谈高通量卫星的铁路应急指挥通信系统范文
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【摘要】朔黄铁路是我国西煤东运的第二大通道，双线电气化铁路，线路高挖深填、桥隧相连，属典型的山区铁路。铁路应急事件具有随机、突发等多种不确定性特点，应急指挥面临 “无网、无路、无电”的三大痛点。本文重点研究了基于高通量卫星如何构建公专融合的应急指挥网络，提供更加安全可靠的通信机制的同时，便于故障智慧研判分析和辅助决策。
引言：
在铁路运营和建设过程中，突发事件或事故应急救援时，通信保障是应急指挥的关键。随着朔黄铁路运量逐渐加大， 对铁路应急通信也提出了更高的要求[2]。由于事故具有随机性、突发性特点，救援现场的时间、地点、通信条件通常具有不确定性， “无网、无路、无电”通常是阻碍应急救援以及多方高效协同的三大痛点。构建便携、易部署、可靠的无线通信系统能帮助一线作战人员实现 “最后一公里”通信。目前，国内传统的铁路应急通信手段主要依靠 117 事故救援电话和无线电台等有线网络，通过铁路区间通话柱，通信区域有限，且在电气化区段干扰严重。此外，从铁路应急通信网络来看，基本处于分散保障、各自保障状态，无法形成全网全系统的通信保障，各机动用户网和核心网结合起来使用时仅完成了基本的互连功能，未能实现各网系的有机融合，且在使用上距离随遇接入、广域的信息共享、信息互操作仍有很大差距，造成各机动用户网广域覆盖与互连能力仍然有限。当 前， 全 球 已 有 数 十 颗 高 通 量 卫 星 (High throughput satellite，HTS) 在轨运行提供运营服务。我国首颗高通量通信卫星 “中星 16 号”在轨交付使用。标志着我国卫星通信技术正式进入了“高通量”时代，以自主可控的高通量卫星，空间卫星段资源和地面段网络系统及业务支撑系统有机融合，将有利于构铸“空地一体化”的铁路应急通信网。针对“三无”场景无线通信挑战，采用集成核心网、基站以及调度系统于一体化融合通信指挥系统，系统设备可通过背负、车载、无人机等方式实现救援现场快速可达，基于完全自主可控技术的解决方案，为现场提供安全、可靠、可控的广域的无线通信。同时，得益于 LTE 技术的高带宽，可实现救援现场与指挥中心全场景、全程可视指挥调度及视频、图片、数据、地理信息系统彩 / 短信等多媒体信息实时共享。
一、铁路应急通信需求及目标
铁路应急通信系统是当发生自然灾害或突发事件等紧急情况时，为确保铁路运输实时救援指挥的需要，在突发事件救援现场内部、现场与救援指挥中心之间以及各相关救援指挥中心之间建立的语音、图像等通信系统。应急通信系统通常由应急救援中心、传输网络、应急通信接入设备等构成。应急通信接入设备包括现场应急设备、应急抢险终端、图像采集发送设备。铁路应急通信主要包括四方面的需求：1. 自成体系，公专融合。铁路应急现场发生地点通常比较偏远或公网覆盖不足导致网络覆盖盲区。铁路应急通信系统应当既能自成体系、独立组网应对极端条件，又能充分利用公网资源，实现公专融合，协调指挥，平战结合，降低成本。2. 无线带宽，高清可视。需要较大的区域无线覆盖能力，以及延铁路线的纵深延展能力。远程指挥中心需要实时查看应急现场的高清视频，从而有效地提升远程指挥中心指挥决策的效率。3. 轻便易携，展开迅速。在极端情况下，车辆无法到达，需要单兵背负（通常重量≤ 25kg）徒步到达现场，无需专业技术，支持一键开机。4. 保密通信，安全可靠。在许多特殊场景下，铁路应急指挥具有保密性，需要对通信信道或信源进行加密，以保障通信安全。以铁路应急救援指挥问题为导向，以“看得清、听得到、能指挥、可协作”为目标，构建“自成体系、高清可视、便携易用”的多媒体可视化应急指挥平台，为各级指挥人员提供准确、实时、全面、安全的通信信息支撑。
二、系统总体架构
系统综合运用高通量卫星、LTE 无线宽带，关键任务（Mission critical，MC）融合通信等技术，构建独立性强、带宽高、易使用的指挥网络。系统以多媒体调度指挥系统为统一通信平台，建立“远程指挥中心”、“前方指挥所”、“应急现场”的三级指挥体系。应急现场：现场人员通过手持终端、布控摄像头、无人机等多媒体设备和传感器，采集现场信息，并与指挥所、远程中心进行实时通信。前方指挥所：通过高通量卫星地面设备、LTE 一体化基站实现与卫星、专网、公网的融合通信，构建承上启下的指挥枢纽。指挥中心：指挥员通过卫星、专网、公网接入，实时掌握应急现场态势，分析研判，合理指挥。
三、高通量卫星接入实现
为便于在应急状态下迅速建立稳定可靠的高通量卫星传输链路，卫星接入设备应当具有轻量化、体积小、易操作特点。我国首颗高通量通信卫星 “中星 16 号”已经交付使用，系统选用了两款该卫星的便携式小型化卫星站，采用连续可调节符号率数字调制解调技术，具有解调门限低、传输稳定、同步字节小，传输效率高的特点。同时采用主流的 LDPC 和Turbo 信道编码技术，使得信道传输效率进一步提升。为应对天气环境变化，采用基于自适应调制编码技术，使得传输链路能够结合传输链路质量的变化，而自动动态调整卫星传输带宽。考虑到极端条件下，需要人工徒步携带，所以卫星地面收发设备重点考虑便携性。上述两款设备天线面采用碳纤维材质，在支撑结构部分采用轻量化铝质材质设计。在结构方面，可拼装，各功能模块高度集成，以满足小型化、轻量化的要求，且操作简单，设计全自动对星。
四、基于 LTE 无线宽带的区域覆盖
在高通量卫星接入的基础上，应急现场还需要实现无线宽带区域覆盖。运用 LTE 无线宽带技术，为应急现场提供大范围宽带无线通信网路，快速建立现场应急指挥通信系统，解决“最后一公里”接入问题，为现场各类专用终端提供数据回传通道，同时提供实时无线音视频传输和调度指挥功能，并为现场工作人员提供宽带无线接入等功能。无线宽带专网包括一体化无线基站和用户终端设备。采用成熟的 LTE 技术体制，支持 TDD/FDD-LTE 等不同调制方式[9]，具有高可靠性、强抗干扰性和支持不同级别服务业务等级等特点。一体化无线基站：包括核心网处理单元、基带处理单元、无线射频单元、调度指挥单元和网络管理单元；用户终端设备：包括手持终端、无线摄像头、无人机、各种传感器等设备。背负式一体化基站总体重量<10kg，支持单兵背负、车载，支持“静中通”、“动中通”。具有灵活的组网方式，支持卫星、公网、Mesh、专网多种回传方式，可通过中继回传、终端拉远等、终端“背靠背”。
五、基于 MCX 技术的多媒体指挥系统与传统
通信方式不同，应急通信应当具有集群通信功能，要求具有一键呼、组播、通播、强插、强拆等功能，终端兼容性要求高。3GPP 的 MCX 通信标准，先后推出 R13-R15，具有 MC-PTT、MC-VIDEO、MC-DATA 等多项服务定义。MC-PTT：支持语音单呼、语音组呼、话语权控制、语音广播、动态重组、远程监听等。MC-DATA：支持数据服务、文件分发、数据流传输、图片传送、录像传送等。MC-VIDEO：支持视频单呼、视频组呼、视频上拉、视频推送、视频广播、单播 / 组播资源管理、环境监视等。基于 MCX 标准的多媒体指挥系统是基于 IP 技术架构的新一代综合指挥通信系统，集语音、视频、位置信息、数据业务为一体；能够提供包括语音指挥、视频指挥、GIS 指挥、数据上传、文本消息等多种多媒体信息的互联互通。系统是应急过程中安全可靠的通信基础，解决应急指挥员与相关方的通信协同问题，用户可以进行单呼、组播、会议等语音通信操作，指挥终端还可以进行强插、强拆、监听、禁话、转接、桥接、代答等调度操作。并支持无人值守、振铃组、轮巡组（优先、平衡）等功能；集群对讲，终端只需按下 PTT 键即可实现一键式对讲；支持多组、多级别对讲；支持动态重组和紧急呼叫；支持具有视频属性的指挥终端（GB/T 28181 监控终端，IP 摄像头、平板电脑、2/3/4/5G 手机等），调阅现场视频帮助指挥中心实时了解现场的各种变化，还可以把接收到的视频转发到其他指挥终端台和视频设备，便于指挥员做出快速合理的应急决策和协同处置。在应急条件下，指挥人员具有临时性，通常无法按照组织结构进行编组。因此，基于 GIS 的应急指挥功能非常实用，指挥员在指挥中心，通过可视化的指挥平台，可以清楚的掌握现场周围的资源，车辆人员的到位情况，根据救援进展情况，实时调派资源。
六、安全加密机制
在许多特定条件下，铁路应急指挥具有信息保密性，需要对通信信道或信源进行加密，以保障通信安全。在构建应急通信网络时，对移动终端设备和网络侧进行加密，实现保密通信。应急指挥通信系统综合运用密码技术和安全技术，构建集终端安全、网络安全、应用安全于一体的安全保密通信平台。支持端到端、端到服务的通信加密能力，具备“广域覆盖、随遇接入、安全保密”的移动通信能力，为应急指挥系统提供安全保障。对于前方指挥所和指挥中心，数据在接入非可信网络时，通过网络保密机进行加密，保障数据传输安全。对于移动通信终端（如手机、平板），由于可以直接接入公网和专网，无法在网络侧进行加密。因此，采用支持 TF 卡密码模块（硬件）与安全套件（软件）加密技术。TF 加密模块为标准 Micro TF 形态，内置自主可控的国产化芯片，可集成到带有 TF 插槽的设备中，提供基础密码服务。卡内集成一体化安全保密模块与安全接入模块（支持3G/4G/5G），对终端数据进行信源加密，实现终端的数据传输加密、身份认证、存储加密等功能。安全接入模块实现物理门卫式加密，保障公网和专网的安全接入。
七、结束语
本系统以小型化便携卫星地面站为基础，通过我国首颗高通量通信卫星 “中星 16 号”实现大带宽卫星接入，结合LTE 无线宽带技术实现应急现场的无线宽带覆盖，同时基于MCX 技术实现多媒体应急指挥系统，以加密技术对网络侧和终端侧进行加密，为通信卫星提供安全可靠的通信机制。
作者：张鹏 单位：国能朔黄铁路原平分公司