基于衛星通信的無人島通信系統設計

蔡亞軍 萬隆君 徐軼群 徐風云

摘 要：無人島的開發利用對維護國家海洋權益和促進社會經濟發展具有重要意義，而通信系統的建立是無人海島開發利用的重要一環。文中應用衛星通信方式，快速組建無人島通信系統，實現了無人島上用戶通過智能手機WiFi熱點接入寬帶衛星，在衛星模型下撥打電話、發送短信、接收電子郵件等功能。并結合軟件功能需求分析，確定平臺功能模塊，設計了基于B/S架構的無人島語音通信管理平臺，對系統的語音通信數據進行分類統計，實現了對語音通信系統的遠程監管功能。

關鍵詞：無人島；衛星通信；管理平臺；B/S架構

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）04-00-03

0 引 言

無人島是指沒有戶籍居民居住的島嶼。據國家海洋局公布的數據，我國面積超過500 m2的無人島有6 500多個，500m2以下的島嶼數以萬計，均為無居民海島[1]。無人島的開發是我國發展海洋事業的重要內容，海島經濟將成為我國沿海各省的重要發展方向，關于無人島嶼通信系統的建設需求日益迫切。

海底光纜通信是一項復雜的系統工程， 需要沿線鋪設，線路易被破壞，工程量大，建設和維護成本高；移動通信需要建設海島基站，設備材料搬運費用高，信號傳輸不穩定，施工及維護要求高，且信號僅覆蓋了近海，對于處于遠海的無人島來講，沒有建設意義。相對于海底光纜通信和移動通信，衛星通信具有覆蓋面廣、頻帶寬、容量大，性能穩定可靠，搭建方便、機動靈活，成本與傳輸距離無關等優點[2]，并且隨著低成本寬帶衛星技術的發展，衛星通信技術在海島通信領域將有更廣闊的發展前景，無人島通信系統的建立是為了方便無人島資源的開發利用，而以最低成本、最快速度搭建通信系統是開發人員考慮的首要問題。因此針對無人島嶼通信，采取衛星通信方式比其他兩種通信方式更符合實際。

文獻[3]對衛星通信的發展做了介紹，并分析了衛星通信的發展趨勢；文獻[4]提出了模塊化組建便攜式衛星小站的思路，但系統多應用于應急通信領域；文獻[5]介紹了移動終端通過寬帶衛星接入網絡的技術方法，但并未進一步開發語音通信管理平臺；文獻[6]介紹了移動通信海島基站的建設目的，并提出了解決方案，但投資過大，現實困難較多；基于文獻[7]設計的海島小型通信系統，研究了更適應無人島現實條件的基于衛星通信的無人島通信系統。

1 系統架構

1.1 系統構架設計

本系統主要由衛星地面站系統、微基站或大功率WiFi模塊、北斗終端和若干用戶手機組成，系統架構如圖1所示。衛星地面站系統主要用于接收衛星網絡信號，由地面站天線、衛星調制解調器、低噪聲放大下變頻模塊LNB、上變頻功率放大模塊BUC（功放）、功分器、軟波導、多業務路由器、工作站、連接器材等組成，衛星地面站設備連接示意圖如圖2所示。微基站或大功率WiFi模塊包含VOIP語音網關和無線路由功能，前者可通過SIP協議實現使用智能手機撥打IP電話的功能[8]，后者將網絡信號傳輸給智能手機。北斗終端可實現通過北斗衛星短報文通信向后臺發送短消息的功能。

1.2 系統軟件架構

根據系統的功能特點，設計了圖3所示的系統軟件構架圖。該系統從邏輯上分為三個層次，即用戶界面層、服務層、數據層。

用戶界面層由用戶認證界面、用戶撥號界面、計時計費界面組成，采用Portal進行用戶認證，在連接WiFi熱點后，通過互聯網瀏覽器發起訪問請求，Portal服務器向用戶推送認證頁面。用戶只需輸入正確的用戶名和密碼并點擊確定，認證成功后即可實現上網功能[9]。通過網頁認證的用戶信息將被保存在白名單數據庫中，用戶再次使用本系統時無需進行二次注冊。用戶撥號界面和計時計費界面指手機語音通話軟件界面。

服務層主要由語音通信服務和無線網絡服務組成。用戶通過語音通話軟件的用戶撥號界面即可進行實時語音通信，同時還可以通過無線網絡發送短信、接收電子郵件，以及使用一些社交媒體和實時通信應用程序等服務。

數據層主要由用戶信息數據庫、語音通信數據庫組成，用戶信息數據庫用以管理服務器白名單信息，并對其加密保存，確保信息不丟失、不泄露，語音通信記錄數據庫用于存儲用戶的語音通話數據，包括通話時間，通話時長，主叫或被叫等信息。

1.3 流量值分配

無人島通信系統用戶的流量值分配是指通信衛星分配給無人島通信系統的帶寬值。帶寬分配又分為固定分配和按需分配，從本系統的應用前景來看，帶寬按需分配機制有利于提高網絡資源的利用率，提高服務質量（QoS）?？紤]到本系統構成簡單方便，主要實現語音通信功能，所需帶寬較為穩定，且每個用戶都處于相同的優先級，因此采用文獻[10]提出的基于完全共享的帶寬分配策略。無人島上用戶數量通過用戶手機連接WiFi熱點后確定，并通過北斗終端短報文通信功能，將島上的用戶數量經北斗衛星發送到系統后臺，后臺根據用戶數量計算所需帶寬并向寬帶衛星發送帶寬請求，帶寬請求流程如圖4所示。

分配算法：假設C為系統的總帶寬，N為無人島的數量，ui為無人島i上一手機用戶所需的帶寬，根據G723語音編解碼標準，語音通話帶寬約占22.9 k/s，因此每個手機用戶所需帶寬取22.9 k/s。Ui為無人島i請求的帶寬，ni為無人島i的手機用戶數量，因此Ui=ui×ni。Vi為N個無人島所需的總帶寬，Wi為Vi>C時i島分配的帶寬。流量值分配算法如圖5所示。

2 通信管理軟件設計

考慮到本通信系統采用的衛星通信帶寬資源有限，因此設計了語音通信管理平臺，對系統的語音通信數據進行統計分類管理，為系統管理員提供遠程監管功能，讓無人島通信系統的管理更加便捷有效。

2.1 軟件開發相關技術

無人島語音通信管理平臺基于B/S架構設計，是一款動態網站平臺，選擇Java作為其后臺程序開發語言，JSP作為前臺腳本開發語言設計通信管理軟件平臺。搭建以Windows操作系統、Tomcat服務器、MySQL數據庫為基礎的開發環境。選用Eclipse作為平臺軟件開發工具。

2.2 軟件功能需求分析

設計本平臺的目的在于方便系統管理員對本系統進行科學有效的監管，因此平臺具備以下功能：

（1）平臺應方便隨時隨地對通信系統實施監管。采用B/S架構，系統管理員只需通過連接互聯網的瀏覽器即可登錄本平臺，查看本系統內的語音通信數據。

（2）平臺應具有設置手機用戶通話權限的功能，只需在平臺上進行設置，即可更改手機用戶權限。

（3）平臺應能夠記錄分機用戶的通話數據，方便管理員對語音通話信息進行統計。

（4）平臺應能配置更新平臺用戶的賬號密碼，并具備對全部用戶信息進行管理的功能。

2.3 系統功能設計

系統設計適用于所有安裝本通信系統的無人島用戶，結合語音通話平臺的功能需求，設計系統功能如圖6所示。系統共包含五個功能，包括用戶狀態管理、呼叫日志管理、系統日志管理、用戶管理，其中用戶管理模塊僅供系統超級管理員使用，其余功能模塊各系統管理員均可使用。系統還具備一個后臺功能模塊用于數據轉存。系統后臺服務器訪問語音網關中的臨時通信數據，將一段時間內的數據轉存到系統后臺數據庫中，并通過調用數據庫信息在平臺頁面顯示。系統管理員通過瀏覽器訪問語音管理平臺網頁，就能對整個語音通信系統進行監管。

2.3.1 登錄界面及主頁

無人島語音通信管理平臺登錄界面如圖7所示。系統管理員登錄平臺需要輸入用戶名（郵箱）和密碼，提供記住密碼功能，方便用戶登錄，若用戶忘記密碼，可點擊“忘記密碼”重新設置密碼。

2.3.2 用戶狀態管理

用戶狀態是指手機用戶的狀態信息，當島上的用戶手機連接網絡管理員提供的WiFi熱點后，通過智能手機中安裝的語音通話軟件就可實現撥打IP電話的功能。用戶狀態管理頁面參數主要包括分機編號、線路編號、呼叫權限、計流量功能、語音信箱、通話狀態。在用戶狀態管理頁面，用戶可根據自身管理權限查看權限系統內每個手機用戶的狀態信息，并且可通過網關自帶的獲取流量接口計算手機用戶使用的流量值，并將該信息發送至手機用戶語音信箱。由于本平臺還未在無人島嶼進行試驗，因此以下所有頁面中的數據均為假設數據。用戶狀態管理功能如圖8所示。

2.3.3 呼叫日志管理

呼叫日志管理頁面設置的參數包括ID編號，通話類型，呼叫開始時間，呼叫結束時間，通話時長，主叫號碼，被叫號碼。用戶輸入起始時間和結束時間，并點擊查詢后，即可查詢到平臺權限內所有用戶分機在該時間段內的所有語音通話記錄。呼叫日志管理如圖9所示。

2.3.4 系統日志管理

系統日志用以記錄系統發生事件的信息。系統管理員可通過查看系統日志，及時發現系統發生的故障，確保系統良好運行。管理員進入系統日志管理后，可查看一段時間內的系統事件，同時支持導出系統日志文件。系統事件的參數包括事件ID，事件類型，事件發生時間，發生主體。系統日志管理如圖10所示。

2.3.5 用戶管理

用戶管理頁面的主要參數包括用戶名、密碼、所屬公司、電子郵箱、電話、權限等，登錄用戶的賬號密碼，可對用戶權限進行設置。本功能模塊主要顯示各用戶信息，如圖11所示。

2.3.6 數據轉存功能

由于VOIP語音網關的存儲空間較小，數據存儲能力有限，并且語音網關會定期清空存儲的數據，為保留歷史數據方便用戶審查，將通過平臺服務器定時訪問采集語音網關的通信數據轉存入后臺數據庫。該數據存儲機制如圖12所示。

3 結 語

本系統利用寬帶衛星通信技術實現了無人島手機用戶在衛星模型下撥打電話、發送短信、接收電子郵件，以及使用一些社交媒體和實時通信應用程序等功能，能夠讓無人島手機用戶在無三大通信運營商信號覆蓋的情況下進行語音通話和發送求救信號。解決了無人島用戶通信困難的問題，在應用上創新性地將智能手機接入衛星網絡資源進行通信，為無人島通信領域的發展提供了新的思路。并為系統管理人員設計了語音通信管理平臺，可實現對通信系統的遠程監管。未來將進行無人島通信實驗，進一步完善本系統，爭取早日投入使用。

參考文獻

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