1 单波束巡检

为了方便用户快速掌握某一个波束通信服务的情况，用户可以从巡检管理软件的人机界面输入待测波束的波束号，选择需要测试的业务类型，并输入该业务类型测试所需配置的参数，例如语音业务测试需要配置循环测试次数、被叫SIP软终端的号码等。任务提交后，巡检管理软件在后台会自动执行指定波束下的巡检任务，用户可以在巡检任务执行结束后查看任务执行的详细结果。

一次单波束巡检任务的执行结果分为入网结果、语音结果、短信结果、分组结果等几个部分。其中，入网结果中包含结果指示、DACCH误码率、无线接口中一些关键参数、入网失败情况下的原因等；语音呼叫结果包含结果指示、接通时间、语音速率、呼叫失败情况下的原因等；分组结果包含结果指示、上下行速率、丢包率、ping包时延等信息。此外，针对每一次检测过程还有详细的信令流程展示，方便在出现业务失败的情况下，分析信令流程中的异常点，辅助分析地面线路中故障点位，例如，当信令流程中断在“位置更新拒绝”处时，可基本锁定故障点位于核心网的用户移动性管理部分。

4.2.2 多波束巡检

对于重点任务保障区域，通常不止有一个波束覆盖，可能会有多个交叠波束同时覆盖。用户希望快速掌握整个任务区域内的通信服务质量，可以通过巡检系统的巡检管理软件下发包含多个待测波束的巡检任务，巡检管理软件会按序调度各个波束的测试，其对各个波束的巡检与上述单波束巡检功能相同。

4.2.3 全网常态化巡检

全网常态化巡检是巡检系统最重要的功能，因为巡检系统的根本目的就是为了确保所有波束通信服务的可用性。巡检系统能够定时遍历所有波束进行话音、短信和分组数据的业务功能测试，保证通信服务在地理覆盖以及业务种类覆盖上的全面性。用户可以在巡检管理软件中规划巡检任务执行的时间段，错开用户使用的高峰时段，避免通信服务忙时对系统资源的占用。

4.3 工作流程

由于全网巡检及多波束巡检都是按序调度单个波束巡检任务的执行，因此文章重点介绍单波束巡检的工作流程。

（1）首先用户利用巡检管理软件规划并提交巡检任务。

（2）巡检管理软件在后台根据待测波束所在的极化方向，确定本次巡检任务需要用到哪一套巡检变频器和巡检终端。

（3）巡检管理软件根据系统预先规划的待测波束的中心频点，配置巡检变频器工作的中心频率，确保与之相连的巡检终端能够接收该波束下的广播信号，并且信关站能够收到该巡检终端的上行信号。

（4）巡检管理软件将系统预先规划的待测波束的广播频点及任务配置，一起作为一次拨测任务下发给巡检终端，巡检终端直接切换到该广播频点搜索待测波束的广播信号，从而避免扫频盲搜，提高巡检任务执行的效率。

（5）巡检终端收到拨测任务后，开始调度终端内的CP模块完成入网、呼叫、短信和分组数据等流程。

（6）巡检终端在本次拨测任务结束后，返回结果给巡检管理软件。

（7）巡检管理软件收到测试结果后入库保存，并对测试结果进行分析，如果发现结果中出现了错误，如入网失败、呼叫失败、分组激活失败或者漏测等情况，将通过蜂鸣告警的方式，提示用户及时进行故障排查。

（8）用户可以在巡检管理软件的任务历史记录中查询到本次测试的详细结果。

5 结束语

文章结合卫星移动通信系统自身特点设计的地面线路巡检系统，弥补了过去单纯采取对地面段通信设备盯防手段进行日常巡检维护存在的缺陷和不足，并且可以绕过星地链路，无须前往各波束覆盖的特定地理区域，在信关站内部即可完成对所有波束通信线路的巡检，在提高巡检效率的同时，有效保证通信网络的畅通。未来本系统还可以与地面段网络管理系统深度融合，帮助运营单位从多个维度实时掌握系统运行的整体状况。