多体制融合的海上卫星通信网络建设研究

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【摘要】 卫星通信具有通信距离远、覆盖范围大、通信容量大、机动性强等特点，是海上执法舰船的主要通信手段之一，但是体制繁杂、设备种类多、互联互通差等因素在一定程度上制约和影响了卫星通信的进一步发展，本文通过对国内外卫星通信体制发展历程的分析，提出一种建设多体制融合的解决方案，为建设统一的海上卫星通信网络提供必要的理论依据。

【关键词】 卫星通信 体制融合 网络建设

一、前言

在没有网络信号覆盖的大海上，卫星几乎是可以提供高带宽数据传输的唯一手段。卫星通信具有通信距离远、通信容量大、通信质量高、机动性大、信号配置灵活、多种业务综合等特点，可以为海上执法舰船提供远距离、持续不间断、宽带综合业务保障的通信能力。

以遂行信息化条件下的海上维权执法行动为目标，为我国海上执法舰船遂行任务提供强大的信息化支撑和保障，本文基于海上执法舰船卫星通信网络建设现状及国产化需求，结合卫星通信距离远、通信能力强的特点，并借助近年得到飞速发展与实用化的国产自主宽带卫星通信系统等技术，通过顶层规划设计，有效整合运用卫星先进成熟技术，改进提升现有卫星通信装备，建设广域覆盖、高速宽带、业务多样、安全保密的海上卫星通信系统，全面提高海上执法舰船维权执法整体效能。

二、海上卫星通信现状分析

海上执法舰船目前所使用的卫星通信设备主要有两大类，一类为国产的卫星通信设备，另一类是进口的卫星通信设备。国产卫星通信设备主要为国营XX单位生产的FDMA卫星通信设备和中电XX所的TDMA卫星通信设备；进口的卫星通信设备主要有美国SATPATH、加拿大Advantech以及美国iDirect等公司生产的产品。其中，国产卫星通信系统和进口卫星通信系统都面临着更新换代的问题。此外，进口卫星通信设备还存在控制接口不开放，系统集成开发应用受约束等问题。

2.1网络管理与控制复杂，智能化程度低

目前正在使用的海上卫星通信体制有SCPC、DVBRCS、

TDMA/MF-TDMA等，体制繁杂，网络管理与控制难度大，智能化程度低，不能自动适应和调节。

2.2进口产品与国产化需求不匹配

目前在用的设备大部分是进口产品，核心技术掌握在外

国，存在一定的安全隐患，随着海上执法任务需求不断深入，核心网络设备国产化需求十分迫切。

2.3终端界面操作复杂，不易于升级维护，使用不方便

在用终端设备界面设计不够科学，操作使用难度较大，升级维护周期较长，维修经费开支大。

2.4不能完全实现互联互通，通信资源共享程度差、利用率低

由于体制不同，卫星通信网络不能实现互联互通，语音、视频、文字等资源不能共享，特别是SCPC体制，每条链路独占固定带宽，上下行传输不平衡，网络利用率低。

2.5安全保密手段缺乏

现有卫星通信除简单在终端进行加密外，尚未采用其它加密手段，只能进行简单的语音、视频和文字传输，安全保密隐患较大。

三、国内外卫星通信体制的发展历程

国外卫星通信系统发展初步经历了四个阶段，最早期的系统大多采用FDMA体制，带宽和频点预先分配，后期逐渐采用按需分配的方式（DAMA）。90年代起，卫星通信系统出现了TDMA技术体制，并逐步发展至近年出现的TDM/ MF-TDMA体制和MF-TDMA体制，最新的技术潮流是面向应用业务灵活选择不同体制的卫星通信系统，即多体制融合的卫星通信系统。

3.1 卫星通信体制发展历程

1、1980-1990年代，通信体制以SCPC为主，主要标准为IDR、IBS为主，业务类型以群路话音为主。

2、1990-1999年代 ，通信体制以SCPC/TDMA、TDMA、TDM/TDMA为主，没有制定统一标准，业务类型：点到点，网状网，星状网；窄带，低速，传输特点为稀路由数据，不能构成混合拓扑网，不能实现跳频，各家自行标准；数据通信协议：Z.25，SDLC，串口透明传输等；卫星频段：90年代初期以C频段为主，中期以后Ku波段使用增多。

3、2000-2005年代，通信体制以TDM/MF-TDMA为主，由各家标准开始向国际标准化靠拢，业务特点：随地面光纤的铺设，internet业务的快速发展，卫星通信开始由窄带向宽带发展；传输协议向TCP/IP协议靠拢；接入internet业务，稀路由数据向宽带多媒体转变，用户数据接口：以太网10base-T；卫星频段：Ku&C ；2000年，DVB标准诞生，2002年全球第一个宽带双向DVB-RCS标准诞生。

4、2006-2010年代，通信体制以TDM/MF-TDMA为主，全球第一个双向DVB-RCS标准，业务类型开始广泛推行大多数知名厂商遵行DVB-RCS开发产品，宽带多媒体业务，以星状网为主，网状网为辅。

5、2010-2016年代，通信体制以TDM/MF-TDMA/SCPC/ TDMA为主，标准以DVB-RCS+M为主，业务类型：随国际军事需求，采用智能多模自适应方式，支持星状网+网状网+SCPC的混合拓扑，多级管理体系，多星主频段，传输能力大幅度提升，多业务信号处理能力和效率大幅度提高。

6、未来发展趋势：星上交换（Ka频段）与地面智能多模自适应系统相并存；标准以MPLS与DVB-RCS+M并存为主；综合特点：业务量更大，信息速率更高，传输交换量巨大。

3.2 国内卫星通信体制及产品发展情况

目前我国从事卫星通信系统研制的单位主要有中电五十四研究所、南京七一四厂、北京大学及国营第七五〇厂。

3.2.1 中电五十四研究所

中电科第五十四研究所是国内卫星通信研究的领导者，其成功研制了网状MF-TDMA系统，具备了自主研发和生产能力。

3.2.2 南京七一四厂

南京714厂依托和解放军理工大学合作，拥有FDMA卫星系统体制，具备自主研发和生产能力。

3.2.3 北京大学

我国第一代卫星通信系统专线网系统即由北京大学负责研制。目前北京大学作为技术副总体单位，负责卫星数据广播分发系统的系统技术体制设计与实现。其技术体制采用前向自适应TDM广播，返向MF-TDMA接入。

3.2.4 国营第七五〇厂

国营第七五〇厂开展了TDMA/FDMA体制船载动中通卫星通信系统研制工作，并于2015年完成了厂级鉴定工作。该系统支持DVB-S2标准，支持MF-TDMA及FDMA接入方式，全IP接入简化设备配置。具备远程升级和操作功能，通过卫星链路为用户提供移动互联网业务。主站只需增加终端数量即可实现系统扩容，简单方便。

3.3卫星通信应用系统总体发展趋势

体系：网状MF-TDMA、FDMA/ DAMA系统继续应用的同时，多体制融合系统成为发展重点；

接入与业务承载：与地面IP协议的融合和一体化设计成为必然；

管理与控制：网络实时控制与管理功能分离，管理面向服务，控制嵌入终端；

传输：高效编码与调制、自适应编码调制广泛应用；

终端：多波形、多模式重构、低成本、小型化。

四、 多体制融合的海上卫星通信网络建设研究

4.1建设目标

海上卫星通信系统目的是建设一个广域覆盖、高速宽带、业务多样、安全保密的卫星通信系统，系统采用纯IP设计，支持VoIP话音、视频、图象、HTTP、FTP、邮件等IP业务，能够覆盖300万平方公里海域，安全保密、使用便捷、常态化运行的通信指挥专用网络，能够跨网互联互通，为海上执法舰船岸海和编队通信指挥提供远程机动通信保障。

系统建设遵循的指导思想包括：

？ 以提升卫星通信效能的核心目标

？ 充分利用现有，兼顾未来发展

？ 遵循网络化建设思路、岸海一体化设计

？ 提升网络的自动化管理水平

？ 突出安全保密需求，具备和相关涉海部门进行互连互通的能力

4.2总体架构

结合海上执法舰船使用需求进行建设，海上卫星通信系统由XX主站、XX主站和其卫星通信移动小站组成，主站均与业务信息中心通过光纤链路实现网络互联，两个主站之间通过地面公共光纤网络及卫星信道互联，实现主站与业务信息中心双链路互联，提高系统网络可靠性。舰船上的移动站建设可根据业务需求及安装条件配置单个或双个用户站设备，用户站经鉴权后入网，通过任一主站接入海上卫星通信网络，岸基指挥中心通过主站与用户站进行业务通信。

4.3海上卫星通信体制设计

海上卫星通信网络融合了SCPC/DAMA、TDM/MFTDMA两种技术体制，通过系统的统一设计，在统一的平台基础上，系统可根据用户需求，实时配置成星状网、点对点或者混合网的通信系统实现多体制应用模式。海上卫星通信系统网络如图1所示。

4.4功能架构

海上卫星通信系统的软件体系结构如图2所示。IP互通在卫星子网和非卫星子网（有线网络）之间是透明互操作的。通过指定SAP接口来实现与卫星有关的功能和与卫星无关的功能的分离，与卫星有关层包括卫星数据链路层SDLL和卫星物理层SPHY。

4.5网络架构

系统网络架构采用了具备IP路由和空口MAC路由的网络传输方案。寻址方法包括物理层寻址和网络层的IP地址寻址。卫星通信网络物理层寻址设计如下：每个用户站具有一个物理MAC地址，存贮在非易失存贮器中，与唯一的一台用户站相对应。对于一个用户站，任何指定传到一个特定的用户站的数据（用户业务）采用用户站 MAC地址，任何指定传到所有用户站的数据（用户业务）采用广播MAC地址。

网络层寻址采用应用协议自已的寻址方案，也就是IP地址寻址。主站及各用户站分别在下级构建独立的子网，各用户站维护子网网络，主站端通过网管管理各用户站网络。其典型网络架构如图所示。系统各设备IP地址可按照IP地址规则灵活配置，如若需要，可采用DHCP自动分配。

4.6主要功能

4.6.1 IP业务

提供VoIP话音、视频、图象、HTTP、FTP、邮件等IP业务。

4.6.2网络管理

根据使用需求动态调整带宽、优先级配置等资源；实现网络设备、业务流量、卫星链路态的动态监控。

4.6.3 舰船态势监测功能

各级信息中心与信息分中心具有实时显示所管辖舰船位置及航迹功能，能够以主动或被动的方式获取船艇位置及航迹信息，形成船艇实时态势信息地图。

信息中心可融合船舶自動识别系统的态势信息，形成综合态势图。

4.6.4 航迹监测功能

信息中心可以连续或非连续的监测重点船艇的位置信息，形成重点船艇的航迹信息图。

4.6.5 网络安全保密功能

海上卫星通信系统网络在通信中对网络各层面进行安全防护和加密处理，操作用户进行分级权限管理，对业务网和网管网进行逻辑隔离，采用保密模块对物理信道进行加解密，支持IP加密设备，多种手段确保通信安全。

4.7主要指标

4.7.1 前向体制指标

传输体制：TDM方式；

信息速率：2Mbps～10Mbps；

调制方式：QPSK、8PSK；

信道编码：LDPC+BCH；

滚降因子：0.35。

4.7.2 返向体制指标

信道接入：MF-TDMA方式；

信息速率：小于等于4Mbps；

调制方式：QPSK；

编码方式：Turbo；

4.8工作频段

系统支持如下工作频段：

Ku频段全国波束——上行：14.0～14.5GHz；

下行：12.25～12.75GHz；

C频段全国波束——上行：5.8～6.425GHz；

下行：3.625～4.2GHz；

C频段（扩展）波束——上行：6.425～6.725GHz；

下行：3.4～3.7GHz；

同时，预留Ka频段、S频段接口。

4.9效能评估

根据上述方案建立的卫星岸海接入网，主要是为了解决目前海上执法舰船在进行卫星通信时存在的“IP业务弱”、“网络能力弱”、“沟通率低”、“自动化程度差”等問题，建成后的卫星岸海接入网将构建一个全国共用、岸海一体的信息传输和交换平台，可为海上执法舰船、舰船编队等平台提供多点保障、随遇接入的卫星通信服务，为全国海上业务指挥中心、各区域指挥中心与船台提供IP综合业务通信保障，有效提升海上执法舰船的卫星通信效能。

4.9.1保持先进性与易用性，显著改善用户体验

系统采用纯IP设计，通过主站可接入互联网，可适配各种现有货架式产品（电脑、IP电话、网络视频、手机APP等），技术成熟可靠；同时系统可通过网管系统对各卫星终端进行远程升级和操作维护；显著改善用户体验。

4.9.2系统技术体制自主开发，技术可控

系统前向链路采用TDM接入方式，返向链路采用MFTDMA接入方式，实现了动态分配带宽与QOS保证，提升卫星通信网络运行效率。同时，系统支持DVB-S2标准，可与符合该标准的卫星设备进行互通。

4.9.3突出可扩展，在充分利旧基础上支持未来发展

系统采用分层的、灵活的体系结构，在信道资源层面可利用当前的功放（BUC）、低噪放（LNB）和天线资源，主机机箱采用ATCA架构，系统可通过软件升级、规模扩充等方式灵活实现系统功能提升和服务容量的扩展，有效支撑系统未来的发展。

4.9.4卫星终端支持“智能化”、“简单化”操作

用户通过配置少量参数可实现卫星通信功能，通过IE浏览器可快速对卫星终端通信状态进行监视；用户使用简单、快捷。

4.9.5提升可靠性，有效提升系统的抗干扰能力

系统采用两主站设计、各分系统实现冗余备份，提升卫星系统的可靠性和抗干扰能力。

4.9.6简化组织应用，提高网络自动化管理水平

主站网管负责配置和管理各类主站和终端小站，具备图形化操作界面；提供网络配置、性能监控、事件告警、日志记录、用户管理、安全备份和地图服务等；具有远程操作的功能，提升网络的管控水平和运行效率。

4.9.7强化安全保密，支持灵活互通的保密策略

系统在网络各层次采取了隔离、身份认证等安全措施，在传输通道上，对无线信道采用自动线路保护等保密措施，对信源采取自动加密措施，确保各种业务通信的安全性和保密性。系统通过配置与海上其他相关部门卫星通信设备信道，必要时可以进行互连互通。

五、结论

卫星通信经历了几十年的发展，随着卫星业务的不断拓

展，卫星通信体制得到长足发展，特别是新一代多模自适应卫星通信接入的发展为海上卫星通信网络建设提供了一种新思路。本文中提到的海上卫星通信网络建设研究通过融合SCPC和TDMA等几种体制，可以有效地解决现有体制繁杂、设备互不兼容、互联互通能力差、安全保密能力差等不足，合理设计网络架构和体系结构，充分满足海上执法区域广、移动小站分布散、业务各类繁多等业务需求。

卫星通信是海上执法舰船通信的主要手段，建设统一高效的卫星调度指挥通信网络是大势所趋，未来我们要立足业务实际，理清业务需求，拓展工作思路，以全新的体制和理念规划海上卫星通信网络建设。

参 考 文 献

[1]张昆鹏. 《卫星通信的发展及其关键技术》，北京：中国科技新闻学会，《硅谷》2009年第08期

[2]王小康. 《基于IP协议的卫星通信系统性能评估》，北京：中国科技新闻学会，《中国科技信息》2011年第15期

[3]王义明. 《卫星通信在应急通信中的应用》，北京：中国通信学会，《第六届卫星通信新业务新技术学术年会论文集》2010年

[4]李伟坚，吴赞红，陈宝仁. 《应急卫星通信系统技术体制的优化选择》，北京：世纪恒宇文化传播有限公司，《卫星与网络》2012年Z1期