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衛星便攜終端與突發應急通信
來源:四川省公安廳,北京中安衛通科技   作者:馮大健,李 菲,曲克   添加時間: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產安全、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、不受外界環境的干擾,成為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,為及時解決災情,把破壞性降到最低作出了無可取代的貢獻。
 
  2 突發事件對應急通信系統的挑戰
 
  突發事件有以下特點:事件類型缺乏穩定性, 任何一種突發性事件都有可能發生;無法準確預測事件發生的具體時間和具體地點;無法確定事件發生所在地的交通,地形與氣候狀況等因素;無法預知突發事件產生的影響程度,地面通信網絡的毀壞程度和對應急通信帶寬的要求。
 
  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。以汶川地震為例,從震區向外播出的第一個電話已經是地震發生114小時之后,但公認的搶救生命的黃金時間是72小時。地震發生后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,事發后2小時內移動電話很難撥通。
 
  為了保證應急通信系統對突發性事件的適應性要求。衛星系統及其設備對使用環境要有很強的適應能力,無論在哪種氣候條件和地理環境中都可以暢通使用;必須便于攜帶且具有可移動的特性, 在發生緊急事件時,可快速到達現場;具有一定的自續航工作能力,可以不依靠外部供電連續工作一段時間;不依靠專業技術人員就能快速地與指揮中心進行通信聯絡;需要具備一定的擴展性,以方便在應急事件處置中靈活接入各種外圍設備。
 
  3 衛星便攜終端
 
  為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 衛星便攜終端的功能性需求
 
  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為三種方式: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,這對第一時間整理匯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為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)寬帶綜合接入。衛星網絡只解決了遠程通信通道問題,在突發事件現場一方面還需要通過 MESH,圖傳等手段完成以衛星便攜站為中心的區域通信覆蓋,另外一方面也需要接入面向具體應用的各種設備,器材。比如各種數據采集設備,傳感器等等。而這些設備都需要大帶寬的傳輸支撐。
 
  (1)高清視頻同步直播。從歷史經驗來看, 突發事件現場與后方指揮部之間進行音視頻同步直播是極其重要的應急通信應用。后方指揮部需要第一時間獲悉現場詳實、準確、全面的第一手資料,前方現場也需要實時接收后方指揮部發出的各種命令。同時,視頻質量越高越有利于現場資料的收集,但由于衛星帶寬資源有限,網絡穩定性和可靠性等問題制約,高清視頻在衛星通信領域應用并不廣泛。
 
  隨著新一代視頻編碼標準H. 265/ HEVC的發布,高清視頻直播在衛星通信領域的應用越來越多。相對于上一代H . 264 標準,H . 265標準編碼對帶寬占用大約減少40% 。以常見的7 20P和1080 P 分辨率為例,使用H.265編碼之后碼率可以控制在512kb/s和1Mb/s左右,完全具備通過衛星鏈路傳輸的條件。同時,針對衛星鏈路的特點,可以在算法實現上做進一步的優化,比如運動估計,幀內預測等技術,進一步滿足衛星通信傳輸的需要。
 
  從應急事件處置的時效角度來看,可分為前、中、后三個階段。同樣以地震災害為例,將黃金72 小時劃分為0 ~24小時,24 ~ 48小時,48 ~72小時三個階段,每個階段的通信需求是不一樣的。
 
  (1)0 ~24小時。這個階段基礎設施被摧毀,缺少電力,交通癱瘓。這就要求衛星便攜設備可以人力背負到達現場且必須通過電池供電方式工作,到達現場后通過衛星鏈路建立起可靠的語音通信鏈路,將前方現場與后方指揮部聯系在一起。
 
  (2)24 ~ 48小時。這個階段基礎設施得到部分恢復,臨時發電車到位,道路搶險保證了部分道路可以通車,救援隊伍到達現場,救援全面展開。此時要求衛星便攜設備可以在突發事件現場建立覆蓋廣泛的集群語音通信網絡,多點的音視頻同步采集節點和前方指揮部與后方指揮部之間的雙向高清視頻直播通道。
 
  (3)48 ~72小時。這個階段主要道路被打通, 部分電力網絡恢復,電力緊張環境。地面公網通信部分恢復,已可以保證窄帶語音通信的可靠穩定。但寬帶通信仍舊不能滿足。前方大型救災機械,災
 
  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為靈活的外部設備接入和大帶寬的數據傳輸能力。
 
  3.2 衛星通信便攜終端的實現
 
  為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為必要了。
 
  
 
  從實際應用出發,衛星通信便攜終端應內置以下模塊:通用處理器模塊、顯示器、以太網交換模塊、音視頻編解碼模塊、M ESH自組網模塊、衛星調制解調器模塊和鋰電池模塊。
 
  
 
  通用處理器模塊主要用于整個終端的管理和圖形化界面顯示。采用AR M架構多核CPU,使用Linux操作系統。AR M架構CPU配合Linux操作系統的優勢在于低功耗,非常適合突發應急環境下脫離市電長時間工作的需要。同時Li nux操作系統也是當下主流的操作系統,能夠保證各種常用應用軟件的兼容性。
 
  顯示器模塊以15寸的LCD液晶顯示面板為核心,集成攝像頭和麥克風方便本地音視頻的采集。為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音視頻流進行解碼并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為中心覆蓋半徑2公里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,非常適宜作為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的數據包編碼調制后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后恢復成IP數據包,通過交換機轉發給指定的設備。
 
  4 衛星便攜終端在突發事件中的應用
 
  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后備箱中長途運輸。一旦因為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。
 
  
 
  到達事發地點后,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并完成一鍵自動對星,所有安裝工作就全部完成了。有經驗的工作人員可以在5分鐘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鋰電池,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。
 
  在事發現場,攝像機和攝像頭的音視頻信號可以通過HDMI/SDI接口直接接入H.265編解碼器, 經編碼壓縮后通過衛星鏈路傳輸給主站。也可以通過MESH或圖傳設備遠程采集音視頻。經MESH 或圖傳傳輸的遠程音視頻仍舊需要進入H.265編解碼器進行編碼,壓縮碼率后再經衛星信道傳輸以節省衛星帶寬。
 
  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,為突發事故現場提供集群IP電話服務。
 
  5 結束語
 
  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。作者認為隨著相關技術的發展和配套產品的成熟,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,并以此促進突發事件處理水平的不斷提高。
 
  參考文獻
 
  [1]賁海夏.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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