突发公共事件应急通信技术探讨范文

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摘要:

在突发公共事件发生后，往往由于通信中断造成信息沟通不畅，从而大大降低了应急救援人员对突发公共事件的救援效率。为了保证救援现场人员便捷、可靠的通信，对现有应急通信技术进行分析总结并给出了面向公共突发事件的天地一体化应急指挥通信网络架构。在天基通信网络保障体系方面介绍了天基通信网络技术的发展及现状，给出了基于车载通信的融合方案，还介绍了天基基站技术。在地面应急通信保障体系方面介绍了地面卫星通信设备、无线自组织网络、超级基站、便携式基站、短波电台系统及集群通信网络等技术。天地一体化的应急通信保障体系能够快速地分享现场信息，为后方及现场指挥提供通信保障。

关键词:

突发公共事件;天地一体化;卫星通信;应急通信

重大的突发公共事件(如地震、泥石流、洪水、台风、森林火灾及雪灾等)发生后［1］，由于基站系统的破坏和传输线、电力线的中断造成通信网络系统破坏。应急救援人员到达现场后，往往由于通信中断而不能很好地沟通协调各方力量，从而大大降低了对突发公共事件的救援效率。因此，高效的、互联互通和功能完善的现场应急通信保障体系，可以提升应对突发公共事件现场的救援能力及减少突发公共事件危害。美国早在“911事件”发生之后就开始投入巨资利用通信新技术来提高应急通信的保障能力［2］。地震多发的日本也已经建立起了较为完善的防灾通信网络体系，包括防灾互联通信网、中央防灾无线网等。其中防灾互联通信网能够在灾害现场迅速地连通附近的防灾救援机构;而中央防灾无线网由固定通信线路、移动通信线路和卫星通信线路构成日本防灾通信网络的主干网络。我国的应急通信保障体系还不够完善［3］，许多应急通信系统依然缺少多种通信手段的集成。重大灾害发生后，由基站受损造成通信能力大幅下降，甚至会导致通信的中断和瘫痪。灾害现场往往通信资源有限，而在现场救援过程中对信息传输的实时性要求较高。因此，发展天地一体化应急通信技术很有必要。天地一体化信息网络已成为发达国家经济和安全的重要基础设施，其具有基础性和战略性的意义［4］。由于公共突发事件频发我国对应急通信技术的重视也大大提高［5］，因此近年来应急通信技术发展迅速。未来高效的天地一体化应急通信保障体系将是我国应急通信发展的重要方向。

1天地一体化应急指挥通信网络架构

根据灾害应用场景应急救援指挥体系主要分为三层:基本指挥中心、现场指挥中心、紧急救援队。面向救援的天地一体化应急指挥通信网络架构如图1所示。天地一体化应急指挥通信网络根据应急救援的指挥体系划分为三部分，一是由北斗、中继和通信卫星组成的天基网络为主构成的广域传输网，主要用于后方指挥中心与现场指挥中心之间的数据传输;二是由移动蜂窝网络、专用集群网络急短波通信构成的现场应急通信网络，主要用于现场指挥中心与现场应急救援队之间的指挥调度，三是由无线局域网(WLAN)、无线MESH网络及无线传感器网络等构成的自组织网络，用于现场救援人员执行救援任务的通信，为现场救援人员快速提供无线网络覆盖，实现终端间的互联互通。

2天基应急通信保障体系

2．1天基通信网络融合技术目前，我国已经拥有了一定数量的卫星通信系统。在以往的灾害救援中虽然也做出了重要贡献，显示出了天基通信网络在应急救援中的关键作用［6］，但是我国的卫星系统的发展各自为政，管理较为分散，造成各类卫星系统互连互通性差，指挥控制乱。为此，航天恒星科技有限公司的提出的天地一体化卫星通信解决方案可灵活配置，为多个单位建设了应急卫星通信系统［6］。南京中网卫星通信股份有限公司提出的“云卫通”卫星应急通信平台以云计算理论为基础，省级部门作为应急中心，以各地市应急平台为节点的卫星应急通信应用平台。卫星系统的融合框架如图2所示。首先，天基卫星系统将数据发送给中继卫星，然后通信卫星链路转发给通信卫星或直接传送给车载应急通信指挥平台，然后进行数据的融合。车载指挥平台也可以与其它地面通信网络互连互通，共享数据，从而实现天基与地面的数据与通信的融合。卫星通信是整个天基信息系统中的神经网络，融合后的天基通信系统可以实现通信、侦查、导航及定位的一体化指挥和控制。未来卫星通信系统的融合应充分考虑现有卫星通信系统的性能与体制，注重其适配性和兼容性。在灾害发生时，能够实时地获取现场的信息及灾害的发展，为应急决策提供信息支撑，从而有效及时地展开救援行动。

2．2天基基站技术为了加强突发公共事件情况下通信网络的保障能力，中国移动提出了“天地一体应急通信体系”，构建基于空中基站的应急通信系统。当灾害发生后，进出灾区的道路无法抢通时，可以采用部署高空基站的办法，快速实现与灾区的应急通信。高空基站部署的通信架构如图3所示。高空基站的载体主要是大气层内进行可控飞行的浮空器，可以分为两大类:轻于空气的航空器和重于空气的飞机［7］。对于现有的留空方式系留热气球成本低、升空容易，但是滞留时间短;动力氦气艇能耗低、滞留时间长、升空容易，但成本较高;直升机搭载方式滞空时间相对较长，部署灵活，但成本也相对较高。随着近年来无人机的发展，部署方便成本较低的无人机搭载方式将是未来研究的方向。通常高空中继平台使用微波中继站作为稳定的通信平台，上与太空卫星，下与地面卫星接口设备、卫星控制设备以及多种无线终端构成应急通信网络［8］。在高空中继通信平台覆盖的范围内，采用蜂窝网结构进行通信，然后通过卫星通信网络从而实现蜂窝通信灾区与后方指挥中心的信息传输。在这种架构中相当于把蜂窝基站从地面放到了空中，高空基站通信距离远，覆盖的区域大。该方案主要应用在大规模突发公共事件发生后，因道路阻塞通信车辆无法快速抵达受灾区域时，为保证灾区通信畅通，可通过这种高空布放基站来实现应急的通信。

3地面应急通信保障体系

3．1地面卫星通信设备现场应急通信网络体系中以卫星通信网络为主构成广域传输网，地面的卫星通信设备主要有便携式卫星通信终端、车载卫星通信平台及后方指挥中心卫星固定站。(1)便携式卫星通信终端。美国早在21世纪初就开始研制和发展下一代的军用通信卫星及卫星通信终端［9］。针对战场卫星应急通信的终端如美国陆军的多频段综合化卫星终端［10］、美国海军的多频段终端［11］及美国空军的先进超视距系列终端［12］。我国研制的星通信终端主要采用北斗/GPS实现定位导航，并拥有语音通信和数据通信功能。具有一键对星时间短，覆盖范围广及资费低等特点。(2)应急通信指挥车。车载的移动通信系统有良好的机动性和较强的通信功能［13］，能实现灾害现场指挥部与后方指挥部间的流畅视频会议，可以将现场应急救援人员拍摄的图像和现场采集的观测数据实时回传给后方指挥部。中国电信拥有多种类型的卫星通信指挥车，如车载Ku频段VSAT卫星通信移动站及Ku/C频段卫星通信车等［14］。我国应急通信车虽然种类多，但都自成体系，在接口和性能方面未形成统一标准。因此，我国的车载应急通信还需进一步的发展完善。(3)卫星固定站。卫星固定站根据设备的部署位置主要分为室外和室内，室外设备主要包括滤波分频器、功率放大器、上下分频器及天线设备等;室内设备主要包括数据接口、调制解调器、数据通信终端、编译码器等设备［15］。卫星固定站建立起后方指挥中心与现场车载通信指挥中心之间的高速卫星通道，现场应急救援人员使用卫星终端将现场的语音及图像等数据接入卫星网络，从而实现现场指挥中心与后方指挥中心之间的实时视频、语音及图像等数据的共享。

3．2无线自组织网络(1)无线局域网(WLAN)。WLAN分为Ad-hoc模式和基础模式。基础模式主要通过接入点连接基础网络，而用户终端通过接入点实现互联互通。WLAN的Ad-hoc模式的终端设备之间不需接入点就可以直接通信。Ad-hoc模式的最大好处是利用多跳技术拓展了WLAN的覆盖范围。广州市地下铁道总公司提出将WLAN应用在地铁的应急救援指挥系统中，通过在隧道和车辆段中铺设无线AP及接入设备实现［16］。张禹等［17］提出将WLAN应用于应急新闻报道中，利用WLAN与卫星通讯结合建立融合通信链路进行功能的外延和拓展。(2)无线个域网(WPAN)。WPAN是指个人通信设备如手机、手提电脑及PDA等在一定的范围内实现这些少量终端之间的通信而建立的网络。它属于Ad-hoc网络的一种，具有动态组网的特点。这种方式能在一定的范围内实现多个设备间的无线动态连接和实时信息交换，实现便捷，成本低，可以作为现场应急救援人员之间的备用通信手段。(3)无线传感器网络(WSN)。WSN组网方式灵活，部署便捷，能够快速组网通信，提高应急救援速度，成为安全防范应急的主要技术之一。应急环境下WSN在现场测量以及数据采集方面具有非常明显的优势，在灾害条件下往往只能使用无线通信技术，因此比较适合完成灾害数据采集，灾情预警、灾害环境监控及态势感知等任务［18］。WSN组成的Ad-hoc网络可以实现传感器之间和与控制中心之间的通信，便于救援人员快速展开救援。(4)无线网状网络(Mesh)。无线Mesh网络是基于IP协议的无线网络，具有自组织性、自愈性、容量大、速率高及覆盖范围广等特点［19］。现场应急救援人员之间作业通信网络具有临时性、自组织性和互通性的需求，可以通过无线Mesh网络构建现场应急救援人员协同作业通信网络。无线Mesh网络在矿井的应急救援［20－21］中应用得较多，近年来也开始讨论在消防［22］及地震［23］等灾害方面的应用。无线Mesh网络通过无线接入点间的多跳连接可快速自动组成网络，无需依赖其余网络设施［24］。

3．3超级基站技术重大突发公共事件发生时，由于电力中断及基站设备损坏等导致大面积无线通信中断，在2008年的汶川地震中这种问题非常明显，为此中国移动首先提出了“超级基站”的概念。超级基站主要通过加固机房，提供设备供电保障机制，建立Abits双路由等方式提高基站的生存能力［25］。为保证重大灾害发生时通信网络的畅通，文献［26］给出了针对多个灾害(包括地震、台风、洪水及冰雪型等灾害)的建设方案。对现有基站改造的超级基站将拥有较强的抗灾能力和通信保障能力，对超级基站的建设应给予一定的重视。

3．4便携式基站技术便携基站将无线设备、便携式卫星通信设备及配套设备集成在一个紧凑的便携式的机箱中，能够迅速组建一个GSM/TD-SCDMA通讯网络。便携基站基于具有结构小型化、组装简单、成本低及便携性等特点［27］。便携式基站可以作为现有公共移动通信网络的延伸成为有线或无线通信网络的一部分。便携式基站部署方便快捷，适合车载、机载和升空平台等移动设备组网使用［28］。便携基站在实际应用中应能接入多种网络，可与现有的有线和无线(卫星通信)网络进行互联。

3．5其它地面应急通信技术(1)短波电台系统。短波电台系统具有设备简单、使用方便灵活、通信距离远及抗干扰强特点，通过电离层来传输信息［27］。在大规模灾害现场，通信网络设备往往遭到破坏而造成通信中断，此时短波电台能够发挥较大作用，这种应急通信系统能够在没有中继的情况下完成较远距离的点对点的通信。因此，当其它通信手段无法工作时，短波电台可以作为突发公共事件现场应急救援人员通信的备用手段。(2)集群通信网络。集群通信网络是城市应急专用移动通信系统的重要组成部分，主要由多个部门共用并动态地使用一组无线电信道。在突发公共事件发生后，通用移动通信网络往往无法正常使用，此时专用集群通信网能显现出独特的优势。集群通信网络可以实现多种呼叫(单呼、群呼、通播)类型，能够满足现场应急救援人员之间的语音对讲，根据用户呼叫优先等级还可以优化配置通信通道，从而保证重要用户优先进行通信联络。

4结束语

突发公共事件发生后可靠的应急通信技术能够使指挥人员快速了解现场情况，为决策提供及时真实的信息，便于快速展开应急救援。因此，应急通信技术对于减少事件造成的人员伤亡及经济损失具有重要意义。本文以先进成熟的卫星通信技术作为应急的天基通信技术，以地面的3G/4G、无线局域网、无线网状网及无线传感器网络等作为地面应急通信网络，构建天地一体化应急通信体系，从而保证突发公共事件中的人员的互联互通，为制定应急预案提供通信保障。

参考文献:

［1］林会，陈山枝，毛旭．突发公共事件应急通信技术及其发展趋势［J］．电信网技术，2012，7(7):47－49．

［2］王圆圆．基于TD-LTE的空地一体化应急通信系统资源分配策略研究［D］．西安:西安电子科技大学，2013．

［4］王海涛，韩治刚，傅俊明．发展天地一体化信息技术推动卫星应用产业升级转型［J］．技术进展，2014(1):30－34．

［5］马冲，李广侠．构建我国天地一体的应急通信系统［C］．第五届卫星通信新业务新技术学术年会，2009，3:80－83．

［6］李明．我国应急通信保障体系研究［D］．北京:北京邮电大学，2009．

［7］王义明．卫星通信在应急通信中的应用［J］．卫星与网络，2010，5(94):40－41．

［8］童丹，郭威．卫星－浮空通信平台架构在应急通信中的应用［C］．卫星通信新技术新业务学术年会，2011，3:311－317．

［9］刘红军．美军卫星通信终端的研究现状与发展趋势［J］．电讯技术，2013，53(5):672－676.

作者：郝昱文 李晓雪 赵喆 郑静晨 单位：中国人民武装警察部队总医院