馬凱旋，馬立波，肖 躍，劉 凡，張 健

（1.中電防務(wù)科技有限公司，江蘇 南京 210000；2.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094）

0 引言

“天通一號(hào)”衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)是我國自主研制建設(shè)的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，近年來，已相繼完成多顆組網(wǎng)衛(wèi)星的發(fā)射。隨著我國衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)用戶的不斷增多以及應(yīng)用業(yè)務(wù)領(lǐng)域的不斷推廣，對系統(tǒng)通信服務(wù)可靠性的要求愈加突出。相比于傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型多、數(shù)量大，網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的工作更加復(fù)雜，因此，迫切需要開發(fā)出一套行之有效的、針對通信服務(wù)可用性的巡檢系統(tǒng)，能夠自動(dòng)地，常態(tài)化檢測全系統(tǒng)每個(gè)波束覆蓋區(qū)域下通信是否暢通，保證通信服務(wù)質(zhì)量，提升用戶體驗(yàn)。

1 研究現(xiàn)狀

巡檢一般意義上是指采取人工或者自動(dòng)的方式，按照預(yù)先規(guī)劃的巡檢路線或者制定的巡檢任務(wù)，在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)到達(dá)巡檢路線中的每一點(diǎn)，并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成對規(guī)定區(qū)域的巡查，執(zhí)行巡檢任務(wù)[1]，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。

目前，巡檢系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛，尤其是在包括通信、能源、城建在內(nèi)的一些基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)中應(yīng)用尤其廣泛。例如，在電力系統(tǒng)中，為了避免輸電環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題影響整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行，通常會(huì)對輸電線路進(jìn)行巡檢[2]。傳統(tǒng)的做法是采取人工的方式，派專業(yè)電力檢修人員到現(xiàn)場作業(yè)，這種做法效率低下，尤其是對于分布在山區(qū)野外等人跡罕至區(qū)域，不僅設(shè)備物資難以運(yùn)輸，作業(yè)人員的安全也得不到保障。近些年，無人機(jī)以其靈活性高、體型小、質(zhì)量輕、方便攜帶、成本低等優(yōu)點(diǎn)，開始被廣泛應(yīng)用在電力系統(tǒng)的自動(dòng)化巡檢中。無人機(jī)可以被快速部署到復(fù)雜地理環(huán)境中執(zhí)行巡檢任務(wù)。通常無人機(jī)會(huì)攜帶高分辨率攝像機(jī)、紅外測溫儀等傳感儀器，按照預(yù)定的巡檢任務(wù)路線，對輸電線路進(jìn)行診斷，然后通過4G或者衛(wèi)星等無線網(wǎng)絡(luò)回傳到地面系統(tǒng)中進(jìn)行自動(dòng)分析，極大地提高了電力巡檢的效率。近年來，無人機(jī)和智能機(jī)器人也逐漸應(yīng)用到石油、天然氣輸送管道的巡檢以及智能建筑的安防巡檢中。

在地面移動(dòng)通信系統(tǒng)中，對移動(dòng)通信基站與通信線路的巡檢通常采取路測的方式。測試人員會(huì)攜帶安裝有專業(yè)撥測軟件的計(jì)算機(jī)、專業(yè)測試儀表等，前往各個(gè)無線基站下，按照預(yù)先規(guī)劃的路線，對整個(gè)路段進(jìn)行撥測并收集性能數(shù)據(jù)。它是無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的重要手段之一，根據(jù)不同運(yùn)營商的不同需求，對無線環(huán)境的業(yè)務(wù)性能進(jìn)行驗(yàn)證，用于支持無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的合理規(guī)劃和資源的優(yōu)化配置。然而，這種方式不僅成本較高，而且單純依靠人工的方式避免不了錯(cuò)漏現(xiàn)象的出現(xiàn)。

區(qū)別于地面移動(dòng)通信系統(tǒng)中單個(gè)基站只能為有限范圍的區(qū)域提供通信服務(wù)，衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)通過高軌道GEO衛(wèi)星上轉(zhuǎn)發(fā)器的轉(zhuǎn)發(fā)功能，利用單個(gè)基站即可完成對整個(gè)國土范圍的通信覆蓋。如果采用地面移動(dòng)通信系統(tǒng)中路測的方式，那么運(yùn)營單位需要派遣大量測試人員在全國范圍內(nèi)開展長期測試，這種做法不僅效率低下、成本高昂，也無法完全做到對通信服務(wù)區(qū)域的全面覆蓋，如山區(qū)、荒漠以及需要船上作業(yè)的遠(yuǎn)洋區(qū)域等。因此這種做法只適用于系統(tǒng)開通時(shí)，運(yùn)營單位進(jìn)行通信服務(wù)的摸底測試，或者對任務(wù)重點(diǎn)保障區(qū)域進(jìn)行有針對性測試，如果把它作為常態(tài)化的巡檢手段則明顯不切實(shí)際。

因此，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的巡檢在過去更加關(guān)注對地面段通信設(shè)備的監(jiān)控，而不是通信線路是否正常，即通信服務(wù)是否可用。這種做法通常依賴于地面段網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的設(shè)備監(jiān)控能力，對發(fā)生故障的設(shè)備能夠及時(shí)產(chǎn)生告警，提示運(yùn)維人員進(jìn)行排查和檢修。然而單純依賴網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的監(jiān)控能力往往具有局限性，這一方面是由于衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)地面段設(shè)備構(gòu)成非常復(fù)雜，不僅包括一些通信設(shè)備，還包括一些負(fù)責(zé)協(xié)議處理、數(shù)據(jù)交換的軟件進(jìn)程等，網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)很難做到對所有通信節(jié)點(diǎn)的全面覆蓋；另一方面是由于一些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)本身不具備被監(jiān)控的能力，如一些射頻線纜的分合路器、接插件等，這些器件的破損、松動(dòng)往往也會(huì)導(dǎo)致通信線路的故障，而網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)很難感知到這類故障，運(yùn)營單位只能在收到用戶的反饋時(shí)才能發(fā)現(xiàn)這類問題，嚴(yán)重影響用戶的使用體驗(yàn)，因此需要其他巡檢手段，彌補(bǔ)單純設(shè)備盯防存在的缺陷和不足。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

為了彌補(bǔ)過去單純采取設(shè)備盯防的手段進(jìn)行日常巡檢維護(hù)存在的缺陷和不足，筆者認(rèn)為必須采取設(shè)備盯防與通信線路盯防相結(jié)合的方式，對衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)開展日常巡檢，因此，本文提出一種衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)地面線路巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)結(jié)合衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，參考地面移動(dòng)通信系統(tǒng)路測巡檢的方式，提出一種在地面段模擬衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)，無須經(jīng)過星地鏈路，即可實(shí)現(xiàn)在任意波束下?lián)軠y的目的，從而避免需要派遣測試人員前往各個(gè)待測波束覆蓋區(qū)域帶來的測試效率低的問題。本系統(tǒng)能夠按照規(guī)劃的巡檢任務(wù)，在規(guī)定的時(shí)間點(diǎn)和時(shí)間段內(nèi)，自動(dòng)完成對所有待測波束下地面通信線路的檢測，有效保證通信網(wǎng)絡(luò)的暢通。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)由地面段和空間段組成，地面段主要由各式用戶移動(dòng)終端和信關(guān)站組成。信關(guān)站是衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的地面基站，用戶終端之間通信，首先需要在信關(guān)站落地，再完成雙跳通信。衛(wèi)星與信關(guān)站間的通信鏈路為饋電鏈路，工作在F饋電頻段，衛(wèi)星與用戶終端間的通信鏈路為用戶鏈路，工作在F用戶頻段，F(xiàn)饋電頻段與F用戶頻段之間的頻率轉(zhuǎn)換工作由衛(wèi)星上的轉(zhuǎn)發(fā)器在空間段完成。

為了解決衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)相較于地面移動(dòng)通信系統(tǒng)頻率利用率低的問題，衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)在用戶鏈路上采取多波束賦形以達(dá)到頻率在空間上復(fù)用的目的，在饋電鏈路上采取極化復(fù)用的方式，提高頻率資源的利用率，增加系統(tǒng)容量。

考慮到星上處理較為簡單，并且衛(wèi)星工作較為可靠，因此如果能夠確認(rèn)信關(guān)站內(nèi)地面通信線路正常，則基本可以保證整個(gè)系統(tǒng)對外提供通信服務(wù)的可用。基于此點(diǎn)考慮出發(fā)，可以在信關(guān)站天線后端的每個(gè)極化方向上放置一臺(tái)處理變頻設(shè)備模擬星上轉(zhuǎn)發(fā)器的工作，以及一臺(tái)專門用于撥測的移動(dòng)終端，一起連接到信關(guān)站的地面環(huán)路中，通過靈活配置變頻器的工作中心頻點(diǎn)，向移動(dòng)終端下發(fā)撥測任務(wù)，即可實(shí)現(xiàn)對任一波束通信線路的巡檢。

4 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)組成

巡檢系統(tǒng)由巡檢管理軟件、巡檢終端、巡檢變頻器、SIP軟終端組成。

巡檢終端是將衛(wèi)星移動(dòng)終端去除電池、人機(jī)交互等模塊，以及其他適配改造工作后的2U機(jī)箱設(shè)備，方便在信關(guān)站機(jī)房內(nèi)上架安裝。巡檢終端上安裝有撥測軟件，可以在巡檢管理軟件的遠(yuǎn)程控制下做語音、數(shù)據(jù)和短信業(yè)務(wù)測試。

巡檢變頻器負(fù)責(zé)模擬衛(wèi)星上變頻轉(zhuǎn)發(fā)功能。如圖1中所示，工作在某一個(gè)極化方向上的變頻器的F饋電輸入口連接到信關(guān)站天線后端該極化方向的上行鏈路（即信關(guān)站的發(fā)射方向），F(xiàn)饋電輸出口連接到該極化方向的下行鏈路（即信關(guān)站的接收方向）；變頻器的F用戶輸入和輸出口分別連接巡檢終端的F用戶輸出和輸入口，這樣巡檢終端與信關(guān)站的一個(gè)極化方向上的地面線路即可構(gòu)成回路。為了保證巡檢能夠覆蓋任意一個(gè)極化方向上的波束，巡檢系統(tǒng)在每個(gè)極化方向上各需部署一套巡檢終端和巡檢變頻器。

在巡檢業(yè)務(wù)測試過程中，巡檢終端只作為主叫方使用，因此，在核心網(wǎng)下部署一部SIP軟終端作為被叫。本系統(tǒng)選用的SIP軟終端為CounterPath公司的產(chǎn)品eyeBeam，可以設(shè)置自動(dòng)接聽功能，方便語音呼叫測試。

巡檢管理軟件主要用于管理和控制巡檢系統(tǒng)內(nèi)的巡檢終端和巡檢變頻器。一方面為了監(jiān)控巡檢系統(tǒng)本身組成設(shè)備的工作狀態(tài)，另一方面，用戶可以通過巡檢管理軟件下發(fā)巡檢任務(wù)，巡檢管理軟件會(huì)通過遠(yuǎn)程配置變頻器操控巡檢終端來自動(dòng)執(zhí)行巡檢任務(wù)，存儲(chǔ)巡檢任務(wù)執(zhí)行的詳細(xì)結(jié)果。對于巡檢任務(wù)執(zhí)行過程中出現(xiàn)的業(yè)務(wù)測試失敗，巡檢管理軟件能夠立即產(chǎn)生一條故障告警，提示執(zhí)勤用戶進(jìn)行排查和檢修。

巡檢管理軟件采用IT界流行的前后端分離的B/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。前端為使用VUE.js和ElementUI開發(fā)的單頁應(yīng)用；后端使用Spring Boot構(gòu)建單個(gè)服務(wù)程序，采用模塊化分層設(shè)計(jì)。前后端間通過定義清晰的接口交互數(shù)據(jù)，避免前后端代碼的耦合，方便各自的擴(kuò)展和維護(hù)。

4.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

巡檢系統(tǒng)主要支持包括單波束巡檢、多波束巡檢和全網(wǎng)常態(tài)化巡檢三種方式的巡檢任務(wù)。

4.2.1 單波束巡檢

為了方便用戶快速掌握某一個(gè)波束通信服務(wù)的情況，用戶可以從巡檢管理軟件的人機(jī)界面輸入待測波束的波束號(hào)，選擇需要測試的業(yè)務(wù)類型，并輸入該業(yè)務(wù)類型測試所需配置的參數(shù)，例如語音業(yè)務(wù)測試需要配置循環(huán)測試次數(shù)、被叫SIP軟終端的號(hào)碼等。任務(wù)提交后，巡檢管理軟件在后臺(tái)會(huì)自動(dòng)執(zhí)行指定波束下的巡檢任務(wù)，用戶可以在巡檢任務(wù)執(zhí)行結(jié)束后查看任務(wù)執(zhí)行的詳細(xì)結(jié)果。

一次單波束巡檢任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果分為入網(wǎng)結(jié)果、語音結(jié)果、短信結(jié)果、分組結(jié)果等幾個(gè)部分。其中，入網(wǎng)結(jié)果中包含結(jié)果指示、DACCH誤碼率、無線接口中一些關(guān)鍵參數(shù)、入網(wǎng)失敗情況下的原因等；語音呼叫結(jié)果包含結(jié)果指示、接通時(shí)間、語音速率、呼叫失敗情況下的原因等；分組結(jié)果包含結(jié)果指示、上下行速率、丟包率、ping包時(shí)延等信息。此外，針對每一次檢測過程還有詳細(xì)的信令流程展示，方便在出現(xiàn)業(yè)務(wù)失敗的情況下，分析信令流程中的異常點(diǎn)，輔助分析地面線路中故障點(diǎn)位，例如，當(dāng)信令流程中斷在“位置更新拒絕”處時(shí)，可基本鎖定故障點(diǎn)位于核心網(wǎng)的用戶移動(dòng)性管理部分。

4.2.2 多波束巡檢

對于重點(diǎn)任務(wù)保障區(qū)域，通常不止有一個(gè)波束覆蓋，可能會(huì)有多個(gè)交疊波束同時(shí)覆蓋。用戶希望快速掌握整個(gè)任務(wù)區(qū)域內(nèi)的通信服務(wù)質(zhì)量，可以通過巡檢系統(tǒng)的巡檢管理軟件下發(fā)包含多個(gè)待測波束的巡檢任務(wù)，巡檢管理軟件會(huì)按序調(diào)度各個(gè)波束的測試，其對各個(gè)波束的巡檢與上述單波束巡檢功能相同。

4.2.3 全網(wǎng)常態(tài)化巡檢

全網(wǎng)常態(tài)化巡檢是巡檢系統(tǒng)最重要的功能，因?yàn)檠矙z系統(tǒng)的根本目的就是為了確保所有波束通信服務(wù)的可用性。巡檢系統(tǒng)能夠定時(shí)遍歷所有波束進(jìn)行話音、短信和分組數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)功能測試，保證通信服務(wù)在地理覆蓋以及業(yè)務(wù)種類覆蓋上的全面性。用戶可以在巡檢管理軟件中規(guī)劃巡檢任務(wù)執(zhí)行的時(shí)間段，錯(cuò)開用戶使用的高峰時(shí)段，避免通信服務(wù)忙時(shí)對系統(tǒng)資源的占用。

4.3 工作流程

由于全網(wǎng)巡檢及多波束巡檢都是按序調(diào)度單個(gè)波束巡檢任務(wù)的執(zhí)行，因此文章重點(diǎn)介紹單波束巡檢的工作流程。

（1）首先用戶利用巡檢管理軟件規(guī)劃并提交巡檢任務(wù)。

（2）巡檢管理軟件在后臺(tái)根據(jù)待測波束所在的極化方向，確定本次巡檢任務(wù)需要用到哪一套巡檢變頻器和巡檢終端。

（3）巡檢管理軟件根據(jù)系統(tǒng)預(yù)先規(guī)劃的待測波束的中心頻點(diǎn)，配置巡檢變頻器工作的中心頻率，確保與之相連的巡檢終端能夠接收該波束下的廣播信號(hào)，并且信關(guān)站能夠收到該巡檢終端的上行信號(hào)。

（4）巡檢管理軟件將系統(tǒng)預(yù)先規(guī)劃的待測波束的廣播頻點(diǎn)及任務(wù)配置，一起作為一次撥測任務(wù)下發(fā)給巡檢終端，巡檢終端直接切換到該廣播頻點(diǎn)搜索待測波束的廣播信號(hào)，從而避免掃頻盲搜，提高巡檢任務(wù)執(zhí)行的效率。

（5）巡檢終端收到撥測任務(wù)后，開始調(diào)度終端內(nèi)的CP模塊完成入網(wǎng)、呼叫、短信和分組數(shù)據(jù)等流程。

（6）巡檢終端在本次撥測任務(wù)結(jié)束后，返回結(jié)果給巡檢管理軟件。

（7）巡檢管理軟件收到測試結(jié)果后入庫保存，并對測試結(jié)果進(jìn)行分析，如果發(fā)現(xiàn)結(jié)果中出現(xiàn)了錯(cuò)誤，如入網(wǎng)失敗、呼叫失敗、分組激活失敗或者漏測等情況，將通過蜂鳴告警的方式，提示用戶及時(shí)進(jìn)行故障排查。

（8）用戶可以在巡檢管理軟件的任務(wù)歷史記錄中查詢到本次測試的詳細(xì)結(jié)果。

5 結(jié)束語

文章結(jié)合衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)自身特點(diǎn)設(shè)計(jì)的地面線路巡檢系統(tǒng)，彌補(bǔ)了過去單純采取對地面段通信設(shè)備盯防手段進(jìn)行日常巡檢維護(hù)存在的缺陷和不足，并且可以繞過星地鏈路，無須前往各波束覆蓋的特定地理區(qū)域，在信關(guān)站內(nèi)部即可完成對所有波束通信線路的巡檢，在提高巡檢效率的同時(shí)，有效保證通信網(wǎng)絡(luò)的暢通。未來本系統(tǒng)還可以與地面段網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)深度融合，幫助運(yùn)營單位從多個(gè)維度實(shí)時(shí)掌握系統(tǒng)運(yùn)行的整體狀況。