主頁（http://www.130131.com）：基于衛星的專網通信！一文詳解 眾所周知，衛星通信是應急通信體系中的重要組成部分。應急通信保障任務，往往處于偏遠地區或海域，地面固定通信網絡、公用移動通信網絡均未實現覆蓋或現場通信設施已損壞，執行任務的救援人員進入事發現場后，往往形成信息孤島，隊伍與指揮部間難以實現正常通信，救援隊伍之間語音無法互通，視頻內容無法向外傳輸。這種情況下，滿足偏遠地區和海域通信只能通過衛星通信。
衛星通信地面站利用通信衛星作為中繼，不僅可以把有線網的功能延伸到野外，同時可以為事發現場的專網通信提供遠程跨地域傳輸路由，實現語音、數據、圖像的中轉和傳輸功能，保障全時、全域和全天候通信暢通。 簡介 基于PDT、TETRA、LTE和Mesh融合的無線通信對于應急和遠程作業至關重要。通常，返回指揮中心、調度中心或總部的通信鏈路由中轉臺或地面基站完成回傳。 當終端距離太遠超出視線范圍或地面鏈路不存在或已損壞時， 衛星通信可以在終端和指揮中心之間提供鏈接。衛星通信還可以支持由于特殊情況（例如自然災害）而臨時增加容量的需求。 傳統的專網（PMR）使用窄帶，主要傳送語音和短消息。然而，使用包括視頻在內的寬帶通信正變得日趨必要。使用LTE和Mesh通信，甚至可連執法記錄儀和無人機。通過寬帶通信還可以共享大流量數據，包括地圖、建筑示意圖等。同時衛星通信可以支持基于IP的任何業務。 衛星通信的 挑戰在于對時延、抖動、鏈路質量（誤碼率和可用度）、擁塞和遠程網絡的管理。時延是由地球表面與衛星之間的距離而導致的。與光纖等地面鏈路相比，衛星鏈路更容易出錯，并且更容易受到雨衰的影響。抖動可能由基帶傳輸格式（例如TCP/IP幀）、加密和衛星接入方式（TDMA與SCPC）引入。 合理設計的衛星鏈路可提供足夠的容量以減少網絡擁塞，保證足夠的雨衰余量，從而實現基本無差錯通信。測試表明，衛星鏈路時延問題不足以影響語音質量。 衛星帶寬租用費用相對高昂，需要權衡容量和成本。通過網絡規劃，包括QoS算法，可使通過衛星鏈路的流量最小化，進而可通過減小鏈路通道來最大程度地降低成本。部署本地指揮與控制調度系統有助于確保本地流量留在本地，只有必須流向總部或主要指揮中心的流量才會通過衛星鏈路。適當的QoS算法和合理設計的衛星接入方式可最大程度地減少抖動。 衛星通信可以作為主要鏈路為遠程無線網絡提供安全而穩定的回程，在有額外容量需求或地面回程損壞時作為臨時解決方案。 在應急災害現場或遠程營地/設施中，衛星通信也可以是無線網絡的組成部分。衛星通信設備非常靈活，其大小型固定站、便攜站、車載靜中通或動中通終端可作用于海事、陸地或航空等應用場景。 基于衛星的專網通信場景 在臨時使用陸地通信業務或者在無法使用標準地面網絡系統的邊遠地區，通過衛星傳輸的無線通信是連接的唯一選擇。圖1顯示了典型的衛星專網通信組網。
圖1：組網示意圖 ▏容災 在發生地震、洪澇和森林火災等自然災害或突發事件時，用于容災的公共安全服務需要可靠的通信網絡。由于地面原有的網絡基礎設施和專網回傳鏈路可能損壞且無法使用，即使部分現場區域可實現內部通信，但是與后方指控中心的通信仍舊無法建立。 后方指揮中心需要向災害現場的前方指揮部提供現場指揮和調度。現場指揮部負責協調現場人員，在現場部署監控攝像頭、無人機以便了解現場通信的損壞程度等狀況，現場指揮部確定消息、語音呼叫和視頻的業務優先級。 基于衛星的專網通信可以通過IP業務立即為應急響應和急救人員提供通信服務。衛星通信可以重新建立受損的通信鏈路，使現有系統恢復與指揮中心的連接，還可以利用額外容量部署新系統。 在發生突發情況時，衛星鏈路是回傳指揮中心的唯一連接，因此它必須能夠與現場的所有的專網通信系統配合使用，包括PDT、LTE或Mesh網絡。災難現場的通信對于快速做出協調一致的響應至關重要，而且 衛星通信有助于在在地面基礎設施修復期間持續保障通信，提高救援效率。 ▏遠程作業 許多采礦、建筑、石油鉆探或勘探營地都在沒有地面通信網絡覆蓋的非常偏遠的地區。衛星通信是與總部通信連接的唯一途徑。營地內部以及在營地外工作的人員通常使用窄帶對講機以及其他寬帶系統用于通信。 人員安全是首要問題。將對講機同時連接到營地及總部可大大提高安全性。衛星回程還為日常運營提供通信。 專用通信系統 ▏數字集群通信（PDT） PDT是專用移動通信（PMR）的窄帶標準，可通過PPT按鍵快速建立通信連接， 主要傳遞語音和短消息。PDT常規和PDT集群都是需要許可的數字通信標準，使用2時隙時分多址（TDMA），兩個時隙均占用12.5kHz的帶寬。PDT常規使用獲得許可的常規對講機和中轉臺，可以在廣泛的區域內快速互連分散的站點。與PDT常規相比， PDT集群增加了集群功能，可以向用戶組動態分配頻率，而且使用基站，因此效率更高，用戶容量更大。 在關鍵任務通信中，語音仍然是最主要的需求。在完成任務時，必須立即傳輸災難受害者的高質量語音呼叫，作為從總部發出的第一優先級指令，或者位于野外的與下級之間的語音和短消息。所有這些都可通過PDT系統實現。 PDT的優點是一呼即通，可將撥號和呼叫發起的時間降至最低。 與專用LTE系統（P-LTE）相比，PDT基站的覆蓋范圍更大。 ▏專用LTE（P-LTE） PDT的缺點是它只能處理相對少量的數據業務。 P-LTE對于視頻流這樣的數據媒體服務既方便又高效，在需要更高的數據速率時可作為一種解決方案。通過衛星承載的P-LTE傳輸數據的挑戰包括時延和有限的衛星帶寬。在語音通信方面，借助LTE網絡語音業務（VoLTE）功能，語音呼叫可以作為數據流的一部分進行傳輸。然而，與通過PDT系統進行語音通信相比，通過寬帶P-LTE系統進行語音呼叫的成本較高，可作為語音通信的第二選擇。 ▏Mesh Mesh是一種4G寬帶解決方案，具有智能數據路由功能，可以連接到衛星、光纖、P-LTE和Wi-Fi。 Mesh既可以作為自己獨立的網絡運行，也可以直接連接到衛星鏈路或有線骨干網。當無法部署光纖時，Mesh可以用作固定或移動基站的回傳鏈路，也可以連接到P-LTE網絡以擴大覆蓋范圍，即使在深山等更地形復雜的偏遠地區也適用。 Mesh由便攜式無線節點組成。這些節點可以安裝在墻壁和立桿上作為固定節點，也可以安裝在車輛和無人機上作為移動節點。自組網節點直接進行無線組網以形成星形、鏈形、網狀或混合拓撲。節點之間的鏈路自動匹配建立。語音、視頻和數據傳輸在Mesh節點之間傳輸，與終端無線設備進行通信。 基于衛星的專用通信所面臨的挑戰 基于衛星的PMR面臨的挑戰包括時延、抖動、有限的帶寬和較差的鏈路質量。為確保將衛星流量、時延和抖動降至最低，需要精確進行網絡規劃，包括流量走向、流量預估和服務質量（QoS）。 ▏時延 地球同步衛星在赤道上方約36,000公里處的軌道運行，衛星與地面的位置相對保持不變。地面站與衛星之間射頻信號的傳輸時延約為125毫秒，因此從發射地面站到接收地面站之間的傳輸時延約為250毫秒。 衛星網絡通常分為三類： a) 點對點網絡 b) 星狀網絡 c) 網狀網絡 發射地面站和目標地面站之間的往返時延取決于網絡拓撲。 點對點網絡最為簡單，包括單個發射地面站和單個接收地面站。通常，這種配置使用單路單載波（SCPC），可以最有效地利用衛星帶寬，并且時延和抖動最小。 星狀網絡是部署最廣泛的衛星網絡拓撲，所有流量都通過衛星承載的中心地面站進行路由。中心地面站通常位于總部，或者與總部直接相連。中心地面站負責衛星通信網絡以及IP網絡的管理監控。衛星網絡允許復合接入，多個用戶共享一個帶寬池�？蛇m用于多種接入技術，包括TDMA接入方式、動態分配SCPC鏈路以及多種方式的組合。復合接入技術在節約帶寬成本的同時，通常也會引入額外的時延和抖動。 像上文提到的點對點網絡一樣，從遠端站到中心站的流量涉及一個衛星單跳鏈路（遠端站-衛星-中心站）。如果流量發往中心地面站，則不需要跳往其他鏈路。但是，如果流量是去往另一個遠端站的，則必須將流量重新傳輸到衛星，然后再傳輸回第二個遠端站。這涉及兩跳衛星鏈路，其標稱傳輸時延為500毫秒。表1總結了星狀和網狀拓撲的各種通信路由的總時延。終端無線節點之間的總時延是傳輸時延加上路由器/交換機、調制解調器以及連接到每個遠端站和中心站的其他相關設備的系統處理時延。 在網狀拓撲中，遠端站間通信可通過衛星直接實現，而不用經過關口站中轉。這種拓撲需要更多具有大天線的遠端站提供強大的衛星鏈路，以實現良好的數據吞吐量。從遠端站1到遠端站2的流量通過一跳衛星鏈路，典型的傳輸時延約為250毫秒。從遠端站2到遠端站1的返回流量也將通過一跳衛星鏈路。因此，在網狀拓撲中兩個遠端站之間的往返流量將通過兩跳衛星鏈路，典型的傳輸時延約為500毫秒。同樣，考慮到連接到地面站的路由器、交換機、中繼器的處理延遲，實際時延會更高。
表1：星狀和網狀拓撲的時延估值 ▏抖動 共享帶寬的衛星網絡通常抖動更大，而專線鏈路通常抖動最小。將業務數據封裝進IP數據包也會產生抖動。通過執行QoS算法的路由器處理數據包會使之惡化。抖動會影響語音和視頻的質量。共享帶寬網絡上較大的抖動是由于用戶的帶寬分配不均勻。最小化抖動的技術包括使用更細的帶寬分配顆粒度，使總帶寬的分配更均勻。 ▏有限的帶寬 租用衛星帶寬很昂貴，且有時會面臨供應不足的問題。在任何情況下，衛星帶寬通常都比地面網絡的帶寬小得多。帶寬可以由許多用戶共享或專用于一個用戶。共享帶寬使用多種接入共享機制，如時分多址（TDMA），并且在帶寬池內支持各種遠端站。 專用帶寬意味著每個地面站都有一個專門的載波，單路單載波（SCPC）。共享帶寬方案最適合有多個遠端站而終端流量不同的場景，統計復用可以降低總帶寬需求。專用帶寬最適合只有幾個遠端站或用戶流量一致的場景。就整體吞吐效率而言，SCPC鏈路最高效，而且時延和抖動最低。 設計和部署具有成本效益的衛星網絡非常重要，需要考慮設備類型、衛星網絡拓撲、要傳輸的流量類型、遠程設備的數量和將來可擴展性。流量估值基于預期的并發用戶數量、采用的不同技術（PDT、P-LTE、Mesh）和應用（實時語音、視頻流、音頻、電子郵件、文件傳輸、視頻會議、廣播）。一旦確定了流量估值，就可以使用鏈路預算分析來確定帶寬需求。各因素包括收發天線的大小、衛星收發性能、地面站位置、BER性能要求和可用性�？赡軣o法滿足所有要求，因而需要做出權衡。下表提供了各種應用所需的數據速率的估值。
表2：應用數據速率 每個地面站的流量需求是根據所需的每種應用的數量估算的。大型地面站收發數據的能力更高，通常為流量需求更大的區域（例如本地指揮中心）服務。估算好地面站的流量需求后，就可以執行鏈路預算分析來確定所需的衛星帶寬。 如果實際流量需求大于分配給網絡的衛星帶寬的容量，則可能會導致時延增加、抖動甚至數據丟失。應該考慮不同的網絡部署以優化帶寬的使用。例如，可以考慮將EMS、GIS服務器部署于遠程站點而不是總部，這樣可以減少必須通過衛星的流量�？梢允褂镁W絡QoS對流量進行優先級排序，確保優先流量始終得到傳輸。 ▏鏈路質量 與大多數地面回程鏈路相比，衛星鏈路環境相對不穩定。 距離太遠意味著巨大的傳輸損耗。雨衰、大氣閃爍和環境噪聲意味著衛星鏈路的誤碼率（BER）低于地面鏈路。但是通過合理的設計可以克服這一點，包括遠端站設備的選型、上行鏈路功率控制（UPC）、自適應調制編碼（ACM）、調制、前向糾錯（FEC）編碼以及使用設計余量。盡管存在這些挑戰，準無誤碼（QEF）鏈路仍然能夠建立。 如何應對挑戰 ▏服務質量（QoS） QoS對于確保不同流量類型和應用的無縫融合至關重要。 QoS算法可以由衛星通信調制解調器或連接到調制解調器的IP路由器執行�？梢詫⒉煌腝oS優先級應用于各種流量類型、甚至應用在遠程應用終端上，從而確保優先處理優先級最高的流量。優先級可以定義，但通常語音和實時應用的優先級最高。 ▏服務等級協議（SLA） 在專線鏈路場景，所有衛星帶寬均可供遠程用戶使用，并且QoS用于確定優先級。在共享帶寬場景，可能有很多遠程用戶。 衛星通信網絡設計對于每個遠程用戶都有關于承諾信息速率（CIR）和最大信息速率（MIR）的默認SLA。CIR和MIR可以調整，以確保需要帶寬的遠端站可以使用更多帶寬。 ▏TCP加速 TCP/IP流量并不能很好地處理時延。 如果沒有優化技術，在衛星回程上，TCP/IP將被限制為大約1000kbps。TCP加速是用于提高衛星通信效率和服務質量的各種機制的總稱，例如選擇性否定確認（SNACK）、TCP窗口擴展和流量控制。SNACK可以識別特定的丟失或損壞的數據包，然后僅重新發送這些數據包，從而快速恢復傳輸并更好地利用衛星帶寬。TCP加速支持窗口擴展，窗口尺寸遠遠超過標準TCP窗口64字節的限制。TCP擁塞避免和控制機制使用公平共享和合理緩沖區間大小的動態調整管理避免不必要的數據包重傳。 ▏帶寬壓縮 可以使用流量壓縮設備來壓縮TCP/IP報包頭和載荷。這些技術是無損的，因此不會丟失任何數據。 帶寬壓縮可以大大減少流量需求。 使用衛星鏈路進行專網通信測試 經過實測證明衛星鏈路相關的典型時延和抖動不會造成呼叫建立、操作和音頻質量方面的問題。 用于測試有時延的語音質量的測試平臺包括以下設定和條件： 1) 星狀拓撲 2) 基于TDMA方式 3) 對講機終端位于遠端站 4) 通過比較錄音確定音頻質量 測試1：從遠端集群對講機到另一遠端集群對講機 圖2顯示了此測試的設備配置和流量走向，測試在一個基站上的警用數字集群（PDT）終端與另一個基站上的PDT終端之間進行。為了方便，兩個PDT終端位于同一個衛星遠端站上，但是流量走向和時延卻相同，模擬這兩臺終端分別位于各自的衛星遠端站上。流量從終端1通過衛星傳送到衛星關口站上的移動交換中心（MSO），然后通過衛星傳回PDT終端2。流量經過四跳衛星鏈路。測試表明，收發終端上的音頻沒有明顯區別。表3匯總了測試和結果。所有時延都是近似值，包括了呼叫建立以及通過調制解調器、路由器和其他設備的延遲。
圖2：測試1：從遠端集群終端到另一遠端集群終端
表3：從遠端集群終端到另一遠端集群終端的測試結果匯總 測試2：從遠端集群終端到本地集群終端 圖3顯示了測試的設備配置和數據走向，測試在一個基站的警用數字集群（PDT）終端與和MSO同側的另一個PDT基站終端之間進行。流量從終端1通過衛星傳送到總部和衛星關口站上的移動交換中心（MSO），然后傳回到與MSO同側的終端2。流量經過兩跳衛星鏈路。測試再次表明，收發終端上的音頻沒有明顯區別。下表匯總了測試和結果。所有時延都是近似值，包括了呼叫建立以及通過調制解調器、路由器和其他設備的延遲。
圖3：測試2：從遠端集群終端到本地集群終端
表4：從遠端集群終端到本地集群終端的測試結果匯總 測試3：從遠程常規終端到另一遠程常規終端 使用常規非集群終端進行了如圖2所示設置的測試。每個基站都由一個中轉臺代替，將PDT空口轉換為IP數據包。流量從終端1傳送到衛星中心站，然后通過衛星返回到終端2。流量簡單地從中心站回到終端2。從終端1到終端2的時延約為700ms，包括了呼叫建立以及通過調制解調器、路由器和其他設備的延遲。音頻質量沒有明顯下降。 衛星承載的專網組件 典型的衛星專網設置包括總部和衛星關口站，涵蓋天線系統、射頻發射系統、射頻接收系統和衛星通信網絡中心。 指控系統為遠程系統所需，與衛星通信系統共址并通過LAN/WAN連接，它包括： a) 防火墻； b) 路由器/交換機； c) 指控中心平臺（調度、CCTV、EMS、GIS）； d) 服務器； e) 網絡管理系統（NMS）； f) 移動交換中心； g) 無線基站； h) WAN網關；以及 i) PSTN網關。 在偏遠地區，由天線系統、射頻發送系統、射頻接收系統和調制解調器組成簡化的衛星通信系統通過LAN連接到不同的專網系統，例如PDT、P-LTE、Mesh和Wi-Fi。圖4顯示了典型設置。
圖4：衛星承載的專網系統組件 衛星終端選型 衛星遠端站通常是甚小孔徑終端（VSAT），天線尺寸在45cm至3.8m之間，工作頻段為C、X、Ku或Ka頻段。這些終端可以與星狀網中配置有大口徑天線的衛星關口站通信，也可以與網狀網中的其他遠端站通信。根據帶寬、網絡拓撲和環境要求，不同類型和尺寸的VSAT天線可用于不同應用。遠程VSAT終端的主要類型包括 固定或便攜的終端、車載靜中通、動中通終端和海事終端。 圖5：遠程衛星通信終端的類型
圖6：使用不同類型VSAT的代表性衛星通信解決方案 ▏固定式終端 固定式終端天線直徑通常在1.2至3.8米之間，而且顧名思義， 用于固定非移動的場景。不位于衛星關口站的區域總部通常使用較大的固定式終端，因為其性能優于便攜式終端。相對于多數便攜終端，固定式終端更便宜，并且通常是手動對星的。大型天線擁有更高的收發吞吐量，非常適合支持本地指揮控制中心業務（包括CCTV、EMS和GIS）。操作員可以收集和分析從其他站點接收到的音頻、視頻和數據，并協調向現場急救人員和士兵發出指令和調度。 ▏便攜式終端 便攜式衛星通信終端是一種便攜易于部署的終端，其典型的天線直徑為0.6至2.4米。它可以手動對星或具有自動對星能力。 便攜式終端輕巧、易于攜帶、組裝迅速，在容災場景是很好的選擇。急救人員可以快速部署便攜式終端，與指控中心建立通信連接。便攜式終端還可以直接連接到前方指揮部，以便使用Mesh寬帶連接或PDT終端對現場人員進行本地調度。 ▏車載（靜中通） 靜中通天線系統安裝在車輛上，在運輸過程中處于收起狀態，一旦車輛到達目的地，天線就會自動部署。靜中通終端的天線通常為1.0至1.8米。 靜中通終端非常適合于移動指揮，將衛星通信天線安裝在車輛頂部，而基帶設備、專網設備以及其他組網設備安裝于車輛內部。 ▏動中通 與所述的其他遠端站相比， 車載動中通終端天線更小，吞吐能力較低。天線的直徑通常為0.45至0.9米。動中通終端會自動捕獲和跟蹤衛星，并且在車輛行駛過程中能保持正常的語音、數據和視頻通信。 ▏海事終端 海事終端設計 用于海上各種船只。天線的直徑通常為0.6至1.5米。與上文所述的動中通終端一樣，海事終端會在船只航行期間自動捕獲和跟蹤衛星并保持通信。 小結 PDT、TETRA、LTE和Mesh等專用無線通信的組合使用，對于應急救援、消防及遠程作業至關重要。通常，與指揮中心、調度中心或總部的返程通信是通過中轉臺或地面基站等傳輸鏈路完成。當終端距離太遠超出視距范圍或地面基礎設施不存在或已損壞時，衛星通信可以在終端和指揮中心之間提供連接。衛星通信還可以支持由于特殊事件或自然災害而臨時增加帶寬的需求。 使用LTE和Mesh進行通信，是對傳統的窄帶數字通信的有力補充，可連執法記錄儀和無人機。寬帶通信還可以共享大量數據，包括地圖、建筑示意圖等。 衛星通信的挑戰在于對時延、抖動、帶寬不足、鏈路質量（BER和可用性）、擁塞和遠程網絡的管理。這些挑戰可以通過合理規劃QoS、SLA、TCP加速和帶寬壓縮來應對。盡管由于地球與衛星之間的傳輸時延總是客觀存在的，測試表明語音通信是可用并且是高質量的。 衛星通信可以作為主要鏈路為遠程無線網絡提供安全而強大的回程，在有額外容量需求或地面回程損壞時作為臨時解決方案。在應急場景或遠程作業中，衛星通信也可以是無線網絡的組成部分。 衛星通信設備非常靈活，大小多種尺寸的固定式、便攜式、船載、車載動中通、車載靜中通等終端可作用于海事、陸地及航空等應用領域。 (中國集群通信網 | 責任編輯：李俊勇) |
