基于北斗和移動通信的應急通信保障系統設計

李 博，袁永衛

(1.衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081; 2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

隨著信息時代的飛速發展，移動通信技術也在不斷更新換代。3G、4G技術在短短數年時間就取得了突破性進展，用戶數量也迅猛增長，給人們生活帶來極大便利。然而，在一些特殊地區，受到移動基站的布設和維護成本以及使用量極少等因素的限制，基本沒有移動通信信號覆蓋，一旦進入這些區域，將無法與外界取得聯系[1]。

衛星無線電測定業務(RDSS)[2]是我國北斗衛星導航系統所特有的業務功能，具備全天候、全天時的通信能力，能夠支持北斗用戶之間進行短報文通信，在無移動通信信號覆蓋區域通信方面具有明顯優勢，可提供安全、可靠的通信保障[3]，國內在應急通信保障方面也有很多這方面的應用，但是僅限于北斗終端之間的通信，無法實現北斗終端與移動通信終端(手機)之間的互聯互通。

本文設計的基于北斗和移動通信的應急通信保障系統，是將北斗RDSS業務與移動通信業務相結合，實現北斗通信網與移動通信網的互聯互通，進而實現北斗應用終端與移動手機終端之間短報文—短信的互發，解決了特殊區域與外界通信難、區域內目標無法監視等難題，為特殊區域內各項人類活動提供通信保障。

1 系統體系架構

基于北斗和移動通信的應急通信保障系統設計，具備業務融合、網絡集成、雙向實時通信和靈活可控的特點，系統在通信模式、協議設計和轉發尋址等方面涉及多項關鍵技術，保證系統能夠提供安全可靠的應急通信保障。

1.1 廣域連續通信無縫集成技術

移動通信基站的布設，由于受到各方面因素的限制，在一些特殊地區無法實現全域覆蓋，導致該區域的人類活動受限；而北斗RDSS能夠提供廣域覆蓋，全天時通信，能夠為特殊區域人類活動提供通信服務保障[4]。基于北斗和移動通信的應急通信保障系統，充分考慮二者在通信方面的優勢，實現北斗和移動通信的無縫集成[5]。

正常情況下，用戶可通過移動通信網絡進行信息交互，當用戶到達無移動通信信號覆蓋區域后，系統中北斗手持型用戶終端會自動切換到北斗鏈路與后臺進行信息交互；同理，當用戶重新到達移動通信網絡覆蓋區域后，系統中北斗手持型用戶終端會自動切換到移動通信鏈路進行信息交互，從而形成在廣域范圍內的應急通信能力，將人類活動由區域擴展至全域范圍。

1.2 高效的轉發尋址技術

北斗與移動通信之間進行雙向通信時，需要實現通信轉發時的雙向尋址，因此，建立北斗用戶與移動通信終端用戶之間的雙向尋址索引，能夠快速實現目的代號向目的用戶的尋址檢索，從而提高通信轉發的效率[6]。尋址索引如圖1和圖2所示。

圖1 尋址索引示意圖1

圖2 尋址索引示意圖2

1.3 自動分包處理技術

受北斗RDSS以及移動通信通道容量的限制，北斗通信單次最多只支持420BYTE的數據傳輸，而移動短信最多只支持140BYTE的數據傳輸，若要進行長報文通信，則需要分多次發送。移動通信長信息傳輸，系統可自動完成分包處理，本文所涉及的自動分包處理技術主要針對北斗長報文傳輸。對通信協議進行優化設計，以適應長報文傳輸的需要，如圖3所示。

圖3 分包傳輸示意圖

北斗手持型用戶機按照北斗通信傳輸頻度，將長報文分成n包，通過北斗鏈路發送到應急通信保障中心，應急通信保障中心收到所有數據包后，將n包數據按包序組合還原成長報文信息，反之亦然。

若傳輸過程中出現丟包情況，則應急通信保障中心通過北斗鏈路向北斗手持型用戶機發送丟包數據請求，若每個丟包3次請求內能夠獲取到丟包數據，則可組合成完整的長報文；否則，應急通信保障中心通過北斗鏈路向北斗手持型用戶機發送長報文傳輸失敗通知，本次長報文傳輸失敗。

通過對傳輸信息進行分包和組包處理，可實現長報文通信的自動化傳輸。

2 系統構成

基于北斗和移動通信的應急通信保障系統由北斗應用終端、短信收發設備、移動通信終端、應急通信服務器以及應急通信服務平臺軟件構成，各組成部分在北斗通信網和移動通信網基礎設施組成的系統網絡支持下，完成北斗短報文和移動短信的收發[7-8]。系統體系結構如圖4所示。

圖4 系統體系結構

北斗應用終端包括北斗手持/車載型用戶機和北斗指揮型用戶機。北斗手持/車載型用戶機用于進入特殊區域人員/車輛攜帶使用；北斗指揮型用戶機部署在應急通信保障中心，提供應急通信保障服務。北斗手持/車載型用戶機與北斗指揮型用戶機之間通過北斗RDSS鏈路進行短報文通信。

短信收發是具備移動短信收發功能的通信設備，通過通信基站實現與移動通信終端(手機)的短信收發，其容量的大小可根據業務量的大小進行選擇。短信收發設備部署在應急通信保障中心，提供應急通信保障服務。

應急通信服務器部署了應急通信服務平臺軟件，負責對北斗指揮型用戶機和短信收發設備進行管理，提供北斗短報文和移動短信之間的轉發與尋址服務。

2.1 系統功能

基于北斗和移動通信的應急通信保障系統主要用于實現北斗手持/車載型用戶機與移動通信終端的互聯互通、北斗手持/車載型用戶的實時位置監視、監視軌跡的事后回放，以及對北斗手持/車載型用戶機以及移動通信終端進行管理[9-10]。

2.1.1 通信服務功能

該系統能夠提供北斗手持/車載型用戶機與移動通信終端之間的短報文—短信收發服務。當北斗手持/車載型用戶機與移動通信終端通信時，需經過北斗通信服務平臺進行協議轉換，再將轉換后的短報文/短信發送至目標終端設備。

2.1.2 實時監視功能

該系統能夠對北斗手持/車載型用戶機用戶的位置進行實時監視。北斗手持/車載型用戶機用戶的位置信息通過北斗鏈路實時上報到北斗應急通信服務平臺，北斗應急服務平臺在電子地圖上實時標繪該用戶的位置以及行進軌跡，從而實現對該用戶的動態監視。

2.1.3 軌跡回放功能

該系統能夠對北斗手持/車載型用戶機用戶的歷史行進路線進行軌跡回放。北斗應急通信服務平臺根據用戶設定條件檢索北斗手持/車載型用戶機用戶的歷史位置信息，并將位置信息按照時間序列和預設回放速度在電子地圖上進行動態標繪。

2.1.4 設備管理功能

該系統能夠對北斗手持/車載型用戶機以及移動通信終端進行信息管理。設備信息包括北斗手持/車載型用戶機的北斗ID號、序列號和使用人等；移動通信終端的序列號、手機號和使用人等。設備信息是通信服務短信息收發尋址的基礎，為其他功能的實現起到支撐作用。

2.2 系統工作原理

2.2.1 北斗通信工作原理

特殊區域北斗手持/車載型用戶機發送北斗短報文通信申請，該通信申請中包含了接收方ID號和通信內容；北斗衛星接收到該通信申請后，將該用戶機信號經變頻器放大后發送給北斗衛星地面站；北斗衛星地面站將該信號加入持續廣播的出站電文中，再經衛星廣播給地面北斗指揮型用戶機；地面北斗指揮型用戶機接收出站信號，解調出站電文，完成北斗短報文接收。北斗通信工作原理如圖5所示。

圖5 北斗通信工作原理圖

地面北斗指揮型用戶機向特殊區域北斗手持/車載型用戶機發送北斗短報文原理，同理。

2.2.2 移動通信工作原理

短信收發設備發送短信信息，移動通信基站接收短信收發設備發出的通信信號；移動通信基站將該短信信息轉發到短信業務中心(SMSC)；短信業務中心再通過移動通信基站，將短信信息發送到接收方移動通信終端[11-12]。移動通信基站工作原理如圖 6所示。

圖6 移動通信工作原理圖

移動通信終端向短信收發設備發送短信信息工作原理，同理。

2.2.3 基于北斗和移動通信的應急通信保障系統工作原理

特殊區域北斗手持/車載型用戶機發送北斗短消息申請，該用戶機信號經過北斗鏈路到達北斗指揮型用戶機；北斗指揮型用戶機解調出站電文，并將短消息信息通過串口上報給應急通信服務器；部署在應急通信服務器上的應急通信服務平臺軟件根據北斗標準協議，解析出北斗短消息，然后按照系統協議進行組幀；應急通信服務平臺軟件將重新組幀的短消息通過串口發送至短信收發設備；短信收發設備經移動通信傳輸鏈路將短信發送至接收方移動通信終端[13]。基于北斗和移動通信的應急通信保障系統工作原理如圖 7所示。

圖7 系統工作原理

移動通信終端向特殊區域北斗手持/車載型用戶機發送短信信息工作原理，同理。

3 系統應用

該系統成功保障了國內一批資深探險愛好者穿越阿里大北線。2016年9月～10月，國內8位資深探險愛好者借北斗車載型用戶機從拉薩出發，穿越西藏阿里地區，歷時16天，行程共計4 500余千米。在這次穿越過程中，該系統持續為探險愛好者提供通信服務，在阿里大北線無移動通信信號覆蓋區域，使得探險者依然能夠順暢的與外界區域取得聯系。

應急通信服務平臺軟件實時監視探險愛好者旅行中的軌跡，如圖 8所示。

圖8 探險愛好者探險旅程軌跡

探險愛好者與外界通過該系統進行短報文—短信收發，如圖9所示。

圖9 探險愛好者與外界短報文—短信收發界面

該系統在本次阿里大北線穿越過程中的成功應用，充分體現了其在應急通信保障方面的優勢。系統不僅實現了探險愛好者之間的位置共享和信息交互，更重要的是保障了探險愛好者與外界的通信聯絡，這樣，在遇到險情或者突發狀況的情況下，探險愛好者能夠第一時間對外界區域發出求救，救援人員也能夠根據求救者的位置快速實時救助，保障探險愛好者的生命安全。

4 結束語

基于北斗和移動通信的應急通信保障系統，實現了北斗通信網與移動通信網的互聯互通，解決了特殊區域無移動通信信號覆蓋導致的無法與外界取得聯系的難題，實現了北斗手持/車載型用戶機與移動通信終端的信息通信，為特殊區域的人類活動提供了應急通信保障。由于受短信收發設備容量的限制，導致系統在提供應急通信服務時存在一定的局限性，當大容量用戶并發請求時，系統性能將大大降低，因此，實現應急通信服務平臺直接與移動通信短信服務中心的互聯互通，將大大提升大容量用戶通信請求時的服務性能，也將成為系統下一步研究和改進的方向。

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