林燦堯，丁 軍

（水利部信息中心，北京 100098）

為增強(qiáng)防汛減災(zāi)能力，提高防汛指揮調(diào)度信息化水平，1994 年 11 月水利部一次性購買了亞洲二號(hào)衛(wèi)星半個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器資源，建設(shè)水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)（以下簡稱系統(tǒng)）。經(jīng)過 10 多年的發(fā)展，初步建成了一個(gè)由水利部衛(wèi)星主站和 500 多個(gè)衛(wèi)星小站組成，可實(shí)現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)、圖像傳輸?shù)姆姥葱l(wèi)星通信網(wǎng)，承擔(dān)水雨情數(shù)據(jù)采集、防汛異地會(huì)商、應(yīng)急搶險(xiǎn)、云圖和遙感數(shù)據(jù)廣播等重要防汛通信任務(wù)，在歷年的防汛抗旱、水資源管理等工作中發(fā)揮了十分重要的作用。

由于 2008 年亞洲二號(hào)衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命到期，同時(shí)系統(tǒng)容量和功能滿足不了水利新業(yè)務(wù)的需求，因此，水利部著手建設(shè)新一代水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)，將于 2010 年上半年投入運(yùn)行。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

1.1 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器選擇

衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量、工程造價(jià)和發(fā)展規(guī)模起著極其重要的作用，因此對(duì)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的選擇須格外謹(jǐn)慎和嚴(yán)格。在波段選擇方面，Ku 與 C 波段各有優(yōu)劣。Ku 波段的天線口徑小于 C 波段，相對(duì) C 波段地面電波干擾較小，但雨衰比 C 波段大；在資源選擇方面，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器應(yīng)在偏遠(yuǎn)地區(qū)有較好的 EIRP （有效全向輻射功率）和 G/T 值，對(duì)強(qiáng)降雨的地域應(yīng)有賦形設(shè)計(jì)，還應(yīng)考慮有效載荷、線性器配帶、自動(dòng)電平控制、轉(zhuǎn)發(fā)器備份、放大器備份、轉(zhuǎn)移特性、相位噪聲、在軌壽命、極化方式、在軌位置和精度等指標(biāo)，以及供星商提供完善的用戶服務(wù)體系等因素。

1.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能主要取決于主站系統(tǒng)。從業(yè)務(wù)角度看，水利衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)主要為數(shù)據(jù)、視頻和語音。語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)小站數(shù)量多，但數(shù)據(jù)量小；視頻業(yè)務(wù)小站數(shù)量少，但數(shù)據(jù)量大，帶寬占用多，而且往往需要一跳通信。從技術(shù)發(fā)展看，必須采取目前主流的 VSAT 技術(shù)，并充分考慮開放性和兼容性，有較好的抗雨衰措施。

1.3 小站要求

衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展的好壞主要看應(yīng)用，看小站的規(guī)模，水利衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器采取一次性購置 15 年使用權(quán)的方式，因此越早越多使用效益就越好。水利衛(wèi)星小站大多處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，經(jīng)濟(jì)條件較差，所以，衛(wèi)星小站必須具有價(jià)格便宜、功耗較小、安裝簡便等特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

綜合考慮水利業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，通過調(diào)研和比選，水利衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器最終采取 Ku + C 的方案，即選擇亞洲 5 號(hào) Ku 波段轉(zhuǎn)發(fā)器（22.2 MHz）和亞太 6 號(hào) C 波段轉(zhuǎn)發(fā)器（5 MHz）；衛(wèi)星系統(tǒng)采用星型/網(wǎng)狀混合組網(wǎng)的方式，其中星型網(wǎng)主要用于傳輸數(shù)據(jù)、語音業(yè)務(wù)，網(wǎng)狀網(wǎng)主要用于流域機(jī)構(gòu)、省水利廳和重點(diǎn)水利工程單位傳輸寬帶視頻實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)；衛(wèi)星通信技術(shù)采用目前流行的 DVB-S2 技術(shù)體制，選用iDirect 的產(chǎn)品。

2.1 主站結(jié)構(gòu)

主站結(jié)構(gòu)如圖1 所示。北京主站采用 Ku + C 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建有 12 m 的 C 波段自動(dòng)跟蹤衛(wèi)星天線（京郊東北旺）及射頻單元，6.1 m 的 Ku 波段帶自動(dòng)跟蹤和融雪衛(wèi)星天線（水利部機(jī)關(guān)）及射頻單元。C 波段的射頻系統(tǒng)通過 L 波段傳輸系統(tǒng)與主站相連。原水利衛(wèi)星系統(tǒng)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到 4.5 M 天線繼續(xù)運(yùn)行。語音軟交換、視頻服務(wù)、IP 數(shù)據(jù)廣播、IP 服務(wù)（ISP）等系統(tǒng)通過各自的路由設(shè)備，分別接入DVB-S2 系統(tǒng)，提供衛(wèi)星通信綜合業(yè)務(wù)服務(wù)。

圖1 主站結(jié)構(gòu)示意圖

語音軟交換系統(tǒng)通過網(wǎng)關(guān)與水利部中心交換機(jī)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星電話到公網(wǎng)和水利專網(wǎng)的互通。視頻服務(wù)系統(tǒng)分硬件設(shè)備和應(yīng)用軟件 2 個(gè)部分，在網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)視頻直播、點(diǎn)播、廣播、視頻錄制、節(jié)目制作與編排、字幕合成等。主站根據(jù)需要可同步接收小站現(xiàn)場視頻，并可存儲(chǔ)于主站視頻服務(wù)器，供用戶進(jìn)行視頻實(shí)時(shí)瀏覽或點(diǎn)播。

C 和 Ku 波段射頻單元分別配置 150 W ODU（1:1 冗余），LAN 控制口，增益控制范圍 20 dB，雜散優(yōu)于 -55 dBc，頻率調(diào)節(jié)步進(jìn) 125 kHz；L 波段光端機(jī)為 1:1 冗余配置，單模透明協(xié)議傳輸，垂直駐波比 1.6，輸入信號(hào)電平（最大）-20 dBm，輸出信號(hào)電平（最大）-20 dBm，鏈路增益 20 dB。

2.2 DVB-S2系統(tǒng)

DVB-S2 系統(tǒng)由網(wǎng)管子系統(tǒng)、衛(wèi)星上行鏈路路由器（USR）、協(xié)議處理服務(wù)器、IP 封裝機(jī)、DVB-S2 調(diào)制器、回傳突發(fā)解調(diào)器（RCS）、網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘基準(zhǔn)等設(shè)備組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。衛(wèi)星上行鏈路路由器實(shí)現(xiàn)路由功能，同時(shí)與相關(guān)設(shè)備一起為用戶的應(yīng)用服務(wù)提供加速接入服務(wù)；協(xié)議處理服務(wù)器管理和控制所有的帶寬資源及各個(gè)小站帶寬分配，將出境業(yè)務(wù)流和調(diào)度控制信息進(jìn)行合路后，由 IP 封裝機(jī)進(jìn)行封裝，變成 MPEG2 或其它格式的TS 流，DVB-S2 前向調(diào)制器將網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘基準(zhǔn) NCR 與TS 流數(shù)據(jù)“混合”并按 DVB-S2 的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制為 L 波段的前向載波；從遠(yuǎn)端站回傳到主站的入境業(yè)務(wù)，通過主站 ODU 放大變頻后的 L 波段信號(hào)送到 MFTDMA 池中，突發(fā)解調(diào)器組處理回傳載波后，送到協(xié)議處理服務(wù)器，從中提取 IP 數(shù)據(jù)包，IP 數(shù)據(jù)包通過交換機(jī)和網(wǎng)關(guān)路由器進(jìn)入用戶網(wǎng)絡(luò)。

圖2 DVB-S2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

DVB-S2 系統(tǒng)中，出境單元的調(diào)制器、IP 封裝機(jī)、入境單元的鏈路處理器為 1:1 冗余配置，回傳突發(fā)解調(diào)器共 32 路。

2.3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為星型/網(wǎng)狀混合組網(wǎng)，同時(shí)支持 Ku 波段和 C 波段，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。星型網(wǎng)主要用于數(shù)據(jù)和話音業(yè)務(wù)，采用 2 跳通信；網(wǎng)狀網(wǎng)主要用于應(yīng)急通信的視頻業(yè)務(wù)，采用一跳通信。系統(tǒng)同時(shí)工作在 2 個(gè)射頻，共用一套網(wǎng)管系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)的統(tǒng)一的管理和維護(hù)。中心站由網(wǎng)管子系統(tǒng)產(chǎn)生 Ku 和 C 出境載波，通過本地的 Ku 和 C 波段射頻系統(tǒng)同時(shí)上星，向 Ku 和 C 波段網(wǎng)絡(luò)的小站廣播信息，小站收到出境信號(hào)后，分別通過各自網(wǎng)絡(luò)的入境單元，向主站回傳信息，統(tǒng)一在主站基帶部分進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)支持 TCP 加速、HTTP 加速、VPN、VLAN、IP 數(shù)據(jù)廣播、文件廣播和組播多址方式。網(wǎng)絡(luò)初期規(guī)模（Ku + C）大于 2000 小站（含 Licence），入向信道共 32 個(gè)（含冗余），保證 32 Mbps 的吞吐量；遠(yuǎn)期網(wǎng)絡(luò)規(guī)?？蓴U(kuò)展至 5000 小站，網(wǎng)狀網(wǎng)的小站不大于 40 個(gè)。多址方式采用時(shí)分復(fù)用和時(shí)分多址（TDM/TDMA）技術(shù)，出向載波 TMD，入向載波MF-TDMA，主站、小站均具備 QoS，網(wǎng)管服務(wù)器支持 N+1 冗余配置，數(shù)據(jù)庫備份。

衛(wèi)星小站數(shù)據(jù)速率支持 128 kbps～6 Mbps，入向信道采用 MF-TDMA，內(nèi)置 TCP、HTTP 加速、自動(dòng)端到端上行功率控制、先進(jìn)的 QoS、業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)機(jī)制、小站睡眠等功能。支持 TCP、UDP、ACL、ICMP、IGMP、RIP V2、BGP、靜態(tài)路由、NAT、DHCP、cRTP 和 GRE 等協(xié)議。衛(wèi)星接口：發(fā)射中頻接口（Tx IF）：F 頭，950～1700 MHz，接收中頻接口（Rx IF）：F 頭，950～2150 MHz；數(shù)據(jù)接口：RJ45，10/100 以太網(wǎng)，802.1q VLAN；控制接口： RJ45 或 RS-232；調(diào)制方式：解調(diào) QPSK、8PSK、16APSK，調(diào)制 BPSK，QPSK，8PSK。小站的基本配置為天線、ODU 和 IDU（在相鄰層接口間傳送的數(shù)據(jù)單元），可以完成數(shù)據(jù)傳輸，如局域網(wǎng)互聯(lián)，廣播數(shù)據(jù)接收，Internet 接入等，加配語音設(shè)備和視頻編解碼器即可進(jìn)行語音和視頻通信。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 DVB-S2 技術(shù)

DVB-S2 技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下3 點(diǎn)：（1）提供高階調(diào)制方式；（2）采用 BCH （循環(huán)碼）和 LDPC（低密度校驗(yàn)碼）碼級(jí)聯(lián)的信道編碼方式[1]；（3）自適應(yīng)的編碼和調(diào)制（ACM）技術(shù)。DVB-S2 支持 QPSK、8PSK、16APSK、32APSK 等多種調(diào)制方式。FEC 采用內(nèi)碼為 LDPC 碼、外碼為 BCH碼的級(jí)聯(lián)碼結(jié)構(gòu)。BCH 作為外碼可以獲得近 0.15 dB 左右的編碼增益，不同碼長的 BCH 和 LDPC 碼組合，得到了各種編碼碼率。與 RS+ 卷積級(jí)聯(lián)碼相比，在相同的信噪比（C/N）下，傳輸容量提高了35 %。ACM 針對(duì)每個(gè)接收數(shù)據(jù)幀信道的實(shí)測情況，可動(dòng)態(tài)調(diào)整每個(gè)數(shù)據(jù)幀編碼速率與調(diào)制方式。這種方式可在不同的接收環(huán)境（晴天、陰天及雷雨）提供不同的編碼碼率和調(diào)制方式，使接收終端接收到最理想最可靠的信號(hào)。

3.2 軟件無線電技術(shù) [2]

軟件無線電是將標(biāo)準(zhǔn)的硬件功能單元通過高速總線直接形成一個(gè)通用的數(shù)字式硬件平臺(tái)，再通過軟件加載的方式來實(shí)現(xiàn)各種類型無線通信系統(tǒng)的開放體系結(jié)構(gòu)。在雙向 DVB-S2 系統(tǒng)中，主站回傳信道（RCS）解調(diào)設(shè)備，傳統(tǒng)的做法是用硬件完成的，每路配備 1 個(gè)滿足系統(tǒng)最大帶寬解調(diào)板或硬件單元，在系統(tǒng)采購和配置時(shí)，解調(diào)設(shè)備的速率和路數(shù)是預(yù)分配好的。但在實(shí)際應(yīng)用中，RCS 的通道數(shù)和速率（帶寬）是按需求變化的，為了滿足其變化的要求，通常需配置多路 RCS 硬件設(shè)備。利用軟件無線電技術(shù)，通過對(duì)回傳信號(hào)數(shù)字變換與濾波，比特流編碼等軟件處理，使用戶可以按其需求分配相應(yīng)的路數(shù)和解調(diào)速率（帶寬）。比如 1 塊吞吐率有8 Mbps 的解調(diào)板，可以分配成 64 路 64 kbps 的RCS、2 路 1 Mbps 的 RCS 和 1 路 2 Mbps 的 RCS。優(yōu)化了設(shè)備配置，應(yīng)用更加靈活，降低了設(shè)備成本，減少了占用空間和電源損耗，便于用戶管理。

3.3 載波疊加技術(shù)

衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資源相對(duì)其它通道而言，成本比較昂貴。載波疊加技術(shù)允許在轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬的同一部分疊加 2 個(gè)載波，使系統(tǒng)的通信吞吐量加倍，提高衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器利用率。一般 2 個(gè)信號(hào)互相疊加的結(jié)果會(huì)使接收信號(hào)失真，互相串?dāng)_，在高碼率傳送之下用傳統(tǒng)的濾波電路無法把 2 個(gè)疊加的調(diào)制載波信號(hào)分離出來。載波疊加技術(shù)可以通過對(duì)同步信號(hào)的相位控制、信噪比（S/N）的門限控制、數(shù)字延時(shí)均衡技術(shù)和軟件控制，來實(shí)現(xiàn) 2 個(gè)調(diào)制載波信號(hào)的分離。

3.4 抗 Ku 波段雨衰技術(shù)

由于水利防汛工作的特需要求，防汛通信衛(wèi)星網(wǎng)必須保證在降雨條件下可靠工作，所以在防汛通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和建設(shè)中考慮了降雨造成衰落的防護(hù)措施。比如采用自適應(yīng)編碼及調(diào)制（ACM）技術(shù)，中心站配有上行功率控制器（AUPC），小站具備 AUPC 和自動(dòng)補(bǔ)發(fā)功能等。

4 新系統(tǒng)優(yōu)勢

相對(duì)于原水利衛(wèi)星系統(tǒng)，新一代系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

（1）新一代水利衛(wèi)星資源采用的亞洲 5 號(hào)與原亞洲 2 號(hào)衛(wèi)星比較，EIRP 值和 G/T 值在邊緣地區(qū)均提高近 16 倍，在全國各地覆蓋的均勻性方面也有了很大提高，為系統(tǒng)的規(guī)模化奠定了基礎(chǔ)。

（2）為了減少雨衰的影響，采用了 C 波段與 Ku 波段混合組網(wǎng)方式，增加了鏈路余量、上行鏈路自適應(yīng)功率控制、信道自適應(yīng)編碼與調(diào)制技術(shù)、合適口徑的天線、高增益的優(yōu)質(zhì) LNB（高頻頭）；在應(yīng)用中采用自動(dòng)重發(fā)數(shù)據(jù)、小站因雨衰出現(xiàn)中斷自動(dòng)重起等技術(shù)，使雨衰的影響最小化。

（3）新系統(tǒng)可提供豐富用戶業(yè)務(wù)支持。從軟交換語音、數(shù)據(jù)采集和傳輸、視頻服務(wù)的終端業(yè)務(wù)到網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)與接入業(yè)務(wù)，從 64 kbps 到 4 Mbps 的帶寬連續(xù)可調(diào)等，新系統(tǒng)均能滿足。

（4）新系統(tǒng)采用星/網(wǎng)混合組網(wǎng)，為水利衛(wèi)星小站規(guī)模建設(shè)、應(yīng)急視頻通信帶寬有效利用，以及常規(guī)通信與應(yīng)急通信的統(tǒng)一管理提供技術(shù)保證。

（5）新系統(tǒng)采用 DVB-S2 通信體制，大大提高了衛(wèi)星頻譜利用率，有效增強(qiáng)了衛(wèi)星信號(hào)傳輸能力，降低了信道傳輸門限，提高了系統(tǒng)的效率和可用度。

（6）新系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層采用 TCP/IP，不僅便于用戶應(yīng)用系統(tǒng)的接入，還便于與水利專網(wǎng)、其他網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通和網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展。

（7）新系統(tǒng)小站價(jià)格大幅降低，不到 10 年前小站價(jià)格的 1/10，而且性能有了很大提高，安裝更加簡便，有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展。

[1]袁東風(fēng)，張海剛. LDPC 碼理論與應(yīng)用[M]. 北京：人民郵電出版社，2008.

[2]鈕心忻，楊義先. 軟件無線電技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京：北京郵電大學(xué)出版社，2001.