5G在抗災(zāi)救災(zāi)中的創(chuàng)新優(yōu)化及應(yīng)用策略

李致常

（中國(guó)電信股份有限公司 三明分公司，福建 三明 365000）

0 引 言

福建等沿海省份不同季節(jié)的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)與暴雨易造成山洪暴發(fā)、山體滑坡、泥石流以及內(nèi)澇等突發(fā)自然災(zāi)害，對(duì)道路、供電及通信網(wǎng)絡(luò)造成嚴(yán)重破壞，受災(zāi)地區(qū)通信部分阻斷或全阻形成信息孤島。傳統(tǒng)的通信保障方法是搶修中斷的傳輸并更換損壞設(shè)備，但此方法通常需要數(shù)天才能完成，極其耗費(fèi)時(shí)間[1]。而且通過傳統(tǒng)的應(yīng)急通信車臨時(shí)恢復(fù)災(zāi)區(qū)的2G語音，無法滿足抗災(zāi)救災(zāi)指揮部的實(shí)時(shí)畫面交互和實(shí)時(shí)監(jiān)控等需求，指揮部只能根據(jù)有限且滯后的受災(zāi)信息指揮搶險(xiǎn)救災(zāi)，無法高效準(zhǔn)確地開展抗災(zāi)救災(zāi)工作[2]。

5G網(wǎng)絡(luò)的3大應(yīng)用場(chǎng)景（超大帶寬eMBB、超低時(shí)延uRLLC以及超大連接mMTC）都適用于抗災(zāi)救災(zāi)，具有顯著優(yōu)勢(shì)[3]。本文對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)在抗災(zāi)救災(zāi)中的特色優(yōu)化與應(yīng)用策略進(jìn)行分析與研究，以達(dá)到全面高效恢復(fù)抗災(zāi)指揮部與災(zāi)區(qū)的監(jiān)控與通信、修復(fù)重要政企專線線路以及Relay回傳恢復(fù)中斷基站的目的[4]。

1 5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于抗災(zāi)救災(zāi)的優(yōu)勢(shì)

5G網(wǎng)絡(luò)在抗災(zāi)救災(zāi)中的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在eMBB增強(qiáng)移動(dòng)帶寬、uRLLC低時(shí)延高可靠連接以及mMTC海量物聯(lián)3個(gè)方面，典型應(yīng)用如圖1所示。

圖1 5G網(wǎng)絡(luò)在抗災(zāi)救災(zāi)中的典型應(yīng)用

現(xiàn)有5G網(wǎng)絡(luò)的下行速率最高可達(dá)1.7 Gb/s，上行速率可達(dá)280 Mb/s，是4G網(wǎng)絡(luò)的10倍左右，可以滿足救災(zāi)指揮部的高清視頻監(jiān)控、指揮系統(tǒng)交互、修復(fù)政企專線電路以及Relay回傳恢復(fù)中斷基站等通信需求。實(shí)際應(yīng)用中，uRLLC的端到端時(shí)延最低可以達(dá)到5 ms，遠(yuǎn)小于4G網(wǎng)絡(luò)時(shí)延30 ms，可以應(yīng)用于對(duì)時(shí)延要求較高的場(chǎng)景，如遠(yuǎn)程VR操作、蓄洪區(qū)水閘泄洪、無人機(jī)救援以及自動(dòng)救災(zāi)精密儀器操作等。mMTC場(chǎng)景下，每平方千米可以達(dá)到1×106個(gè)連接，可廣泛應(yīng)用于泛洪區(qū)的水位探頭監(jiān)控和疫情地區(qū)的門禁探頭監(jiān)控等，這種需求是4G網(wǎng)絡(luò)無法滿足的。

2 5G應(yīng)急通信快速組網(wǎng)策略

受災(zāi)地區(qū)存在通信部分阻斷或全部阻斷的情況，這兩種情況下，5G應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式有所不同。

2.1 通信部分阻斷的創(chuàng)新組網(wǎng)策略

因通信部分阻斷，災(zāi)區(qū)無線監(jiān)控設(shè)備和指揮部無線終端等設(shè)備無法連接5G網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)政企專線電路中斷，無法在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)。而CPE具有接收解調(diào)性能強(qiáng)大、與5G基站交互性能好、重量輕、易于單人攜帶且易于擺放在信號(hào)較好的高處等特點(diǎn)，可以及時(shí)跟隨救災(zāi)指揮部轉(zhuǎn)換地點(diǎn)，并能與中斷的政企專線電路互聯(lián)，快速組網(wǎng)，從而幫助工作人員有效應(yīng)對(duì)災(zāi)情，節(jié)省寶貴時(shí)間。

災(zāi)情現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備通過網(wǎng)線接入CPE1，抗災(zāi)指揮部視頻播放器接入CPE2，CPE通過5G網(wǎng)絡(luò)形成組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交互。通信部分阻斷的救災(zāi)指揮部組網(wǎng)策略如圖2所示。

圖2 通信部分阻斷的救災(zāi)指揮部組網(wǎng)策略圖

災(zāi)情現(xiàn)場(chǎng)政企專線路由器通過網(wǎng)線接入CPE，CPE通過5G網(wǎng)絡(luò)形成組網(wǎng)，建立政企專線與政企客戶支撐中心LNS之間的連接，保障政企專線的正常使用。通信部分阻斷的政企專線電路修復(fù)組網(wǎng)策略如圖3所示。

圖3 通信部分阻斷的政企專線電路修復(fù)組網(wǎng)策略圖

2.2 通信全阻情況下的創(chuàng)新組網(wǎng)策略

在災(zāi)區(qū)通信全阻的情況下，利用行業(yè)領(lǐng)先的Ka技術(shù)，用Ka高通量衛(wèi)星作為傳輸中繼，開通應(yīng)急通信車上的5G網(wǎng)絡(luò)及Volte網(wǎng)絡(luò)，滿足抗災(zāi)救災(zāi)指揮部與政企專線電路的通信需求[5]。

應(yīng)急通信車與NanoSat Ka衛(wèi)星便攜站具有越野性能強(qiáng)大、出行方便以及易組網(wǎng)等特點(diǎn)，能夠及時(shí)跟隨救災(zāi)指揮部轉(zhuǎn)換地點(diǎn)，快速組網(wǎng)，同時(shí)兼具恢復(fù)政企專線電路的功能[6]。

災(zāi)情指揮部相關(guān)設(shè)備與政企專線路由器通過5G應(yīng)急通信車、Ka衛(wèi)星、地面衛(wèi)星中心、IP RAN以及核心網(wǎng)形成通信全阻情況下的組網(wǎng)策略，具體如圖4所示[7]。

圖4 通信全阻情況下的組網(wǎng)策略

3 5G應(yīng)急快速組網(wǎng)下的創(chuàng)新優(yōu)化策略

救災(zāi)指揮部需求的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)主要是監(jiān)控視頻和單兵視頻等，這些業(yè)務(wù)對(duì)5G上行帶寬要求較高。此外，政企專線每日需要傳輸大量的數(shù)據(jù)到上級(jí)政企數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)上行速率需求也較大。因此從3個(gè)方面對(duì)5G上行速率進(jìn)行創(chuàng)新優(yōu)化提升，以滿足救災(zāi)指揮部和政企用戶的需求[8]。一是提高上行時(shí)隙配比。5G基站默認(rèn)的下行上行時(shí)隙配比為8:2，將其優(yōu)化為7:3，通過增加5G基站上行時(shí)隙來提升上行速率。理論上上行時(shí)隙配置優(yōu)化為7:3后，上行速率能提升43%。二是PUSCH占用PRACH。由于應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)一般供給特定的人群使用，接入的設(shè)備和次數(shù)都是有限的，因此可以將5G網(wǎng)絡(luò)接入信道PRACH的資源讓給上行業(yè)務(wù)信道PUSCH使用，從而提升上行速率[9]。經(jīng)過試驗(yàn)證實(shí)，在理想狀態(tài)下上行速率提升14%。三是開啟上行256QAM自適應(yīng)開關(guān)。使救災(zāi)指揮部的5G終端處于最高階256QAM調(diào)制，避免終端處于QPSK或16QAM等低階調(diào)制，以此提升上行編碼數(shù)據(jù)攜帶能力，進(jìn)而提升5G上行速率[10]。在實(shí)驗(yàn)室理想狀態(tài)下，此創(chuàng)新優(yōu)化策略能將上行速率提升12%。

4 5G在抗災(zāi)救災(zāi)中的創(chuàng)新優(yōu)化及應(yīng)用案例

為適應(yīng)5G新時(shí)代，在泰寧大金湖水上抗災(zāi)救災(zāi)應(yīng)急演練中采用此抗災(zāi)救災(zāi)的5G創(chuàng)新優(yōu)化及應(yīng)用策略，以驗(yàn)證其先進(jìn)性。需要用到的易攜帶設(shè)備包括圖5所示的兩個(gè)CPE、一輛裝有5G設(shè)備的應(yīng)急通信車以及一套便攜式Ka衛(wèi)星收發(fā)機(jī)。

圖5 易攜帶設(shè)備

通信部分阻斷與通信全阻狀態(tài)下，開通應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)前后上、下行平均速率對(duì)比如圖6所示。

圖6 開通應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)前后上、下行平均速率對(duì)比

在通信部分阻斷狀態(tài)下，使用提高上下行時(shí)隙配比、PUSCH占用PRACH、開啟上行256QAM自適應(yīng)開關(guān)以及雙CPE組網(wǎng)等特色應(yīng)用策略，在災(zāi)情命令下達(dá)的20 min內(nèi)成功組網(wǎng)。抗災(zāi)救災(zāi)演練指揮部的指揮及監(jiān)控終端的下行平均速率從26.8 Mb/s提升至313.8 Mb/s，上行平均網(wǎng)絡(luò)速率從4.0 Mb/s提升至95.1 Mb/s。VoLTE業(yè)務(wù)可以正常起呼，業(yè)務(wù)正常，前臺(tái)觀察MOS值在3.96左右，測(cè)試10次無掉線。

在通信全阻的狀態(tài)下，通過提高上下行時(shí)隙配比、PUSCH占用PRACH或開啟上行256QAM自適應(yīng)開關(guān)，并使用應(yīng)急通信車和便攜式Ka衛(wèi)星收發(fā)機(jī)等，在災(zāi)情命令下達(dá)的40 min內(nèi)，應(yīng)急車5G基站以Ka衛(wèi)星通信為中繼，從地面衛(wèi)星站落地后經(jīng)IP RAN傳輸后再轉(zhuǎn)到5G核心網(wǎng)，形成組網(wǎng)?？篂?zāi)救災(zāi)演練指揮部的指揮及監(jiān)控終端的下行網(wǎng)絡(luò)速率從26.8 Mb/s提升至59.1 Mb/s，上行網(wǎng)絡(luò)速率從4.0 Mb/s提升至10.0 Mb/s。VoLTE業(yè)務(wù)可以正常起呼，業(yè)務(wù)正常，前臺(tái)觀察MOS值在3.92左右，測(cè)試10次無掉線。

5G網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新優(yōu)化與應(yīng)用策略在此次大金湖水上抗災(zāi)救災(zāi)應(yīng)急演練中十分成功，其20 min即可成功組網(wǎng)，具有數(shù)據(jù)及時(shí)、畫面高清且交互性強(qiáng)大的特點(diǎn)，給演練指揮部人員帶來良好的使用體驗(yàn)。

5 結(jié) 論

本文闡述并論證了5G網(wǎng)絡(luò)在抗災(zāi)救災(zāi)中的特色優(yōu)化及組網(wǎng)應(yīng)用策略，充分利用5G網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合行業(yè)領(lǐng)先的衛(wèi)星Ka波段技術(shù)快速開通5G應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，為救災(zāi)指揮提供通信保障，并結(jié)合實(shí)際案例展示了此創(chuàng)新策略在抗災(zāi)救災(zāi)中的優(yōu)勢(shì)，旨在為相關(guān)人員提供借鑒。