公開發表通信學術論文
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公開發表通信學術論文篇一
衛星通信在電力系統應急通信的應用探討
摘要：自然或人為的突發性緊急情況，往往可能導致正常通信設施的破壞，建設應急通信機制，有利于構建堅強可靠的電力通信網。本文結合衛星通信技術的特性，探討衛星通信在電力系統應急通信的 應用方案。
關鍵詞：應急通信、電網通信、衛星通信、應用分析
作者信息：
羅瑤，廣東省電力設計研究院，研究方向：電力系統通信規劃和設計，廣東，廣州，510663
概述
電力系統應急通信是指在出現自然或人為的突發性緊急情況，如臺風、海嘯、暴雨、洪水、地震、冰雪或人為破壞，在原有變電站正常通信設施可能出現癱瘓或擁塞的情況下，為應對緊急情況而綜合利用各種通信資源和設備， 組織建立的一種特殊的通信機制。應急通信在發生緊急情況時，可以在原正常通信系統癱瘓情況下盡快恢復通信，保障電力系統正常運行或盡快恢復運行，最大限度減少對 社會和國家造成的損失，保障社會、國家各項 工作的順利執行。
大多數情況下，無法確定預知什么時候會需要應急通信，無法進行事先準備。有些情況下，雖然人們可以預知需要應急通信的大致時間，但卻沒有充分的時間做好應急通信的準備。 大多數情況下，也不確定需要應急通信的地點。僅少數情況下，可以大致確定需要應急通信的地點。這些地點包括有天氣預報的臺風影響的區域，有地震預報的地震影響區域等。
近年來衛星技術得到很好的 發展，衛星采用動態功率 管理和動態帶寬管理(DLA)等新技術，能根據天氣的變化自動調整星上的功率分配，同時能自適應地調整衛星鏈路的調制和糾錯編碼方式，以保證降雨時通信鏈路的暢通。目前衛星新技術的采用，使系統的容量更大，在鏈路帶寬、可靠性和傳輸性能都得到了提高，終端站成本和衛星鏈路成本也進一步降低。目前采用基于IP 包交換技術的寬帶通信系統，能靈活的接入多種業務。新一代的衛星通信地面站安裝簡單、快捷，更便于受災情況下的設備迅速安裝。
本文將簡要介紹衛星通信的技術，給出衛星通信在電力系統應急通信的推薦應用方案，并綜合分析其 經濟性等，并形成衛星通信在電力應急通信系統應用的結論。
衛星通信技術簡介
基本原理
衛星通信設備包括射頻設備和中頻設備，射頻設備選用Ku波段≥16W ODU，中頻設備為衛星調制解調器。其工作過程為：上行方向，來自通信終端設備如圖像編解碼器、 計算機、語音、圖像、數據等數據流經過復接器傳給衛星調制解調器，經過編碼、糾錯、調制后形成70MHz中頻信號，再傳輸送至ODU，通過變頻及信號放大，形成Ku波段信號，由衛星天線發射上星;下行方向，由天線接收到的來自衛星的Ku波段信號，經ODU放大變頻后成為70MHz信號，傳送給衛星調制解調器，信號被解調、解碼后形成基帶信號，再經過復接器分發給各個通信終端。衛星調制解調器可同時接收到自己發射的下行信號，通過顯示器監控發射圖象信號的質量。
組網方案
同步衛星通信系統(GEO)是終端在移動，衛星是靜止的(由于衛星繞地球的運行周期與地球自轉同步，而對地球應相對靜止)，所以又稱為靜止軌道衛星系統。 GEO的衛星距地約36,000Km，通常約三顆衛星可以覆蓋全球。移動站與衛星間的移動衛星鏈路用L頻段，衛星地面站與衛星間的無線饋線鏈路采用C頻段(圖1)。目前較普遍采用的VSAT(小站衛星系統)也屬于這類系統。VSAT由主站、小站和衛星組成，主站使用大型天線，用于Ku波段的天線直徑為1.2m-8m，用于C波段的天線直徑為7m-13m;小站天線的直徑為0.3m-2.4m。
圖1 VSAT通信系統示意圖
技術特點
衛星通信的傳播距離遠。同步通信衛星可以覆蓋最大跨度達一萬八千公里的區域。在這個覆蓋區的任意兩點都可通過衛星進行通信，而微波通信一般是50公里左右設一個中繼站，一顆同步通信衛星的覆蓋距離相當于300多個微波中繼站。
衛星通信路數多、容量大。一顆現代通信衛星，可攜帶幾十個轉發器，可提供幾十路電視和成千上萬路電話。
衛星通信質量好、可靠性高。衛星通信的傳輸環節少，不受地理條件和氣象的影響，可獲得高質量的通信信號。
衛星通信運用靈活、適應性強。它不僅能實現陸上任意兩點間的通信，而且能實現船與船、船與岸上、空中與陸地之間的通信，它可以組成一個多方向、多點的立體通信網。
衛星通信成本低。在同樣容量、同樣距離的條件下，衛星通信和其他通信設備相比，耗費的資金少，衛星通信系統的造價并不隨通信距離的增加而提高，隨著設計和工藝的成熟，成本在不斷降低。
衛星通信推薦應用方案
衛星通信解決方案
針對電力系統變電站為主的應急通信需求，由于變電站位置固定，故暫不需要考慮可移動的車載衛星終端。采用衛星通信系統組成電力應急通信系統，有以下3個方案：
衛星手機方式
根據需要在變電站配置多套衛星手機，租用運營商的信道。
在應急情況下需要優先解決的是語音業務，目前衛星運營商已推出衛星移動手機的服務，它采用基于衛星的GSM變種模式，衛星上共有140個L波段點波束，系統采用7小區頻率復用模型(理論上與GSM相似)。在應急情況下，由衛星手機與調度中心建立語音通信，由調度中心對變電站進行語音調度和指揮。
固定式衛星終端
在調度中心設置一個衛星通信固定中心站，在重要變電站或者臺風易發生的變電站設立固定式衛星終端。
應急通信網采用點對多點的結構，租用衛星通信 網絡運營商提供的鏈路服務，組成衛星寬帶網的電力調度應急無線通信網，衛星通信網可以作為光纖傳輸網的備用方式。衛星通信網是基于IP協議的，同一平臺支持多種業務，包括話音和數據業務，每條租用的衛星鏈路不小于64K。其中要求衛星中數據的雙向傳送應能滿足調度自動化設備廠家及電力傳輸規約要求。
圖2 固定式衛星終端結構示意圖
便攜式衛星終端
在調度中心設置一個衛星通信固定中心站，配置兩套便攜式衛星終端。
應急通信網采用點對多點的結構，租用衛星通信網絡運營商提供的服務，組成衛星寬帶網的電力調度應急私有子網。各子站的設置位置既考慮地理上覆蓋均勻，又要考慮站點的重要性。便攜式衛星終端平時不工作，出現突發災難或事故時，將便攜式衛星終端迅速運往受災變電站，進行建議安裝便可使用，主要與調度指揮中心通信，可以把事故現場的視頻圖像傳回指揮中心，統一由指揮中心進行語音調度，并與現場召開視頻會議，指揮搶險救災。根據災難情況一般有一個或多個移動子站投入使用。衛星通信網要求基于IP協議的，同一平臺支持多種業務，包括數據、話音、圖像以及多媒體業務，考慮到視頻的質量，建議租用鏈路不小于2Mbps。
圖3 便攜式衛星終端結構示意圖
方案比較
方案二及方案三，調度中心需配置衛星天線、解調設備及網絡管理系統，中心交換機需采用高端的三層交換機，并配置VOIP網關與現有帶VOIP網關的行政交換機的連接，可提供多路電話和傳真。其中，第三種方案可利用H.323協議接入現有的會議電視系統，由交換機進行VLAN的劃分和路由的指向。便攜式衛星通信終端要求體積小，重量輕，安裝架設快速方便。它可以在衛星通信車無法到達的現場實現衛星通信功能，為現場與指揮中心之間提供視頻、音頻、數據和語音通信。
衛星通信頻段選擇
選擇Ku波段的優點是：使VSAT小站的天線口徑小、便于便攜和車載。受變電所電磁諧波干擾影響也更小;但由于主要應急通信區域基本上都在降雨量很大的南方亞熱帶和熱帶地區，雨衰問題必須考慮。可根據鏈路計算，預留足夠余量，并將VSAT小站的發射功率按推到飽和狀態運行。
選擇C波段的優點是：雨衰特性比Ku波段要好，受降雨對VSAT通信的影響比Ku波段要小得多。但在C波段下，VSAT應急臺站的天線口徑要比Ku的要大、不便于便攜，如果用于車載臺站，則勢必很大的增加車輛的造價。
如果選擇固定臺站采用C波段，而便攜和車載臺站選擇Ku波段，則會極大地增加臺站間各種業務互通之間的難度和質量。因此，無論使固定臺站還是移動臺站還是宜選擇同一波段的同一網絡平臺。
經濟分析評價
衛星通信三種方案在提供業務類型、技術特點及建設費用等方面的比較如下：
衛星手機 固定式衛星終端 便攜式衛星終端
提供的業務類型 語音 語音、數據 語音、數據、視頻
是否需要中心站 否 是 是
衛星小站硬件費用 最低 中等 最高
移動性 好 不好 好
帶寬 (GSM)9.6kbps;
(衛星)2.4kbps 64kbps至2Mbps 2Mbps/4Mbps可選
鏈路租用費用計算方法 按分鐘計算 按帶寬及月計算 按小時計算
鏈路租用費用 最低 中等 較高
綜合以上三種方案，如果考慮電力系統二次安全防護體系，調度自動化業務必須在電力專網上承載，那應急情況下也只需恢復語音業務，那就采用衛星手機方式。當在應急情況下如果能允許調度自動化業務由公網承載，固定式衛星終端目前能解決語音和調度自動化業務的傳送，它可以作為光纖通信方式的備用，由于固定站的建設費用和鏈路租賃費用不高，可以在重要的500kV變電站采用這種方式進行業務的保護，需要用的時候才打開設備進行傳送。便攜式衛星終端更傾向于解決變電站的搶險救災，由于硬件費用較高，不建議大面積設立，而且由于視頻對帶寬要求高，只能實現中心站與最多兩個受災點的 聯系。
結論
衛星通信具有無縫覆蓋，覆蓋面廣，通信距離長，通信線路穩定，通信頻帶寬、容量大等特點。對于受災地點不確定和時間不確定等因素，衛星通信具有不可比擬的優點。建議電力系統可采用以上介紹的三種方案互相結合的方式，實現高效、快捷、靈活、可靠、經濟的應急通信。
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