新型便攜式衛星通信終端設計

李 廣，班亞明，趙燕飛

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊 050081;2.中國人民解放軍61846部隊，河北涿州 072750)

0 引言

近些年，各種自然災害和人為事故頻發，對應急通信提出了更高的要求。在災區地面線路和蜂窩網絡遭到破壞或由于業務量太大而造成阻塞時，現場信息不能及時傳回，嚴重影響了決策和調度。衛星通信由于不受地形和通信距離的影響，已成為災害現場應急通信的首選。

目前國內外各種衛星通信終端多以分機簡單集成為主，設備體積大、耗能高，不適宜便攜。這里推出一種新型便攜式衛星通信終端(以下簡稱便攜終端)，采 用 了 TCP 加 速［1，2］、QoS［3］、高 效 編 碼 調制［4］、數字化中頻［5］和一體化設計［6］等技術，將調制解調、路由、IP接入、編解碼和配電等單元設計在單一機箱內，體積小、重量輕、可靠性高，可實現人工背負攜行，實現話音、視頻以及數據等業務的傳輸。

1 總體設計

目前移動便攜衛星通信系統業務上從單一的視頻圖像傳輸發展到目前的包括話音、傳真、數據和視頻圖像綜合性業務的傳輸，因此又被稱為綜合業務衛星通信系統。建立快捷、操作簡便、運行可靠的綜合業務衛星通信系統是當今衛星通信技術的一個主要的應用發展方向。便攜終端是一款集成了音視頻編解碼、IP處理、調制解調、L頻段中頻單元和供電等單元的高性能衛星通信終端，支持全IP業務傳輸，并具有路由選擇、TCP加速、Qos及接入控制等功能，傳輸的業務包括話音、傳真、視頻圖像及高速數據等，可在數分鐘內建立起通信鏈路，實現綜合業務的傳輸功能。其應用示意圖如圖1所示。便攜終端還可以作為其他衛星通信車載站或者固定站的備份系統，提供補充備份功能。便攜終端設計充分考慮未來行業的發展趨勢，以及實際業務發展的需要，系統具有開放性和可擴展性。

圖1 應用示意圖

便攜終端支持選配網管信道功能，通過該功能可以接收網管中心的廣播信號，發送網管信息給網管中心，網管中心認為合法站，允許其入網。入網后，便攜衛星終端的呼叫、資源分配及資源回收等都在網管中心的管理下完成。

2 工作原理與組成

2.1 工作原理

便攜衛星終端能夠提供1路視頻、2路電話和1路IP數據的接入，各種業務通過網絡視頻編解碼器、語音網關等匯聚到交換模塊，經過IP接入提供各種業務的接入控制、路由轉發后送入調制解調單元，經基帶處理、調制等轉換為L頻段信號送入衛星上行射頻單元(BUC)，接入BUC的信號經過濾波、頻率轉換、放大處理，轉換為Ku頻段的射頻信號后，送入天線發送到衛星;通過天線接收到的由衛星轉發過來的Ku頻段的信號，經過低噪聲放大器(LNB)濾波、頻率變換和放大等處理，轉換成L頻段的信號，送入調制解調單元，經過解調、基帶處理等轉換為數字信號后，送入IP接入單元處理后送給各個業務模塊，最后還原為語音、視頻及數據等業務信號到達用戶終端。

2.2 便攜終端組成

如圖2所示，便攜終端由調制解調單元、IP接入、視頻編解碼及語音網關(VoIP)等單元組成，集成了話音、視頻圖像及IP應用接口的功能，特點是:體積小，功能強，便攜性強，擴展性強等。

圖2 終端組成框圖

①調制解調單元

調制解調單元由調制和解調組成:調制包括編碼、成形濾波、基帶調制及L上變頻等部分;解調包括低通濾波、A/D轉換、數字下變頻、匹配濾波器、信號檢測、定時估計、AGC、頻率估計及載波提取等部分。

②IP接入單元

IP接入單元由接入模塊和交換模塊組成:IP接入模塊是以Power PC處理器模塊為作為核心單元，采用嵌入式Linux操作系統，運行各種協議處理軟件，以及有FPGA等外圍電路一起完成系統功能;交換模塊采用成熟的交換芯片88E6083組成，分別連接IP接入模塊、語音網關、視頻編解碼器及IP數據。

③視頻編解碼及語音網關模塊

集成市場上同類成熟產品，為衛星通信專門定制開發，支持 H.264編碼及2路話音用戶接口(FXS)，以達到與其他站型終端的互聯互通。

3 關鍵技術及應用創新

3.1 TCP加速技術

衛星通信系統的傳輸延遲、傳輸速率及鏈路誤碼率等信道特性會對終端設備上的可靠TCP流協議產生實質性影響，因此在衛星網上采用TCP協議進行數據傳輸，為了提高傳輸效率，必須使用 TCP加速技術。目前TCP協議加速技術主要分為2類:其一，針對衛星信道的特點，對TCP協議本身進行修改或擴展，這種方法雖然可以很好地解決問題，但要求更換所有用戶終端設備的協議棧，顯然不可取;其二，采用協議變換的方式將TCP協議在衛星鏈路上轉換為另一種協議，從而增強TCP傳輸性能，但這種方法要求收發兩端必須都要配置協議變換設備，無法實現單端配置，同時對于加速后面配置路由有一定限制，因此應用時具有一定的局限性。

在該設計中采取TCP分段來實現TCP加速技術，即在不改變TCP語義的情況下(保證提供端到端的可靠性)，將TCP客戶端到TCP服務器的TCP連接分成2個部分，一段是TCP客戶端到TCP加速模塊，TCP加速模塊模擬TCP服務器向TCP客戶端發送應答;另一段是TCP加速模塊到TCP服務器，TCP加速模塊將TCP客戶發送的數據轉發給TCP服務器，同時接收TCP服務器發送的數據并將其轉發給TCP客戶端。通過TCP分段，使得TCP客戶端認為自己在和地面網上一臺主機進行通信，這樣，就消除了長延時信道對發送速率的不利影響，從而大大提高信道利用率。由于在傳輸過程中沒有進行協議變換，因此TCP加速模塊可以透明地接入衛星網中，而且可以進行單端配置，即只在數據發送端配置TCP加速模塊。TCP分段加速原理如圖3所示。

圖3 TCP分段加速原理

3.2 QoS技術

QoS旨在針對各種業務流對延時、抖動及吞吐量的不同需求，為其提供不同的服務質量保證。衛星網絡中衛星資源十分寶貴并且有限，使得網絡的帶寬瓶頸存在于衛星鏈路處，擁塞也容易發生在這里?；贗P的衛星網絡是面向無連接的網絡，IP分組按照一種“盡力而為”的原則傳送業務，這種方法公平地對待各個不同業務的數據包，不確定性很強，無法滿足各業務對延時、抖動及帶寬等的不同需求。因此，必須在數據進入衛星網絡時進行有效的服務質量管理。

目前，地面網中常用的2種服務模型主要有綜合服務模型(Integrated service)和區分服務模型(Differentiated service)。衛星網絡顯著區別于地面網絡的最大優點就是衛星網良好的廣播能力，并且網絡中存在大量的單工站，同時，衛星網的拓撲結構相對于復雜的地面網絡來說一般要簡單很多，采用區分服務模型就能保證很好的端到端的服務質量保證。因此，該設備中采用區分服務模型來實現對網絡中業務的QoS管理。在實際應用中，考慮不同業務的重要性，將視頻業務置于最高優先級，話音、傳真業務次之。

3.3 數字化中頻

該設計中采用了一種新的調制解調硬件平臺，該平臺采用數字化中頻技術，減小模擬中頻部分的規模和設計難度，采用模塊化設計，便于各部分升級維護。在保證技術指標的前提下，極大地減小了設備體積和功耗。新的調制解調平臺原理如圖4所示。該平臺調制中頻由基帶提高到800 MHz，解調中頻由基帶提高到390 MHz，通過FGPA程序實現中頻以下調制解調，降低了變頻模塊設計的復雜度，同時提高了調制解調器的集成化程度，減小了設備體積。

圖4 數字化中頻原理框圖

4 測試結果

該便攜終端已完成了從樣機到產品的初步定型。國家相關部門對該設備進行了指標和環境測試，主要結果如下:

① 通信速率:128 kbps、256 kbps、384 kbps、512 kbps、768 kbps、1024 kbps、2048 kbps;

② 業務接口:電話、LAN、音視頻;

③ 開通時間(含天線):小于5 min;

④ 設備重量(含電池):小于8 kg;

⑤ 工作溫度:-40℃ ～55℃。

同時，在工作環境中對該設備的加速能力進行了測試。在設定衛星信道速率為1 Mbps的情況下發送500 M的數據包，分別記錄在開啟關閉TCP加速時的TCP業務傳輸速率，結果如圖5所示。

圖5 TCP業務的發送速率

由仿真結果可見，未開啟TCP加速功能時，TCP業務的傳輸速率很低，約為130 kbps;而在開啟TCP加速后，TCP業務的傳輸速率約為920 kbps，衛星信道利用率達到90%，大大提高了業務的傳輸速率和信道的帶寬利用率。

另外，還對該設備的QOS能力進行了測試。在固定帶寬(1 Mbps)的工作環境中，關閉QOS時，視頻馬賽克明顯，而在打開QOS時，視頻質量得到明顯提高。

由以上測試結果可看出，該設備滿足了應急通信對終端的需求。

5 結束語

隨著衛星通信系統在各種應急通信系統中的廣泛應用，基于IP接入的便攜終端具有接口通用、與地面網接入互聯方便的特點，便于系統組網和與固定指揮中心互聯，符合信息接入IP化發展趨勢。隨著社會對信息化需求的不斷增長，特別是國家公共安全及應急系統建設的全面展開，市場對便攜終端的需求量會不斷加大，因此該設備具有廣闊的應用前景和價值，可以在以下行業和領域推廣應用:熱焦點地區突發事件高質量圖像傳輸、搶險救災、野外ISP接入、遠程醫療、會議電視、遠程監測、科考探險和公共安全等等。

［1］徐宇杰.TCP/IP協議深入分析［M］.北京:清華大學出版社，2009.

［2］王健，王海濤.衛星通信網中TCP加速技術研究［J］.科學技術與工程，2009，9(11):3148-3152.

［3］龍飛.衛星網絡魯棒QoS路由技術研究［M］.北京:國防工業出版社，2010.

［4］關清三，崔炳哲，張巖.數字調制解調基礎［M］.北京:科學出版:OHM社，2002.

［5］宋大鳳，姚元飛，吳仡.一種通用型低成本中頻數字化方案的實現［J］.電訊技術，2010，50(6):59-62.

［6］馬刈非.衛星通信網絡技術［M］.北京:國防工業出版社，2003.