基于卫星的专网通信!一文详解

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众所周知，卫星通信是应急通信体系中的重要组成部分。应急通信保障任务，往往处于偏远地区或海域，地面固定通信网络、公用移动通信网络均未实现覆盖或现场通信设施已损坏，执行任务的救援人员进入事发现场后，往往形成信息孤岛，队伍与指挥部间难以实现正常通信，救援队伍之间语音无法互通，视频内容无法向外传输。这种情况下，满足偏远地区和海域通信只能通过卫星通信。

卫星通信地面站利用通信卫星作为中继，不仅可以把有线网的功能延伸到野外，同时可以为事发现场的专网通信提供远程跨地域传输路由，实现语音、数据、图像的中转和传输功能，保障全时、全域和全天候通信畅通。

简介

基于PDT、TETRA、LTE和Mesh融合的无线通信对于应急和远程作业至关重要。通常，返回指挥中心、调度中心或总部的通信链路由中转台或地面基站完成回传。

当终端距离太远超出视线范围或地面链路不存在或已损坏时， 卫星通信可以在终端和指挥中心之间提供链接。卫星通信还可以支持由于特殊情况（例如自然灾害）而临时增加容量的需求。

传统的专网（PMR）使用窄带，主要传送语音和短消息。然而，使用包括视频在内的宽带通信正变得日趋必要。使用LTE和Mesh通信，甚至可连执法记录仪和无人机。通过宽带通信还可以共享大流量数据，包括地图、建筑示意图等。同时卫星通信可以支持基于IP的任何业务。

卫星通信的 挑战在于对时延、抖动、链路质量（误码率和可用度）、拥塞和远程网络的管理。时延是由地球表面与卫星之间的距离而导致的。与光纤等地面链路相比，卫星链路更容易出错，并且更容易受到雨衰的影响。抖动可能由基带传输格式（例如TCP/IP帧）、加密和卫星接入方式（TDMA与SCPC）引入。 合理设计的卫星链路可提供足够的容量以减少网络拥塞，保证足够的雨衰余量，从而实现基本无差错通信。测试表明，卫星链路时延问题不足以影响语音质量。

卫星带宽租用费用相对高昂，需要权衡容量和成本。通过网络规划，包括QoS算法，可使通过卫星链路的流量最小化，进而可通过减小链路通道来最大程度地降低成本。部署本地指挥与控制调度系统有助于确保本地流量留在本地，只有必须流向总部或主要指挥中心的流量才会通过卫星链路。适当的QoS算法和合理设计的卫星接入方式可最大程度地减少抖动。

卫星通信可以作为主要链路为远程无线网络提供安全而稳定的回程，在有额外容量需求或地面回程损坏时作为临时解决方案。 在应急灾害现场或远程营地/设施中，卫星通信也可以是无线网络的组成部分。卫星通信设备非常灵活，其大小型固定站、便携站、车载静中通或动中通终端可作用于海事、陆地或航空等应用场景。

基于卫星的专网通信场景

在临时使用陆地通信业务或者在无法使用标准地面网络系统的边远地区，通过卫星传输的无线通信是连接的唯一选择。图1显示了典型的卫星专网通信组网。



图1：组网示意图

▏容灾

在发生地震、洪涝和森林火灾等自然灾害或突发事件时，用于容灾的公共安全服务需要可靠的通信网络。由于地面原有的网络基础设施和专网回传链路可能损坏且无法使用，即使部分现场区域可实现内部通信，但是与后方指控中心的通信仍旧无法建立。

后方指挥中心需要向灾害现场的前方指挥部提供现场指挥和调度。现场指挥部负责协调现场人员，在现场部署监控摄像头、无人机以便了解现场通信的损坏程度等状况，现场指挥部确定消息、语音呼叫和视频的业务优先级。

基于卫星的专网通信可以通过IP业务立即为应急响应和急救人员提供通信服务。卫星通信可以重新建立受损的通信链路，使现有系统恢复与指挥中心的连接，还可以利用额外容量部署新系统。

在发生突发情况时，卫星链路是回传指挥中心的唯一连接，因此它必须能够与现场的所有的专网通信系统配合使用，包括PDT、LTE或Mesh网络。灾难现场的通信对于快速做出协调一致的响应至关重要，而且 卫星通信有助于在在地面基础设施修复期间持续保障通信，提高救援效率。

▏远程作业

许多采矿、建筑、石油钻探或勘探营地都在没有地面通信网络覆盖的非常偏远的地区。卫星通信是与总部通信连接的唯一途径。营地内部以及在营地外工作的人员通常使用窄带对讲机以及其他宽带系统用于通信。 人员安全是首要问题。将对讲机同时连接到营地及总部可大大提高安全性。卫星回程还为日常运营提供通信。

专用通信系统

▏数字集群通信（PDT）

PDT是专用移动通信（PMR）的窄带标准，可通过PPT按键快速建立通信连接， 主要传递语音和短消息。PDT常规和PDT集群都是需要许可的数字通信标准，使用2时隙时分多址（TDMA），两个时隙均占用12.5kHz的带宽。PDT常规使用获得许可的常规对讲机和中转台，可以在广泛的区域内快速互连分散的站点。与PDT常规相比， PDT集群增加了集群功能，可以向用户组动态分配频率，而且使用基站，因此效率更高，用户容量更大。

在关键任务通信中，语音仍然是最主要的需求。在完成任务时，必须立即传输灾难受害者的高质量语音呼叫，作为从总部发出的第一优先级指令，或者位于野外的与下级之间的语音和短消息。所有这些都可通过PDT系统实现。

PDT的优点是一呼即通，可将拨号和呼叫发起的时间降至最低。 与专用LTE系统（P-LTE）相比，PDT基站的覆盖范围更大。

▏专用LTE（P-LTE）

PDT的缺点是它只能处理相对少量的数据业务。 P-LTE对于视频流这样的数据媒体服务既方便又高效，在需要更高的数据速率时可作为一种解决方案。通过卫星承载的P-LTE传输数据的挑战包括时延和有限的卫星带宽。在语音通信方面，借助LTE网络语音业务（VoLTE）功能，语音呼叫可以作为数据流的一部分进行传输。然而，与通过PDT系统进行语音通信相比，通过宽带P-LTE系统进行语音呼叫的成本较高，可作为语音通信的第二选择。

▏Mesh

Mesh是一种4G宽带解决方案，具有智能数据路由功能，可以连接到卫星、光纤、P-LTE和Wi-Fi。 Mesh既可以作为自己独立的网络运行，也可以直接连接到卫星链路或有线骨干网。当无法部署光纤时，Mesh可以用作固定或移动基站的回传链路，也可以连接到P-LTE网络以扩大覆盖范围，即使在深山等更地形复杂的偏远地区也适用。

Mesh由便携式无线节点组成。这些节点可以安装在墙壁和立杆上作为固定节点，也可以安装在车辆和无人机上作为移动节点。自组网节点直接进行无线组网以形成星形、链形、网状或混合拓扑。节点之间的链路自动匹配建立。语音、视频和数据传输在Mesh节点之间传输，与终端无线设备进行通信。

基于卫星的专用通信所面临的挑战

基于卫星的PMR面临的挑战包括时延、抖动、有限的带宽和较差的链路质量。为确保将卫星流量、时延和抖动降至最低，需要精确进行网络规划，包括流量走向、流量预估和服务质量（QoS）。

▏时延

地球同步卫星在赤道上方约36,000公里处的轨道运行，卫星与地面的位置相对保持不变。地面站与卫星之间射频信号的传输时延约为125毫秒，因此从发射地面站到接收地面站之间的传输时延约为250毫秒。

卫星网络通常分为三类：

a) 点对点网络

b) 星状网络

c) 网状网络

发射地面站和目标地面站之间的往返时延取决于网络拓扑。

点对点网络最为简单，包括单个发射地面站和单个接收地面站。通常，这种配置使用单路单载波（SCPC），可以最有效地利用卫星带宽，并且时延和抖动最小。

星状网络是部署最广泛的卫星网络拓扑，所有流量都通过卫星承载的中心地面站进行路由。中心地面站通常位于总部，或者与总部直接相连。中心地面站负责卫星通信网络以及IP网络的管理监控。卫星网络允许复合接入，多个用户共享一个带宽池。可适用于多种接入技术，包括TDMA接入方式、动态分配SCPC链路以及多种方式的组合。复合接入技术在节约带宽成本的同时，通常也会引入额外的时延和抖动。

像上文提到的点对点网络一样，从远端站到中心站的流量涉及一个卫星单跳链路（远端站-卫星-中心站）。如果流量发往中心地面站，则不需要跳往其他链路。但是，如果流量是去往另一个远端站的，则必须将流量重新传输到卫星，然后再传输回第二个远端站。这涉及两跳卫星链路，其标称传输时延为500毫秒。表1总结了星状和网状拓扑的各种通信路由的总时延。终端无线节点之间的总时延是传输时延加上路由器/交换机、调制解调器以及连接到每个远端站和中心站的其他相关设备的系统处理时延。

在网状拓扑中，远端站间通信可通过卫星直接实现，而不用经过关口站中转。这种拓扑需要更多具有大天线的远端站提供强大的卫星链路，以实现良好的数据吞吐量。从远端站1到远端站2的流量通过一跳卫星链路，典型的传输时延约为250毫秒。从远端站2到远端站1的返回流量也将通过一跳卫星链路。因此，在网状拓扑中两个远端站之间的往返流量将通过两跳卫星链路，典型的传输时延约为500毫秒。同样，考虑到连接到地面站的路由器、交换机、中继器的处理延迟，实际时延会更高。



表1：星状和网状拓扑的时延估值

▏抖动

共享带宽的卫星网络通常抖动更大，而专线链路通常抖动最小。将业务数据封装进IP数据包也会产生抖动。通过执行QoS算法的路由器处理数据包会使之恶化。抖动会影响语音和视频的质量。共享带宽网络上较大的抖动是由于用户的带宽分配不均匀。最小化抖动的技术包括使用更细的带宽分配颗粒度，使总带宽的分配更均匀。

▏有限的带宽

租用卫星带宽很昂贵，且有时会面临供应不足的问题。在任何情况下，卫星带宽通常都比地面网络的带宽小得多。带宽可以由许多用户共享或专用于一个用户。共享带宽使用多种接入共享机制，如时分多址（TDMA），并且在带宽池内支持各种远端站。 专用带宽意味着每个地面站都有一个专门的载波，单路单载波（SCPC）。共享带宽方案最适合有多个远端站而终端流量不同的场景，统计复用可以降低总带宽需求。专用带宽最适合只有几个远端站或用户流量一致的场景。就整体吞吐效率而言，SCPC链路最高效，而且时延和抖动最低。

设计和部署具有成本效益的卫星网络非常重要，需要考虑设备类型、卫星网络拓扑、要传输的流量类型、远程设备的数量和将来可扩展性。流量估值基于预期的并发用户数量、采用的不同技术（PDT、P-LTE、Mesh）和应用（实时语音、视频流、音频、电子邮件、文件传输、视频会议、广播）。一旦确定了流量估值，就可以使用链路预算分析来确定带宽需求。各因素包括收发天线的大小、卫星收发性能、地面站位置、BER性能要求和可用性。可能无法满足所有要求，因而需要做出权衡。下表提供了各种应用所需的数据速率的估值。



表2：应用数据速率

每个地面站的流量需求是根据所需的每种应用的数量估算的。大型地面站收发数据的能力更高，通常为流量需求更大的区域（例如本地指挥中心）服务。估算好地面站的流量需求后，就可以执行链路预算分析来确定所需的卫星带宽。

如果实际流量需求大于分配给网络的卫星带宽的容量，则可能会导致时延增加、抖动甚至数据丢失。应该考虑不同的网络部署以优化带宽的使用。例如，可以考虑将EMS、GIS服务器部署于远程站点而不是总部，这样可以减少必须通过卫星的流量。可以使用网络QoS对流量进行优先级排序，确保优先流量始终得到传输。

▏链路质量

与大多数地面回程链路相比，卫星链路环境相对不稳定。 距离太远意味着巨大的传输损耗。雨衰、大气闪烁和环境噪声意味着卫星链路的误码率（BER）低于地面链路。但是通过合理的设计可以克服这一点，包括远端站设备的选型、上行链路功率控制（UPC）、自适应调制编码（ACM）、调制、前向纠错（FEC）编码以及使用设计余量。尽管存在这些挑战，准无误码（QEF）链路仍然能够建立。

如何应对挑战

▏服务质量（QoS）

QoS对于确保不同流量类型和应用的无缝融合至关重要。 QoS算法可以由卫星通信调制解调器或连接到调制解调器的IP路由器执行。可以将不同的QoS优先级应用于各种流量类型、甚至应用在远程应用终端上，从而确保优先处理优先级最高的流量。优先级可以定义，但通常语音和实时应用的优先级最高。

▏服务等级协议（SLA）

在专线链路场景，所有卫星带宽均可供远程用户使用，并且QoS用于确定优先级。在共享带宽场景，可能有很多远程用户。 卫星通信网络设计对于每个远程用户都有关于承诺信息速率（CIR）和最大信息速率（MIR）的默认SLA。CIR和MIR可以调整，以确保需要带宽的远端站可以使用更多带宽。

▏TCP加速

TCP/IP流量并不能很好地处理时延。 如果没有优化技术，在卫星回程上，TCP/IP将被限制为大约1000kbps。TCP加速是用于提高卫星通信效率和服务质量的各种机制的总称，例如选择性否定确认（SNACK）、TCP窗口扩展和流量控制。SNACK可以识别特定的丢失或损坏的数据包，然后仅重新发送这些数据包，从而快速恢复传输并更好地利用卫星带宽。TCP加速支持窗口扩展，窗口尺寸远远超过标准TCP窗口64字节的限制。TCP拥塞避免和控制机制使用公平共享和合理缓冲区间大小的动态调整管理避免不必要的数据包重传。

▏带宽压缩

可以使用流量压缩设备来压缩TCP/IP报包头和载荷。这些技术是无损的，因此不会丢失任何数据。 带宽压缩可以大大减少流量需求。

使用卫星链路进行专网通信测试

经过实测证明卫星链路相关的典型时延和抖动不会造成呼叫建立、操作和音频质量方面的问题。

用于测试有时延的语音质量的测试平台包括以下设定和条件：

1) 星状拓扑

2) 基于TDMA方式

3) 对讲机终端位于远端站

4) 通过比较录音确定音频质量

测试1：从远端集群对讲机到另一远端集群对讲机

图2显示了此测试的设备配置和流量走向，测试在一个基站上的警用数字集群（PDT）终端与另一个基站上的PDT终端之间进行。为了方便，两个PDT终端位于同一个卫星远端站上，但是流量走向和时延却相同，模拟这两台终端分别位于各自的卫星远端站上。流量从终端1通过卫星传送到卫星关口站上的移动交换中心（MSO），然后通过卫星传回PDT终端2。流量经过四跳卫星链路。测试表明，收发终端上的音频没有明显区别。表3汇总了测试和结果。所有时延都是近似值，包括了呼叫建立以及通过调制解调器、路由器和其他设备的延迟。



图2：测试1：从远端集群终端到另一远端集群终端



表3：从远端集群终端到另一远端集群终端的测试结果汇总

测试2：从远端集群终端到本地集群终端

图3显示了测试的设备配置和数据走向，测试在一个基站的警用数字集群（PDT）终端与和MSO同侧的另一个PDT基站终端之间进行。流量从终端1通过卫星传送到总部和卫星关口站上的移动交换中心（MSO），然后传回到与MSO同侧的终端2。流量经过两跳卫星链路。测试再次表明，收发终端上的音频没有明显区别。下表汇总了测试和结果。所有时延都是近似值，包括了呼叫建立以及通过调制解调器、路由器和其他设备的延迟。



图3：测试2：从远端集群终端到本地集群终端



表4：从远端集群终端到本地集群终端的测试结果汇总

测试3：从远程常规终端到另一远程常规终端

使用常规非集群终端进行了如图2所示设置的测试。每个基站都由一个中转台代替，将PDT空口转换为IP数据包。流量从终端1传送到卫星中心站，然后通过卫星返回到终端2。流量简单地从中心站回到终端2。从终端1到终端2的时延约为700ms，包括了呼叫建立以及通过调制解调器、路由器和其他设备的延迟。音频质量没有明显下降。

卫星承载的专网组件

典型的卫星专网设置包括总部和卫星关口站，涵盖天线系统、射频发射系统、射频接收系统和卫星通信网络中心。 指控系统为远程系统所需，与卫星通信系统共址并通过LAN/WAN连接，它包括：

a) 防火墙；

b) 路由器/交换机；

c) 指控中心平台（调度、CCTV、EMS、GIS）；

d) 服务器；

e) 网络管理系统（NMS）；

f) 移动交换中心；

g) 无线基站；

h) WAN网关；以及

i) PSTN网关。

在偏远地区，由天线系统、射频发送系统、射频接收系统和调制解调器组成简化的卫星通信系统通过LAN连接到不同的专网系统，例如PDT、P-LTE、Mesh和Wi-Fi。图4显示了典型设置。



图4：卫星承载的专网系统组件

卫星终端选型

卫星远端站通常是甚小孔径终端（VSAT），天线尺寸在45cm至3.8m之间，工作频段为C、X、Ku或Ka频段。这些终端可以与星状网中配置有大口径天线的卫星关口站通信，也可以与网状网中的其他远端站通信。根据带宽、网络拓扑和环境要求，不同类型和尺寸的VSAT天线可用于不同应用。远程VSAT终端的主要类型包括 固定或便携的终端、车载静中通、动中通终端和海事终端。

图5：远程卫星通信终端的类型



图6：使用不同类型VSAT的代表性卫星通信解决方案

▏固定式终端

固定式终端天线直径通常在1.2至3.8米之间，而且顾名思义， 用于固定非移动的场景。不位于卫星关口站的区域总部通常使用较大的固定式终端，因为其性能优于便携式终端。相对于多数便携终端，固定式终端更便宜，并且通常是手动对星的。大型天线拥有更高的收发吞吐量，非常适合支持本地指挥控制中心业务（包括CCTV、EMS和GIS）。操作员可以收集和分析从其他站点接收到的音频、视频和数据，并协调向现场急救人员和士兵发出指令和调度。

▏便携式终端

便携式卫星通信终端是一种便携易于部署的终端，其典型的天线直径为0.6至2.4米。它可以手动对星或具有自动对星能力。 便携式终端轻巧、易于携带、组装迅速，在容灾场景是很好的选择。急救人员可以快速部署便携式终端，与指控中心建立通信连接。便携式终端还可以直接连接到前方指挥部，以便使用Mesh宽带连接或PDT终端对现场人员进行本地调度。

▏车载（静中通）

静中通天线系统安装在车辆上，在运输过程中处于收起状态，一旦车辆到达目的地，天线就会自动部署。静中通终端的天线通常为1.0至1.8米。 静中通终端非常适合于移动指挥，将卫星通信天线安装在车辆顶部，而基带设备、专网设备以及其他组网设备安装于车辆内部。

▏动中通

与所述的其他远端站相比， 车载动中通终端天线更小，吞吐能力较低。天线的直径通常为0.45至0.9米。动中通终端会自动捕获和跟踪卫星，并且在车辆行驶过程中能保持正常的语音、数据和视频通信。

▏海事终端

海事终端设计 用于海上各种船只。天线的直径通常为0.6至1.5米。与上文所述的动中通终端一样，海事终端会在船只航行期间自动捕获和跟踪卫星并保持通信。

小结

PDT、TETRA、LTE和Mesh等专用无线通信的组合使用，对于应急救援、消防及远程作业至关重要。通常，与指挥中心、调度中心或总部的返程通信是通过中转台或地面基站等传输链路完成。当终端距离太远超出视距范围或地面基础设施不存在或已损坏时，卫星通信可以在终端和指挥中心之间提供连接。卫星通信还可以支持由于特殊事件或自然灾害而临时增加带宽的需求。

使用LTE和Mesh进行通信，是对传统的窄带数字通信的有力补充，可连执法记录仪和无人机。宽带通信还可以共享大量数据，包括地图、建筑示意图等。

卫星通信的挑战在于对时延、抖动、带宽不足、链路质量（BER和可用性）、拥塞和远程网络的管理。这些挑战可以通过合理规划QoS、SLA、TCP加速和带宽压缩来应对。尽管由于地球与卫星之间的传输时延总是客观存在的，测试表明语音通信是可用并且是高质量的。

卫星通信可以作为主要链路为远程无线网络提供安全而强大的回程，在有额外容量需求或地面回程损坏时作为临时解决方案。在应急场景或远程作业中，卫星通信也可以是无线网络的组成部分。 卫星通信设备非常灵活，大小多种尺寸的固定式、便携式、船载、车载动中通、车载静中通等终端可作用于海事、陆地及航空等应用领域。

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