气象部门卫星应急通信系统中网状网通信技术的发展前景研究

+ 戴晴 国家气象信息中心

气象部门卫星应急通信系统中网状网通信技术的发展前景研究

+ 戴晴 国家气象信息中心

本文对中国气象局卫星应急通信系统目前采用的星状网组网方式现状进行分析，根据省和地市级移动应急车与省级地面站之间进行直连通信的需求，提出网状网组网方式在中国气象局卫星应急通信系统中可能存在的发展方向，并开展网状网通信试验，验证其链路性能的可用性，为网状网未来在气象部门卫星应急通信系统中的提供一定的参考和指导。

网状网、卫星应急通信、气象部门

1 概述

中国气象局卫星应急通信系统始建于2006年，2007年至09年期间恰逢南方冰冻雨雪、汶川大地震、玉树大地震、北京奥运会等突发事件或重大活动发生，气象部门卫星应急通信系统进入了高速发展期。各省气象部门相继建设了自己的卫星应急通信车，并发展到部分地市气象局。在建设初期，系统采用星状网组网方式，以位于北京的国家气象信息中心作为主站，各小站均选择了ComtechEFData的CDM570L作为调制解调器，采用SCPC通信方式。

随着2013年中国气象局引入了ComtechEFData公司的Vipersat系统，具备网状网组网能力，为气象应急通信系统的组网方式带来了更多的选择。本文作者对星状网与网状网通信技术进行了对比分析，并利用气象部门卫星应急通信系统的现有环境进行了网状网通信的试验，验证了网状网通信的链路性能及可用性，以期为网状网未来在气象部门卫星应急通信中的应用提供一定的指导。

2 星状网与网状网

2.1 星状网与网状网的基本概念

星状网系统由卫星通信主站和多个远端站组成，所有远端站能够且只能够与主站建立一跳卫星传输链路。网状网系统由一个卫星网管站和多个固定/移动卫星远端站构成，网络中各个站点之间可以进行直接通信。

星状网与网状网通信方式的拓扑结构如图1所示：

2.2 星状网与网状网对比

在星状网系统中，系统的主要通信功能和设备集中在主站，远端站技术复杂度较低，设备种类简单，技术指标要求不高，建设成本低。但是星状网中远端站之间的通信必须通过主站中转，即两次上星才能实现，需要占用的卫星带宽和通信延迟均增加一倍，不适用于系统内的小站之间进行数据传输的场合。

在网状网系统中，远端站在系统建设方面相对较为复杂，不仅需要配备额外接收设备，在同等信息速率要求下，对远端站的功放功率和天线口径要求也较高。但是网状网中任意远端站之间可以通过卫星一跳直接进行通信，同比星状网情况下卫星带宽及通信延迟均减少一半。两种组网方式技术对比结果如表1中所示：

表1 星状网/网状网组网方式技术对比表

图1 星状网与网状网拓扑机构

2.3 气象部门卫星应急通信的组网现状及不足

目前，气象部门卫星应急通信系统采用星状网组网方式，主站位于北京国家气象信息中心，小站包括省和地市级气象部门应急移动车等，小站的卫星信号在北京落地后，通过北京至各省的地面气象宽带网传输到各省和地市。同时在各省级气象局也建设了卫星地面站（图中红色圆圈所示），但是在星状网组网方式中，省级地面站日常不承担业务，只起到对地面宽带网的备份作用。具体系统结构如图2所示：

这种组网方式在建设初期可以满足各省卫星应急通信的发展，将建设的复杂度都集中在主站，但随着省内特别是地市级应急车的发展以及省级卫星地面站的建设，现有的单一的星状网组网方式也存在一些不足，主要体现在以下三个方面：

图2 气象部门卫星应急通信系统组网方式

地市级应急业务也需要占用国家－省级地面宽带网资源

省级卫星地面站日常无法发挥作用，省局无法对地市级提供服务

小站之间的数据传输必须在卫星上经过两跳完成，延迟较大。

目前已有部分省局自行租用卫星转发器在本省建立省级卫星主站，以实现本省车站之间的直接通信和管理。但是这种方式也存在一定的问题：一是各省单独租用租费较高；二是在国家中心与多个省份分别单独租用造成资源浪费；三是分设多主站不利于全国气象部门卫星应急通信系统的统一建设管理。

若现有卫星应急通信系统能够支持省级站与省级应急车之间的网状网业务需求，则可由国家级统一提供卫星转发器资源，实现卫星资源的有效整合，实现全国气象应急资源的统一调度与管控。

因此目前迫切需要开展网状网通信试验和通信的链路性能分析，为今后卫星应急通信网状网组网方式提供必要的测试数据支撑。

图3 星状网与网状网对比测试系统框图

图4 星状网组网数据流程图

3 气象部门卫星应急通信中的星状网与网状网对比测试方案

3.1 测试环境

笔者在现有气象部门卫星应急通信系统的基础上，设计了星状网与网状网的对比测试方案，并利用国家气象信息中心已建的Vipersat主站系统、省内卫星地面站和应急车搭建星状网和网状网通信测试环境。测试环境总体结构如图3所示。图中红色链路为星状网传输链路，绿色链路为网状网传输链路。在网状网通信时，需在小站启用网状网解调设备（图3中紫色部分）。

3.2 路由方案设计

图5 网状网组网数据流程图

本系统主站位于国家气象信息中心，与各省气象局均通过地面宽带网连接，通过BGP方式在国家局宽带网路由器、省局宽带网路由器和Vipersat主站路由器三者之间形成邻居路由关系，并利用Vipersat系统基于Tos（Type of Service）标记自动触发卫星链路的功能，使卫星链路建立自动化。

当省应急车与省局地面站之间需要进行数据传输时，在星状网方式下，需要通过BGP在全网内宣告到达应急车小站的路由，其下一跳指向国家局主站路由器；在网状网方式下，需要在省宽带网路由器上修改一条静态路由，将指向应急车小站的下一跳指向省局卫星地面站，并使其路由优先级高于BGP邻居路由。

经过上述配置，应急车与省局地面站在Vipersat主站的控制下分别形成星状网/网状网通信，同时利用Vipersat系统的SHOD能力，Vipersat主站始终保持与两个小站之间的信令通信，并在主站自动生成过滤路由，避免出现网络环路。

3.3 测试方案及测试结果

在测试环境的基础上，分别在星/网状网两种组网方式下对移动应急车与省级地面站之间的路由传输方案、链路传输延时以及通过UDP和FTP方式进行的链路数据传输性能进行了测试，测试方案如表2所示：

3.3.1 路由传输方案结果

星状网和网状网的路由追踪结果分别如表2和表3所示：

表2 测试方案

表3 星状网组网方式下路由追踪节点表

3.3.2 链路传输延时结果

图6和图7中的星状网和网状网系统传输延迟结果如表5所示：

图6 星状网路由追踪结果

图7 网状网路由追踪结果

表4 网状网组网方式下路由追踪节点表

表5 传输延时测试结果表

图8 星状网系统传输延时测试结果

图9 网状网系统传输延时测试结果

3.3.3 链路传输性能结果

UDP数据传输测试

采用8PSK调制方式和3/4FEC rate，分别在星/网状网组网方式下建立2Mbps卫星链路进行UDP传输测试，分别获得了实际传输速率、传输链路抖动和网络流量监视情况。UDP发包链路传输测试结果如下图表所示：

FTP数据传输测试结果：

图10 星状网UDP数据传输测试结果

在星状网、网状网方式下，用相同文件进行FTP数据下载传输测试结果如下图表所示：

4 星状网与网状网链路性能对比分析

图11 网状网UDP数据传输测试结果

4.1 路由传输方案

试验结果表明，星状网的传输流程为数据通过卫星一跳上星，落地主站后通过地面宽带网传输至地面站，即“卫星一跳+地面宽带网”模式，传输链路共经由8个路由节点。而网状网的传输流程为数据通过卫星一跳上星后直接落地到达远端地面站，即“卫星一跳”直达模式，传输链路共经由3个节点。在链路复杂性方面，网状网传输链路更为简单，不依赖地面链路，而星状网需要经由多个节点的路由器和防火墙等设备，传输环节较多，路由相对复杂。

图12 星状网FTP数据下载传输测试传输速率结果

表6 星状网/网状网UDP数据传输测试统计结果

图13 星状网FTP数据下载传输测试PRTG流量监控图

4.2 链路传输延时

在地面站和应急车之间进行卫星通信时，无论采用星状网还是网状网，在卫星链路方面均只需一次上星，且星状网下需经过的地面宽带网传输延迟极低，相比卫星链路而言基本可以忽略不计，因此两种组网方式下链路传输延时均在500ms左右。

表6 星状网/网状网UDP数据传输测试统计结果

图14 网状网FTP数据下载链路传输速率图

图15 网状网FTP数据下载链路传输PRTG流量监控图

4.3 链路传输性能

在UDP数据发包传输测试中，星/状网组网两种方式下UDP传输平均速率均可达到信道带宽的88.7%左右；在FTP数据下载传输测试中，星/状网两种组网方式下FTP下载平均速率均可达到信道带宽的65%左右。测试结果说明星/状网两种组网方式下的链路传输速率和抖动情况基本相同，传输能力无显著差别。

5 总结

经过上述测试分析，星状网与网状网组网方式下的传输试验、链路抖动等性能基本一致。经试验，现有气象应急通信系统可为省级应急车和卫星地面站之间建立不低于2Mbps速率的网状网卫星链路，具备网状网业务传输的基本能力，是气象卫星应急通信业务未来的发展方向。笔者在本文中对星状网与网状网的性能进行了对比分析，验证了网状网组网方式的可行性，望能对今后气象部门及类似系统的卫星网状网业务开展提供些许借鉴价值。