第 2 期 罗袁君等：基于低轨卫星互联网的双模通信终端技术 ·97·

音频处理单元：实现音频通路和音频处理。

定位单元：实现定位功能并对通信模组提供秒脉冲输

入信号。

自组网通信模组接口单元：实现与自组网通信模组的

板对板连接接口，实现自组网通信模组所需的数据、控制

和供电。

卫星通信模组接口单元：实现与卫星通信模组的板

对板连接接口，实现卫星通信模组所需的数据、控制和

供电。

电源管理单元：实现系统充电和供电管理。

2.4 软件设计方案

2.4.1 终端软件组成

软件设计包含针对通信模组的基带软件设计和针对

应用模组的应用软件设计。基带软件主要完成射频信号的

编解码及解析等功能，应用软件主要完成用户数据获取、

整机控制以及与通信模组进行交互等功能。

2.4.2 自组网通信模组软件方案

自组网通信模组软件基于定制化基带平台进行开发，

主要包括数字信号处理器（DSP）处理部分和数据控制接

口部分。该部分采用模组全集成方案，通过整机联合测试。

2.4.3 卫星通信模组软件设计

卫星通信模组软件为基础软件，分为物理层和协议

栈，其中平台软件负责底层软件初始化、基带信号控制收

发等操作，属于物理层子系统。物理层主要负责底层基带

信号的数字化收发处理，包括调制解调、编解码、数据校

验和加解扰等操作。协议栈负责用户接入控制、数据收发

控制、数据同步控制等操作。

图 7 软件设计方案框图

2.4.4 应用模组软件设计

此部分的软件设计包括运行于客户端与服务器端的

即时通信软件以及移动报文转换与探测软件。

2.4.4.1 软件组成

（1）即时通信软件

应用模组中的软件基于当前的安卓系统平台和通信

程序代码基础进行设计，通过客户端 bind 服务器端的方式

建立连接，其中网络的终端设备失活由移动设备移动报文

转换与探测软件主动通知。

考虑到系统的后续可扩展性，在即时消息服务器中采

用一切都是消息的设计理念，从而轻松地扩展自定义消

息，无须修改服务器代码。通过使用微服务架构，可以使

用集群进行部署。通过在服务器上的部署，开发人员可以

快速地将即时消息和实时网络功能集成到自己的应用程

序中，并确保业务数据的安全性和隐私性。服务端由接

入层、逻辑层和存储层组成，如图 8 所示，各个层次能

够依据业务特点专注于本层次的事情，提高系统复用性，

降低业务间的耦合。

接入层：消息通过 websocket 协议接入，其他通过

http/https 协议接入，消息是高频及核心功能，通过双协议

路由，体现了轻重分离的设计思想。

逻辑层：通过 rpc 实现无状态逻辑服务，易于平行扩

展，消息通过 MQ 解耦。

存储层：Redis 存储 token 和 seq；MongoDB 存储离

线消息，并定时删除 14 天（可自行配置）前数据；MySQL

存储全量历史消息以及用户相关资料。数据分层存储，充

分利用不同存储组件的特性。

ETCD：服务发现和注册，以及分布式配置中心。

服务器配置分为基础组件配置和业务内部服务配置。

开发人员在使用产品时需要填写每个组件的地址作为其

服务器组件的地址，并确保业务的内部服务端口未被占

用，主要的服务组件如下。

ETCD 用于发现和注册 rpc 服务，ETCD Schema 是注

册名称的前缀，建议修改为用户公司名称，ETCD 地址

（ip+port）支持集群部署，可以填写多个以逗号分隔的

ETCD 地址，也可以只填写一个 ETCD 地址。

MySQL 用于消息和用户关系的完整存储，暂时不支

持集群部署，修改地址、用户、密码、数据库名称。

MongoDB 用于消息的离线存储，默认存储为 7 天，

暂时不支持集群部署，只需修改地址和数据库名称。

Redis 目前主要用于消息序列号存储和用户令牌信息

存储，暂时不支持集群部署，只需修改相应的 Redis 地址

·98· 天地一体化信息网络 第 5 卷

和密码即可。

Kafka 是使用 Kafka 作为消息传输的存储队列，支持

集群部署，只需修改相应的地址即可。

服务器端消息模型采用经典的收件箱模型，并通过全

局 seq 做消息对齐，简化架构，体现了简单美的架构设计

理念。

即时消息客户端 SDK 负责和 IM 服务端交互，本地数

据存储和同步，消息、事件回调。开发者通过集成 SDK，

自行开发聊天用户界面（UI），设置事件监听回调实现数

据和 UI 对接。

（2）移动报文转换与探测软件

在本次设计中，考虑到移动设备丢失需通过 TCP/IP

接口的方式通知到其他终端设备，本方案设计通过转换表

实现双向通信，并采用 ARP 免费报文的方式来实现设备

保活探测，如图 9 所示。转变表项见表 1。

图 9 报文转换示意

表 1 转变表项

BD_ENTRY

数据成员 意义

Uuid 唯一标识符

VniId 虚拟网络编号

Bd_hash_entry 哈希查询关键字

Arp_head Arp 表的地址

Port_head Port 表的地址

… …

ARP 表项的主要数据结构见表 2。

表 2 ARP 表项的主要数据结构

ARP_ENTRY

数据成员 意义

Uuid 群唯一标识符

TimeStamp 时间戳

Ip IP 地址

Eth_mac IP 对应的以太网 MAC 地址

Sync_flag 是否进行同步的标志

… …

终端提供 ARP 代答和报文转发功能，因此需要在服

务器端内部维护一个 ARP 表（MAC 表），用于映射 IP 与

MAC 之间的关系。ARP 表中 TimeStamp 表示 ARP 表项的

时间戳，记录 ARP 表项更新的时间点，当一定时间内没

有更新 ARP 表项时，则 ARP 表项老化，即无法再使用。

图 8 服务端框架示意

第 2 期 罗袁君等：基于低轨卫星互联网的双模通信终端技术 ·99·

为了防止无用的 ARP 表项长期存储在内存中，导致存储

数量达到上限，无法进行新的 MAC 学习，老化时间不能

设置过长。由于老化的 ARP 表项可能存在重新学习的可

能，因此系统并不对老化的 ARP 表项进行立刻清理，而

是提供一个计时器，根据实际的情况对老化的 ARP 表项

定时清理。

2.4.4.2 软件功能

终端侧软件功能如下。

（1）支持自组网和卫星网络双模双待通信，具备简单

便捷的触控操作界面，适配当前手持机屏幕分辨率。

（2）实现对低轨通信模组的调用，获取卫星通道状态，

并建立数据通道完成数据传输。实现对自组网通信模组的

调用、配置和网内节点通信。

（3）终端能够准确识别当前自身所处的网络状态，自

主确认身份并开启相应配置：若处于跨域通信模式中的自

组网内，节点间自主推选所在自组网中心节点（如 B 节点

与 A 节点可通过协商，选择其中一个节点作为中心节点开

启双模模式，另一节点开启单模模式）；若处于随遇接入

通信模式，自主/手动切换到双模。

（4）终端依据当前自身身份，启动对应的配置。

一是，作为中心节点，启动路由配置表并实时维护；

与网络服务器进行信息交互，获取其他网络的路由数据。

二是，作为非中心节点，通过自组网链路从出口节点

获取路由表。

（5）支持的用户通信业务：实时点对点语音双向通话、

低速点对点文件传输、实时群组/点对点文字消息收发。

（6）业务基于全 IP 传输，包括语音、文字和数据。

（7）具备终端工作日志查看和导出功能。

服务器侧软件功能如下：

（1）所有数据业务均在服务器软件上进行处理和输入/

输出；

（2）服务器侧软件运行于核心网 Windows 操作系统

上，具有网络状态监控、网络主动配置调整、业务数据存

储等功能；

（3）能够回溯过往网络状态并显示；

（4） 能够与在网终端进行点对点/群组文字消息通信

和文件传输。

3 应用展望

低轨卫星与地面自组网融合通信技术属于创新形态

的通信应用技术，本文介绍的双模通信终端能够实现低轨

卫星通信与地面自组网通信，并根据实际情况进行两种通

信方式之间的选择与切换。双模通信终端能够将低轨卫星

通信与地面自组网通信各自的优势相结合，使得通信网络

边界拓展到无人区、海洋等，可实现通信网络在任意时间、

任意空间的全覆盖，真正实现全球用户无缝连接。

卫星通信网络与地面通信网络融合是一个渐进式的

过程，未来的发展必然朝着智能化、小型化、低成本化、

高服务质量方向发展。此技术亦可应用于其他卫星终端

与无线自组网终端的融合设计中，为双模终端的使用赋

予更多可能。

4 结束语

由于双模通信终端需要支持不同的通信技术和协议，

在未来的设计中，一方面可通过算法优化改进智能路由算

法和决策机制，提高资源利用效率和用户体验；另一方面

在硬件设计上，通过研究更小型化、集成度更高的通信模

组以及更优的天线设计等，提升设备的便携性和舒适性。

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