+ 戴晴 國(guó)家氣象信息中心

氣象部門衛(wèi)星應(yīng)急通信系統(tǒng)中網(wǎng)狀網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展前景研究

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本文對(duì)中國(guó)氣象局衛(wèi)星應(yīng)急通信系統(tǒng)目前采用的星狀網(wǎng)組網(wǎng)方式現(xiàn)狀進(jìn)行分析，根據(jù)省和地市級(jí)移動(dòng)應(yīng)急車與省級(jí)地面站之間進(jìn)行直連通信的需求，提出網(wǎng)狀網(wǎng)組網(wǎng)方式在中國(guó)氣象局衛(wèi)星應(yīng)急通信系統(tǒng)中可能存在的發(fā)展方向，并開展網(wǎng)狀網(wǎng)通信試驗(yàn)，驗(yàn)證其鏈路性能的可用性，為網(wǎng)狀網(wǎng)未來在氣象部門衛(wèi)星應(yīng)急通信系統(tǒng)中的提供一定的參考和指導(dǎo)。

網(wǎng)狀網(wǎng)、衛(wèi)星應(yīng)急通信、氣象部門

1 概述

中國(guó)氣象局衛(wèi)星應(yīng)急通信系統(tǒng)始建于2006年，2007年至09年期間恰逢南方冰凍雨雪、汶川大地震、玉樹大地震、北京奧運(yùn)會(huì)等突發(fā)事件或重大活動(dòng)發(fā)生，氣象部門衛(wèi)星應(yīng)急通信系統(tǒng)進(jìn)入了高速發(fā)展期。各省氣象部門相繼建設(shè)了自己的衛(wèi)星應(yīng)急通信車，并發(fā)展到部分地市氣象局。在建設(shè)初期，系統(tǒng)采用星狀網(wǎng)組網(wǎng)方式，以位于北京的國(guó)家氣象信息中心作為主站，各小站均選擇了ComtechEFData的CDM570L作為調(diào)制解調(diào)器，采用SCPC通信方式。

隨著2013年中國(guó)氣象局引入了ComtechEFData公司的Vipersat系統(tǒng)，具備網(wǎng)狀網(wǎng)組網(wǎng)能力，為氣象應(yīng)急通信系統(tǒng)的組網(wǎng)方式帶來了更多的選擇。本文作者對(duì)星狀網(wǎng)與網(wǎng)狀網(wǎng)通信技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析，并利用氣象部門衛(wèi)星應(yīng)急通信系統(tǒng)的現(xiàn)有環(huán)境進(jìn)行了網(wǎng)狀網(wǎng)通信的試驗(yàn)，驗(yàn)證了網(wǎng)狀網(wǎng)通信的鏈路性能及可用性，以期為網(wǎng)狀網(wǎng)未來在氣象部門衛(wèi)星應(yīng)急通信中的應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)。

2 星狀網(wǎng)與網(wǎng)狀網(wǎng)

2.1 星狀網(wǎng)與網(wǎng)狀網(wǎng)的基本概念

星狀網(wǎng)系統(tǒng)由衛(wèi)星通信主站和多個(gè)遠(yuǎn)端站組成，所有遠(yuǎn)端站能夠且只能夠與主站建立一跳衛(wèi)星傳輸鏈路。網(wǎng)狀網(wǎng)系統(tǒng)由一個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)管站和多個(gè)固定/移動(dòng)衛(wèi)星遠(yuǎn)端站構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)站點(diǎn)之間可以進(jìn)行直接通信。

星狀網(wǎng)與網(wǎng)狀網(wǎng)通信方式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示：

2.2 星狀網(wǎng)與網(wǎng)狀網(wǎng)對(duì)比

在星狀網(wǎng)系統(tǒng)中，系統(tǒng)的主要通信功能和設(shè)備集中在主站，遠(yuǎn)端站技術(shù)復(fù)雜度較低，設(shè)備種類簡(jiǎn)單，技術(shù)指標(biāo)要求不高，建設(shè)成本低。但是星狀網(wǎng)中遠(yuǎn)端站之間的通信必須通過主站中轉(zhuǎn)，即兩次上星才能實(shí)現(xiàn)，需要占用的衛(wèi)星帶寬和通信延遲均增加一倍，不適用于系統(tǒng)內(nèi)的小站之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?chǎng)合。

在網(wǎng)狀網(wǎng)系統(tǒng)中，遠(yuǎn)端站在系統(tǒng)建設(shè)方面相對(duì)較為復(fù)雜，不僅需要配備額外接收設(shè)備，在同等信息速率要求下，對(duì)遠(yuǎn)端站的功放功率和天線口徑要求也較高。但是網(wǎng)狀網(wǎng)中任意遠(yuǎn)端站之間可以通過衛(wèi)星一跳直接進(jìn)行通信，同比星狀網(wǎng)情況下衛(wèi)星帶寬及通信延遲均減少一半。兩種組網(wǎng)方式技術(shù)對(duì)比結(jié)果如表1中所示：

表1 星狀網(wǎng)/網(wǎng)狀網(wǎng)組網(wǎng)方式技術(shù)對(duì)比表

圖1 星狀網(wǎng)與網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)錂C(jī)構(gòu)

2.3 氣象部門衛(wèi)星應(yīng)急通信的組網(wǎng)現(xiàn)狀及不足

目前，氣象部門衛(wèi)星應(yīng)急通信系統(tǒng)采用星狀網(wǎng)組網(wǎng)方式，主站位于北京國(guó)家氣象信息中心，小站包括省和地市級(jí)氣象部門應(yīng)急移動(dòng)車等，小站的衛(wèi)星信號(hào)在北京落地后，通過北京至各省的地面氣象寬帶網(wǎng)傳輸?shù)礁魇『偷厥?。同時(shí)在各省級(jí)氣象局也建設(shè)了衛(wèi)星地面站（圖中紅色圓圈所示），但是在星狀網(wǎng)組網(wǎng)方式中，省級(jí)地面站日常不承擔(dān)業(yè)務(wù)，只起到對(duì)地面寬帶網(wǎng)的備份作用。具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示：

這種組網(wǎng)方式在建設(shè)初期可以滿足各省衛(wèi)星應(yīng)急通信的發(fā)展，將建設(shè)的復(fù)雜度都集中在主站，但隨著省內(nèi)特別是地市級(jí)應(yīng)急車的發(fā)展以及省級(jí)衛(wèi)星地面站的建設(shè)，現(xiàn)有的單一的星狀網(wǎng)組網(wǎng)方式也存在一些不足，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

圖2 氣象部門衛(wèi)星應(yīng)急通信系統(tǒng)組網(wǎng)方式

地市級(jí)應(yīng)急業(yè)務(wù)也需要占用國(guó)家－省級(jí)地面寬帶網(wǎng)資源

省級(jí)衛(wèi)星地面站日常無法發(fā)揮作用，省局無法對(duì)地市級(jí)提供服務(wù)

小站之間的數(shù)據(jù)傳輸必須在衛(wèi)星上經(jīng)過兩跳完成，延遲較大。

目前已有部分省局自行租用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器在本省建立省級(jí)衛(wèi)星主站，以實(shí)現(xiàn)本省車站之間的直接通信和管理。但是這種方式也存在一定的問題：一是各省單獨(dú)租用租費(fèi)較高；二是在國(guó)家中心與多個(gè)省份分別單獨(dú)租用造成資源浪費(fèi)；三是分設(shè)多主站不利于全國(guó)氣象部門衛(wèi)星應(yīng)急通信系統(tǒng)的統(tǒng)一建設(shè)管理。

若現(xiàn)有衛(wèi)星應(yīng)急通信系統(tǒng)能夠支持省級(jí)站與省級(jí)應(yīng)急車之間的網(wǎng)狀網(wǎng)業(yè)務(wù)需求，則可由國(guó)家級(jí)統(tǒng)一提供衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資源，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星資源的有效整合，實(shí)現(xiàn)全國(guó)氣象應(yīng)急資源的統(tǒng)一調(diào)度與管控。

因此目前迫切需要開展網(wǎng)狀網(wǎng)通信試驗(yàn)和通信的鏈路性能分析，為今后衛(wèi)星應(yīng)急通信網(wǎng)狀網(wǎng)組網(wǎng)方式提供必要的測(cè)試數(shù)據(jù)支撐。

圖3 星狀網(wǎng)與網(wǎng)狀網(wǎng)對(duì)比測(cè)試系統(tǒng)框圖

圖4 星狀網(wǎng)組網(wǎng)數(shù)據(jù)流程圖

3 氣象部門衛(wèi)星應(yīng)急通信中的星狀網(wǎng)與網(wǎng)狀網(wǎng)對(duì)比測(cè)試方案

3.1 測(cè)試環(huán)境

筆者在現(xiàn)有氣象部門衛(wèi)星應(yīng)急通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了星狀網(wǎng)與網(wǎng)狀網(wǎng)的對(duì)比測(cè)試方案，并利用國(guó)家氣象信息中心已建的Vipersat主站系統(tǒng)、省內(nèi)衛(wèi)星地面站和應(yīng)急車搭建星狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)通信測(cè)試環(huán)境。測(cè)試環(huán)境總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中紅色鏈路為星狀網(wǎng)傳輸鏈路，綠色鏈路為網(wǎng)狀網(wǎng)傳輸鏈路。在網(wǎng)狀網(wǎng)通信時(shí)，需在小站啟用網(wǎng)狀網(wǎng)解調(diào)設(shè)備（圖3中紫色部分）。

3.2 路由方案設(shè)計(jì)

圖5 網(wǎng)狀網(wǎng)組網(wǎng)數(shù)據(jù)流程圖

本系統(tǒng)主站位于國(guó)家氣象信息中心，與各省氣象局均通過地面寬帶網(wǎng)連接，通過BGP方式在國(guó)家局寬帶網(wǎng)路由器、省局寬帶網(wǎng)路由器和Vipersat主站路由器三者之間形成鄰居路由關(guān)系，并利用Vipersat系統(tǒng)基于Tos（Type of Service）標(biāo)記自動(dòng)觸發(fā)衛(wèi)星鏈路的功能，使衛(wèi)星鏈路建立自動(dòng)化。

當(dāng)省應(yīng)急車與省局地面站之間需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，在星狀網(wǎng)方式下，需要通過BGP在全網(wǎng)內(nèi)宣告到達(dá)應(yīng)急車小站的路由，其下一跳指向國(guó)家局主站路由器；在網(wǎng)狀網(wǎng)方式下，需要在省寬帶網(wǎng)路由器上修改一條靜態(tài)路由，將指向應(yīng)急車小站的下一跳指向省局衛(wèi)星地面站，并使其路由優(yōu)先級(jí)高于BGP鄰居路由。

經(jīng)過上述配置，應(yīng)急車與省局地面站在Vipersat主站的控制下分別形成星狀網(wǎng)/網(wǎng)狀網(wǎng)通信，同時(shí)利用Vipersat系統(tǒng)的SHOD能力，Vipersat主站始終保持與兩個(gè)小站之間的信令通信，并在主站自動(dòng)生成過濾路由，避免出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)路。

3.3 測(cè)試方案及測(cè)試結(jié)果

在測(cè)試環(huán)境的基礎(chǔ)上，分別在星/網(wǎng)狀網(wǎng)兩種組網(wǎng)方式下對(duì)移動(dòng)應(yīng)急車與省級(jí)地面站之間的路由傳輸方案、鏈路傳輸延時(shí)以及通過UDP和FTP方式進(jìn)行的鏈路數(shù)據(jù)傳輸性能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試方案如表2所示：

3.3.1 路由傳輸方案結(jié)果

星狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)的路由追蹤結(jié)果分別如表2和表3所示：

表2 測(cè)試方案

表3 星狀網(wǎng)組網(wǎng)方式下路由追蹤節(jié)點(diǎn)表

3.3.2 鏈路傳輸延時(shí)結(jié)果

圖6和圖7中的星狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)系統(tǒng)傳輸延遲結(jié)果如表5所示：

圖6 星狀網(wǎng)路由追蹤結(jié)果

圖7 網(wǎng)狀網(wǎng)路由追蹤結(jié)果

表4 網(wǎng)狀網(wǎng)組網(wǎng)方式下路由追蹤節(jié)點(diǎn)表

表5 傳輸延時(shí)測(cè)試結(jié)果表

圖8 星狀網(wǎng)系統(tǒng)傳輸延時(shí)測(cè)試結(jié)果

圖9 網(wǎng)狀網(wǎng)系統(tǒng)傳輸延時(shí)測(cè)試結(jié)果

3.3.3 鏈路傳輸性能結(jié)果

UDP數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試

采用8PSK調(diào)制方式和3/4FEC rate，分別在星/網(wǎng)狀網(wǎng)組網(wǎng)方式下建立2Mbps衛(wèi)星鏈路進(jìn)行UDP傳輸測(cè)試，分別獲得了實(shí)際傳輸速率、傳輸鏈路抖動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)視情況。UDP發(fā)包鏈路傳輸測(cè)試結(jié)果如下圖表所示：

FTP數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試結(jié)果：

圖10 星狀網(wǎng)UDP數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試結(jié)果

在星狀網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)方式下，用相同文件進(jìn)行FTP數(shù)據(jù)下載傳輸測(cè)試結(jié)果如下圖表所示：

4 星狀網(wǎng)與網(wǎng)狀網(wǎng)鏈路性能對(duì)比分析

圖11 網(wǎng)狀網(wǎng)UDP數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試結(jié)果

4.1 路由傳輸方案

試驗(yàn)結(jié)果表明，星狀網(wǎng)的傳輸流程為數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星一跳上星，落地主站后通過地面寬帶網(wǎng)傳輸至地面站，即“衛(wèi)星一跳+地面寬帶網(wǎng)”模式，傳輸鏈路共經(jīng)由8個(gè)路由節(jié)點(diǎn)。而網(wǎng)狀網(wǎng)的傳輸流程為數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星一跳上星后直接落地到達(dá)遠(yuǎn)端地面站，即“衛(wèi)星一跳”直達(dá)模式，傳輸鏈路共經(jīng)由3個(gè)節(jié)點(diǎn)。在鏈路復(fù)雜性方面，網(wǎng)狀網(wǎng)傳輸鏈路更為簡(jiǎn)單，不依賴地面鏈路，而星狀網(wǎng)需要經(jīng)由多個(gè)節(jié)點(diǎn)的路由器和防火墻等設(shè)備，傳輸環(huán)節(jié)較多，路由相對(duì)復(fù)雜。

圖12 星狀網(wǎng)FTP數(shù)據(jù)下載傳輸測(cè)試傳輸速率結(jié)果

表6 星狀網(wǎng)/網(wǎng)狀網(wǎng)UDP數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖13 星狀網(wǎng)FTP數(shù)據(jù)下載傳輸測(cè)試PRTG流量監(jiān)控圖

4.2 鏈路傳輸延時(shí)

在地面站和應(yīng)急車之間進(jìn)行衛(wèi)星通信時(shí)，無論采用星狀網(wǎng)還是網(wǎng)狀網(wǎng)，在衛(wèi)星鏈路方面均只需一次上星，且星狀網(wǎng)下需經(jīng)過的地面寬帶網(wǎng)傳輸延遲極低，相比衛(wèi)星鏈路而言基本可以忽略不計(jì)，因此兩種組網(wǎng)方式下鏈路傳輸延時(shí)均在500ms左右。

表6 星狀網(wǎng)/網(wǎng)狀網(wǎng)UDP數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖14 網(wǎng)狀網(wǎng)FTP數(shù)據(jù)下載鏈路傳輸速率圖

圖15 網(wǎng)狀網(wǎng)FTP數(shù)據(jù)下載鏈路傳輸PRTG流量監(jiān)控圖

4.3 鏈路傳輸性能

在UDP數(shù)據(jù)發(fā)包傳輸測(cè)試中，星/狀網(wǎng)組網(wǎng)兩種方式下UDP傳輸平均速率均可達(dá)到信道帶寬的88.7%左右；在FTP數(shù)據(jù)下載傳輸測(cè)試中，星/狀網(wǎng)兩種組網(wǎng)方式下FTP下載平均速率均可達(dá)到信道帶寬的65%左右。測(cè)試結(jié)果說明星/狀網(wǎng)兩種組網(wǎng)方式下的鏈路傳輸速率和抖動(dòng)情況基本相同，傳輸能力無顯著差別。

5 總結(jié)

經(jīng)過上述測(cè)試分析，星狀網(wǎng)與網(wǎng)狀網(wǎng)組網(wǎng)方式下的傳輸試驗(yàn)、鏈路抖動(dòng)等性能基本一致。經(jīng)試驗(yàn)，現(xiàn)有氣象應(yīng)急通信系統(tǒng)可為省級(jí)應(yīng)急車和衛(wèi)星地面站之間建立不低于2Mbps速率的網(wǎng)狀網(wǎng)衛(wèi)星鏈路，具備網(wǎng)狀網(wǎng)業(yè)務(wù)傳輸?shù)幕灸芰?，是氣象衛(wèi)星應(yīng)急通信業(yè)務(wù)未來的發(fā)展方向。筆者在本文中對(duì)星狀網(wǎng)與網(wǎng)狀網(wǎng)的性能進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了網(wǎng)狀網(wǎng)組網(wǎng)方式的可行性，望能對(duì)今后氣象部門及類似系統(tǒng)的衛(wèi)星網(wǎng)狀網(wǎng)業(yè)務(wù)開展提供些許借鑒價(jià)值。