基于地震災(zāi)害的分層應(yīng)急通信保障策略研究*

周 洋，趙旭毅

(1.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)工程大學(xué) 信息工程學(xué)院，西安 710086；2.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)工程大學(xué) 軍事基礎(chǔ)教育學(xué)院，西安 710086)

0 引言

我國(guó)是個(gè)幅員遼闊的國(guó)家，每年因自然災(zāi)害造成的損失是巨大的，地震往往會(huì)帶來余震、泥石流、堰塞湖等次生災(zāi)害，給人們生命財(cái)產(chǎn)帶來巨大隱患，黃金72小時(shí)救援顯得至關(guān)重要，然而地震往往會(huì)造成光纜中斷、基站等設(shè)備受損導(dǎo)致通信不暢，應(yīng)急通信旨在突發(fā)事件后提供一套靈活穩(wěn)定的通信系統(tǒng)。文獻(xiàn)[1-3]分別介紹了“動(dòng)中通”、高空應(yīng)急通信以及無(wú)線自組網(wǎng)在不同應(yīng)急通信場(chǎng)景下的應(yīng)用。文獻(xiàn)[4]提出構(gòu)造天地一體化應(yīng)急指揮通信網(wǎng)絡(luò)，利用衛(wèi)星、蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)以及無(wú)線局域網(wǎng)分別構(gòu)造廣域傳輸網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)指揮調(diào)度網(wǎng)絡(luò)以及救援自組織網(wǎng)絡(luò)，但具體實(shí)施辦法未進(jìn)行明確。文獻(xiàn)[5]提出一個(gè)以地面、小范圍、大范圍分層分別采取設(shè)備到設(shè)備、無(wú)人機(jī)中轉(zhuǎn)、衛(wèi)星通信方式的空天一體化應(yīng)急通信系統(tǒng)，該模型能夠提供高容量、穩(wěn)定的通信鏈路。文獻(xiàn)[6]介紹了無(wú)人機(jī)應(yīng)急移動(dòng)通信方案，該方案是利用無(wú)人機(jī)中繼通信平臺(tái)，通過與地面移動(dòng)通信網(wǎng)以及衛(wèi)星網(wǎng)進(jìn)行通信鏈接為災(zāi)區(qū)進(jìn)行通信保障。文獻(xiàn)[7]指出社交媒體受地震影響較小，應(yīng)用廣泛，傳播迅速，相關(guān)機(jī)構(gòu)可以利用傳播知識(shí)，應(yīng)對(duì)災(zāi)害。

文章在前人研究的基礎(chǔ)上，提出分層應(yīng)急通信保障策略，該策略是基于震后災(zāi)區(qū)模型進(jìn)行應(yīng)急通信保障，依照震后烈度圖、人口密度圖以及無(wú)人機(jī)中繼通信覆蓋直徑把災(zāi)區(qū)模型分成邊緣層和核心層，各層之間采取不同的通信保障方式，達(dá)到集約高效。

1 災(zāi)區(qū)通信保障模型構(gòu)建

地震、海嘯、臺(tái)風(fēng)、泥石流等自然災(zāi)害發(fā)生后，災(zāi)區(qū)道路受損，基站設(shè)備損壞，光纖中斷，導(dǎo)致災(zāi)區(qū)成為通信盲區(qū)。為了搶占黃金72小時(shí)，保障災(zāi)區(qū)群眾通信需求，需要第一時(shí)間建立起通信鏈路。災(zāi)區(qū)通信保障模型是基于災(zāi)區(qū)通信環(huán)境所建立的模型，該模型受地震烈度、無(wú)人機(jī)中繼通信覆蓋直徑以及人口密度等因素的影響。地震烈度是測(cè)算出模型覆蓋范圍的快速有效方法，常用來描述地震對(duì)人、建筑、自然環(huán)境影響的強(qiáng)弱程度，它受震級(jí)、距離、地質(zhì)結(jié)構(gòu)等多方面因素的影響，一般情況下，離震源越近，烈度越大，它的等級(jí)越高，基站等通信設(shè)備受損越嚴(yán)重。中國(guó)對(duì)烈度等級(jí)進(jìn)行劃分,分成12個(gè)等級(jí)，從Ⅰ到Ⅻ級(jí)，Ⅶ級(jí)以上就會(huì)導(dǎo)致地表出現(xiàn)裂縫，牌坊，煙囪損壞，通信設(shè)備受損導(dǎo)致區(qū)域成為通信盲區(qū)，具體是Ⅶ級(jí)以上通信設(shè)備受損嚴(yán)重，蜂窩移動(dòng)通信中斷，需要進(jìn)行通信保障。烈度評(píng)定結(jié)果有助于迅速掌握災(zāi)情，文獻(xiàn)[8]中指出地震烈度快速評(píng)估可以通過烈度衰減規(guī)律模型進(jìn)行。依據(jù)無(wú)人機(jī)的覆蓋直徑d，結(jié)合不同的通信保障方式，把災(zāi)區(qū)劃分為邊緣層和核心層，其中從通信盲區(qū)邊界及以內(nèi)d范圍內(nèi)劃分成邊緣層，邊緣層以內(nèi)劃為核心層，邊緣層采取無(wú)人機(jī)加LTE通信保障模式，核心層利用應(yīng)急通信指揮車、短波電臺(tái)通信方式。人口密度越大，話務(wù)量需求越大，優(yōu)先等級(jí)就越高，是通信保障的重點(diǎn)區(qū)域，在無(wú)人機(jī)巡航和路線規(guī)劃需要重點(diǎn)考慮。

2 分層應(yīng)急通信保障體系實(shí)施

依據(jù)災(zāi)區(qū)模型，劃分邊緣層和核心層，各層采取不同的通信保障方式。具體是衛(wèi)星通信負(fù)責(zé)骨干通信及偏遠(yuǎn)通信，無(wú)人機(jī)中繼通信在邊緣層負(fù)責(zé)災(zāi)區(qū)通信保障，短波電臺(tái)及應(yīng)急通信車在核心層進(jìn)行補(bǔ)充。衛(wèi)星通信雖然不受地理環(huán)境影響，但帶寬受限，時(shí)延大，終端設(shè)備昂貴[9]，不能滿足災(zāi)區(qū)大量群眾通信需求，只能適用于特定通信需求。無(wú)人機(jī)中繼通信是在無(wú)人機(jī)上搭載空中基站，通過衛(wèi)星鏈路或蜂窩移動(dòng)網(wǎng)鏈路達(dá)到對(duì)災(zāi)區(qū)進(jìn)行大范圍通信覆蓋。無(wú)人機(jī)進(jìn)行邊緣部署的考慮是一方面能夠鏈接蜂窩移動(dòng)網(wǎng)，為災(zāi)區(qū)群眾提供大范圍穩(wěn)定的通信信號(hào)，另一方面是毗鄰正常工作區(qū)，有利于搶險(xiǎn)救援隊(duì)伍第一時(shí)間實(shí)施救援，為進(jìn)入災(zāi)區(qū)核心部位開展救援創(chuàng)造條件。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，無(wú)人機(jī)中繼通信技術(shù)走向成熟，2020年9月25日，翼龍2無(wú)人機(jī)冒雨從貴州安順機(jī)場(chǎng)起飛，在無(wú)信號(hào)的四川木里地區(qū)構(gòu)建了空天地一體化應(yīng)急通信平臺(tái)。短波電臺(tái)的通信自主性強(qiáng)、容災(zāi)性高、受地震影響較小，適應(yīng)于最低限度通信。應(yīng)急通信車開通迅速、運(yùn)用靈活、調(diào)度方便，能夠提供語(yǔ)音調(diào)度、視頻會(huì)議以及無(wú)線組網(wǎng)等功能。

為了做好分層應(yīng)急通信保障，需要未雨綢繆，在災(zāi)害發(fā)生之前，完善地震高危地區(qū)通信設(shè)施器材的保障，主要是在鎮(zhèn)一級(jí)政府配備衛(wèi)星移動(dòng)手機(jī)，在學(xué)校、車站、機(jī)場(chǎng)等人流量密集的地方配備短波電臺(tái)和無(wú)線自組網(wǎng)，在縣以上單位根據(jù)轄區(qū)規(guī)模配備足夠的衛(wèi)星應(yīng)急通信車，在地震高危地區(qū)周邊機(jī)場(chǎng)部署搭載空中基站的翼龍2無(wú)人機(jī)作為備用。當(dāng)發(fā)生地震災(zāi)害后，應(yīng)迅速調(diào)集各類通信資源，按照分層應(yīng)急通信保障策略實(shí)施保障。具體流程圖如圖1。

(a)通信器材保障 (b)應(yīng)急通信保障實(shí)施

地震發(fā)生后，迅速啟動(dòng)應(yīng)急通信響應(yīng)機(jī)制，協(xié)同地震局通過遙控衛(wèi)星和實(shí)測(cè)掌握地震烈度圖，估測(cè)通信需要覆蓋的區(qū)域，并對(duì)災(zāi)區(qū)區(qū)域進(jìn)行分層。協(xié)調(diào)周邊可用機(jī)場(chǎng)做好無(wú)人機(jī)通信中繼保障任務(wù)準(zhǔn)備工作。

無(wú)人機(jī)的部署數(shù)量應(yīng)根據(jù)地震烈度Ⅶ度以上地區(qū)范圍和無(wú)人機(jī)中繼通信覆蓋范圍計(jì)算得出。地震烈度圖在近場(chǎng)一般呈橢圓形，遠(yuǎn)場(chǎng)逐漸成為圓形[10]，不失一般性用橢圓表示，如圖2所示，烈度值I越高，地震破壞性越大。橢圓的長(zhǎng)、短軸分別用ai和bi(i=1…n)。為方便起見，用相同長(zhǎng)度寬度分別為ai和bi的長(zhǎng)方形近似代替橢圓，來表示地震受災(zāi)區(qū)域。

圖2 地震烈度模型

無(wú)人機(jī)中繼平臺(tái)的通信覆蓋區(qū)域與攜帶通信設(shè)備功率和飛行高度有關(guān)。地面接收信號(hào)平均功率可以由式(1)表示：

(1)

其中pt表示無(wú)人機(jī)發(fā)射功率，Gt、Gr分別表示發(fā)射和接受天線增益，ΔL表示為自由空間損耗，d為通信距離，f為電磁波工作頻率。無(wú)人機(jī)中繼通信覆蓋半徑可由式(2)計(jì)算[11]:

(2)

其中R是地球半徑，T為接收端等效噪聲溫度，K是玻爾茲曼常數(shù)，γ0是接收端最低信噪比門限，Rb表示信息傳輸速率。

為了討論一般情況，假設(shè)災(zāi)區(qū)人口密度是均勻分布，每個(gè)地區(qū)都需要通信保障，為了確定無(wú)人機(jī)部署數(shù)量，首先需要確定無(wú)人機(jī)覆蓋模型，假設(shè)無(wú)人機(jī)攜帶是全向天線，則覆蓋區(qū)域是個(gè)圓形，由圖3和表1可知，當(dāng)無(wú)人機(jī)覆蓋區(qū)域近似用正六邊形覆蓋時(shí)[12]，同等覆蓋區(qū)域所需的無(wú)人機(jī)覆蓋數(shù)量最少。

圖3 無(wú)人機(jī)覆蓋模型等效圖

覆蓋形狀正三角形正方形正六邊形領(lǐng)區(qū)距離r2r3r轄區(qū)面積1.3r22r22.6r2交疊區(qū)寬度r0.59r0.27r交疊區(qū)面積1.2πr20.73πr20.35πr2

為了精確算出無(wú)人機(jī)部署數(shù)量，首先要根據(jù)邊緣層區(qū)域大小來估算，設(shè)烈度Ⅶ級(jí)以上區(qū)域長(zhǎng)度為a，寬度為b，一般情況下，破壞性地震烈度的寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無(wú)人機(jī)的覆蓋直徑r，即b≥2r，如圖4所示。

圖4 無(wú)人機(jī)覆蓋模型

則需要覆蓋的無(wú)人機(jī)數(shù)量為：

(3)

對(duì)于無(wú)人機(jī)覆蓋不了的區(qū)域，則利用通信指揮車，通過衛(wèi)星鏈路，構(gòu)成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，短波電臺(tái)不依賴于基礎(chǔ)通信設(shè)施，容災(zāi)性強(qiáng)，可以在人口密集的地區(qū)作為最低通信保障方式使用，向外界傳遞信息。整個(gè)分層通信保障如圖5所示。

圖5 分層通信保障示意圖

3 分層應(yīng)急通信保障的優(yōu)點(diǎn)

1)集約高效，各類通信鏈路不會(huì)受到干擾。分層應(yīng)急通信是依據(jù)災(zāi)區(qū)不同的通信業(yè)務(wù)需求，結(jié)合空中基站通信技術(shù)，對(duì)災(zāi)區(qū)模型劃分成核心層以及邊緣層，各層之前采取不同的通信保障策略，提升應(yīng)急通信保障效益。衛(wèi)星通信因?yàn)閹捠芟?，接入?shù)量受限等因素，不能滿足災(zāi)區(qū)大量群眾話務(wù)量需求[13]，但其保密性強(qiáng)，適合于救災(zāi)通信指揮、定點(diǎn)通信的需求。無(wú)人機(jī)攜帶空中基站，通過鏈接蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，迅速在災(zāi)區(qū)邊緣構(gòu)建大規(guī)模應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，能夠?yàn)闉?zāi)區(qū)群眾持續(xù)穩(wěn)定提供高速率的語(yǔ)音、圖像、網(wǎng)絡(luò)等業(yè)務(wù)需求，又能夠?yàn)榫仍株?duì)提供地理位置信息，且覆蓋區(qū)域廣闊，有利于第一時(shí)間開展大范圍救援活動(dòng)。短波電臺(tái)，不依賴于基礎(chǔ)通信設(shè)備，能夠在震中區(qū)域第一時(shí)間向外界傳輸信號(hào)，具有很強(qiáng)的容災(zāi)性。

2)不受復(fù)雜地形地貌限制，部署快速便捷[14]。翼龍2無(wú)人機(jī)，最大飛行高度可達(dá)9 km，且最快速度能達(dá)370 km/h，在災(zāi)區(qū)臨近機(jī)場(chǎng)起飛，1小時(shí)內(nèi)即能夠飛抵災(zāi)區(qū)上空，組建臨時(shí)移動(dòng)通信網(wǎng)，且翼龍2無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間能達(dá)到20小時(shí)，能夠持續(xù)為災(zāi)區(qū)提供通信保障。相對(duì)于傳統(tǒng)地面無(wú)線通信方式，翼龍2無(wú)人機(jī)攜帶基站飛入高空，不受地球曲率、建筑物、山脈等障礙物影響，同時(shí)可以避免地表障礙物對(duì)通信鏈路的阻擋，降低了地表建筑物、地貌等引起的多徑衰落效應(yīng)[15]，從而建立起穩(wěn)定的通信鏈路。

3)機(jī)動(dòng)靈活，操作便捷，能避免次生地質(zhì)災(zāi)害的影響。無(wú)人機(jī)中繼通信能夠根據(jù)不同的災(zāi)區(qū)環(huán)境情況靈活調(diào)整部署范圍，另外無(wú)人機(jī)操作模塊化，相對(duì)簡(jiǎn)單，不受災(zāi)區(qū)交通、電力中斷、余震等次生災(zāi)害的影響。

4 分層應(yīng)急通信存在的技術(shù)難點(diǎn)

分層應(yīng)急通信的核心是無(wú)人機(jī)空中中繼通信，主要存在以下難點(diǎn)：

1)固定翼無(wú)人機(jī)需要在空中盤旋，盤旋時(shí)無(wú)人機(jī)覆蓋區(qū)域會(huì)發(fā)生變化，邊緣覆蓋部位信號(hào)不穩(wěn)定，另外相鄰區(qū)域無(wú)人機(jī)覆蓋區(qū)域會(huì)發(fā)生疊加，加強(qiáng)無(wú)人機(jī)群的飛行路線規(guī)劃也需要研究。

2)固定翼無(wú)人機(jī)需要從機(jī)場(chǎng)起飛，會(huì)占用航道資源，自然災(zāi)害發(fā)生是突然的，此時(shí)機(jī)場(chǎng)不一定有空閑的航道用于無(wú)人機(jī)起飛，因此加強(qiáng)與機(jī)場(chǎng)管理局的溝通協(xié)調(diào)機(jī)制的研究，確保遇到突發(fā)情況能夠立即起飛。

3)基于分層應(yīng)急通信保障涉及到災(zāi)區(qū)通信模型的建立和通信器材的配備，因此平時(shí)要加強(qiáng)演練，完善配備人流量密集場(chǎng)所的電臺(tái)、衛(wèi)星通信設(shè)備終端，做到一旦出現(xiàn)自然災(zāi)害，能夠迅速建立起通信鏈路，快速開展救援。

5 結(jié)論

目前無(wú)人機(jī)中繼通信研究已經(jīng)比較成熟，充分利用各類通信資源，快速建立通信鏈路對(duì)于減災(zāi)救災(zāi)具有充分意義，文章在前人的研究結(jié)果上，提出分層應(yīng)急通信保障策略，重點(diǎn)對(duì)無(wú)人機(jī)中繼通信保障的覆蓋模型進(jìn)行討論，并對(duì)分層應(yīng)急通信保障策略需要把握的重點(diǎn)進(jìn)行討論。分層應(yīng)急通信的高機(jī)動(dòng)性、超強(qiáng)的抗毀能力、快速部署性、分層保障策略必然能夠促進(jìn)我國(guó)應(yīng)急管理能力的發(fā)展。