窄帶無線自組網(wǎng)在應(yīng)急語音通信中的實(shí)戰(zhàn)性應(yīng)用研究

李 溯

（廣東省航空護(hù)林站（廣東省林火衛(wèi)星監(jiān)測中心），廣東 廣州 510000）

0 引 言

近年來，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和全球氣候變化的大背景下，應(yīng)急突發(fā)和自然災(zāi)害事件頻發(fā)且危害程度愈發(fā)嚴(yán)重。應(yīng)急通信作為支撐應(yīng)急管理工作開展的重要保障，其應(yīng)用也得到了重視，相關(guān)部門已經(jīng)配置了不少應(yīng)急通信系統(tǒng)和設(shè)備，并且積累了相關(guān)的使用經(jīng)驗(yàn)。

隨著科技進(jìn)步，目前我國應(yīng)急通信保障體系也得到了發(fā)展，為應(yīng)急通信提供了包含語音通信、數(shù)據(jù)傳輸以及圖像傳輸?shù)榷喾N不同的功能保障。對于應(yīng)急通信的功能需求和系統(tǒng)建設(shè)上，業(yè)內(nèi)仍存在不少爭議，如應(yīng)急通信究竟應(yīng)寬帶化還是窄帶化[1]。應(yīng)急救災(zāi)現(xiàn)場對寬帶多媒體數(shù)據(jù)通信和窄帶語音通信都有實(shí)際需求，數(shù)據(jù)傳輸是支撐災(zāi)情動(dòng)態(tài)監(jiān)測和救援方案分析的基礎(chǔ)，圖像傳輸是實(shí)現(xiàn)可視化調(diào)度指揮的重要條件。建設(shè)一體化融合應(yīng)急通信系統(tǒng)，固然是應(yīng)急通信保障工作的重要目標(biāo)之一，但窄帶應(yīng)急語音通信依然是應(yīng)急救災(zāi)通信的關(guān)鍵一環(huán)，語音穩(wěn)定暢通是應(yīng)急通信保障的第一因素[2]。因此在應(yīng)急語音通信手段的選擇上，窄帶超短波技術(shù)仍然具有無可替代的優(yōu)勢，如通信距離遠(yuǎn)、一次性投入建設(shè)后維護(hù)費(fèi)用低、操作方便、抗干擾能力更強(qiáng)以及延時(shí)小等。而對于電信運(yùn)營商成熟的無線通信網(wǎng)絡(luò)而言，其僅限于覆蓋人口密集區(qū)域，并未做到全面覆蓋，并且存在建設(shè)周期長、投資成本高、穩(wěn)定性不足、抗毀能力弱以及受損后修復(fù)周期長等問題。因此，應(yīng)急語音通信手段將在未來較長的時(shí)間內(nèi)，應(yīng)該依然以超短波窄帶無線通信為主[3]。

1 窄帶應(yīng)急通信的問題和需求

制約應(yīng)急救援效率的重要因素可以歸結(jié)為以下3點(diǎn)，一是對現(xiàn)場災(zāi)情掌握信息信息量少不及時(shí)，二是現(xiàn)場指揮調(diào)度難，三是風(fēng)險(xiǎn)難預(yù)警和避險(xiǎn)難實(shí)施。其成因是應(yīng)急救災(zāi)現(xiàn)場信息化建設(shè)的觸角還沒有深入到救援組織指揮一線，問題的核心是現(xiàn)場態(tài)勢的實(shí)時(shí)感知能力弱和通信的質(zhì)量與效率低[4]。因此在配套支撐的超短波無線通信技術(shù)手段中必須進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)以應(yīng)急救援實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用為導(dǎo)向，要求在組網(wǎng)方式上貼合應(yīng)急語音通信之實(shí)情，從救災(zāi)現(xiàn)場環(huán)境特點(diǎn)綜合考慮。

相較于傳統(tǒng)窄帶通信系統(tǒng)，應(yīng)急語音通信保障有其特定需求。首先，自然災(zāi)害大多是突然發(fā)生的，并伴隨一定的毀滅性，這種情況下，對于應(yīng)急通信功能的首要要求就是具備抗毀能力和快速響應(yīng)能力，能夠在基礎(chǔ)通信設(shè)施發(fā)生部分損壞甚至于整體癱瘓的時(shí)候，保證現(xiàn)場語音暢通。其次，災(zāi)害發(fā)生的地點(diǎn)和程度均不可預(yù)測，除了城市人口密集地區(qū)外，其他地區(qū)多面臨著地形復(fù)雜、交通不便以及基礎(chǔ)設(shè)備落后等問題，這些關(guān)鍵位置一旦不能保證通信暢通，關(guān)鍵時(shí)候極易發(fā)生安全事故。所以要求應(yīng)急通信保障應(yīng)該具備可以靈活機(jī)動(dòng)覆蓋的能力，將通信覆蓋隨人員行動(dòng)延伸到“最后一公里”。再次，眾多救援力量跨區(qū)域甚至跨國界作戰(zhàn)，投入力量多且部門協(xié)同復(fù)雜，要求現(xiàn)場通信系統(tǒng)覆蓋范圍必須涵蓋作戰(zhàn)現(xiàn)場和通信結(jié)構(gòu)要支撐多部門有序、有力以及有效地協(xié)同救援行動(dòng)。最后，救援現(xiàn)場任務(wù)復(fù)雜間前后貫通、跨層級跨地域“扁平化”的指揮體系，后方指揮所清晰掌控現(xiàn)場態(tài)勢，調(diào)度指令直達(dá)“一線”，提升應(yīng)急救援效率[5]。

通過上述需求分析，應(yīng)急語音通信具備很多獨(dú)特性。如果套用傳統(tǒng)窄帶通信技術(shù)規(guī)劃建設(shè)窄帶應(yīng)急語音通信系統(tǒng)，將不能擺脫基礎(chǔ)通信設(shè)施和地理環(huán)境的約束，一線現(xiàn)場“信息孤島”的難題就無法得到突破性的解決。因此規(guī)劃應(yīng)急語音通信系統(tǒng)建設(shè)時(shí)，不僅需要考慮傳統(tǒng)無線通信技術(shù)，還應(yīng)該積極摸索新型無線通信技術(shù)的融合應(yīng)用，針對應(yīng)急救援通信需求進(jìn)行創(chuàng)新和試點(diǎn)，利用現(xiàn)代數(shù)字通信技術(shù)，發(fā)展出新一代通信模式，才能推動(dòng)應(yīng)急通信向前發(fā)展，形成性價(jià)比高、部署靈活以及覆蓋好的窄帶應(yīng)急語音通信解決方案。

2 窄帶無線自組網(wǎng)通信技術(shù)

無線自組網(wǎng)是計(jì)算機(jī)與通信領(lǐng)域中的高新技術(shù)，該技術(shù)最初起源于美國國防項(xiàng)目并在軍事通信中發(fā)展起來。無線自組網(wǎng)具有抗毀性、自組性以及機(jī)動(dòng)性等特點(diǎn)，可以根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境隨時(shí)建立本地通信覆蓋，具有重要的實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用意義。近年，自組網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，其應(yīng)用已慢慢滲透到公安、應(yīng)急以及救援等領(lǐng)域中[6]。

從應(yīng)用帶寬上可以分為寬帶自組網(wǎng)和窄帶自組網(wǎng)兩種。目前寬帶自組網(wǎng)技術(shù)多樣，包括Mesh自組網(wǎng)、Zigbee自組網(wǎng)以及LTE自組網(wǎng)等多種類型[7]。寬帶自組網(wǎng)技術(shù)主要用于現(xiàn)場視頻等多媒體信息采集應(yīng)用，能夠提供足夠帶寬支撐各類傳感和多媒體信息傳輸，但是網(wǎng)絡(luò)中需要使用節(jié)點(diǎn)較多、延時(shí)較大且抗干擾能力弱，無法完全兼顧應(yīng)急語音通信。而在語音通信中，任何預(yù)警和避險(xiǎn)指令的延時(shí)甚至丟失，都可能會(huì)危及到一線人員的生命安全[8]。

窄帶自組網(wǎng)技術(shù)中，窄帶單頻自組網(wǎng)技術(shù)是目前成熟且可用于實(shí)戰(zhàn)的一種。窄帶單頻自組網(wǎng)是基于單頻中繼方式實(shí)現(xiàn)是一種多跳、無中心以及自組織的無線網(wǎng)絡(luò)，所以稱為單頻中繼自組網(wǎng)或者單頻自組網(wǎng)[9]。此技術(shù)徹底革新了窄帶傳統(tǒng)無線通信中雙頻中繼無法以無線方式擴(kuò)大覆蓋面的應(yīng)用邏輯，采用一個(gè)單頻點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的自動(dòng)互聯(lián)，完成大范圍通信覆蓋。同時(shí)單頻自組網(wǎng)的設(shè)備具有單機(jī)設(shè)備小型化、可靠性高以及通信網(wǎng)絡(luò)部署簡單快捷等符合應(yīng)急通信的應(yīng)用特點(diǎn)，單頻自組網(wǎng)目前已經(jīng)在我國公安追捕、消防救援以及森林防火等場景中投入實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用，填補(bǔ)了窄帶應(yīng)急救援通信的空白，是目前無線窄帶應(yīng)急通信領(lǐng)域中具有優(yōu)勢的解決方案之一。

3 窄帶無線自組網(wǎng)的原理和特點(diǎn)

窄帶單頻自組網(wǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)既是中繼基站，也可以做為通信電臺。每個(gè)節(jié)點(diǎn)只要在無線覆蓋區(qū)內(nèi)，都以任意方式動(dòng)態(tài)地保持與其他節(jié)點(diǎn)的聯(lián)系[10]。在這種網(wǎng)絡(luò)中，打破了終端通信取值的有限性，使得兩個(gè)無法直接進(jìn)行通信的用戶終端可以借助其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行跳級，自動(dòng)形成一個(gè)大面積通信覆蓋網(wǎng)，示意如圖1所示。單頻中繼自組網(wǎng)絡(luò)有3種網(wǎng)絡(luò)使用模式，第一種是局域移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)適用于移動(dòng)環(huán)境的作戰(zhàn)，第二種是大跨距臨時(shí)或永久固定網(wǎng)絡(luò)適用于應(yīng)急防災(zāi)保底通信，第三種是上述的兩種模式的組合，永久固定網(wǎng)路與移動(dòng)局域網(wǎng)絡(luò)混合組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)大跨距前后方貫通的一體化通信系統(tǒng)[11]。

單頻自組網(wǎng)作為一種新的組網(wǎng)方式具有以下特點(diǎn)。一是獨(dú)立性，單頻自組網(wǎng)相對傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)而言，最大的區(qū)別就是可以在任何時(shí)刻和任何地點(diǎn)不需要硬件基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的支持，設(shè)備用電也可以使用太陽能和風(fēng)能進(jìn)行獨(dú)立供給，快速構(gòu)建起一個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。二是靈活性，在單頻自組網(wǎng)中，移動(dòng)中繼節(jié)點(diǎn)可以在網(wǎng)中隨意移動(dòng)。網(wǎng)絡(luò)由移動(dòng)節(jié)點(diǎn)本身自動(dòng)配置、隨時(shí)調(diào)整或自行維護(hù)，任何節(jié)點(diǎn)都可以隨時(shí)加入和退出網(wǎng)絡(luò)。三是無線鏈路傳輸，在單頻自組網(wǎng)中不需要任何基礎(chǔ)設(shè)施的支持，中繼節(jié)點(diǎn)之間的通信完全通過窄帶無線傳輸?shù)姆绞阶詣?dòng)配置完成，建立一個(gè)強(qiáng)大的無線自組織網(wǎng)絡(luò)。四是可靠性，在單頻自組網(wǎng)中沒有中心控制節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)均通過分布式協(xié)議互聯(lián)，沒有中心控制節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都參與其中，互為平等的關(guān)系，即使在緊急事件中某一個(gè)節(jié)點(diǎn)受損，其他節(jié)點(diǎn)仍然可以穩(wěn)定通信。

4 窄帶自組網(wǎng)作為應(yīng)急語音通信網(wǎng)的應(yīng)用優(yōu)勢

4.1 全區(qū)域覆蓋

突發(fā)事件地點(diǎn)是沒有規(guī)律且不可預(yù)測，因此應(yīng)急通信網(wǎng)必須提供全區(qū)域覆蓋，而且必須及時(shí)迅速提供通信覆蓋，不可延誤。經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施不完善，信息通信手段落后甚至缺失。窄帶自組網(wǎng)通過節(jié)點(diǎn)之間的無中心自動(dòng)組織聯(lián)網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)全省范圍內(nèi)聯(lián)網(wǎng)覆蓋，而針對郊區(qū)、野外、林區(qū)以及地下室等通信盲區(qū)以快速部署模式覆蓋，以任意突發(fā)事件地點(diǎn)為中心，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場100%即時(shí)通信覆蓋[12]。不僅提供穩(wěn)定的跨區(qū)域長距離通信，還以事發(fā)地點(diǎn)臨時(shí)局域語音通信，具有建設(shè)成本低和覆蓋率高的特點(diǎn)。

4.2 防災(zāi)抗毀

單頻自組網(wǎng)通過節(jié)點(diǎn)之間的無線互聯(lián)成網(wǎng)，相較于傳統(tǒng)的常規(guī)網(wǎng)絡(luò)，具有很強(qiáng)的生存能力且無中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也相對更為穩(wěn)定，出現(xiàn)故障或遇到特殊情況都不可能徹底中斷，即使網(wǎng)絡(luò)的某節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，其余的節(jié)點(diǎn)仍然能夠正常工作，故障節(jié)點(diǎn)只會(huì)影響節(jié)點(diǎn)本身所在的位置的覆蓋效果，并可以通過布設(shè)新的快速修復(fù)網(wǎng)絡(luò)，整體抗毀能力很強(qiáng)且可靠性高，適合應(yīng)急救災(zāi)和偏遠(yuǎn)地區(qū)通信等應(yīng)用。

4.3 快速部署

由于不能實(shí)現(xiàn)預(yù)知現(xiàn)場的地點(diǎn)和位置，不了解當(dāng)?shù)噩F(xiàn)場情況，即使有基礎(chǔ)通信資源，也可能受到眾多因素影響，關(guān)鍵位置不能暢通，因此應(yīng)急通信難有固定覆蓋模式，但解決思路上分析以無線方式組網(wǎng)較為有利。使用窄帶自組網(wǎng)提供的快速部署技術(shù)設(shè)備，在任何不可預(yù)測的覆蓋不良區(qū)域，基本都做到100%的通信覆蓋，數(shù)分鐘至數(shù)十分鐘時(shí)間內(nèi)即可在現(xiàn)場快速完成現(xiàn)場通信系統(tǒng)布設(shè)，起到支撐現(xiàn)場指揮通信工作并輔助決策的作用。

4.4 立體組網(wǎng)

復(fù)雜山區(qū)、偏遠(yuǎn)林區(qū)、大型或多層地下室、隧道以及礦井等特殊區(qū)域受有線資源與建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜等因素限制，地面信號無法直接傳導(dǎo)，因此向來是無線通信的薄弱環(huán)節(jié)。而單頻自組網(wǎng)通過便攜單頻中繼基站無線聯(lián)網(wǎng)，多跳轉(zhuǎn)發(fā)引入信號，可快速實(shí)現(xiàn)信號盲區(qū)和指揮大本營互通對講。

4.5 保底通信

單頻自組網(wǎng)是在單頻點(diǎn)通信的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的自動(dòng)組網(wǎng)中繼網(wǎng)絡(luò)，因此繼承了單頻直通模式，具有極高的穩(wěn)定、快速、簡單以及實(shí)戰(zhàn)特點(diǎn)。電臺和基站均采用單頻通信，即便在中繼基站全數(shù)故障的最極端情況下，也只是通信范圍減小，周邊電臺之間仍然能夠維持最基本的電臺單頻直通通信，具有極高穩(wěn)定性，符合應(yīng)急救援通信特點(diǎn)。

5 無線自組網(wǎng)在應(yīng)急通信中的實(shí)戰(zhàn)探討

2019年12月9日乳源瑤族自治縣大布鎮(zhèn)夾水村拐坑坪發(fā)生森林火災(zāi)，火線蔓延過千余米，共組織500余名滅火人員參與撲火。

起火點(diǎn)位于拐坑坪的石頭灶附近，屬于偏遠(yuǎn)山區(qū)，基礎(chǔ)通信建設(shè)落后，且因周邊其地形凹陷，收不到信號的重點(diǎn)通信盲區(qū)，因此撲救工作開展面臨著人員組織分散、交通不便以及基礎(chǔ)設(shè)備落后等問題，直接影響了撲火效率。在此事件中暴露了應(yīng)急通信的薄弱環(huán)節(jié)，體現(xiàn)了現(xiàn)場通信對應(yīng)急救援的重要影響。

在事件的總結(jié)中，現(xiàn)場應(yīng)急通信保障成為關(guān)注的重點(diǎn)。事件后應(yīng)急部門積極開展應(yīng)急通信技術(shù)調(diào)研，嘗試使用新型通信技術(shù)及裝備，提高應(yīng)急處置現(xiàn)場的通信能力，組織了實(shí)地適用性測試。

窄帶自組網(wǎng)通信測試中以129森林火災(zāi)為測試模型，在尖峰筆、拐坑坪山地以及廣東第二高峰石韭坑部署窄帶自組網(wǎng)通信節(jié)點(diǎn)，搭建了窄帶自組備測試平臺，重點(diǎn)針對上次著火點(diǎn)位置做了通信覆蓋測試，該著火點(diǎn)距離尖峰筆節(jié)點(diǎn)直線距離約8.8 km，因其地形復(fù)雜，所以信號受阻擋，但配合移動(dòng)節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場補(bǔ)點(diǎn)后，該地點(diǎn)半徑3 km內(nèi)均實(shí)現(xiàn)基本的窄帶語音全覆蓋。窄帶無線自組網(wǎng)配置如圖2所示。

本次適用性測試中初步證實(shí)，窄帶自組網(wǎng)通信技術(shù)及裝備在提高撲救火災(zāi)及處置其他災(zāi)害事故的語音通信保障能力方面，能夠支撐應(yīng)急語音通信暢通，為相關(guān)部門盡早開展救援工作創(chuàng)造必要條件。

6 結(jié) 論

超短波窄帶無線通信是應(yīng)急部門處置應(yīng)急突發(fā)事件的重要通信手段，對保障應(yīng)急救援通信暢通具有難以替代的應(yīng)用優(yōu)勢。在現(xiàn)代通信技術(shù)快速發(fā)展的背景下，本文結(jié)合應(yīng)急通信的實(shí)戰(zhàn)需求探討了新一代窄帶自組網(wǎng)通信技術(shù)在應(yīng)急通信領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。窄帶自組網(wǎng)通信具有覆蓋面積廣、適應(yīng)能力強(qiáng)、維護(hù)簡單以及成本低等應(yīng)用優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)急現(xiàn)場的通信組網(wǎng)和指揮調(diào)度等通信需求，但是感知數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸還未進(jìn)一步完善，將感知數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)引入窄帶無線自組網(wǎng)中對滿足應(yīng)急救援決策需求具有重要意義。雖然目前的應(yīng)急通信保障系統(tǒng)在很多方面還存在空白，但相信隨著科學(xué)進(jìn)步，相關(guān)部門將積極探索無線通信新技術(shù)應(yīng)用，確保我國應(yīng)急無線通信工作始終走上世界前列。