基于车载_动中通_的应急通信平台.doc

基于车载“动中通”的应急通信平台王毅 刘珣珣(南京邮电大学南京210003)摘 要 本文介绍了车载移动通信系统在GSM应急通信中的应用，描述了该系统的通信体制、业务功能，并对IDR/IBS技术进行了描述。关键词 车载式 动中通 应急通信平台 目前，应用GSM进行的应急通信，不能满足条件特别恶劣地区的通信需求，特别是在基站覆盖不足的地区，并且在灾难来临时，不少基站被摧毁或中断传输而失去了通信能力的情况下，移动台所发出的信息就不能通过基站连接到MSC，或者是仅存的基站超负荷运转，造成拥塞和掉话的现象。 为了解决这些突发情况下可能出现的问题，我们与其他公司合作，研发了一套基于车载“动中通”的应急通信平台，将车载卫星移动通信系统与移动基站应急通信车相结合，通过在载车上安装一套GSM移动基站和一套Ku频段同步卫星“动中通”系统，一方面利用移动通信大众化的优点，另一方面利用卫星移动通信系统全地形全天候传输的优点，两者结合，可以实现GSM移动应急通信车在行驶中全天候的接入MSC，满足利用GSM进行应急通信的需求。1系统构成1.1系统构成框图 本系统由安装车载移动通信系统的移动基站应急车和中心站组成，结构框图如图1所示。1.2卫星通信中的TCPIIP 由于研发TCP/IP时，没有考虑在长延时和高误码率链路环境中(卫星链路)性能的优化和提高，因此TCP的流量控制策略、重发策略、慢启动算法以及滑动窗口等严重影响了TCP/IP在卫星信道的性能。这些年卫星设备厂家针对这些问题开发了TCP/IP加速器，目前这些问题已经得到了很好的优化。 针对本平台，我们使用了美国ComtechEFData的TCP/IP加速设备TurboIP，该设备需要配合路由设备使用，因此要借助三层交换设备的路由和VLAN划分功能，设备连接图如图2所示。1.3应急通信平台 采用192.168.2.0/24网段，TurboIP两个以太网口设置成统一的地址192.168.2.2串接在网络中。 中心站采用192.168.1.0/24网段，TurboIP两个以太网口设置成统一的地址192.168.1.2串接在网络中。1.4业务功能描述1.4.1 GSM业务 应急车BTS将一路EI话音送给Modem, Modem将数据编码调制送给上变频器和功放(如没有用满32个时隙，Modem可采用插入/取出模式，只传送有用的时隙，数据速率N X 64kbit/s，以减少带宽的占用)，经变频和功率放大后发射上星，中心站天线接收来自卫星的信号，放大变频后发送给Modem，由它对信号解调解码，还原成E1电路发送给BSCa1.4.2 IP业务 应急车WLAN设备和电视会议终端连接至IP加速设备对数据进行加速，再通过本地反转复用器将IP转换成El，并进行QoS服务控制，通过跳线板选择连接Modem, Modem将数据编码调制送给上变频器和功放，经变频和功率放大后发射上星，中心站天线接收来自卫星的信号，放大变频后送给Modem，由它对信号解调解码，还原成E1电路发送给反转复用器，经由加速设备送至局域网路由器，Router根据目的地址的不同，分别进入内网、公网和电视会议MCU(多点控制单元)。2通信体制 对于卫星通信系统来说，如何更有效地使用卫星转发器，是卫星通信系统设计中最重要的工作。卫星空间段资源主要由转发器带宽和转发器功率两部分组成，所以我们选择通信体制的原则是: (1)尽量少地占用转发器的带宽; (2)尽量少地占用转发器的功率; (3)要平衡转发器带宽和功率的占用率。2.1调制方式和前向纠错编码方式选择 目前卫星数据传输上使用最多的调制解调方式为PSK和QAM，包括BPSK, QPSK, 8PSK, 16QAM,工程上使用最多的调制方式为QPSK和8PSK，极为个别场合也使用16QAM。常用的编码方式有:Viterbi, RS, TCM, TPC, LDPC等等。表1以1 Mbit/s数据速率对比各种调制解调方式的典型性能。 从表1可以看出: (1)采用不同的调制方式和编码方式，卫星所分配的带宽和调制解调器的解调门限有着明显的差异; (2)调制方式越高，编码方式越高，每Hz承载的数据越多，卫星分配带宽越小，反之每Hz承载的数据越少，卫星分配带宽越多; (3)调制方式越高所需要的解调门限越高:16QAM要求最高，8PSK其次，QPSK最低; (4)同一调制方式下，采用不同的前向纠错技术，解调门限不同，TPC编码下解调门限最低。 虽然16QAM的调制方式能够减少卫星分配带宽，但是其对相位噪声、解调门限、卫星功率等的要求明显表1各种调制解调方式下的典型性能提高，尽管带宽减少了，但是空间段、地面段功率占用大幅度增加，实际使用中需占用更多的转发器功率并增加地面站投资，并不适合平台。相比QPSK, 8PSK调制方式能够明显地减少卫星分配带宽，比QPSK对带宽的占用减少了约30%，然而对相位噪声的影响和门限E,/N,的取值都要比采用QPSK时严格得多，QPSK可以降低门限Eh/ No的取值，从而降低发射站的发射功率，应配备的高功放瓦数也会相对的低些。在本平台中，车载“动中通”天线口径较小，接收性能要比较差，主站需要占用较多的转发器资源才能使车载“动中通”天线顺利接收，如采用8PSK势必造成转发器占用功率和分配带宽的严重不平衡，且需要配备的功放更大。综合考虑，我们使用了QPSK调制+3/4 TPC编码。2.2多址方式选择 卫星通信的多址方式有如下几种:频分多址(FDMA),时分多址(TDMA )、空分多址(SDMA )、码分多址(CDMA)，在实际的工程应用中常用的是频分多址(FDMA)和时分多址(TDMA )，特别是在大容量的中继通信中更是采用这两种方式。 FDMA的基本特征是，把卫星转发器的可用带宽分割成若干互不重叠的部分，分配给各地球站所要发送的各载波使用，作为一种发展多年的成熟技术，其主要优点有: (1)设备比较简单，操作和维护方便; (2)工作可靠性高; (3)适合于大容量的中继传输; (4)可选的调制方式较多:BPSK, QPSK, BPSK,16QAM等，便干采用高阶的调制技术来减少占用的卫星带宽。 FDMA也有一些缺点，主要的是有互调噪声，但是可以通过对功率的有效控制实现，而且现在的卫星功率较高，这个问题并不突出。选择FDMA频分多址方式，在提高系统可靠性、操作简便性和减低系统建设和维护成本方面，比其他方式更具优越性，而且使用FDMA的IDR体制能够使得不同厂商的设备互相兼容，提供了更多的灵活性。综合考虑，我们选择了FDMA的多址方式。3 IDRIIBS GSM移动通信网主要由MSC(移动交换中心)、BSC(基站控制器)、BTS(基站)和用户终端(手机)组成，如图3所示，其中MSC到BSC之间采用A接口，BSC到数量众多的BTS之间采用Abis接口。本系统要求使用卫星链路解决BSC到BTS之间的Abis接口的数据传输问题，使用IDR/IBS技术实现GSM基站数据传输是一种简单易行、可靠性高的通信体制。3.1 IDR/IBS技术简介 1984年，国际通信卫星组织(INTELSAT)正式向全球的电信运营商推出了国际商用业务(IBS, International Bussiness Service)，主要应用于跨国团体/企业的总部和分支机构之间的部分商业通信，其数据速率范围是648448kbit/s，传输的业务包括数字话音、电传、传真、计算机数据传输、电子邮件和电视会议，是较早的卫星多媒体通信传输标准。IBS是随着IiN系统的出现和普及应用而逐步获得广泛应用的，同时也正是IBS的大量应用，进一步推动了ISDN在全球的迅速实施。 中速数据速率(IDR, Intermediate Data Rate),是指IDR所传输的数据速率介于SCPC和T DMA之间，SCPC是一种低速率的通信系统，速率为56kbit/s;TDMA是一种高速卫星通信系统，数据速率高达120Mbit/s，满足介于二者之间数据速率的通信业务的需要，是IDR的目的之所在。 采用IDR/IBS体制具有很大的优势: (1)采用QPSK/8PSK调制技术，频谱利用率高; (2) IDR与DCME结合可大大节省空间资源(转发器); (3)可选用3/4FEC+RS或8PSK/TCM(可级联RS码)使纠错增益增加; (4)工DR/IBS制式是国际通信卫星组织(INTELSAT)大力推广使用的一种优选体制，全球主要的卫星通信设备制造商均支持该体制，设备标准化程度高，兼容性好，费用少，选用设备时，用户有更多的选择; (5) IDR/IBS的测试和维护比FDM/FM和TDMA简单得多，IDR很少需要调整，面板上主要参数有显示，操作简便; (6) IDR/IBS制式被广泛应用的原因还在于它具有技术上先进、测试规范化、操作简便直观、容易掌握等优点;(7) IDR扩容简单，小于2Mbit/s时，只须增加插入/取出的时隙数即可，大于2Mbit/s时只须简单地增加MODEM模块。3.2 IDR/IBS传输BTS与BSC互联 本平台需要完成的任务是在基站(BTS )和基站控制器(BSC)之间提供通信连接，BTS和BSC之间的数据接口为Abis接口，Abis接口传输所利用的物理信道是PCM帧结构，是由32个PCM时隙构成的，每个PCM时隙的传输速率为64kbit/s，与卫星调制解调器的数据接口均为E1 (2.048Mbit/s )。此时，地面提供的2.048Mbit/s的数据接口与卫星信道(N个时隙的速率)之间的这种速率的匹配，可由Modem的Drop/Insert功能来完成。 当在两个卫星地面站之间需要传输的业务不够一个E1时，为了更有效地利用卫星信道，可选用Modem的“插入/取出”功能，用于传输N x 64kbit/s的数据业务。“插入/取出”功能为通过卫星传输PCM数据提供了一个较好的完成部分E1电路的传送的N x 64kbit/s的数据交换的途径，从而使得卫星地面站之间可以Nx64kbit/s的速率进行通信，信道的利用更加灵活。4结束语 实验结果表明该应急通信平台能够在各种环境条件下适用，性能良好，各项测试验证了其先进的技术指标。该系统已通过中国移动通信集团广东