一種基于平流層平臺的通信中繼系統

鄭磊

【摘要】 本文基于平流層通信的特點及發展現狀，結合通信中繼在應急通信等領域的優勢，提出了一種適應平流層平臺的通信中繼系統架構，對系統架構、工作原理進行了描述，并對同構/異構體制間的中繼技術、語音編碼及靜音檢測等關鍵技術進行了分析與論述。

【關鍵詞】 平流層通信 應急通信 同構/異構體制中繼

一、概述

平流層通信是當今無線通信領域的一種新的應用形式，主要是利用平流層穩定的氣象條件，使浮空平臺在平流層高度下以準靜止狀態長時間留空，并在浮空平臺上搭載有效的通信載荷，實現視距范圍內的通信覆蓋，并通過通信中繼擴展了視距通信可達范圍。它具有費用低、部署快速、使用靈活、通信質量好等特點，相對于陸基移動通信系統的脆弱性，以及衛星通信系統的高昂價格及通信容量限制，平流層通信在應對突發自然災害時的應急通信能力優勢明顯，是一種很好的應急通信策略。[1，2]平流層通信應用于應急通信場景如圖 1所示。

二、方案設計

平流層通信中繼系統由兩大部分構成：一部分為通信中繼載荷，由浮空通信載荷和地面控制系統組成；另一部分為載體即能承載一定負荷的航空器，能提供通信必要的條件，同時能保證所需的升空高度。

2.1平臺選型

目前，有多種浮空平臺可供選擇，其中以動力飛艇和無人機的技術較為成熟。

與無人機不同的是，動力飛艇不需要建機場，修跑道，且飛艇起飛或空中駐留時不需要任何燃料，能夠長期停在高空。

由于飛艇既有浮升氣體升空，又有動力驅動，因而能源消耗少，載重能力強，安全性、經濟性比直升機好，是一種較好的空中平臺通信載體。[3]

2.2通信中繼載荷設計

2.2.1系統架構

傳統的中繼系統設計，采用基于獨立設備單元背靠背的中繼方式，通過獨立設備間的物理連接電纜進行收發音頻信息的傳輸，中繼鏈路的構建局限于單一的物理連接，無法做到靈活重構。

為滿足跨頻段、多體制中繼靈活配置和性能最佳的需求，考慮采用軟件無線電思想，構建一套綜合化的模塊化的中繼系統。傳統中繼方式與綜合化中繼方式的差異見圖 2所示。

2.2.2硬件設計

通信中繼載荷的硬件設計，系統采用開放式系統架構、軟件無線電思想以及綜合化、標準化、模塊化思路來設計。系統架構如圖3所示。

系統天線部分，主要實現系統各路無線電信號的發射和接收。若考慮為每路中繼通道都配備天線的方式，無疑天線數量及種類繁多，且增加了天線布局及共址兼容工作的難度。為避免上述問題，可根據系統所需的中繼通信體制對天線頻段、極化形式、共址兼容、使用階段等要求，進行天線共用、共孔徑、共形等設計，同時利用仿真手段，對各種通信天線布局進行優化設計，以達到天線的最優化配置。

射頻前端部分負責完成多頻段的射頻綜合處理，為天線孔徑與后端數字處理之間提供射頻收發通路。通過射頻交換網絡和后端的中頻交換網絡的相互配合，可以進行天線選擇、中頻選擇以及多路并行工作能力。發射通道和接收通道寬開通用設計，支持不同頻段、不同通信功能發射和接收，有利于射頻處理資源的共用。

數字處理后端部分主要完成中繼功能的中頻信號處理、數據處理、數字音頻處理，并負責中繼系統的集中控制管理。系統內部通過中頻交換網絡及數字及數字交換網絡實現中繼功能信號處理的搭建，靈活路由以及故障重構。依托上述能力，可支持中頻、基帶、信息層的不同層信號中繼。

2.2.3軟件設計

軟件設計將軟件可靠性和安全性放在首位，采取分層次、模塊化設計，能夠方便進行裁減和升級。通信中繼載荷軟件設計自頂向下分為綜合控制管理層、數據處理層、信號處理層三層次。各層通過標準接口進行分隔，以實現層之間的獨立性。其中，綜合控制管理層軟件和數據處理層采用組件化設計，信號處理層即通信功能層采用SCA軟件架構設計。各部分主要功能如下：

（1）綜合控制管理層

集成管理層是系統軟件的核心，主要實現中繼系統的綜合集成管理功能，實現對系統內各類軟件組件的集成協調工作，主要包括：外部信息交互、系統工作參數控制管理、狀態監視等。

（2）數據處理層

數據處理層根據當前中繼鏈路體制要求，完成業務數據的分幀/組幀、糾錯編譯碼、打包/解包和數據完整性檢查等處理，同時負責對各功能模塊的收發時序、信道和功放的參數控制和管理。

（3）信號處理層

信號處理層完成不同中繼鏈路的信號處理功能，包括上/下變頻、濾波、調制/解調、編/譯碼等，并產生發射數字中頻信號等。

三、關鍵技術

3.1同構/異構體制間的中繼技術

本文設計的中繼系統除能夠在同構體制鏈路間實現音頻數據的轉發外，重點要解決異構鏈路之間中繼轉發，包括話音、數據中繼，不同體制鏈路之間的轉發等，這意味著要在不同頻段、不同體制等各型通信鏈路之間，自由進行話音及數據的中繼轉發處理。

系統在設計時，從邏輯層次上劃分中繼類型，分別在鏈路層、網絡層和應用層等不同層次分別完成數據包轉發處理技術，可完成數據包在同構/異構鏈路之間的傳輸。

3.2語音編碼及靜音檢測技術

本系統中繼方式所具備的靈活多樣的優點，在于采用了基于VoIP的話音編解碼技術和活動話音檢測技術。

VoIP 是 Voice over IP 的縮寫。這種技術使得模擬話音信號能夠進行數字化、IP化，從而達到在以太網上傳輸話音的目的。目前，ITU-T 定義的主要編碼標準有 G.711、G.729、G.723.1 等[4]。由于語音的IP化，系統可以采用基于IP的高速以太網交換網絡，實現控制、話音及數據的總線統一傳輸。如此可滿足G.711編碼方式的傳輸帶寬，故系統采用話音質量更高的 G.711 編碼方式。

此外，系統綜合控制管理實時檢測通話過程中的話音激活情況，以識別靜音片段不轉發。采用靜音檢測技術后，當中繼鏈路沒有收到話音時，通信信息處理器將不會發出轉發發射控制信號PTT，從而不會引起長時間單向占用信道的現象，有效的提高中繼轉發信道的利用率。

四、結束語

隨著科技的發展和社會的進步，現代通信在社會生活各方面和國民經濟各領域發揮著越來越突出的作用。遇到大的自然災害如地震、海嘯，以及在反恐等場合，原有的基礎設施很可能同時遭受破壞，通信系統的喪失會直接影響領導機關或決策機關部門的指揮；另外對于實施應急具體事件處理的公安、消防、搶險、醫療救急等部門的工作也可能會帶來極大的障礙，嚴重時會喪失事情處理或救助最好時機。本文提出的基于平流層平臺的通信中繼系統，可提供全天候、全方位的通信覆蓋，具有費用低、部署迅速等特點，是山區應急通信指揮系統較為理想通信技術。

參 考 文 獻

[1] 樊昌信.一種發展中的新移動通信方式平流層通信研發概況[J].現代電子技術，2005，28（19）：1-3.

[2] 羅衛兵，王永生.無人機平臺的超視距多鏈路中繼[J].遙測遙控，2003，24（2）：32- 33.

[3] 姚偉，李勇，王文雋，等.美國平流層飛艇發展計劃和研制進展[J].航天器工程，2008，17（2）： 69- 75.

[4] 張登銀，孫精科.VOIP技術分析與系統設計[M].北京：人民郵電出版社，2003.