星地融合通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)森林火災(zāi)應(yīng)急通信應(yīng)用

文 | 鄧守峰 艾寧義 李明 安玉拴 雷建勝

天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司

一、引言

森林火災(zāi)是世界八大自然災(zāi)害之一，具有突發(fā)性強(qiáng)、發(fā)生面廣、處置撲救難度大、破壞性強(qiáng)的特點(diǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球每年有數(shù)百萬公頃的森林覆蓋區(qū)域受到火災(zāi)的影響。依據(jù)中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒（2011—2021），2010 ～2020 年之間，全國(guó)共發(fā)生森林火災(zāi)39310 次，其中特別重大火災(zāi)11 次，重大火災(zāi)63 次，受害林面積20 余萬公頃，傷亡人數(shù)651 人。因此在森林火災(zāi)發(fā)生時(shí)，如何高效地進(jìn)行信息交互，更加全面掌握火場(chǎng)態(tài)勢(shì)及接收指揮指令，對(duì)于及時(shí)撲救森林火災(zāi)、保護(hù)人民財(cái)產(chǎn)安全具有深遠(yuǎn)而重要的意義。

然而，由于部分林區(qū)通信基礎(chǔ)建設(shè)不完善、現(xiàn)有防火通信覆蓋率約為70%，存在較大盲區(qū)，衛(wèi)星通信、機(jī)動(dòng)通信保障能力不強(qiáng)。有線基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)滯后，難以滿足語音通信、火險(xiǎn)預(yù)警、圖像監(jiān)控、視頻調(diào)度、信息指揮等防火業(yè)務(wù)工作的需要，導(dǎo)致指揮中心與火場(chǎng)的信息交互不及時(shí)，火場(chǎng)態(tài)勢(shì)不明確，極大地限制了撲救工作的開展。

星地融合通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)打造以衛(wèi)星通信為骨干網(wǎng)絡(luò)，多種地面通信模式統(tǒng)一接入的融合通信網(wǎng)絡(luò)，可在火災(zāi)發(fā)生時(shí)快速構(gòu)建多節(jié)點(diǎn)之間的通信通道。衛(wèi)星通信不受地理?xiàng)l件和基礎(chǔ)設(shè)施的制約，具備覆蓋范圍大、通信距離遠(yuǎn)、通信建立迅速的特點(diǎn)，融合超短波、4G LTE、寬帶自組網(wǎng)等多種地面通信方式，可進(jìn)一步擴(kuò)展衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)接入能力，所構(gòu)成的星地融合通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在具備衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的同時(shí)，可承載多種豐富的語音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。通過星地融合通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可在第一時(shí)間將火場(chǎng)前線信息以語音、視頻等方式回傳至指揮中心，為指揮中心提供直觀、全面的現(xiàn)場(chǎng)活動(dòng)狀態(tài)，為戰(zhàn)術(shù)制定、人員調(diào)配等一系列火場(chǎng)相關(guān)的工作提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，真正有效提升指揮中心對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)控制能力，確保實(shí)現(xiàn)森林火災(zāi)“打早、打小、打了”的目標(biāo)，最大程度保證人民群眾的財(cái)產(chǎn)安全。

二、融合通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.基礎(chǔ)架構(gòu)

圖1 星地融合通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具備如下特點(diǎn)。

1）業(yè)務(wù)應(yīng)用管道化。如圖2 所示，星地融合通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)以管道化方式應(yīng)用，從邏輯上看來，每個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用終端均處于管道端口處，各種應(yīng)用通信從管道一端進(jìn)入，從另一端輸出，減少業(yè)務(wù)人員對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)本身的關(guān)注，可更多地聚焦于業(yè)務(wù)應(yīng)用。

圖2 業(yè)務(wù)應(yīng)用管道化

2）業(yè)務(wù)承載多元化。如圖3 所示，星地融合通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以衛(wèi)星組網(wǎng)通信模式構(gòu)成承載網(wǎng)絡(luò)，其他地面通信方式構(gòu)成接入網(wǎng)絡(luò)，疊加在承載網(wǎng)絡(luò)之上，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)、視頻等火場(chǎng)監(jiān)測(cè)信息的傳輸與交互，并且便于后續(xù)應(yīng)用業(yè)務(wù)的靈活擴(kuò)展。

圖3 業(yè)務(wù)承載多元化

2.通信模式

（1）衛(wèi)星+窄帶超短波融合通信

衛(wèi)星+ 窄帶超短波融合通信架構(gòu)充分發(fā)揮衛(wèi)星通信廣域覆蓋能力，可組建廣域的超短波通信網(wǎng)絡(luò)，如圖4 所示。超短波基站、超短波終端通過超短波空中接口，形成獨(dú)立的超短波通信局域網(wǎng)絡(luò)。以衛(wèi)星星型組網(wǎng)通信作為基礎(chǔ)的骨干承載傳輸網(wǎng)絡(luò)，將各個(gè)超短波通信局域網(wǎng)絡(luò)附著在骨干承載傳輸網(wǎng)絡(luò)邊緣，作為語音業(yè)務(wù)接入網(wǎng)絡(luò)，通過這種方式將各個(gè)超短波通信局域網(wǎng)絡(luò)連接起來，形成廣域的超短波通信網(wǎng)絡(luò)。

圖4 衛(wèi)星+窄帶超短波融合通信架構(gòu)

該架構(gòu)充分發(fā)揮了超短波通信具有語音清晰、抗干擾能力強(qiáng)、移動(dòng)通信能力強(qiáng)且不依賴于有線和光纖等特點(diǎn)，充分利用衛(wèi)星通信機(jī)動(dòng)式、便攜式優(yōu)勢(shì)應(yīng)對(duì)森林火災(zāi)時(shí)間上的突發(fā)性和空間上的隨機(jī)性，無需建設(shè)中間用于轉(zhuǎn)發(fā)的超短波設(shè)施，依據(jù)火場(chǎng)位置迅速建立衛(wèi)星與超短波融合通信，即可利用超短波豐富的語音調(diào)度、單呼、組呼、全呼等功能，實(shí)現(xiàn)前后方的實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)指揮。

（2）衛(wèi)星+VoIP 融合語音通信

語音通信是信息交互的基本方式，是森林火災(zāi)應(yīng)急通信的基礎(chǔ)保障。衛(wèi)星+VoIP 融合通信架構(gòu)以衛(wèi)星通信為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)VoIP 節(jié)點(diǎn)之間，以及VoIP 系統(tǒng)內(nèi)與PLMN、PSTN 網(wǎng)絡(luò)之間的高清語音通信，如圖5 所示。

圖5 衛(wèi)星+VOIP 融合通信架構(gòu)

VoIP 語音通信基于SIP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)，適合在IP網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用，可直接接入基于IP 傳輸?shù)男l(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。衛(wèi)星與VoIP 融合語音通信架構(gòu)充分發(fā)揮VoIP 通信的成本低、帶寬利用率高的特點(diǎn)，降低對(duì)衛(wèi)星鏈路帶寬的要求，使得VoIP 語音通信在有限的衛(wèi)星帶寬資源下可提供較高質(zhì)量的語音服務(wù)，有效地解決了森林防火應(yīng)急通信中基礎(chǔ)語音通信的問題。

“小說、尤其是長(zhǎng)篇小說，應(yīng)該有那么一個(gè)人，著墨不多，但貫穿始終，見證歷史，就像是河邊的一棵枯樹?，F(xiàn)在，我除了尋找那個(gè)屬于我個(gè)人的詞語，還在尋找——”一杭把筷子倒過來，蘸著酒在餐桌上寫了個(gè)“樹”字。

（3）衛(wèi)星+4G LTE 融合通信

衛(wèi)星+4G LTE 融合通信架構(gòu)以衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)作為火場(chǎng)臨時(shí)部署的4G 基站回程鏈路。面向森林火災(zāi)位置的不確定性，依托衛(wèi)星通信鏈路快速實(shí)現(xiàn)靈活、高效的火場(chǎng)4G 信號(hào)覆蓋，使得該區(qū)域內(nèi)的人員使用普通手機(jī)終端即可接入運(yùn)營(yíng)商公共通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)公網(wǎng)通信。

傳統(tǒng)的地面網(wǎng)絡(luò)4G 網(wǎng)絡(luò)回程鏈路基本采用千兆以太網(wǎng)光纖鏈路，但火場(chǎng)區(qū)域往往不具有光纖通信條件。如圖6 所示，該架構(gòu)采用虛擬鏈路技術(shù)在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建二層傳輸隧道，使得LTE 基站回傳可在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行透?jìng)?，達(dá)到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與4G 網(wǎng)絡(luò)可獨(dú)立進(jìn)行IP 規(guī)劃的目的，有效避免了網(wǎng)絡(luò)之間相互干擾，降低了網(wǎng)絡(luò)安全隱患，實(shí)現(xiàn)了基于衛(wèi)星通信為回程鏈路的4G 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。

圖6 衛(wèi)星+4G LTE 融合通信架構(gòu)

（4）衛(wèi)星+寬帶自組網(wǎng)融合通信

寬帶自組網(wǎng)具有部署簡(jiǎn)便、非視距傳輸效果好、魯棒性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)靈活的特性，在局域范圍內(nèi)可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景形成鏈型、星型以及混合型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌ㄟ^不同節(jié)點(diǎn)的中繼傳輸實(shí)現(xiàn)多跳傳輸，從而實(shí)現(xiàn)局域范圍遠(yuǎn)距離的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。衛(wèi)星+寬帶自組網(wǎng)融合通信架構(gòu)以衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)為骨干網(wǎng)絡(luò)，寬帶自組網(wǎng)作為衛(wèi)星通信的無線延伸，構(gòu)建星地融合移動(dòng)通信寬帶通信網(wǎng)絡(luò)。

如圖7 所示，寬帶自組網(wǎng)作為該融合通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的接入部分，可靈活接入無人機(jī)、單兵數(shù)據(jù)采集終端等設(shè)備，結(jié)合衛(wèi)星通信的廣域通信特性，可實(shí)現(xiàn)火場(chǎng)前線至后方指揮中心的無人機(jī)視頻實(shí)時(shí)回傳、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分發(fā)等功能，可將火場(chǎng)圖片、視頻等多媒體數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳至指揮中心，為指揮決策提供數(shù)據(jù)支撐。

圖7 衛(wèi)星+寬帶自組網(wǎng)融合通信架構(gòu)

三、林區(qū)應(yīng)用

以星地融合通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為基礎(chǔ)，在某林區(qū)建立了防火機(jī)動(dòng)應(yīng)急通信指揮系統(tǒng)。該系統(tǒng)在指揮中心建設(shè)衛(wèi)星通信固定站作為固定節(jié)點(diǎn)；在林區(qū)內(nèi)分區(qū)域布設(shè)衛(wèi)星通信車，搭載衛(wèi)星通信車載站作為機(jī)動(dòng)節(jié)點(diǎn)；以衛(wèi)星通信便攜站作為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。衛(wèi)星通信采用中星10 號(hào)衛(wèi)星資源，以星型組網(wǎng)的方式建立衛(wèi)星骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)融合超短波、VoIP、4G LTE 等多種通信模式，實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)時(shí)通信。自該系統(tǒng)建成以來，多次在森林火災(zāi)應(yīng)急通信保障中應(yīng)用，在實(shí)戰(zhàn)中充分驗(yàn)證了該架構(gòu)對(duì)森林火災(zāi)應(yīng)急通信保障的實(shí)用性、有效性和穩(wěn)定性。

2019 年，該林區(qū)某區(qū)域發(fā)生中型火災(zāi)。待火場(chǎng)區(qū)域確定后，迅速派遣衛(wèi)星通信指揮車前往火災(zāi)地點(diǎn)，建立前線指揮中心。同時(shí)依托衛(wèi)星通信骨干網(wǎng)絡(luò)建立與后方指揮中心的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸鏈路，同時(shí)由撲火人員攜帶超短波、衛(wèi)星通信便攜站+VoIP、寬帶自組網(wǎng)設(shè)備前往火場(chǎng)區(qū)域，建立了“火場(chǎng)—移動(dòng)前指—指揮中心”之間的多級(jí)聯(lián)動(dòng)指揮通信網(wǎng)絡(luò)。圖8 為在此次撲火任務(wù)中星地融合通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用模式。

圖8 星地融合通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用模式

1.衛(wèi)星+窄帶超短波融合通信應(yīng)用

在此次撲火任務(wù)中，基于衛(wèi)星+窄帶超短波融合通信架構(gòu)，將衛(wèi)星通信和超短波通信相融合，建立了廣域的超短波通信網(wǎng)絡(luò)。以衛(wèi)星通信指揮車內(nèi)的車載超短波通信基站為中心節(jié)點(diǎn)，撲火隊(duì)員攜帶便攜式超短波基站，利用超短波通信的林區(qū)穿透性和自組網(wǎng)特性，將超短波通信網(wǎng)絡(luò)自衛(wèi)星通信指揮車逐級(jí)延伸至火場(chǎng)；同時(shí)利用衛(wèi)星通信骨干網(wǎng)絡(luò)，后方指揮中心與衛(wèi)星通信指揮車內(nèi)的超短波網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通。指揮人員利用超短波集群通信特性，對(duì)指揮信息廣域分發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)火場(chǎng)內(nèi)的撲火人員實(shí)時(shí)指揮。

2.衛(wèi)星+VoIP 融合語音通信應(yīng)用

為避免因山石等障礙物遮擋造成超短波通信網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，進(jìn)而導(dǎo)致火場(chǎng)通信故障，在此次撲火過程中，由撲火隊(duì)員攜帶衛(wèi)星通信便攜站和VoIP 通信設(shè)備前往火場(chǎng)區(qū)域，基于衛(wèi)星+VoIP 融合通信架構(gòu)搭建多節(jié)點(diǎn)之間的高清語音通信。通過衛(wèi)星通信便攜站與衛(wèi)星通信固定站、衛(wèi)星通信車載站組網(wǎng)通信，建立了多節(jié)點(diǎn)之間基于VoIP 通信的高清語音通信網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)基于指揮中心部署的IPPBX 設(shè)備，實(shí)現(xiàn)VoIP 通信網(wǎng)絡(luò)與公共電話網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)通信。指揮人員采用VoIP 終端、固話終端、手機(jī)終端等多種通信方式，對(duì)撲火人員進(jìn)行指揮，有效保障了火場(chǎng)指揮通信的穩(wěn)定性。

3.衛(wèi)星+4G LTE 融合通信應(yīng)用

面向火場(chǎng)公網(wǎng)通信需求，基于衛(wèi)星+4G LTE融合通信架構(gòu)，在無光纖基礎(chǔ)條件的林區(qū)環(huán)境中，通過衛(wèi)星通信車搭載的4G LTE 公網(wǎng)基站，并基于虛擬鏈路技術(shù)在衛(wèi)星通信骨干網(wǎng)絡(luò)上搭建二層傳輸隧道，以衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)為回傳鏈路建立了4G 公網(wǎng)通信基站，形成了以衛(wèi)星通信指揮車為中心的一定范圍內(nèi)的4G 公網(wǎng)覆蓋。前指指揮人員無需依賴超短波、VoIP 終端等專業(yè)通信設(shè)備，利用普通手機(jī)終端通過4G 公網(wǎng)與后方指揮人員以及其他人員實(shí)時(shí)通信，通過語音、圖片、視頻等多種方式實(shí)時(shí)反饋火場(chǎng)情況，同時(shí)后方指揮人員依據(jù)火場(chǎng)信息做出指揮決策。

4.衛(wèi)星+寬帶自組網(wǎng)融合通信應(yīng)用

撲火隊(duì)員攜帶單兵數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集現(xiàn)場(chǎng)圖片、視頻等火場(chǎng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過寬帶自組網(wǎng)局域網(wǎng)絡(luò)傳輸至衛(wèi)星通信指揮車。同時(shí)，衛(wèi)星通信指揮車通過衛(wèi)星通信骨干網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)回傳至后方指揮中心。后方指揮人員基于回傳數(shù)據(jù)判斷現(xiàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，并基于視頻會(huì)議單元與前線指揮人員進(jìn)行視頻會(huì)商，共同商討撲火方案（圖9）。同時(shí)為更加全面掌握火場(chǎng)態(tài)勢(shì)和評(píng)價(jià)災(zāi)后損失，本次撲火行動(dòng)中結(jié)合無人機(jī)低空監(jiān)測(cè)手段，以低空、大范圍視角對(duì)火場(chǎng)開展視頻采集，并依托衛(wèi)星+寬帶自組網(wǎng)融合通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)采集的視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳，為指揮人員實(shí)施指揮決策和災(zāi)后評(píng)估提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。

圖9 衛(wèi)星通信指揮車內(nèi)實(shí)時(shí)視頻會(huì)商

四、結(jié)論

星地融合通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)打造了以衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)為骨干，多種通信模式統(tǒng)一接入的融合通信網(wǎng)絡(luò)。面向森林火災(zāi)的突發(fā)性特征，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)充分發(fā)揮衛(wèi)星通信覆蓋的廣域性，以及地面通信模式的多樣性，快速建立“火場(chǎng)—移動(dòng)前指—指揮中心”信息傳輸通道，通過承載多種語音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)火場(chǎng)信息高效交互，協(xié)助指揮人員快速掌握火場(chǎng)態(tài)勢(shì)變化，實(shí)現(xiàn)面向火場(chǎng)撲救場(chǎng)景的多級(jí)聯(lián)動(dòng)指揮，可極大地提高森林火災(zāi)應(yīng)急撲救的指揮決策能效。