基于單路單載波的遠端地面站天然氣應急移動通信系統

宋旭東

陜西省天然氣股份有限公司 生產運行部 （陜西 西安 710016）

基于單路單載波的遠端地面站天然氣應急移動通信系統

宋旭東

陜西省天然氣股份有限公司 生產運行部 （陜西 西安 710016）

隨著輸氣管道的不斷延伸和對突發事件應急指揮管理水平的提高，配置一套甚小口徑遠端地面站（VSAT）應急移動通信系統成為必要的需求。VSAT應急移動通信系統將由3座衛星地面站組成，即2座車載站和陜西省天然氣股份有限公司總部西安地面站。該系統具有強大的應急工作能力、靈活的移動指揮、可靠的通信手段，為天然氣管道決策者快速、準確、科學的應對突發事件提供了有力保障。

單路單載波（SCPC） 甚小口徑遠端地面站（VSAT） 天然氣輸氣管道 應急移動通信系統

現代社會財富與人口向城市及特定區域的高度集中，自然災害、事故災難、公共衛生事件、社會安全等突發事件對社會的危害也越來越大。因此，突發事件的應急指揮管理被提升到一個新的高度，同時也顯示出應急領域信息化的重要性。

陜西天然氣衛星通信網主要功能為輸氣管線SCADA數據采集/監控以及勤務話音等業務提供傳輸信道。隨著輸氣管道的不斷延伸和對突發事件應急指揮管理水平的提高，配置一套車載衛星通信系統成為必要，利用該系統可將遠端現場的視頻圖像、數據及話音傳至公司總部，也可以在遠端現場與公司總部之間進行視頻會議業務。

衛星通信車載站的構成及應用

系統由1座中心站和1臺靜中通車載站和1臺動中通車載站組成。

中心站沿用原有衛星中心站的大部分設備和機房。天線口徑為4.5m。為了提高機動性能，靜中通車載站的天線采用口徑為75cm的自動對星天線。動中通車載站的天線采用平板相控陣天線。

網絡結構為經衛星的點對點一跳直達雙向鏈路。衛星通信頻段選用Ku頻段，轉發器按亞洲2號K6衛星轉發器考慮。

1 總體設計

整個VSAT應急移動通信系統由3座衛星地面站組成，即2座車載站和公司總部西安地面站。其中前者為新建站，后者可共用公司中心站的大部分衛星通信設備而只需新增視頻編解碼器等少量設備。

按車載站的天線類型進行分類，車載站可分為靜中通車載站和動中通車載站。所謂靜中通是車載站工作時承載車輛處于停駛狀態，天線需要展開對星后系統才可工作。動中通是車輛在行駛過程中，天線自動指向并跟蹤衛星，系統可正常通信。

系統可以完成以下功能：

（1）能夠把應急現場數據傳輸到后方指揮中心的服務器。

（2）能夠把應急現場壓縮后的視頻和音頻數據通過車載站傳送到西安調度指揮中心的視頻交互設備中。

（3）能夠實現應急指揮中心遠程指揮調度，進行語音或者視頻的雙向通信。

（4）能夠在應急現場實現互聯網接入。

2 采用無線圖像微波傳輸系統解決圖像中繼問題

在某些應急通信場合，衛星通信車載站無法停靠在應急現場附近，而又需要將現場圖像及聲音通過衛星通信車傳回到應急指揮中心。在這種情況下，采用“傲圖”系列數字無線圖像傳輸設備來完成信號的中繼傳輸（單向）。

該圖像傳輸系統采用了先進的COFDM調制解調技術、信道編解碼技術，并結合數字圖像壓縮MPEG2／MPEG4等多媒體網絡傳輸技術，能夠在高速移動環境下實現視頻、話音或數據等寬帶多媒體業務的實時、同步傳輸。具有覆蓋范圍廣、靈敏度高、移動性好、抗干擾和抗衰落能力強、傳輸數據率高、穩定性和可靠性突出等顯著優點。

無線微波圖象發射設備可分為扣板式和背負式兩種。扣板式可直接扣裝在肩扛式攝像機的后背上使用（微波攝像機）。背負式則將發射機和配套電池裝置在一個雙肩背的背包內。隨車人員可攜帶攝像機和扣板式或背負式發射機進入現場，并通過發射機將現場圖像和聲音傳輸至衛星通信車，由安裝在車上的天線和無線圖像接收機接收，再經衛星通信車中繼實時地傳回總部。在有遮擋的情況下（如城市街道）微波攝像機的信號傳輸覆蓋半徑約為1-3km。如果衛星車（相當于基地臺）與微波攝像機之間的通視條件良好，微波攝像機信號傳輸距離可達幾十千米。

3 采用TCP/IP、H.264等通信協議

采用基于TCP/IP、H.264視頻通信協議作為本應急衛星通信網的主要通信協議。TCP/IP為當今各類通信網愈來愈多采用的通信協議，為技術發展趨勢[1]。采用TCP/IP及H.264視頻通信協議，既便于視頻設備與計算機局域網包括個人計算機進行互連互通，又可以利用本系統進行數據傳輸和IP話音通信等增值業務。采用H.264視頻會議終端設備，比采用一般的H.323視頻會議終端，在通信效果相同的情況下，節省通信所需帶寬，降低系統運行費用。

圖1 系統網絡架構示意圖

4 采用高清視訊會議終端

采用美國LifeSize公司的高清視訊會議電視終端。其Team產品采用嵌入式操作系統，為采用TIDM642高性能數字處理芯片的硬件平臺。其主要特點為：在1Mbps帶寬的情況下實現1 280×720高解析度，體現了高效率的網絡應用；30-60幀/s；16：9高清晰幅型比；從信號源、編解碼、DSP處理芯片到最終顯示設備全面實現高清的產品；集成超寬頻麥克風提供高達16kHz的超寬音頻；1M帶寬下多種自適應分辨率，保證低帶寬下的視頻質量；帶寬支持在128K-2.5M可調；支持H.263，H.264，H.264 HD等視頻標準，并向下兼容傳統視頻會議終端。

5 采用RaySat平板式相控陣車載動中通天線

動中通應急衛星通信車載站適用于政府及公共安全等職能部門在處置突發事件時實施指揮調度，提高應急聯動和快速反應能力的需求。該車載站具有不受時間、地域、距離的限制、實現動態和靜態條件下的實時雙向視頻圖像、數據和話音傳輸的特點。其創新的天線系統自動搜索捕獲指定的衛星信號，并且在車輛運動過程中通過自動控制方位、仰角和極化角，自動跟蹤保持天線指向，并支持車輛在時速300km行駛條件下雙向高速數據傳輸速率。

該天線采用平板相控陣天線技術，體積小、重量輕。特別是其高度小，但安裝在車頂時可達到“隱身”的效果。

6 采用SCPC多址通信體制

中心站以SCPC(單路單載波)出向載波將中心站發向車載站的圖像、數據和話音復用在一起傳輸至車載站；與此同時車載站將發向中心站的信息以SCPC入向載波的方式傳輸到中心站。載波的信息傳輸速率可在64kb/s至2 048kb/s之間選擇(具體可達到的最高速率與所用的功放功率有關)。該衛星網絡系統的網絡架構示意圖如圖1所示（圖1中載波F2稱為SCPC出向載波，F1稱為SCPC入向載波）。

7 接口

中心站和車載站可為用戶提供下列通信接口：

（1）視訊：分量視頻接口、VGA、S-Video。

（2）數據：物理 RJ45，協議 802.3(10/100Base-T)，TCP/IP，UDP/IP。

（3）話音：物理RJ11，FXS或FXO。

系統具備良好的業務擴展性能。出向載波的數量及帶寬可根據需要進行擴展。各入向載波的帶寬也可根據各站的實際需求進行調整。

頻帶分配計算

本系統支持非對稱傳輸速率方式，即車載站至中心站的傳輸速率可不同于中心站至車載站的傳輸速率。在應急使用情況下，一般要求車載站現場的回傳圖像質量較高（速率高）。

設車載站向中心站回傳的復合數據信息的信息傳輸速率為512kb/s。若調制方式為QPSK，FEC前向糾錯編碼為Viterbi 1/2，則該入向載波需占用轉發器頻帶寬度約為 B1=512×（2/1）×（1/2）×1.4=720 kHz[2]。

設中心站向車載站發送的復合數據信息的信息傳輸速率為256kb/s。若調制方式為QPSK，FEC前向糾錯編碼為Viterbi 1/2，則該出向載波需占用轉發器頻帶約為B2=256×（2/1）×（1/2）×1.4=360kHz[2]。

于是系統運行時需要占用的轉發器頻帶約為B=B1+B2=1 080kHz。

此時頻帶規劃示意圖如圖2所示。

圖2 頻帶規劃示意圖

為了簡化操作控制，視頻通信所需的轉發器帶寬占用采用固定預分配方式。當需要進行視頻會議時，可隨用隨通，屆時操作人員不需要對衛星通信系統的參數進行調整。

系統工作原理

系統可支持視訊會議、數據和IP話音等通信業務。在中心站設置有一臺SMR5000調制解調路由器。該SMR5000一方面發射SCPC載波至車載站，另一方面接收車載站回傳的SCPC載波。SMR5000的基帶用戶接口為 10/100Base-T以太網接口。SMR5000通過以太網交換機與視頻會議終端、IP話音網關、路由器等設備連接在一起。

在車載站配置有一臺SMR5000L調制解調路由器，其一方面接收中心站發出的SCPC載波，信號經處理轉換為基帶IP數據包后，送交以太網交換機轉發至視訊會議終端或數據、話音終端設備；另一方面發射SCPC載波，將圖像、數據或話音調制處理后發向中心站。室外射頻收發信機主要有兩方面的功能，一方面由LNB（低噪聲放大變頻模塊）接收天線接收到的微弱信號，對其進行放大并下變頻至SMR5000L可接收的L波段中頻信號；另一方面將SMR5000L要發射的L波段中頻信號上變頻至KU波段并進行功率放大，最后饋送至天線。

中心站和車載站均為視訊會議終端設備提供10/100Base-T以太網接口。衛星通信設備為視訊會議終端設備構建了一條雙向的IP數據鏈路。數據鏈路的傳輸速率可按需在64kb/s至2048kb/s之間進行選擇。實際可傳輸的最大信息速率與天線尺寸、功放的額定功率輸出及衛星信能有關[3]。

除視訊會議業務之外，本系統還可支持中心站與車載站之間進行數據通信和話音通信業務。各站可提供10/100Base-T RJ45以太網網絡數據接口。

因實際上視頻會議圖像、數據和話音是復用在同一信道中傳輸，所以在視頻會議進行的同時，數據和話音通信可照常進行。

系統應用案例

當發生突發事件時，當地的通訊設施常常遭到了破壞而無法使用。衛星通信車在第一時間趕到事發現場后，可在10min內搭建起應急通信平臺，恢復當地與外界的電話通信。應急指揮中心可通過VSAT應急移動通信系統將受災現場實況以圖像直播方式發送至總部，便于采取相應的救助措施。借助VSAT應急移動通信系統，現場救助人員可以同決策者、專家面對面討論救助方案。VSAT應急移動通信系統可將社會各界對災區的關心和幫助傳達到災區。

1 衛星通信車可無障礙到達事發現場

當衛星通信車停在事發現場，隨車人員可在10min內開通衛星站，建立與外界的視頻、話音和數據的聯系。隨車人員可手持攝像機（有線）在以車為中心半徑15m之內將現場實況通過衛星通信車傳至總部，或接受總部對事發現場救援工作的指導。

2 衛星通信車不能靠近事發現場

當衛星車不能靠近事發現場時，而外界想了解事發現場的實況時，隨車人員可攜帶車上的微波攝像機（無線）進入現場取得第一手資料，并通過微波攝像機將現場圖像和聲音傳輸至衛星通信車，再經衛星通信車中繼實時地傳回總部或其他相關部門。微波攝像機的信號傳輸覆蓋半徑約為2-6km，如果衛星車（相當于基地臺）與微波攝像機之間的通視情況良好，微波攝像機信號傳輸距離可達幾十千米。

3 衛星通信車與事發現場之間被河流相隔

在這種情況下，隨車人員可攜帶微波攝像機（單兵系統）到河對岸，通過微波攝像機將現場實況（包括視頻、音頻）傳給衛星車，通過衛星車將信息傳至總部及相關部門。現場與總部間的聯系均可以通過這種方式建立。

4 衛星通信車與事發現場之間被山相隔

在這種情況下，車輛無法翻越前方的山坡時，隨車人員可攜帶便攜式衛星地面站（箱式）趕到事發現場，建立事發現場與外界的話音、視頻、數據通信。通過便攜式衛星地面站將事發現場的情況傳回到總部或相關部門。

基于SCPC的VSAT應急通信系統是一個綜合的，具有多種功能的，能夠快速移動的應急指揮工作站，憑借其強大的應急工作能力，靈活的移動指揮，有針對性的系統構成，可靠的通信手段，成為了應急領域信息化的重要手段和執行力量。為決策者快速、準確、科學的應對突發事件提供了有力保障[4]。

[1]陳振國，齊懷亮，林瑩.衛星地球站數字通信設備[M].北京：人民郵電出版社，1995.

[2]呂海寰.衛星通信系統（修訂本）[M].北京：人民郵電出版社，1994.

[3]楊運年.VSAT衛星通信網[M].北京：人民郵電出版社，1997.

[4]總裝備部軍事訓練教材編輯工作委員會.衛星通信技術[M].北京：國防工業出版社，2000.

With the continuous extension of gas pipeline and the improvement of management capacity to handle the emergency,it is very necessary to set an emergency-aid movable communication system of VSAT.The emergency movable communication system of VSAT consists of three satellite ground stations:two car-charged stations,Xi'an ground station that is located at the Headquarter of Shaanxi Natural Gas Limited Company.This system possesses the strong emergency-aid working capacity,the flexible movable command,and the reliable communication means,and thus providing the strong and solid guarantee for decision makers to handle the emergency quickly,exactly and scientifically.

SCPC;VSAT;natural gas pipeline;emergency-aid movable communication system

宋旭東（1970-），男，碩士研究生，工程師，主要從事天然氣生產技術管理工作。

2009-08-31