消防救援衛星通信“雙模”應用研究

短波通信、超短波通信、集群通信、公網無線通信是幾種傳統的消防通信手段[1]，但是它們容易受到環境、信號、通信距離和災害等多方面因素影響。衛星通信系統有著不受地域限制、覆蓋范圍廣、通信距離遠、通信機動靈活等特點[2]，能夠滿足語音、數據、圖像、視頻等綜合通信需求[3]，可以實現救援現場與后方指揮中心的遠距離、不間斷通信，已經成為消防救援通信的一種重要手段。

現有的消防救援衛星通信地球站大多數是“單模”的，即只能接入應急管理部消防救援局（下文簡稱部消防救援局）專網。而公網接入往往能夠為救援現場與自組網、無人機和其他綜合視頻平臺提供靈活對接，并且可以提供應用端的開放性。本文針對消防救援衛星通信中的通信保障和應用需求，從基本屬性和性能指標兩方面分析專網應用和公網應用兩者的區別，并提出公網和專網“雙模”衛星通信站的應用建議，為消防救援中的各種專網應用和公網應用提供一種解決方案。

一、消防救援專網應用

通過在部消防救援局建立完整的衛星通信系統主站，構建消防救援衛星通信專網。為此，主站需要具備網管功能，可以對通信網內所有遠端站進行統一管理。主站通過地面線路將衛星通信專網與消防指揮調度內網進行連接。各形態遠端站（如便攜站、車載站等）與部消防救援局中心站建立業務連接，實現應急現場與消防指揮調度內網的互聯互通，各形態語音、視頻和數據終端（如視頻指揮箱）可通過衛星鏈路接入相應的圖像綜合管理平臺、實戰指揮平臺和語音綜合管理平臺，并可通過圖像綜合管理平臺、實戰指揮平臺等系統實現應急現場與部消防救援局、總隊、支隊等各級指揮中心之間的視頻指揮。

在救援現場地球站配置專網調制解調器，各消防支隊可以通過衛星鏈路接入指揮調度網，保障救援現場和指揮中心的實時不間斷通信，整體網絡結構如圖1所示。消防救援隊伍配備豐富的圖像采集設備，可以使得專網應用具有良好的兼容性，可與視頻指揮箱、布控球、單兵圖傳以及無人機等設備組合使用，將所采集的音視頻現場畫面回傳至指揮調度網以及圖像綜合管理平臺。

圖1 消防救援專網應用示意圖

二、消防救援公網應用

在救援現場地球站配置公網調制解調器，所需傳輸的音視頻數據將通過天線經互聯網接入到消防指揮調度網，具體接入方式與4G移動通信系統的網絡接入方式[4]類似。首先，地球站與關口站建立衛星鏈路，通過該關口站接入互聯網，同時，地球站與數據傳輸設備相連，為該設備提供網絡接入服務。數據傳輸設備中的數據先接入到互聯網上的現場圖像傳輸平臺，然后通過安全隔離設備進入到消防指揮調度內網，通過內外的現場圖傳平臺中轉后接入消防各級圖像綜合管理平臺，具體接入方式如圖2所示。該應用方式同樣可以與視頻指揮箱、布控球、單兵圖傳以及無人機等設備組合使用，將所采集的音視頻現場畫面回傳至指揮調度網以及圖像綜合管理平臺。

圖2 消防救援公網應用示意圖

三、兩種應用模式的對比

專網應用和公網應用兩種模式在組網模式、接入方式和支持應用等方面具有不同的技術特點。專網應用需要接入專用網絡，因此需要建設主站和專網網管，而公網應用則無此需求，但是為了接入Internet，需要通過互聯網接入關口站。關于兩種模式基本特點的比較如表1所示。

表1 兩種模式的基本特點比較

兩種應用模式在性能要求上也有很多的不同，主要體現在以下幾個方面，如表2所示。

表2 兩種模式的性能要求比較

（一）豐富性

專網是一個封閉式的網絡，其中的應用往往是簡單或由衛星服務供應商定制的，當需要使用類似于視頻會議等稍微復雜一點的應用時，需要在部消防救援局端搭建視頻會議服務器，會增加部消防救援局搭建和維護這些應用的成本。封閉性使得專網接入往往在應用上捉襟見肘。

公網接入對比專網接入，最大特點在于應用的開放性，使得用戶可以自由地使用Internet 上各種豐富的應用。此時部消防救援局不需要執行搭建服務器等相關要求，減少了相應的成本。另外，遠端站用戶可以通過衛星鏈路接入Internet，可以在無公網環境下繼續使用微信、釘釘等常用辦公和社交工具，使得應用上具備很大的靈活性。

（二）可用性

專網應用由于其系統容量、衛星資源池有限等限制，用戶在使用前往往需要借助電話提前和部消防救援局網管中心預約資源，在有重大突發事件或集體訓練考核任務的情況下，甚至會出現無法接入主站，或者需要排隊使用的情況。無法從真正意義上實現無公網情況下的快速開通。

而公網應用由于運營商的系統規模較大，且衛星資源池較廣，用戶在使用時無需提前預約資源，可以做到在設備完成架設及對星過程后的一鍵開通建鏈。其高可用度切實保障了該系統在真正遇到完全無公網的情況下，可無需與主站溝通，獨立快速建鏈。

（三）可控性

專網需要建立主站和網管，能夠通過主站網管和配備的值班員對整個網絡進行管控和監視，因此它的可控性高。網絡中存在不同優先級的業務應用，例如，如高實時性的指揮命令、高分辨率的視頻圖像、長數據包分組的數據信息等。通過網管的調度策略，專網可以允許高級別用戶優先接入網絡，以此保障應急救援現場和指揮中心之間的指揮調度。

公網應用中的運營商主站同樣配備了先進的衛星通信網管系統，該系統具備動態資源分配機制，可以實時對各種應用的服務質量進行調整，評估整個網絡的資源使用情況，采取各種措施減少網絡擁塞，保證用戶通信的可靠性。

（四）選擇性

專網系統在使用過程中，只能按照部消防救援局分配的鏈路進行通信，用戶對于數據帶寬的大小、使用的時段和市場都不具備自由的選擇性。

而公網系統為用戶提供了不同帶寬大小和使用時長的套餐選擇，可以滿足用戶對于不同業務類型所導致的不同帶寬需求。并且，公網運營商主站提供7x24 運維服務，確保了用戶在任意時刻都可以無障礙開通鏈路。

（五）安全性

專網建設好后，專門為不同層級的消防救援部門服務。當需要保障其中通信的安全性時，可以在網絡中自由地施加雙向認證、空口加密、端到端加密等多種安全策略。而且專網采用獨立的網絡設施，與外網是物理隔絕的，能夠提供極強的安全性保障。

公網接入的方式同樣可以進行不同方式的加密配置，包括基于衛星信道的加密，以及采用VPN 等方式對信息進行加密，都可以在保持公網開放性的基礎上，使得數據安全性得到保障。

四、雙模應用系統設計

通過上述對比可以看到，公網應用模式和專網應用模式具有各自的優點和缺點，在消防管理局統一組織的活動和任務中，專網應用模式顯然更加適合；在各支隊日常訓練和地方性任務中，公網應用模式更加有效。因此，如果同一衛星通信地球站能夠同時支持專網和公網兩種應用模式，將給消防救援工作帶來巨大的便利。

專網衛星通信裝備和公網衛星通信裝備的核心差異在于衛星調制解調器，天線、功放、LNB 等射頻部分并沒有差別。因此，在衛星通信地球站中集成專網和公網調制解調器，通過分合路器共用射頻器件，能夠構建一個雙模系統，同時支持專網和公網應用模式，滿足消防救援工作多樣化的需求。下面以一輛應用于救援現場的衛星通信車為例，對雙模應用系統的設計進行介紹，其他站型可以借鑒其中的思路。衛星通信車的雙模應用架構如圖3所示。

圖3 雙模應用系統設計架構圖

在車頂安裝0.8米等效口徑的動中通衛星天線，并配置40WKu 波段功放及LNB，車外部分為共用部分。通信車內部機架上安裝專網和公網兩臺衛星調制解調器，兩臺設備的射頻出入口使用射頻線纜連接至有源合分路器，再與車頂安裝的功放及LNB 連接，使兩臺衛星調制解調器可以共用一套射頻系統。有源合分路器是本系統架構中的重要部件，也是實現雙模應用的關鍵所在，它主要由合路器和分路器兩部分組成。

其中合路器用于發射端，它包含兩個輸入端口和一個輸出端口，兩個輸入端口分別連接專網衛星調制解調器和公網衛星調制解調器，輸出端口則連接40WKu 波段功放。合路器作用是將專網衛星調制解調器和公網衛星調制解調器發出的射頻信號合為一路信號，送到天線發射的射頻器件，并且對各個衛星調制解調器進行有效的隔離，盡量減少信號之間的相互干擾。端口隔離度是合路器的一個比較重要的指標，用于描述兩路信號互不影響的能力。

分路器則用于接收端，它包含一個輸入端口和兩個輸出端口，兩個輸出端口分別連接專網衛星調制解調器和公網衛星調制解調器，輸入端口接收Ku 波段LNB 的信號。分路器的作用是將天線接收到的射頻信號中的專網信號和公網信號分離為兩路單一的信號，分別輸出到專網衛星調制解調器和公網衛星調制解調器。它里面由放大器和耦合器組成，具有一定的增益，可以補償信號在傳輸過程中的損害，以保證每個衛星調制解調器端的信號強度滿足要求，因此它很好地解決了雙模應用系統產生的信號衰減等問題。

該雙模應用系統支持專網、公網單獨使用和同時使用，需要配備良好的控制軟件和設備。操作人員使用該系統時，可以通過控制設備的開關來切換系統的運行狀態，并且在天線系統中預設了每個分系統所使用的衛星信息參數，同樣可以做到天線姿態的一鍵切換。

兩套衛星通信設備的業務接口在車內接入了同一個交換系統，并與該車輛的車載業務系統對接，操作人員在進行衛通系統切換的時候無需進行任何線纜插拔、接口變更等操作，兩條衛星通路均可實現業務系統的建鏈功能。在該架構的支持下，車載業務系統具備良好的可擴展性，各種專網應用和公網應用可以靈活部署。

五、結語

消防救援現場通常使用衛星通信便攜站、動中通車載站[5]等，可以實現救援現場與后方指揮中心的遠距離、不間斷和機動的通信。在遠端站使用公網接入的方式能夠提供各種靈活多變的應用，滿足消防救援的不同應用需求，提高救援工作的效率。公網應用憑借其優異的豐富性、可用性和選擇性使其成為專網應用的完美補充。因此，在消防衛星通信系統的建設中，可以集兩家之長，通過在救援現場的衛星通信站配置專網和公網的調制解調器，形成“雙模”衛星通信地球站，通過公網接入提供快速且豐富的應用，但需要高度管控統一調配的時候，又可以切換為專網接入，通過多種通信通道，能夠確保應急通信的靈活機動和穩定可靠。因此，對于消防救援衛星通信應該堅持專網建設，結合公網優勢，讓兩者在通信保障上形成合力。