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      衛星便攜終端與突發應急通信
      来源:四川省公安厅,北京中安卫通科技   作者:冯大健,李 菲,曲克   添加时间:2018-12-14 14:54
      本文主要分析了突發應急事件對通信系統的實際需求,以及目前已有通信手段存在的問題。提出一種適合突發應急通信使用的衛星通信便攜終端系統。旨在促進衛星通信系統在實際處突工作中的應用
        1 引言
       
        衛星應急通信在保障國家和人民生命財産安全、保障社會穩定等方面具有重大的意義。快速高效的響應各種突發狀況,是衛星應急通信的一個非常重要的應用。災情發生時,所有的地面設施嚴重損壞,通信設施遭到破壞,不能及時與外界取得聯系。衛星應急通信系統由于其網絡搭建快、機動靈活、響應速度快、不受外界環境的幹擾,成爲各種應急通信手段中的首選系統。它可以實時的反映現場的災情,及時的與外界取得聯系,把災情傳送到中央,接受總部的指揮調度。衛星不受任何地理、氣候等各種自然條件的影響通過語音、數據、視頻等手段與總部取得聯系,爲及時解決災情,把破壞性降到最低作出了無可取代的貢獻。
       
        2 突发事件对应急通信系统的挑战
       
        突发事件有以下特点:事件类型缺乏稳定性, 任何一种突发性事件都有可能发生;无法准确预测事件发生的具体时间和具体地点;无法确定事件发生所在地的交通,地形与气候状况等因素;无法预知突发事件产生的影响程度,地面通信网络的毁坏程度和对应急通信带宽的要求。
       
        上面這些特點決定了傳統的通信手段很難滿足突發事件處置的要求。以汶川地震爲例,從震區向外播出的第一個電話已經是地震發生114小時之後,但公認的搶救生命的黃金時間是72小時。地震發生後震中地區所有地面通信網絡全部毀壞。非震中的成都由于公共通信嚴重堵塞,事發後2小時內移動電話很難撥通。
       
        为了保证应急通信系统对突发性事件的适应性要求。卫星系统及其设备对使用环境要有很强的适应能力,无论在哪种气候条件和地理环境中都可以畅通使用;必须便于携带且具有可移动的特性, 在发生紧急事件时,可快速到达现场;具有一定的自续航工作能力,可以不依靠外部供电连续工作一段时间;不依靠专业技术人员就能快速地与指挥中心进行通信联络;需要具备一定的扩展性,以方便在应急事件处置中灵活接入各种外围设备。
       
        3 卫星便携终端
       
        爲了解決衛星通信在突發事件處置中所面臨的各種問題,設計一款一體化的衛星便攜式終端無疑是最合適的解決方法。
       
        3.1 卫星便携终端的功能性需求
       
        從應急事件處置的功能性角度來看,可以將衛星通信的應用分爲三種方式:語音通信;寬帶綜合接入;音視頻同步直播。
       
        (1)語音通信。突發事件特別是地質或天氣災害類的突發事件,需要快速建立穩定可靠的語音通信鏈路,這對第一時間整理彙報災害成度和獲取外部的救助至關重要。應急事件處置中的語音通信又分爲集群通信和對外長距離話音通信兩類。集群通信主要用于應急事件處理中現場人員之間的聯系,各個部門之間的工作協調。對外長距離話音主要用于對外的聯絡。寬帶綜合接入。
       
        (2)宽带综合接入。卫星网络只解决了远程通信通道问题,在突发事件现场一方面还需要通过 MESH,图传等手段完成以卫星便携站为中心的区域通信覆盖,另外一方面也需要接入面向具体应用的各种设备,器材。比如各种数据采集设备,传感器等等。而这些设备都需要大带宽的传输支撑。
       
        (1)高清视频同步直播。从历史经验来看, 突发事件现场与后方指挥部之间进行音视频同步直播是极其重要的应急通信应用。后方指挥部需要第一时间获悉现场详实、准确、全面的第一手资料,前方现场也需要实时接收后方指挥部发出的各种命令。同时,视频质量越高越有利于现场资料的收集,但由于卫星带宽资源有限,网络稳定性和可靠性等问题制约,高清视频在卫星通信领域应用并不广泛。
       
        随着新一代视频编码标准H. 265/ HEVC的发布,高清视频直播在卫星通信领域的应用越来越多。相对于上一代H . 264 标准,H . 265标准编码对带宽占用大约减少40% 。以常见的7 20P和1080 P 分辨率为例,使用H.265编码之后码率可以控制在512kb/s和1Mb/s左右,完全具备通过卫星链路传输的条件。同时,针对卫星链路的特点,可以在算法实现上做进一步的优化,比如运动估计,帧内预测等技术,进一步满足卫星通信传输的需要。
       
        从应急事件处置的时效角度来看,可分为前、中、后三个阶段。同样以地震灾害为例,将黄金72 小时划分为0 ~24小时,24 ~ 48小时,48 ~72小时三个阶段,每个阶段的通信需求是不一样的。
       
        (1)0 ~24小时。这个阶段基础设施被摧毁,缺少电力,交通瘫痪。这就要求卫星便携设备可以人力背负到达现场且必须通过电池供电方式工作,到达现场后通过卫星链路建立起可靠的语音通信链路,将前方现场与后方指挥部联系在一起。
       
        (2)24 ~ 48小时。这个阶段基础设施得到部分恢复,临时发电车到位,道路抢险保证了部分道路可以通车,救援队伍到达现场,救援全面展开。此时要求卫星便携设备可以在突发事件现场建立覆盖广泛的集群语音通信网络,多点的音视频同步采集节点和前方指挥部与后方指挥部之间的双向高清视频直播通道。
       
        (3)48 ~72小时。这个阶段主要道路被打通, 部分电力网络恢复,电力紧张环境。地面公网通信部分恢复,已可以保证窄带语音通信的可靠稳定。但宽带通信仍旧不能满足。前方大型救灾机械,灾
       
        民安置,醫療,災情統計與發布等寬帶應用大量投入使用。此時對衛星便攜設備的主要要求轉變爲靈活的外部設備接入和大帶寬的數據傳輸能力。
       
        3.2 卫星通信便携终端的实现
       
        爲了解決突發事件處置遇到的種種問題,從實際出發有機結合衛星通信手段與傳統通信手段。構建一款集成式的衛星通信便攜終端就顯得尤爲必要了。
       
        
       
        从实际应用出发,卫星通信便携终端应内置以下模块:通用处理器模块、显示器、以太网交换模块、音视频编解码模块、M ESH自组网模块、卫星调制解调器模块和锂电池模块。
       
        
       
        通用处理器模块主要用于整个终端的管理和图形化界面显示。采用AR M架构多核CPU,使用Linux操作系统。AR M架构CPU配合Linux操作系统的优势在于低功耗,非常适合突发应急环境下脱离市电长时间工作的需要。同时Li nux操作系统也是当下主流的操作系统,能够保证各种常用应用软件的兼容性。
       
        顯示器模塊以15寸的LCD液晶顯示面板爲核心,集成攝像頭和麥克風方便本地音視頻的采集。爲了保證戶外強光條件下的使用,最大顯示亮度需要在500尼特以上。
       
        以太網交換模塊是整個便攜終端內各個模塊的互聯核心,各模塊之間的數據交互均通過以太網完成。
       
        音視頻編解碼模塊主要用于將本地采集到的音視頻信號進行H.265編碼以節省傳輸時占用的衛星帶寬。同時還負責將遠端主站經衛星傳輸過來的H.265音視頻流進行解碼並通過本地顯示器輸出。
       
        MESH自組網模塊主要用于建立以便攜終端爲中心覆蓋半徑2公裏的無線數據傳輸網絡。MESH自組網有著不需配置直接使用,站點故障自動切換備份傳輸路徑,中繼傳輸提高傳輸距離等優點,非常適宜作爲應急衛星通信中的局域無線網傳輸設備。
       
        衛星調制解調器模塊主要負責將經交換機會聚的基于IP的數據包編碼調制後通過衛星傳輸給遠端主站,同時將遠端主站經衛星發送過來的數據解調解碼後恢複成IP數據包,通過交換機轉發給指定的設備。
       
        4 卫星便携终端在突发事件中的应用
       
        突發應急事件一旦發生,需要在最短的時間在事發現場搭建起整套衛星通信系統。突發事件時間地點的隨機性就決定了到達事發地點需要依靠車輛或飛機長途運輸。衛星便攜終端采用一體化集成式設計,兩個中型安全箱就可以裝下整套設備(一個天線箱和一個終端箱)。提供防塵防水保護的同時,非常便于運輸和搬運。完全可以放置在普通汽車的後備箱中長途運輸。一旦因爲道路中斷導致車輛無法前行時,只需要兩個人就可以背負全套設備繼續前行至事發地點。
       
        
       
        到達事發地點後,只需要將自動對星的衛星天線拼裝好。將射頻電纜和電源線連接到衛星便攜終端上並完成一鍵自動對星,所有安裝工作就全部完成了。有經驗的工作人員可以在5分鍾之內完成整套衛星便攜站的安裝工作。
       
        由于整個便攜終端內置的各個功能模塊都通過交換機連接到了調制解調器上,所以整個便攜終端的所有配置工作均可以通過衛星鏈路由遠端主站的網管系統自動完成,不需要現場的工作人員參與。既大大降低了對現場工作人員的專業衛星通信知識要求,也進一步提高整個衛星便攜站的搭建速度,真正做到快速、簡單、易用的特點。
       
        由于便攜終端內置大容量锂電池,可以不依靠外部電源就保證整套衛星通信系統的長時間穩定工作,大大拓寬了整套衛星應急通信系統的適用性。
       
        在事发现场,摄像机和摄像头的音视频信号可以通过HDMI/SDI接口直接接入H.265编解码器, 经编码压缩后通过卫星链路传输给主站。也可以通过MESH或图传设备远程采集音视频。经MESH 或图传传输的远程音视频仍旧需要进入H.265编解码器进行编码,压缩码率后再经卫星信道传输以节省卫星带宽。
       
        IP電話或具有IP電話功能的手機可分別通過網口或WIFI與衛星便攜終端相連,由衛星便攜終端內置的軟件IP電話網關進行統一管理。可經由衛星鏈路與主站的IP電話系統對接,做到在一路衛星鏈路上承載多路IP電話業務的目標,爲突發事故現場提供集群IP電話服務。
       
        5 结束语
       
        本文在分析了突發應急事件對衛星通信系統需求的基礎上,對如何構建一種適合應急通信使用的衛星便攜終端進行了重點分析。作者認爲隨著相關技術的發展和配套産品的成熟,便攜衛星通信終端必將會在應急通信領域獲得長足的發展,並以此促進突發事件處理水平的不斷提高。
       
        參考文獻
       
        [1]贲海夏.H.265在衛星動中通圖像傳輸中的應用.數字通信世界,2014.
       
        [2]楊國峰.關于應急通信工作中衛星應用的現狀與展望.信息系統工程,2015(6).

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