天地一體化應急信息網及多址方式研究

解放軍理工大學通信工程學院 李飛龍 李志強

總參61所通信中心 李 毅

一、引言

相比于“飛鴿傳書”、“烽火告急”、“雞毛信”等人類早期的應急通信手段，現(xiàn)代意義的應急通信，一般指在出現(xiàn)自然的或人為的突發(fā)性緊急情況時（包括重要節(jié)假日、重要會議等通信需求驟增時），綜合利用各種通信資源，保障救援、緊急救助和必要通信所需的通信手段和方法，是一種具有暫時性的、為應對自然或人為緊急情況而提供的特殊通信機制，具有隨機性、不確定性、緊急性、靈活性、安全性等特點。在重大災害面前，地面基礎設施幾乎全被摧毀，基于地面設施的應急通信方式就不能發(fā)揮應有的作用，此時迫切需要一種在災害影響情況下仍能正常工作的方式來保障通信任務。衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍大，作用距離遠，組網靈活，通信費用基本與距離無關，不受地面現(xiàn)有設備的限制，受地形地物影響小等突出優(yōu)點，在應急通信中發(fā)揮著越來越重要的的作用。

在國際上，許多國家非常重視應急通信網絡的研究和開發(fā)工作，特別是西方發(fā)達國家和亞洲的日本。美國從20世紀70年代開始建設應急通信網，目的是為了滿足美國政府對于緊急事件的指揮調度需求。“9·11事件”之后，美國更是投入巨資建設與互聯(lián)網物理隔離的政府專網，推行通信優(yōu)先服務計劃，并利用自由空間光通信（FSO）、WiMAX和Wi-Fi等技術來提高應急通信保障能力。日本已建立起較為完善的防災通信網絡體系，如中央防災無線網、防災互聯(lián)通信網等。中央防災無線網是日本防災通信網的骨架網絡，由固定通信線路、衛(wèi)星通信線路和移動通信線路構成。防災互聯(lián)通信網可以在現(xiàn)場迅速連通多個防災救援機構以交換各種現(xiàn)場救災信息，從而有效進行指揮調度和搶險救災。目前，我國很多與救災減災相關的機構都采用了衛(wèi)星通信技術，國家防汛指揮系統(tǒng)和國家電網應急通信系統(tǒng)包括衛(wèi)星通信網、微波通信網、集群移動通信網、地面移動通信網等四部分，進行語音、高速數(shù)據、圖像等信息的傳輸業(yè)務，基本形成了較強的有線與無線相結合、固定和移動相結合的應急通信能力。

由于天基系統(tǒng)不會被災害破壞，因此，具有高可靠性的衛(wèi)星通信，特別是衛(wèi)星移動通信，成為了在遭受自然災害襲擊地區(qū)保證應急通信的最佳手段。然而，衛(wèi)星通信也有自身的不足，它是典型的功率受限系統(tǒng)，電波傳播情況復雜，系統(tǒng)是在非高斯信道中工作，又加上多種應急通信體制并存，應急情況下如何使各自獨立的系統(tǒng)有效聯(lián)動并有效解決多個用戶共享有限的衛(wèi)星資源等，這些已經成為研究的熱點。

二、衛(wèi)星通信在應急通信系統(tǒng)中的應用

圖1顯示了應急通信基本組織結構圖，主要采用應急衛(wèi)星通信、集群移動通信、短波無線電通信、微波接力通信方式。這四種無線通信方式機動性好、通信設備開通迅速，非常適合在緊急情況下的應急通信保障。

圖1 應急通信系統(tǒng)組織結構圖

應急信息傳輸服務的三個場景：一是應急現(xiàn)場內的通信；二是應急現(xiàn)場與安全區(qū)域內的通信；三是安全區(qū)域內的通信。在上述場景中衛(wèi)星通信都可以發(fā)揮重要作用，其中，衛(wèi)星移動電話包括Iridium，GlobalStar，Thuraya及海事等衛(wèi)星終端，主要用于災害發(fā)生時早期階段；寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)包括FDMA，TDMA，DVB-RCS系統(tǒng)，主要用于災害中期及災后恢復階段，可解決各類高速業(yè)務的傳輸，并滿足各種裝載平臺（機載、船載、車載、單兵背負）的快速通和動中通應用，為災害現(xiàn)場無線網絡到安全區(qū)域互聯(lián)互通提供遠程通信傳輸信道；音頻衛(wèi)星廣播，利用衛(wèi)星向公眾發(fā)布災害告警、現(xiàn)場情況通告等信息。盡管與地面通信設備還存在一些互聯(lián)互通問題，在地面網絡被摧毀時衛(wèi)星通信仍然是應急通信的重要通信手段。

三、構建天地一體化的應急通信網

從圖1可知，在應急情況下通信體制多樣，設備復雜，有線電話和IP制式并存，移動通信GSM，CDMA，3G體制并存，許多企業(yè)/行業(yè)還采用了不同制式的集群、短波電臺。迅速發(fā)展的衛(wèi)星通信也自成體系。由于通信體制多樣，各類通信網均有顯著的封閉性，相互間互聯(lián)互通實現(xiàn)比較困難，制約了現(xiàn)有通信資源效能的發(fā)揮，成為應急通信的瓶頸。汶川大地震暴露出各類通信系統(tǒng)互連互通較差，系統(tǒng)綜合性能欠佳；觀測周期長、指揮控制亂、信息處理慢，因而在不同程度上影響了這些衛(wèi)星系統(tǒng)的時效性，不利于快速反應和協(xié)同通信。為了有效解決現(xiàn)存多個通信手段的互聯(lián)互通，充分發(fā)揮現(xiàn)有的通信裝備的作用，需要構建天地一體化的應急通信網。在地面通信網絡遭受破壞后，地面應急通信系統(tǒng)會自動地轉接到衛(wèi)星網絡上。圖2顯示了天地一體化應急通信網絡拓撲圖。

圖2 天地一體化應急通信網拓撲圖

對地觀測衛(wèi)星為天基信息獲取平臺，其任務包括低軌道偵察、區(qū)域監(jiān)視、氣象預報、地形測繪等。導航定位衛(wèi)星（北斗導航衛(wèi)星）為空中目標和地面目標提供導航、測速和授時服務。通信衛(wèi)星包括固定通信衛(wèi)星、移動通信衛(wèi)星、寬帶多媒體衛(wèi)星、直播衛(wèi)星、數(shù)據中繼衛(wèi)星，用于信息的傳遞分發(fā)和救災的指揮調度，一般要求通信容量大、傳輸速率高、響應快、保密性能好、抗干擾能力強。目前我國還沒有自主的移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)，也沒有自己的寬帶多媒體衛(wèi)星，這對于應急通信指揮十分不利。借鑒外國移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)和寬帶多媒體衛(wèi)星系統(tǒng)的成功經驗，建設以區(qū)域覆蓋為主、能夠兼顧全球，提供窄帶業(yè)務為主，逐步過渡到支持寬帶業(yè)務，支持手持終端的高軌移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)和低軌星座通信系統(tǒng)；建設能提供大寬帶容量、以廣播和組播工作方式的寬帶多媒體衛(wèi)星，是構建天地一體化應急信息網的基礎。地面的信息處理中心，包括衛(wèi)星通信網中心站和移動衛(wèi)星通信站以及與地面網絡的綜合接入設備和相關的移動通信小型基站設備，完成從天基系統(tǒng)傳遞下來信息的處理、融合和對天基系統(tǒng)的管理和控制，以及提供與地面網絡各系統(tǒng)的互聯(lián)互通的接口。整個系統(tǒng)的信息流程是天基平臺上的有效載荷把獲取的信息發(fā)送到數(shù)據中繼衛(wèi)星，后者通過星際鏈路傳到通信衛(wèi)星的寬帶通道，或非靜止軌道的星座系統(tǒng)，或直接傳送到地面信息處理中心，然后進行數(shù)據融合，通過星間、星地鏈路把各類衛(wèi)星系統(tǒng)及其地面設施連接在一起，構成一個天地一體化應急通信網。

天地一體化應急通信網以衛(wèi)星通信網為骨干，實現(xiàn)有線電話、無移動電話（GSM，CDMA，3G，集群電話）、短波（超短波）電臺、衛(wèi)星通信和“北斗”短信通信的互聯(lián)互通。在緊急救援時就能及時獲取災害現(xiàn)場的各類信息資源，各方配合，統(tǒng)一指揮救災，做到及時有效。

四、一體化衛(wèi)星應急通信多址方式

在天地一體化應急信息網中，隨著對高速數(shù)據、圖像、視頻等寬帶業(yè)務的需求不斷提高，對作為重要的遠程干線傳輸鏈路的通信衛(wèi)星容量也提出了更高的要求，其多址接入方式的選擇對基于寬帶的移動通信衛(wèi)星和寬帶多媒體衛(wèi)星的天地一體化應急信息網，是一個關鍵性的技術參數(shù)。多址技術首要解決的問題是盡可能靈活地把網絡內所有用戶通過衛(wèi)星結點互聯(lián)起來，同時要盡量有效地利用衛(wèi)星的頻率和功率資源。選擇不同的多址技術將直接影響衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應急適應能力。常用的衛(wèi)星通信接入技術如圖3所示，分別為頻分多址FDMA、時分多址TDMA、碼分多址CDMA。在FDMA方式中，由于頻率穩(wěn)定度不高和多普勒頻移的存在，使得移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)必須要有足夠的保護帶，主要限于信道帶寬較寬的GSO系統(tǒng)。傳統(tǒng)的高速TDMA方式同樣存在保護帶的問題，只是信道帶寬相對較寬，因此TDMA方式的頻帶利用率比FDMA要高，在GSO，MEO，LEO系統(tǒng)均可使用TDMA。CDMA方式具有多普勒頻移較小、信道保護帶對頻率利用率的影響較小的優(yōu)點，在GSO，MEO，LEO系統(tǒng)均可使用。

圖3 由頻率、時間和碼型三維坐標來表示的多址方式

在災害發(fā)生后的黃金救援72小時及災后重建過程中，實現(xiàn)災區(qū)和指揮調度中心之間及時準確完整的，包括語音/數(shù)據/圖像/視頻等在內的信息交互至關重要。災區(qū)的基礎設施基本全部被摧毀，最好的方法就是使用基于衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的移動終端（包括衛(wèi)星電話、動中通、靜中通）和衛(wèi)星視頻廣播終端。當受災區(qū)地理條件較復雜時，全網的鏈路質量差異較大，站點多、業(yè)務量大（語音、圖像、視頻），業(yè)務流向多為終端站和主站之間。在天地一體化應急信息網建成的前提下，隨著寬帶移動衛(wèi)星和寬帶多媒體衛(wèi)星的應用，若使用FDMA多址接入方式，對于基于中低軌的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)不僅多普勒頻移大而且頻帶利用率低。而傳統(tǒng)的單載波TDMA，由于只有一個載波，轉發(fā)器向所有站提供相同的功率，不可能由于某些站的鏈路質量惡化而提供較高的衛(wèi)星功率，所以在鏈路設計時就要考慮最差情況增加鏈路余量，這對于那些鏈路質量較好的站來說是對衛(wèi)星功率的浪費。若僅使用CDMA方式則對衛(wèi)星電話終端硬件要求較高、實現(xiàn)難度較大。針對衛(wèi)星通信在應急救災中業(yè)務需求的特點，并結合FDMA，TDMA，CDMA各自特點，就提出了多載波TDMA（MC-TDMA）在衛(wèi)星應急通信系統(tǒng)中的應用。MC-TDMA是指在一個TDMA系統(tǒng)中采用若干條信道速率相對較低的小TDMA載波，網內的所有站可根據具體通信情況自動在這些載波中選擇一個通信。圖4為衛(wèi)星應急系統(tǒng)MC-TDMA網絡組織與頻譜配置圖。

圖4 MC-TDMA網絡組織與頻譜配置模型

圖4所示的體制下，中心主站與遠端站單跳連接，遠端站之間的通信則需要雙跳，上行多址接人采用MCTDMA方式可以靈活地支持綜合業(yè)務傳輸和大小用戶終端的同網工作，下行采用TDM廣播體制可以更有效地利用衛(wèi)星寶貴的EIRP資源。主站的出境載波現(xiàn)在多采用DVB-RCS標準，入境載波可配置多個，每載波由一定數(shù)量的遠端站共享，在不同時隙進行發(fā)射，組成TDMA載波。這種配置下，遠端站為單載波工作，對天線和功放配置的要求較低，雖然主站成本較高，但遠端站成本較為低廉。在MC-TDMA方式中，可以使不同的載波有不同的功率，達到充分利用衛(wèi)星功率的目的。當只有一條載波時，它就是單載波的傳統(tǒng)TDMA方式；當有多條載波，每條載波只有一路信號時，它就是SCPC。對于MC-TDMA多址方式，每一路地球站的業(yè)務突發(fā)由報頭和業(yè)務比特組成。每一幀都包含若干業(yè)務突發(fā)和一個基準突發(fā)。假設每幀由N個時隙構成（一個地球站僅占用一個時隙時系統(tǒng)容納的站數(shù)最大），MC-TDMA幀長為Tr，各通信地球站業(yè)務突發(fā)的報頭比特數(shù)相同為Bhead，業(yè)務比特分別為Bi（i=1，2，…，N），各時隙之間的保護時長均為Tp。另外，每幀包括1個地面基準站發(fā)送的基準突發(fā)，用來提供系統(tǒng)定時，該基準突發(fā)的比特數(shù)為Bref，MC-TDMA的幀結構如圖5所示。

圖5 MC-TDMA幀結構

則該系統(tǒng)傳輸比特速率Rsys為

MC-TDMA幀結構的有效數(shù)據利用效率為

在MC-TDMA多載波時分多址方式中，假設有M個帶寬為BS的發(fā)射子載波，各子載波之間的保護帶寬為BP，則需要支持M個發(fā)射子載波所需總帶寬為（3）式所示，最大可容納地球站總數(shù)為（4）式所示

結合以上（2）式和（3）式可以推導出，MC-TDMA多頻時分多址接入方式的信道帶寬利用率為

MC-TDMA是FDMA和TDMA的綜合，載波速率相對較低，大大降低對終端射頻能力的要求，便于終端小型化，組網更靈活。MC-TDMA系統(tǒng)所容納的站數(shù)不僅與子波劃分相關，還與幀的結構有密切的關系，其支持多址接人站點數(shù)量是子載波數(shù)與幀的可用時隙數(shù)的乘積，可見具備較大的站點接人能力。它既克服了TDMA初期占用頻帶寬、建站成本高的缺點，也彌補了SCPC對功放和頻率利用率低的不足，特別適合衛(wèi)星移動通信應用和寬帶業(yè)務需求的環(huán)境，在一體化信息網可以利用導航定位衛(wèi)星為終端提供授時服務達到全網同步。但是，MC-TDMA也存在帶寬分配算法較復雜和轉發(fā)器多載波工作會帶來互調噪聲的影響。隨著接入能力的提高（子載波、時隙的不斷細化），導致其頻譜利用效率不斷下降。因此要在站點接入能力和頻譜利用率之間取得平衡。

五、結束語

本文首先介紹了衛(wèi)星通信在應急通信三個場景的應用，針對當前我國應急情況下通信體制多樣、互聯(lián)互通較難實現(xiàn)的現(xiàn)狀，提出了構建天地一體化的應急通信網，達到地基信息網和天基信息網有效聯(lián)動。在衛(wèi)星功率資源和頻率資源受限的條件下，在正確選擇衛(wèi)星應急通信的多址方式的前提下，結合應急通信的業(yè)務需求特點，充分發(fā)揮寬帶移動衛(wèi)星和寬帶多媒體衛(wèi)星的優(yōu)勢。以期使我國應急通信保障系統(tǒng)更加完善，各種通信手段的有效集成、應急通信網絡提供帶寬視頻、圖像等寬帶多媒體業(yè)務，為我國的應急通信網建設提供一定的參考。

見www.dcw.org.cn