李 鋼，秦超杰

（1.水利部水利信息中心，北京 100053；2.淮河水利委員會(huì)通信總站，安徽蚌埠 233000）

1 概述

隨著國家對(duì)防汛抗旱工作的日益重視，為了確保防汛抗旱指揮調(diào)度命令傳送和水雨情遙測(cè)數(shù)據(jù)傳輸，水利系統(tǒng)建設(shè)了大量超短波通信系統(tǒng)作為偏遠(yuǎn)地區(qū)的基礎(chǔ)通信方式。目前，主要使用155、230 MHz2 個(gè)頻段，提供語音調(diào)度和水雨情數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)服務(wù)。隨著水利行業(yè)對(duì)通信帶寬和傳輸可靠性的要求不斷提高，傳統(tǒng)的超短波通信系統(tǒng)暴露出通信覆蓋范圍小、通信帶寬窄、信號(hào)誤碼率高等問題，嚴(yán)重制約了水利核心業(yè)務(wù)發(fā)展。

中繼站是超短波通信網(wǎng)的核心，直接決定了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能，為了充分利用現(xiàn)有資源，將傳統(tǒng)的超短波通信中繼站升級(jí)為超短波—衛(wèi)星混合式中繼站，用較低的投資大幅度提高超短波通信系統(tǒng)的綜合性能。

2 超短波通信系統(tǒng)現(xiàn)狀

超短波通信系統(tǒng)具有技術(shù)成熟、組網(wǎng)靈活、設(shè)備價(jià)格低廉的特點(diǎn)，國家無線電管理委員會(huì)劃分230 MHz頻段作為水利專用通信頻段。經(jīng)過多年建設(shè)，超短波通信系統(tǒng)在水利無線話音及數(shù)據(jù)通信的占有率超過30%。大量超短波水雨情遙測(cè)系統(tǒng)的建成，解決了基層單位（特別在公網(wǎng)GSM覆蓋不佳的偏遠(yuǎn)地區(qū)）的防汛抗旱指揮調(diào)度及水雨情測(cè)報(bào)問題。

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，基于超短波技術(shù)組建的無線通信網(wǎng)在帶寬、覆蓋范圍、數(shù)據(jù)加密等方面已經(jīng)無法滿足水利信息化的發(fā)展需求，嚴(yán)重制約了水利信息化的發(fā)展。

2.1 超短波中繼站的性能限制

中繼站是超短波通信網(wǎng)的核心，只有中繼站通信覆蓋范圍內(nèi)的站點(diǎn)才能進(jìn)行通信。由于實(shí)際地理環(huán)境的限制，1 個(gè)超短波的中繼站的覆蓋范圍不超過20 km2，擴(kuò)大系統(tǒng)覆蓋范圍就只能靠增加中繼次數(shù)實(shí)現(xiàn)，而多次中繼往往會(huì)出現(xiàn)信號(hào)質(zhì)量下降、噪聲疊加、工程成本大幅上升等問題。超短波通信網(wǎng)的通信性能依據(jù)超短波鏈路計(jì)算公式計(jì)算，公式如下：

式中：Pr 為接收功率（dBw），Pr≥Sr，Sr 為設(shè)備的接收靈敏度（dBw）；Pt 為設(shè)備的發(fā)射功率（dBw）；Gta為發(fā)射天線的增益（dBi）；Gra 為接收天線的增益（dBi）；Ltl 為發(fā)射端傳輸線路衰耗（dB）；Lrl 為接收端傳輸線路衰耗（dB）；Ltm 為傳輸空間衰耗（dB），Ltm= 92.5 + 20 1ogf +20 1ogd，f 為使用頻率（GHz），d為兩站之間的距離（km）。

Pr≥Sr的預(yù)留程度應(yīng)根據(jù)實(shí)地電磁環(huán)境的復(fù)雜程度、鏈路之間的物理環(huán)境和通信距離來定。一般在近距離的情況下，最少應(yīng)預(yù)留3 dBm 以上。傳輸距離越遠(yuǎn)預(yù)留增益應(yīng)越大，在遠(yuǎn)距離時(shí)預(yù)留增益應(yīng)在20 dBm左右。

由超短波鏈路計(jì)算公式可以看出，Ltl、Lrl、Ltm由實(shí)際地理環(huán)境決定，Pr 僅僅由Pt、Gta、Gra 決定。通信系統(tǒng)中較偏遠(yuǎn)的站點(diǎn)為了滿足通信鏈路的可靠，保證Pr 大于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最低值，需要提供更高的發(fā)射功率和更大的天線增益。

2.2 覆蓋范圍有限

2.2.1 覆蓋范圍及局限

超短波中繼站的通信覆蓋范圍是嚴(yán)格限制的，主要受天線增益、雙工電臺(tái)的發(fā)射功率、中繼站的海拔位置、地理環(huán)境及電磁環(huán)境等因素決定。公網(wǎng)超短波網(wǎng)絡(luò)中多采用蜂窩式布局?jǐn)U大系統(tǒng)的覆蓋范圍，但水利系統(tǒng)中超短波通信網(wǎng)絡(luò)往往沿河而建，呈長條狀布局，長度跨度經(jīng)常高達(dá)數(shù)百公里。為了保證流域內(nèi)的超短波通信暢通，不得不興建大量的超短波中繼站并且為減少中繼次數(shù)增加通信距離而降低系統(tǒng)的通信指標(biāo)（主要是降低誤碼率指標(biāo)）來滿足對(duì)通信距離的苛刻要求，如圖1所示。

圖1 現(xiàn)有超短波通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖2 通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

由圖2 可知，在地域跨度大的地區(qū)需要多次中繼才能進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。多級(jí)中繼通信體制存在著工程投資大、系統(tǒng)利用率低、設(shè)備數(shù)量多、土建成本高、后期維護(hù)工作量大等諸多問題。

2.2.2 天線的尺寸受限

（1）增加天線的尺寸可以增加天線增益及擴(kuò)大覆蓋面積。以8 db全向天線為例，其長度超過5 m，而3 db的全向天線的長度則不超過0.4 m。

（2）全向天線的尺寸比定像天線的尺寸大。由于設(shè)計(jì)原理不同，相同增益的定向天線的尺寸僅僅相當(dāng)于全向天線的40%。

（3）大尺寸的天線需要更好的地基基礎(chǔ)。由于超短波中繼站需要選址在地勢(shì)較高的山頂或樓頂，因此天線承受的風(fēng)力較大，需要建造大型地基，尤其是在風(fēng)力較大的西北和華東地區(qū)天線尺寸被嚴(yán)格限制。

綜上所述，實(shí)際工程中全向超短波天線受工程地質(zhì)氣象等條件制約，全向天線的體積受限，增益往往不超過10 db。

2.2.3 電臺(tái)發(fā)射功率有限

（1）增加電臺(tái)的發(fā)射功率可以擴(kuò)大中繼站的覆蓋范圍。但過高的發(fā)射功率會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾雜波（二次諧波危害最大），影響其他無線電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。我國無線電管理委員會(huì)對(duì)電臺(tái)有著嚴(yán)格要求，嚴(yán)禁發(fā)射功率過高或性能指標(biāo)不合格的設(shè)備使用。

（2）電臺(tái)的發(fā)射功率增大，其功耗也會(huì)大幅度增加。尤其是野外地區(qū)的中繼站，業(yè)務(wù)繁忙的全雙工電臺(tái)處于24 h不間斷工作狀態(tài)，供電又大多采用太陽能/蓄電池的方式，因此電臺(tái)的發(fā)射功率通常不能超過35 W。

綜上所述，在市電支持下的超短波中繼站的發(fā)射功率可以達(dá)到50～100 W，但在偏遠(yuǎn)地區(qū)為采用太陽能/蓄電池方式供電的超短波中繼站的發(fā)射功率不超過35 W。

2.3 多級(jí)中繼導(dǎo)致的通信質(zhì)量惡化

在超短波模擬通信系統(tǒng)中最嚴(yán)重的問題就是由于中繼次數(shù)的增加而導(dǎo)致的信號(hào)質(zhì)量嚴(yán)重下降。模擬中繼將接收到的信號(hào)進(jìn)行放大以補(bǔ)償空間鏈路的傳輸損耗，其本身不對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，這導(dǎo)致載波信號(hào)放大的同時(shí)噪聲也同步進(jìn)行了放大，每進(jìn)行一次模擬中繼都會(huì)造成噪聲的積累（簡稱加性噪聲），多次中繼后信噪比嚴(yán)重惡化。

在超短波數(shù)字通信系統(tǒng)中，數(shù)字中繼將接收到的信號(hào)進(jìn)行再生、放大處理后再將信號(hào)發(fā)送出去，可以解決信道加性噪聲累加問題。但數(shù)字中繼需要發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備均采用同一編碼方式才能進(jìn)行通信。目前超短波中繼站的生產(chǎn)廠家分屬不同系統(tǒng)自成體系，設(shè)備間難以兼容。如，A廠家的數(shù)字系統(tǒng)采用漢明碼，B廠家的數(shù)字系統(tǒng)采用格雷碼，兩個(gè)廠家生產(chǎn)的設(shè)備很難互通。兼容問題嚴(yán)重影響了超短波數(shù)字中繼系統(tǒng)的推廣速度。

2.4 通信帶寬低

目前，水利系統(tǒng)的超短波通信系統(tǒng)受發(fā)射功率及天線尺寸的限制，整體性能較低，傳輸速率不超過9 600 bps，僅能滿足傳輸一路話音和低速水雨情數(shù)據(jù)的傳輸，不支持TCP/IP 協(xié)議，無法傳輸IP 數(shù)據(jù)包。大量基于230 M超短波通信的水雨情數(shù)據(jù)采集網(wǎng)，原設(shè)計(jì)中鏈路設(shè)計(jì)的指標(biāo)較低，在滿足偏遠(yuǎn)地區(qū)話音及低速數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)上在通信覆蓋范圍和系統(tǒng)投資之間取得了較好的平衡，但這種系統(tǒng)不適合傳輸大容量、高實(shí)時(shí)性的業(yè)務(wù)，更無法支持現(xiàn)在主流的IP數(shù)據(jù)通信。

3 VSAT衛(wèi)星中繼站的應(yīng)用

3.1 VSAT衛(wèi)星小站的特點(diǎn)

VSAT 衛(wèi)星通信網(wǎng)是具有甚小口徑天線的智能化小型地球站，集成度高、系統(tǒng)投資低、組網(wǎng)方案靈活可靠，近年來得到了廣泛應(yīng)用，截至2014年底全國水利衛(wèi)星VSAT小站數(shù)量已經(jīng)突破600個(gè)。VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)具有以下特點(diǎn)：

（1）集成度高，設(shè)備體積小，重量輕，耗電少，造價(jià)低，維護(hù)和操作簡單。根據(jù)使用條件的不同，小站天線的直徑可以控制在0.3～2.4 m，發(fā)射功率可以在1～2 W。設(shè)備集成度高，建站費(fèi)用比建超短波中繼站節(jié)約50%以上。

（2）通信距離遠(yuǎn)，覆蓋范圍大，組網(wǎng)靈活。通過靜止衛(wèi)星進(jìn)行通信，通信范圍可以覆蓋全國，通信費(fèi)用不因距離的增加而增加。如，在圖1 中的長條形通信中，連接通信站1、2、3、4 的中繼站可以由超短波中繼站的8個(gè)減少到4個(gè)VSAT衛(wèi)星中繼站，減少中繼站數(shù)量，節(jié)約系統(tǒng)投資。

（3）通信效率高，性能質(zhì)量好。系統(tǒng)帶寬支持64 kbps～2 Mbps等多種帶寬劃分方案。

（4）基于IP數(shù)據(jù)傳輸?？蓪⒛M中繼機(jī)接收的模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過程中支持差錯(cuò)控制等多種安全機(jī)制，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3.2 VSAT衛(wèi)星中繼站與超短波通信網(wǎng)的組網(wǎng)

VSAT 衛(wèi)星中繼站可以方便地與現(xiàn)有超短波通信網(wǎng)融合互聯(lián)，僅增加串口服務(wù)器、衛(wèi)星小站單元IDU、功放BUC、低噪放大器LNB、天線等硬件設(shè)備，結(jié)構(gòu)如圖3—4所示。

遙測(cè)站將水情數(shù)據(jù)發(fā)送到中繼站，中繼站的串口服務(wù)器將接收到的水情數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的IP 數(shù)據(jù)包后發(fā)送到衛(wèi)星小站單元IDU，功放BUC 將IDU處理后的IP數(shù)據(jù)發(fā)送到通信衛(wèi)星，經(jīng)過通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)，水情分中心可以實(shí)時(shí)接收各種類型遙測(cè)站的水情數(shù)據(jù)。

圖3 VSAT衛(wèi)星中繼站組網(wǎng)

圖4 VSAT衛(wèi)星中繼站設(shè)備組網(wǎng)

4 結(jié)語

超短波通信網(wǎng)是目前偏遠(yuǎn)地區(qū)水利無線通信系統(tǒng)里的重要組成部分，如何在充分利用現(xiàn)有資源的基礎(chǔ)上提高系統(tǒng)的綜合性能成為水利信息化技術(shù)人員的研究重點(diǎn)。超短波中繼站決定了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能，通過增加VSAT 衛(wèi)星小站設(shè)備，超短波中繼站可以更加靈活地布局，增加超短波通信網(wǎng)的覆蓋范圍，減少中繼站數(shù)量，提高鏈路信號(hào)質(zhì)量。