氣象部門衛星應急通信系統中網狀網通信技術的發展前景研究

+ 戴晴 國家氣象信息中心

氣象部門衛星應急通信系統中網狀網通信技術的發展前景研究

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本文對中國氣象局衛星應急通信系統目前采用的星狀網組網方式現狀進行分析，根據省和地市級移動應急車與省級地面站之間進行直連通信的需求，提出網狀網組網方式在中國氣象局衛星應急通信系統中可能存在的發展方向，并開展網狀網通信試驗，驗證其鏈路性能的可用性，為網狀網未來在氣象部門衛星應急通信系統中的提供一定的參考和指導。

網狀網、衛星應急通信、氣象部門

1 概述

中國氣象局衛星應急通信系統始建于2006年，2007年至09年期間恰逢南方冰凍雨雪、汶川大地震、玉樹大地震、北京奧運會等突發事件或重大活動發生，氣象部門衛星應急通信系統進入了高速發展期。各省氣象部門相繼建設了自己的衛星應急通信車，并發展到部分地市氣象局。在建設初期，系統采用星狀網組網方式，以位于北京的國家氣象信息中心作為主站，各小站均選擇了ComtechEFData的CDM570L作為調制解調器，采用SCPC通信方式。

隨著2013年中國氣象局引入了ComtechEFData公司的Vipersat系統，具備網狀網組網能力，為氣象應急通信系統的組網方式帶來了更多的選擇。本文作者對星狀網與網狀網通信技術進行了對比分析，并利用氣象部門衛星應急通信系統的現有環境進行了網狀網通信的試驗，驗證了網狀網通信的鏈路性能及可用性，以期為網狀網未來在氣象部門衛星應急通信中的應用提供一定的指導。

2 星狀網與網狀網

2.1 星狀網與網狀網的基本概念

星狀網系統由衛星通信主站和多個遠端站組成，所有遠端站能夠且只能夠與主站建立一跳衛星傳輸鏈路。網狀網系統由一個衛星網管站和多個固定/移動衛星遠端站構成，網絡中各個站點之間可以進行直接通信。

星狀網與網狀網通信方式的拓撲結構如圖1所示：

2.2 星狀網與網狀網對比

在星狀網系統中，系統的主要通信功能和設備集中在主站，遠端站技術復雜度較低，設備種類簡單，技術指標要求不高，建設成本低。但是星狀網中遠端站之間的通信必須通過主站中轉，即兩次上星才能實現，需要占用的衛星帶寬和通信延遲均增加一倍，不適用于系統內的小站之間進行數據傳輸的場合。

在網狀網系統中，遠端站在系統建設方面相對較為復雜，不僅需要配備額外接收設備，在同等信息速率要求下，對遠端站的功放功率和天線口徑要求也較高。但是網狀網中任意遠端站之間可以通過衛星一跳直接進行通信，同比星狀網情況下衛星帶寬及通信延遲均減少一半。兩種組網方式技術對比結果如表1中所示：

表1 星狀網/網狀網組網方式技術對比表

圖1 星狀網與網狀網拓撲機構

2.3 氣象部門衛星應急通信的組網現狀及不足

目前，氣象部門衛星應急通信系統采用星狀網組網方式，主站位于北京國家氣象信息中心，小站包括省和地市級氣象部門應急移動車等，小站的衛星信號在北京落地后，通過北京至各省的地面氣象寬帶網傳輸到各省和地市。同時在各省級氣象局也建設了衛星地面站（圖中紅色圓圈所示），但是在星狀網組網方式中，省級地面站日常不承擔業務，只起到對地面寬帶網的備份作用。具體系統結構如圖2所示：

這種組網方式在建設初期可以滿足各省衛星應急通信的發展，將建設的復雜度都集中在主站，但隨著省內特別是地市級應急車的發展以及省級衛星地面站的建設，現有的單一的星狀網組網方式也存在一些不足，主要體現在以下三個方面：

圖2 氣象部門衛星應急通信系統組網方式

地市級應急業務也需要占用國家－省級地面寬帶網資源

省級衛星地面站日常無法發揮作用，省局無法對地市級提供服務

小站之間的數據傳輸必須在衛星上經過兩跳完成，延遲較大。

目前已有部分省局自行租用衛星轉發器在本省建立省級衛星主站，以實現本省車站之間的直接通信和管理。但是這種方式也存在一定的問題：一是各省單獨租用租費較高；二是在國家中心與多個省份分別單獨租用造成資源浪費；三是分設多主站不利于全國氣象部門衛星應急通信系統的統一建設管理。

若現有衛星應急通信系統能夠支持省級站與省級應急車之間的網狀網業務需求，則可由國家級統一提供衛星轉發器資源，實現衛星資源的有效整合，實現全國氣象應急資源的統一調度與管控。

因此目前迫切需要開展網狀網通信試驗和通信的鏈路性能分析，為今后衛星應急通信網狀網組網方式提供必要的測試數據支撐。

圖3 星狀網與網狀網對比測試系統框圖

圖4 星狀網組網數據流程圖

3 氣象部門衛星應急通信中的星狀網與網狀網對比測試方案

3.1 測試環境

筆者在現有氣象部門衛星應急通信系統的基礎上，設計了星狀網與網狀網的對比測試方案，并利用國家氣象信息中心已建的Vipersat主站系統、省內衛星地面站和應急車搭建星狀網和網狀網通信測試環境。測試環境總體結構如圖3所示。圖中紅色鏈路為星狀網傳輸鏈路，綠色鏈路為網狀網傳輸鏈路。在網狀網通信時，需在小站啟用網狀網解調設備（圖3中紫色部分）。

3.2 路由方案設計

圖5 網狀網組網數據流程圖

本系統主站位于國家氣象信息中心，與各省氣象局均通過地面寬帶網連接，通過BGP方式在國家局寬帶網路由器、省局寬帶網路由器和Vipersat主站路由器三者之間形成鄰居路由關系，并利用Vipersat系統基于Tos（Type of Service）標記自動觸發衛星鏈路的功能，使衛星鏈路建立自動化。

當省應急車與省局地面站之間需要進行數據傳輸時，在星狀網方式下，需要通過BGP在全網內宣告到達應急車小站的路由，其下一跳指向國家局主站路由器；在網狀網方式下，需要在省寬帶網路由器上修改一條靜態路由，將指向應急車小站的下一跳指向省局衛星地面站，并使其路由優先級高于BGP鄰居路由。

經過上述配置，應急車與省局地面站在Vipersat主站的控制下分別形成星狀網/網狀網通信，同時利用Vipersat系統的SHOD能力，Vipersat主站始終保持與兩個小站之間的信令通信，并在主站自動生成過濾路由，避免出現網絡環路。

3.3 測試方案及測試結果

在測試環境的基礎上，分別在星/網狀網兩種組網方式下對移動應急車與省級地面站之間的路由傳輸方案、鏈路傳輸延時以及通過UDP和FTP方式進行的鏈路數據傳輸性能進行了測試，測試方案如表2所示：

3.3.1 路由傳輸方案結果

星狀網和網狀網的路由追蹤結果分別如表2和表3所示：

表2 測試方案

表3 星狀網組網方式下路由追蹤節點表

3.3.2 鏈路傳輸延時結果

圖6和圖7中的星狀網和網狀網系統傳輸延遲結果如表5所示：

圖6 星狀網路由追蹤結果

圖7 網狀網路由追蹤結果

表4 網狀網組網方式下路由追蹤節點表

表5 傳輸延時測試結果表

圖8 星狀網系統傳輸延時測試結果

圖9 網狀網系統傳輸延時測試結果

3.3.3 鏈路傳輸性能結果

UDP數據傳輸測試

采用8PSK調制方式和3/4FEC rate，分別在星/網狀網組網方式下建立2Mbps衛星鏈路進行UDP傳輸測試，分別獲得了實際傳輸速率、傳輸鏈路抖動和網絡流量監視情況。UDP發包鏈路傳輸測試結果如下圖表所示：

FTP數據傳輸測試結果：

圖10 星狀網UDP數據傳輸測試結果

在星狀網、網狀網方式下，用相同文件進行FTP數據下載傳輸測試結果如下圖表所示：

4 星狀網與網狀網鏈路性能對比分析

圖11 網狀網UDP數據傳輸測試結果

4.1 路由傳輸方案

試驗結果表明，星狀網的傳輸流程為數據通過衛星一跳上星，落地主站后通過地面寬帶網傳輸至地面站，即“衛星一跳+地面寬帶網”模式，傳輸鏈路共經由8個路由節點。而網狀網的傳輸流程為數據通過衛星一跳上星后直接落地到達遠端地面站，即“衛星一跳”直達模式，傳輸鏈路共經由3個節點。在鏈路復雜性方面，網狀網傳輸鏈路更為簡單，不依賴地面鏈路，而星狀網需要經由多個節點的路由器和防火墻等設備，傳輸環節較多，路由相對復雜。

圖12 星狀網FTP數據下載傳輸測試傳輸速率結果

表6 星狀網/網狀網UDP數據傳輸測試統計結果

圖13 星狀網FTP數據下載傳輸測試PRTG流量監控圖

4.2 鏈路傳輸延時

在地面站和應急車之間進行衛星通信時，無論采用星狀網還是網狀網，在衛星鏈路方面均只需一次上星，且星狀網下需經過的地面寬帶網傳輸延遲極低，相比衛星鏈路而言基本可以忽略不計，因此兩種組網方式下鏈路傳輸延時均在500ms左右。

表6 星狀網/網狀網UDP數據傳輸測試統計結果

圖14 網狀網FTP數據下載鏈路傳輸速率圖

圖15 網狀網FTP數據下載鏈路傳輸PRTG流量監控圖

4.3 鏈路傳輸性能

在UDP數據發包傳輸測試中，星/狀網組網兩種方式下UDP傳輸平均速率均可達到信道帶寬的88.7%左右；在FTP數據下載傳輸測試中，星/狀網兩種組網方式下FTP下載平均速率均可達到信道帶寬的65%左右。測試結果說明星/狀網兩種組網方式下的鏈路傳輸速率和抖動情況基本相同，傳輸能力無顯著差別。

5 總結

經過上述測試分析，星狀網與網狀網組網方式下的傳輸試驗、鏈路抖動等性能基本一致。經試驗，現有氣象應急通信系統可為省級應急車和衛星地面站之間建立不低于2Mbps速率的網狀網衛星鏈路，具備網狀網業務傳輸的基本能力，是氣象衛星應急通信業務未來的發展方向。筆者在本文中對星狀網與網狀網的性能進行了對比分析，驗證了網狀網組網方式的可行性，望能對今后氣象部門及類似系統的衛星網狀網業務開展提供些許借鑒價值。