突發公共事件應急通信技術探討范文

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摘要:

在突發公共事件發生后，往往由于通信中斷造成信息溝通不暢，從而大大降低了應急救援人員對突發公共事件的救援效率。為了保證救援現場人員便捷、可靠的通信，對現有應急通信技術進行分析總結并給出了面向公共突發事件的天地一體化應急指揮通信網絡架構。在天基通信網絡保障體系方面介紹了天基通信網絡技術的發展及現狀，給出了基于車載通信的融合方案，還介紹了天基基站技術。在地面應急通信保障體系方面介紹了地面衛星通信設備、無線自組織網絡、超級基站、便攜式基站、短波電臺系統及集群通信網絡等技術。天地一體化的應急通信保障體系能夠快速地分享現場信息，為后方及現場指揮提供通信保障。

關鍵詞:

突發公共事件;天地一體化;衛星通信;應急通信

重大的突發公共事件(如地震、泥石流、洪水、臺風、森林火災及雪災等)發生后［1］，由于基站系統的破壞和傳輸線、電力線的中斷造成通信網絡系統破壞。應急救援人員到達現場后，往往由于通信中斷而不能很好地溝通協調各方力量，從而大大降低了對突發公共事件的救援效率。因此，高效的、互聯互通和功能完善的現場應急通信保障體系，可以提升應對突發公共事件現場的救援能力及減少突發公共事件危害。美國早在“911事件”發生之后就開始投入巨資利用通信新技術來提高應急通信的保障能力［2］。地震多發的日本也已經建立起了較為完善的防災通信網絡體系，包括防災互聯通信網、中央防災無線網等。其中防災互聯通信網能夠在災害現場迅速地連通附近的防災救援機構;而中央防災無線網由固定通信線路、移動通信線路和衛星通信線路構成日本防災通信網絡的主干網絡。我國的應急通信保障體系還不夠完善［3］，許多應急通信系統依然缺少多種通信手段的集成。重大災害發生后，由基站受損造成通信能力大幅下降，甚至會導致通信的中斷和癱瘓。災害現場往往通信資源有限，而在現場救援過程中對信息傳輸的實時性要求較高。因此，發展天地一體化應急通信技術很有必要。天地一體化信息網絡已成為發達國家經濟和安全的重要基礎設施，其具有基礎性和戰略性的意義［4］。由于公共突發事件頻發我國對應急通信技術的重視也大大提高［5］，因此近年來應急通信技術發展迅速。未來高效的天地一體化應急通信保障體系將是我國應急通信發展的重要方向。

1天地一體化應急指揮通信網絡架構

根據災害應用場景應急救援指揮體系主要分為三層:基本指揮中心、現場指揮中心、緊急救援隊。面向救援的天地一體化應急指揮通信網絡架構如圖1所示。天地一體化應急指揮通信網絡根據應急救援的指揮體系劃分為三部分，一是由北斗、中繼和通信衛星組成的天基網絡為主構成的廣域傳輸網，主要用于后方指揮中心與現場指揮中心之間的數據傳輸;二是由移動蜂窩網絡、專用集群網絡急短波通信構成的現場應急通信網絡，主要用于現場指揮中心與現場應急救援隊之間的指揮調度，三是由無線局域網(WLAN)、無線MESH網絡及無線傳感器網絡等構成的自組織網絡，用于現場救援人員執行救援任務的通信，為現場救援人員快速提供無線網絡覆蓋，實現終端間的互聯互通。

2天基應急通信保障體系

2．1天基通信網絡融合技術目前，我國已經擁有了一定數量的衛星通信系統。在以往的災害救援中雖然也做出了重要貢獻，顯示出了天基通信網絡在應急救援中的關鍵作用［6］，但是我國的衛星系統的發展各自為政，管理較為分散，造成各類衛星系統互連互通性差，指揮控制亂。為此，航天恒星科技有限公司的提出的天地一體化衛星通信解決方案可靈活配置，為多個單位建設了應急衛星通信系統［6］。南京中網衛星通信股份有限公司提出的“云衛通”衛星應急通信平臺以云計算理論為基礎，省級部門作為應急中心，以各地市應急平臺為節點的衛星應急通信應用平臺。衛星系統的融合框架如圖2所示。首先，天基衛星系統將數據發送給中繼衛星，然后通信衛星鏈路轉發給通信衛星或直接傳送給車載應急通信指揮平臺，然后進行數據的融合。車載指揮平臺也可以與其它地面通信網絡互連互通，共享數據，從而實現天基與地面的數據與通信的融合。衛星通信是整個天基信息系統中的神經網絡，融合后的天基通信系統可以實現通信、偵查、導航及定位的一體化指揮和控制。未來衛星通信系統的融合應充分考慮現有衛星通信系統的性能與體制，注重其適配性和兼容性。在災害發生時，能夠實時地獲取現場的信息及災害的發展，為應急決策提供信息支撐，從而有效及時地展開救援行動。

2．2天基基站技術為了加強突發公共事件情況下通信網絡的保障能力，中國移動提出了“天地一體應急通信體系”，構建基于空中基站的應急通信系統。當災害發生后，進出災區的道路無法搶通時，可以采用部署高空基站的辦法，快速實現與災區的應急通信。高空基站部署的通信架構如圖3所示。高空基站的載體主要是大氣層內進行可控飛行的浮空器，可以分為兩大類:輕于空氣的航空器和重于空氣的飛機［7］。對于現有的留空方式系留熱氣球成本低、升空容易，但是滯留時間短;動力氦氣艇能耗低、滯留時間長、升空容易，但成本較高;直升機搭載方式滯空時間相對較長，部署靈活，但成本也相對較高。隨著近年來無人機的發展，部署方便成本較低的無人機搭載方式將是未來研究的方向。通常高空中繼平臺使用微波中繼站作為穩定的通信平臺，上與太空衛星，下與地面衛星接口設備、衛星控制設備以及多種無線終端構成應急通信網絡［8］。在高空中繼通信平臺覆蓋的范圍內，采用蜂窩網結構進行通信，然后通過衛星通信網絡從而實現蜂窩通信災區與后方指揮中心的信息傳輸。在這種架構中相當于把蜂窩基站從地面放到了空中，高空基站通信距離遠，覆蓋的區域大。該方案主要應用在大規模突發公共事件發生后，因道路阻塞通信車輛無法快速抵達受災區域時，為保證災區通信暢通，可通過這種高空布放基站來實現應急的通信。

3地面應急通信保障體系

3．1地面衛星通信設備現場應急通信網絡體系中以衛星通信網絡為主構成廣域傳輸網，地面的衛星通信設備主要有便攜式衛星通信終端、車載衛星通信平臺及后方指揮中心衛星固定站。(1)便攜式衛星通信終端。美國早在21世紀初就開始研制和發展下一代的軍用通信衛星及衛星通信終端［9］。針對戰場衛星應急通信的終端如美國陸軍的多頻段綜合化衛星終端［10］、美國海軍的多頻段終端［11］及美國空軍的先進超視距系列終端［12］。我國研制的星通信終端主要采用北斗/GPS實現定位導航，并擁有語音通信和數據通信功能。具有一鍵對星時間短，覆蓋范圍廣及資費低等特點。(2)應急通信指揮車。車載的移動通信系統有良好的機動性和較強的通信功能［13］，能實現災害現場指揮部與后方指揮部間的流暢視頻會議，可以將現場應急救援人員拍攝的圖像和現場采集的觀測數據實時回傳給后方指揮部。中國電信擁有多種類型的衛星通信指揮車，如車載Ku頻段VSAT衛星通信移動站及Ku/C頻段衛星通信車等［14］。我國應急通信車雖然種類多，但都自成體系，在接口和性能方面未形成統一標準。因此，我國的車載應急通信還需進一步的發展完善。(3)衛星固定站。衛星固定站根據設備的部署位置主要分為室外和室內，室外設備主要包括濾波分頻器、功率放大器、上下分頻器及天線設備等;室內設備主要包括數據接口、調制解調器、數據通信終端、編譯碼器等設備［15］。衛星固定站建立起后方指揮中心與現場車載通信指揮中心之間的高速衛星通道，現場應急救援人員使用衛星終端將現場的語音及圖像等數據接入衛星網絡，從而實現現場指揮中心與后方指揮中心之間的實時視頻、語音及圖像等數據的共享。

3．2無線自組織網絡(1)無線局域網(WLAN)。WLAN分為Ad-hoc模式和基礎模式。基礎模式主要通過接入點連接基礎網絡，而用戶終端通過接入點實現互聯互通。WLAN的Ad-hoc模式的終端設備之間不需接入點就可以直接通信。Ad-hoc模式的最大好處是利用多跳技術拓展了WLAN的覆蓋范圍。廣州市地下鐵道總公司提出將WLAN應用在地鐵的應急救援指揮系統中，通過在隧道和車輛段中鋪設無線AP及接入設備實現［16］。張禹等［17］提出將WLAN應用于應急新聞報道中，利用WLAN與衛星通訊結合建立融合通信鏈路進行功能的外延和拓展。(2)無線個域網(WPAN)。WPAN是指個人通信設備如手機、手提電腦及PDA等在一定的范圍內實現這些少量終端之間的通信而建立的網絡。它屬于Ad-hoc網絡的一種，具有動態組網的特點。這種方式能在一定的范圍內實現多個設備間的無線動態連接和實時信息交換，實現便捷，成本低，可以作為現場應急救援人員之間的備用通信手段。(3)無線傳感器網絡(WSN)。WSN組網方式靈活，部署便捷，能夠快速組網通信，提高應急救援速度，成為安全防范應急的主要技術之一。應急環境下WSN在現場測量以及數據采集方面具有非常明顯的優勢，在災害條件下往往只能使用無線通信技術，因此比較適合完成災害數據采集，災情預警、災害環境監控及態勢感知等任務［18］。WSN組成的Ad-hoc網絡可以實現傳感器之間和與控制中心之間的通信，便于救援人員快速展開救援。(4)無線網狀網絡(Mesh)。無線Mesh網絡是基于IP協議的無線網絡，具有自組織性、自愈性、容量大、速率高及覆蓋范圍廣等特點［19］。現場應急救援人員之間作業通信網絡具有臨時性、自組織性和互通性的需求，可以通過無線Mesh網絡構建現場應急救援人員協同作業通信網絡。無線Mesh網絡在礦井的應急救援［20－21］中應用得較多，近年來也開始討論在消防［22］及地震［23］等災害方面的應用。無線Mesh網絡通過無線接入點間的多跳連接可快速自動組成網絡，無需依賴其余網絡設施［24］。

3．3超級基站技術重大突發公共事件發生時，由于電力中斷及基站設備損壞等導致大面積無線通信中斷，在2008年的汶川地震中這種問題非常明顯，為此中國移動首先提出了“超級基站”的概念。超級基站主要通過加固機房，提供設備供電保障機制，建立Abits雙路由等方式提高基站的生存能力［25］。為保證重大災害發生時通信網絡的暢通，文獻［26］給出了針對多個災害(包括地震、臺風、洪水及冰雪型等災害)的建設方案。對現有基站改造的超級基站將擁有較強的抗災能力和通信保障能力，對超級基站的建設應給予一定的重視。

3．4便攜式基站技術便攜基站將無線設備、便攜式衛星通信設備及配套設備集成在一個緊湊的便攜式的機箱中，能夠迅速組建一個GSM/TD-SCDMA通訊網絡。便攜基站基于具有結構小型化、組裝簡單、成本低及便攜性等特點［27］。便攜式基站可以作為現有公共移動通信網絡的延伸成為有線或無線通信網絡的一部分。便攜式基站部署方便快捷，適合車載、機載和升空平臺等移動設備組網使用［28］。便攜基站在實際應用中應能接入多種網絡，可與現有的有線和無線(衛星通信)網絡進行互聯。

3．5其它地面應急通信技術(1)短波電臺系統。短波電臺系統具有設備簡單、使用方便靈活、通信距離遠及抗干擾強特點，通過電離層來傳輸信息［27］。在大規模災害現場，通信網絡設備往往遭到破壞而造成通信中斷，此時短波電臺能夠發揮較大作用，這種應急通信系統能夠在沒有中繼的情況下完成較遠距離的點對點的通信。因此，當其它通信手段無法工作時，短波電臺可以作為突發公共事件現場應急救援人員通信的備用手段。(2)集群通信網絡。集群通信網絡是城市應急專用移動通信系統的重要組成部分，主要由多個部門共用并動態地使用一組無線電信道。在突發公共事件發生后，通用移動通信網絡往往無法正常使用，此時專用集群通信網能顯現出獨特的優勢。集群通信網絡可以實現多種呼叫(單呼、群呼、通播)類型，能夠滿足現場應急救援人員之間的語音對講，根據用戶呼叫優先等級還可以優化配置通信通道，從而保證重要用戶優先進行通信聯絡。

4結束語

突發公共事件發生后可靠的應急通信技術能夠使指揮人員快速了解現場情況，為決策提供及時真實的信息，便于快速展開應急救援。因此，應急通信技術對于減少事件造成的人員傷亡及經濟損失具有重要意義。本文以先進成熟的衛星通信技術作為應急的天基通信技術，以地面的3G/4G、無線局域網、無線網狀網及無線傳感器網絡等作為地面應急通信網絡，構建天地一體化應急通信體系，從而保證突發公共事件中的人員的互聯互通，為制定應急預案提供通信保障。

參考文獻:

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作者：郝昱文 李曉雪 趙喆 鄭靜晨 單位：中國人民武裝警察部隊總醫院