异型卫星网络之间共享卫星频谱资源探究

黄 喆，陈 奇，袁正雪，张鸣之，蔡罕龙

（1.中国地质环境监测院（自然资源部地质灾害技术指导中心），北京 100081；
2.北京泰利斯达科技有限公司，北京 100089）

针对我国自然灾害多发的情况，自然资源部于2019年决定分期分批建设地灾防控及预警预报系统，涉及32个省级单位、400余个地级单位、3 000多个县级单位及全国现有地质灾害隐患点28.8万余处，正式拉开了全面实施地灾监测远程物联网建设的步伐。远程物联网的建设需要先进高效的传输技术来支撑，4G/5G网络是主要的传输手段，而卫星传输技术则是重要的和必不可少的补充手段[1]。

我国是世界上地质灾害最严重、受威胁人口最多的国家之一，地质条件复杂，构造活动频繁，崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地面沉降、地裂缝等灾害隐患多、分布广，且隐蔽性、突发性和破坏性强，防范难度大。有效地开展地质灾害防治工作已成为我国自然环境保护战略的重要目标。坚持“预防为主，避让与治理相结合，全面规划、突出重点”“自然因素造成的地质灾害，由各级人民政府负责治理；
人为因素引发的地质灾害，‘谁引发、谁治理’”以及“统一管理、分工协作”这三项原则是主攻方向，因此，高效可靠的地灾监测系统建设将有效推动和支撑国家生态文明建设和防灾减灾工作。

众所周知，高昂的卫星带宽费用一直是制约卫星传输技术应用的主要障碍，将卫星传输技术应用于地灾监测物联网时也面临同样的问题。自然资源部已建设了地灾防治卫星应急通信专网，应急通信网络的特点是仅仅在出现重大突发事件或自然灾害的情况下才需要使用卫星带宽，而这些卫星带宽平时基本上是空闲的，是卫星带宽资源的巨大浪费。而地灾监测物联网数据则对传输带宽和实时性的要求都不是很高。可以看出，应急通信网和地灾监测物联网之间业务特点和对带宽的使用要求差别很大，有着很强的互补性，如果能够在带宽的分配和调度上实现在异型VSAT网络之间进行“智能监测、动态分配”，就可以在4G/5G公网覆盖较差的地灾监测节点，使用现有的应急卫星带宽资源构建低成本的地灾监测卫星物联网，实现“平时物联、战时应急、平战结合”的高效应用[2]。

自然资源部地灾防治卫星应急通信专网系统基于SCPC/DAMA技术，是在10年前建成并一直稳定运行的成功的卫星通信系统。由于物联网本身的业务特点，SCPC/DAMA技术并不适用，地灾监测物联网需要采用更适合稀路由、大规模组网的TDM/TDMA技术。如何让新建设的TDM/TDMA系统与现有的SCPC/DAMA系统能够互相协调、实现频率资源共享与规避，是实现资源共享的必须要解决的问题。本文试图在应急卫星网和地灾监测卫星物联网之间共享卫星带宽资源的方法进行一些探讨。

现有的地灾防治应急卫星网采用Comtech公司的Vipersat系统构建，配备有VMS卫星带宽按需分配网管系统，能够根据应急车或便携站的业务需求自动分配和回收卫星带宽。除了少量的卫星带宽用作网管信令传输之外，大部分卫星带宽都被设置为系统的共享频率池（约为4 MHz），按需分配给有需求的应急车或便携站。

图1 应急系统和带宽分配示意图

全国现有地质灾害隐患点28.8万余处，地灾监测物联网建设中所涉及的管理对象多、管理对象地域分布广。地质灾害隐患点存在感知层盲区多、采集监控覆盖不足；
网络层通信接入网覆盖深度不够、宽度不足等问题。

地灾监测终端全部采用无线公网通信方式，系统部署上存在覆盖率盲区，边远地区（山区、岛屿等）无有效通信接入方式，建设地灾监测卫星物联网可以完美地解决这些覆盖盲区的传输问题。

地灾监测系统需要离散性的定时传输相关采集的SCADA信息并远程传输到信息云平台或用闭环专网方式输送到指定服务器端[3]。

地灾监测卫星物联网采用星状组网结构。大部分接入终端主要传输传感器数据，前向主要传输控制与管理信令，在远程升级维护时可传输升级软件包，数据量较小。返向支持海量接入终端，支持多个传输信道的数据回传。

基于地灾监测物联网业务传输特点，选择TDM/MF-TDMA卫星通信体制。前向采用TDM广播载波，多个卫星物联网接入终端同时接收TDM载波中的信令，用于返向MF-TDMA信道统一的时隙分配与调度、控制，同时可支持接入终端升级软件包的批量下载。

传统的单个TDMA载波最大可接入终端能力有限，使用载波跳频的MF-TDMA体制可实现多倍的接入终端接入。地灾监测物联网的非实时性业务传输，采用定时轮询调度的方式，支持接入终端数量成倍增长。

4.1 地灾监测物联网VSAT系统构成

在应急卫星主站添加地灾监测物联网VSAT主站系统，与应急系统共享主站射频设备，并在频率池中把空闲的卫星带宽分配给物联网VSAT系统使用。当应急系统需要执行任务时，由“频率共享控制服务器”感知这个需求，并自动控制地灾监测物联网VSAT系统自动缩减TDMA载波，实现自动规避。自动规避的算法，是本系统的核心，将在后面讨论。

地灾监测物联网VSAT系统主站主要由TDM/MF-TDMA主站基带设备和网管系统构成，同时为了协调与应急卫星系统的带宽使用，添加一台“频率共享控制服务器”。

地灾监测物联网VSAT系统小站由TSwan数传终端（包括天线、BUC、LNB、传输及控制端元）和地灾监测数据采集设备构成。

图2 地灾监测物联网融入应急VSAT系统示意图

4.2 地灾监测物联网VSAT带宽及容量核算

地灾监测卫星物联网采用星状组网结构。大部分接入终端主要传输传感器数据，前向主要传输控制与管理信令，在远程升级维护时可传输升级软件包，数据量较小。返向支持海量接入终端，支持多个传输信道的数据回传。

基于地灾监测物联网业务传输特点，选择TDM/MF-TDMA卫星通信体制。前向采用TDM广播载波，多个卫星物联网接入终端同时接收TDM载波中的信令，有利于返向MF-TDMA信道统一的时隙分配与调度、控制，同时可支持接入终端升级软件包的批量下载，提升频率共享度。返向采用MF-TDMA体制克服了传统TDMA体制接入终端数量较多时机动灵活性差的缺点，融合FMDA和TDMA的技术优势，使用载波跳频技术，降低突发速率，达到减少天线尺寸，降低射频功率，实现大规模灵活组网的目的[4]。

传统的单个TDMA载波最大可接入终端能力有限，使用载波跳频的MF-TDMA体制可实现多倍的接入终端接入。地灾监测物联网的非实时性业务传输，采用定时轮询调度的方式，支持接入终端数量成倍数级增长。

4.2.1 单TDMA载波接入能力理论估算

使用一个256 kHz TDMA载波，核算结果如表1所示。

表1 TDMA载波传输能力计算

假设单个卫星接入终端接入的物联网数据速率不大于2.4 kbps，单个256 kHz带宽TDMA载波最大支持145个并发接入终端接入，若按照50%的并发概率则可以接入290个。

4.2.2 多TDMA载波可以接入更多的终端数

表2 TDMA带宽与容纳终端数量的关系

可以看出2 MHz卫星带宽可以支持8个256 kHz TDMA载波、2 320个物联网终端接入。使用4 MHz卫星带宽，可以支持4 640个物联网终端接入。

地灾防治卫星应急通信和地灾监测卫星物联网共享租用的卫通信道频谱资源，根据两个网络的实际业务传输需求变化进行资源的统一动态调度。调度策略采用“忙时应急，闲时物联”的方式。应急通信的卫星资源优先保障，有应急通信业务传输需求时信道资源无条件分配，地灾监测卫星物联网仅保留0.32 MHz带宽控制信令的传输，可以随时缩减TDMA业务信道数量，甚至全部关闭。

统一的卫星资源调度需要协调有限的卫星通信频谱资源，在卫星物联网和卫星应急通信网间高效应用。卫星资源综合调度平台将卫星频谱资源规划为两部分，一部分是卫星物联网的保留频谱资源，用于卫星物联网的前向信令和少量必要业务传输用；
一部分为动态共享资源，这部分资源基于应急通信和物联网的业务传输需求动态进行调配。综合调度平台基于已有的应急卫星通信的SCPC/DAMA网管进行构建，通过网管间资源调度接口完成共享资源的动态分配和回收。

综合调度平台利用应急通信系统网管（COMTECH网管VMS）提供的资源监控接口实现动态资源调配。应急卫星通信网通过VMS分配频谱资源后，综合调度平台向地灾监测卫星物联网中心站下达资源释放信令，卫星物联网的返向动态频谱资源重新自动规划，并通过静态规划的前向载波广播信令信道下发给所有的物联网终端，物联网终端接收到该信令后自动停止载波发射，转为业务数据本地缓存模式。为避免物联网终端状态频繁切换，物联网终端在使用频率时设置空闲时间门限，仅当应急通信系统释放资源达到空闲时间门限后再启用接入终端使用该频率资源。综合调度平台的管理流程图如图3所示。

图3 综合带宽调度流程图

项目针对地灾监测物联网感知层设备，在管理与维护过程中存在边远地区通信不畅、人工成本高、故障点定位难、上报不及时等问题，攻克关键技术、研发关键设备，构造状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活的地灾监测卫星物联网，为提高地灾预警预报服务质量，培育发展战略性新兴产业，提供强有力的资源支撑，具有明显的安全、经济和社会效益。

（1）大幅度提高现有卫星带宽利用率。目前，应急使用的卫星带宽大部分时间处于空置状态，造成严重的资源浪费。项目成果推广后，按照卫星频率1 MHz每年30万租赁费计算，项目每年可充分利用频率资源经费约120万元。

（2）地灾监测物联网VSAT终端成本可控、便于大规模应用。全国现有地质灾害隐患点28.8万余处，需要使用VSAT技术补充4G/5G覆盖不足的地点数量很大，地灾监测物联网通信接入建设需求巨大。项目成果推广后，VSAT接入终端（TSwan）批量供应会大幅降低规模建设成本及单站通信成本（单站年通信费用可低于200元人民币），具备大规模接入条件，将大幅提升地灾监测建设、安全运行和经济运营的水平。

结合项目成果推广，可实现地灾监测通信网络资源商业化与专网化结合的灵活运营。在地灾监测物联网边缘地带，无传统通信网络和无公网覆盖的边远地区，通过卫星接入终端设备（TSwan）实现地灾监测卫星通信运营，不仅为当地人民提供可靠的地灾预警预报服务，为人民生命财产设立了可靠的保障，也实现了响应党中央提出的实现全民共同富裕的奋斗目标，具备显著的社会效益。■

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