Ku卫星传输及视频监测系统设计
摘要：通过VSAT卫星网络将先进管理手段延伸到作业现场，为油田管理ERP系统提供传输平台，为生产远程监控和指挥调度提供信息通信保障。考虑到卫星网络所特有的覆盖范围广、不受地理条件限制、建设周期短、且具有可搬移性，可重复利用、以及能够迅速开通提供服务等优势，网络中还可加入车载站，以满足紧急情况下应急通信的需要。
关键词：Ku波段；卫星传输；视频监控
中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044（2012）30-7358-04
卫星通信和现有的其它通信方式（如光纤通信和移动通信等）相比，具有通信容量大、覆盖地域广、不受地理条件限制和通信方式机动灵活等显著优点。考虑到卫星网络所特有的覆盖范围广、不受地理条件限制、建设周期短、且具有可搬移性，可重复利用、以及能够迅速开通提供服务等优势，网络中还可加入车载站，以满足紧急情况下应急通信的需要。从海上油田发展的角度来看，将卫星网络的通信业务扩展到海上平台、船只或可搬移站，从而打造一个覆盖全面、业务立体、资源利用高效的一体化通信平台是十分有必要的。
1 系统设计要求
拟将位于油田总部的地面网络延伸到边远油田和海上钻井平台。通过卫星延伸，提供为测井生产监控、指挥调度日常通信和自然灾害情况下的生产支持系统。此测井作业信息监控管理系统的主要功能为：
a、通过监控视频回传和控制，提供为测井生产监控、指挥调度日常通信和自然灾害情况下的生产支持系统。
b、为偏远地区及海上平台测井作业现场提供与油田总部之间的话音通信、油田ERP系统的互联互通、因特网访问以及作业现场情况回传等任务。
c、向边远油田和海上钻井平台提供到油田总部的通信服务，并在需要时向作业船只提供船载通信服务。接入测井专用营房式方舱，支持现场应急指挥通信，按需传输视频监控、数据、话音业务。
d、向其他公司提供业务支持便利，从而综合利用卫星通信资源。
e、远端站之间实现话音和数据通信，比如任何两个海上平台测井作业现场或两个车载远端站之间。
f、在建设初期，卫星网络由中心站和远端站组成，中心站设在油田总部，远端站都分布在作业现场，远端站采用可搬移方舱式。
g、远端站与中心站设计有传输两路双向话音，一路视频和一路数据的能力。各远端站之间设计为有传输话音和数据的能力。
2 系统分析
2.1 卫星通信体制分析
2.1.1工作波段的选择
本系统首选使用Ku波段，其优点是：首先，工作频率高，在同样天线增益条件下，地球站天线口径小，在同样口径下，地球站天线波束窄，降低了接收系统的成本；同时，目前Ku波段卫星转发器的EIRP和G/T值都比C波段高，降低了发射系统的成本；其次，缓解C波段频段拥挤的情况，由于这个频段远离于地面无线电中继通信频段，不存在地面中继与卫星通信之间的相互干扰问题，因此，接收设备不必避开中继站，允许设在城市区，节约了投入费用；再次，其租用的卫星带宽的费用要比C波段的低很多。
2.1.2中继卫星的选择
中继卫星的选择原则是：一、卫星的覆盖范围；二、卫星转发器在业务需求范围的EIRP、 G/T和 SFD等与链路计算相关的参数；三、中心站和远端站的天线仰角，天线仰角设计为不低于10度。根据这些原则我们选择了AsiaSat-4号卫星。
2.1.3卫星通信网络拓扑结构
系统采用星状+网状的混合网络拓扑，其中以星状网为主，远端站和中心站可进行话音、数据、视频通信；以网状网为辅，远端站之间可进行话音、数据通信。
2.1.4 iDirect网络结构功能的实现
1）iDirect 星形/网状体系结构
iDirect星形/网状解决方案将星形网络拓扑结构的优势与网状网络的直接单跳远端站之间连接结合起来。在星形网络中，所有远程终端与中心站直接连接。这是应用程序（终结为互联网、公共电话网络或企业数据中心等公共点）的理想选择。在网状网络中，基于目的地IP地址，远程终端可以将IP数据包直接发送至其它远程终端。星形/网状远程卫星路由器可以将标准入向信道和和中心站出向信道用于网状控制信息。iDirect网状网解决方案是使用与星状网完全相同的入向MF-TDMA，来实现网状通信。图1为网络体系结构。
2）下行信道
iDirect中心站是在下行信道传输的星形/网状网络中的唯一节点。需要从中心站发送到远端站的IP数据包在所有远端站均可接收的共享广播信道上发送。每个远程终端为运用独特媒体存取控制（MAC）地址识别的数据包筛选输入数据流，并将其发送至LAN端口。下行信道也可用于发送来自中心站网络管理系统（NMS）和动态带宽分配变化的网络控制信息。
3）网状MF-TDMA上行信道
星形/网状网络的上行链路包括一个或多个共享D-TDMA信道，该信道提供了远程终端之间和由远端站返回到中心站的IP连接。在协议处理器中，基于动态带宽分配算法，信道上的中心站为远程终端分配了传输时隙。
因此，iDirect系统不仅具有功能强大的星状网络通信能力，还可实现远端站之间的卫星一跳通信连接，带宽动态共享，工作在一个网络内的全部远端站都可以实现互通，不需要人工干预。
2.1.5卫星通信体制
该项目的网络设计为一个中心站出向TDM载波，一个网状入向TDMA载波和一个星状入向TDMA载波组成。则通信体制即采用的是TDM/TDMA体制。
2.2业务功能设计
本系统的主要业务功能设计为：1）网络连接；2）话音和传真；3）视频监控和视频会议；4）远端站的“静中通”的工作方式；5）网络中的带宽能实现自动的带宽按需分配；6）完善的网管功能，具有完善的带宽按需分配（BOD）功能和优先等级（QoS）保证机制。提供TCP加速功能；7）具有高度可扩展性；8）系统工作在Ku频段；9）远端站选用具备“一键式”自动对星功能的天线；
2.3业务容量和载波设计
在该卫星视频传输及监测系统中，用户的业务分为VoIP话音、IP数据、视频监控以及视频会议几类，这几种业务具有不同的特点。通常，话音和视频业务属于实时业务，享有较高优先级，以保证其传输质量。但除了固定的视频监控外，其它视频业务，如应急现场的视频回传、视频会议多属于偶发或少发业务，故在载波设计时可考虑与优先级较低的数据业务共用带宽。当有视频业务时，优先传输视频业务。一旦传输完成，带宽即可释放给其他业务使用，从而使带宽得到充分利用。
该项目的网络设计为一个中心站出向TDM载波，一个星状入向TDMA载波和一个网状入向TDMA载波组成。根据载波分析，可以算出全系统总占用带宽，由此可与卫星公司联系卫星转发器租用事宜。
2.4系统功率配置
系统功率配置按照有200个远端站进行功率配置，这样在后期系统扩容则功率配置无需改变，系统设计数据速率为2.256Mbps，同时支持中心站与远端站之间的话音、数据及视频通信和远端站之间的话音和数据通信。
用户中心站原有6.2米天线，远端站采用1.2米Ku波段天线。
由于本网络要求支持远端站与远端站之间的单跳通信，所以设计时首先考虑远端站与远端站之间采用256Kbps TDMA载波时的天线和功放配置情况。
则各站功率配置如下：中心站：40W，远端站：10W。
3 系统设备
3.1 系统配置
系统将采用星状+网状的通信拓扑方式，中心站采用6.2米口径天线，远端站采用1.2米可搬移方舱式远端站，并需要考虑网状业务传输要求。iDirect网络拓扑结构和系统体制示意图如图2所示。
图2网络拓扑结构和系统体制示意图
3.2 中心站设计
中心站向远端站广播TDM载波，接收远端站的TDMA回传。
中心站由天线及自动跟踪系统、射频设备、卫星通信信道设备和网管系统组成。天线口径为6.2米。中心站天线图3如下：
中心站的功能设计：1）网络管理；2）实现与远端站的数据通信；3）实现与远端站的视频传输；4）实现接入Internet；5）保证与远端站的电话通信及接入市话网功能；6）保证远端站与使用厂家局域网联网；7）中心站下行信道提供网状拓扑结构控制（包括远端站之间通信量的载波和时隙分配）信息的传送通道。
3.3 远端站设计
远端站采用可搬移方舱式，方舱式移动站我们是将通信终端设备放置在一个集装箱中，将卫星天线安装在集装箱顶部，将通信终端设备、卫星通信天线和集装箱组合成一体，把集装箱改装成操作方舱，这样整个卫星通信终端有利于运输和搬运，具备了VSAT卫星通信的所有优点：（图4为远端站设备连接示意图。）
1）通信距离不受地理环境限制；2）组网灵活，建设周期短，扩展能力强；3）通信容量大、质量高，支持宽带多媒体业务；4）成本与距离无关，设备维护方便；5）安全、可靠的系统运行，保密性强；6）广播和组播特性。
还具备了一些新的优点：1）天线折叠收于集装箱内，便于运输以及防止海上盐雾腐蚀等；2）天线电动展开，自动寻星，组网方便；3）天线和操作方舱一体，不需要安装，随时可用。
4 系统扩展性分析
系统可扩展性主要按以下几个部分分析：1） 覆盖地区扩展；2） 频段扩展；3） 设备的可扩展和兼容性；4） 网络拓扑结构的扩展。
5 结论
通过VSAT卫星网络将先进管理手段延伸到作业现场，为油田管理ERP系统提供传输平台，为生产远程监控和指挥调度提供信息通信保障。
参考文献：
[1] 庞诚，张乃禄，贺安武，等.油田数字化井场建设与施工[J].油气田地面工程，2011，30（11）：79-80.
[2] 宋玉锋，周泓.远程数字视频监控系统的设计与实现[J].计算机工程，2002，28（8）：238-239，273.
[3] 田清军.基于VSAT的卫星通信系统链路的设计[J].移动通信，2011，35（22）：74-78.
[4] VSAT卫星通信系统[J].军民两用技术与产品，2011（11）：46-47.
[5] 赵国顺.浅谈对Ku波段卫星通信雨衰影响的分析和处理办法[J].电光系统，2011（1）：25-28.
下一篇：多点步进电机的远程位置控制系统