淺談5G在應(yīng)急通信中的應(yīng)用

熊廷坤 張誠 劉旭 咸立文

摘要：5G作為新一代的移動(dòng)通信技術(shù)，具備傳輸速率高、通信時(shí)延低和用戶容量大等特點(diǎn)。它開始融入人們的日常生活，并影響著諸多行業(yè)的發(fā)展。本文通過分析5G在應(yīng)急通信中的優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合幾個(gè)應(yīng)急搶險(xiǎn)的場(chǎng)景，提出了5G在該場(chǎng)景下的組織應(yīng)用模式，供大家參考研究。

關(guān)鍵詞：5G移動(dòng)通信；應(yīng)急搶險(xiǎn)；應(yīng)急通信

一、引言

我國幅員遼闊，國土面積排名世界第三，但也是自然災(zāi)害頻發(fā)、受災(zāi)面廣、災(zāi)后損失嚴(yán)重的國家之一。在2016年7月的河南特大暴雨，2017年8月8日的四川九寨溝發(fā)生的7.0級(jí)地震，2018年1月的山西特大雪災(zāi)，2019年1月的吉林特大雪災(zāi)等自然災(zāi)害給人們的生命、財(cái)產(chǎn)帶來嚴(yán)重的威脅，對(duì)人們的經(jīng)濟(jì)、生活帶來了嚴(yán)重的影響。自然災(zāi)害發(fā)生的同時(shí)，當(dāng)?shù)氐耐ㄐ呕A(chǔ)設(shè)施往往也會(huì)遭到嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致災(zāi)區(qū)通信中斷，短時(shí)間內(nèi)難以恢復(fù)，嚴(yán)重影響隨后的搶險(xiǎn)救災(zāi)以及災(zāi)后救援等工作。因此，我國近年來一直致力于大力發(fā)展應(yīng)急通信。

作為第五代移動(dòng)通信，5G具備傳輸速率高、通信時(shí)延低和用戶容量大等諸多優(yōu)點(diǎn)，一直受到世界各國的廣泛重視。目前，我國已建成全世界最大的公用5G通信網(wǎng)絡(luò)，為約6.5億人提供5G服務(wù)。相比在公用通信方面的發(fā)展，5G在應(yīng)急通信方面的發(fā)展要落后很多，并且在組織應(yīng)用方面的研究也相對(duì)較少。為填補(bǔ)5G移動(dòng)通信在應(yīng)急通信方面的應(yīng)用空白，本文針對(duì)應(yīng)急通信中的幾個(gè)典型場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了不同的組織運(yùn)用方式，供大家研究參考。

二、5G移動(dòng)通信發(fā)展現(xiàn)狀

5G移動(dòng)通信是新一代的蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，其特點(diǎn)是傳輸速率高、通信時(shí)延低、用戶容量大和可靠性高。與4G相比，5G的峰值速率提高30倍，用戶體驗(yàn)速率提高10倍，頻譜效率提升3倍，支持500KM時(shí)速移動(dòng)通信，無線接口延時(shí)減少90%，連接密度提高10倍，能效和流量密度提高100倍，性能較4G有了巨大的提升。

據(jù)工業(yè)和信息化部的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2022年底，我國新增了88.7萬個(gè)5G基站，較2021年增加了23.7萬個(gè)。全國范圍內(nèi)，移動(dòng)基站的總數(shù)達(dá)到了1083萬個(gè)，其中5G基站占比為231.2萬個(gè)，比2021年增加了7個(gè)百分點(diǎn)[1]，基本已實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)和重點(diǎn)區(qū)域的5G信號(hào)覆蓋。

三、5G移動(dòng)通信在應(yīng)急通信中的優(yōu)勢(shì)

3GPP定義了5G網(wǎng)絡(luò)的三大典型應(yīng)用場(chǎng)景[2]，包括增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）、超可靠低時(shí)延通信（uRLLC）和海量機(jī)器類通信（mMTC）。

（一）增強(qiáng)移動(dòng)寬帶

5G的下行速率可達(dá)1Gbps，上行速率可達(dá)100Mbps，能夠支持同時(shí)上傳和下載多路超高清視頻。在應(yīng)急通信中，能夠使用盡可能少的移動(dòng)終端傳輸更多的視頻數(shù)據(jù)，適用于大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?chǎng)景，比如各大賽事和重大活動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)直播、熱點(diǎn)區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)的臨時(shí)安保監(jiān)控等。

（二）超可靠、低時(shí)延通信

5G網(wǎng)絡(luò)具有空中時(shí)延低至1MS的特點(diǎn)，極大地降低了數(shù)據(jù)在無線信道中的傳輸時(shí)間。結(jié)合5G通信的高可靠特性，在應(yīng)急通信中能夠可靠、實(shí)時(shí)地完成數(shù)據(jù)傳輸，適用于對(duì)數(shù)據(jù)傳輸可靠性要求高、傳輸時(shí)延低的場(chǎng)景，如遠(yuǎn)程遙控指揮、遠(yuǎn)程作業(yè)監(jiān)控和工業(yè)自動(dòng)化等。

（三）海量機(jī)器類通信

5G網(wǎng)絡(luò)的用戶連接能力達(dá)到每平方公里100萬連接，能夠?yàn)楦嗟挠脩粼谕粎^(qū)域內(nèi)提供移動(dòng)通信服務(wù)。在應(yīng)急通信中，可以極大地降低應(yīng)急通信保障的難度，適用于人流量大的場(chǎng)景，比如重大節(jié)日、活動(dòng)等人流聚集的現(xiàn)場(chǎng)等。

四、5G在應(yīng)急通信中的組織應(yīng)用

（一）熱點(diǎn)區(qū)域通信增強(qiáng)

世界杯、奧運(yùn)會(huì)、亞運(yùn)會(huì)、大運(yùn)會(huì)等大型賽事的比賽現(xiàn)場(chǎng)，以及云南潑水節(jié)、青島啤酒節(jié)等重大節(jié)日和大型車展、明星演唱會(huì)等大型活動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)，通常會(huì)臨時(shí)聚集了包括觀眾、運(yùn)動(dòng)員、演職人員、賽事保障人員等在內(nèi)的大量人員。在這些熱點(diǎn)地區(qū)，常常出現(xiàn)因移動(dòng)通信用戶突增超過基站日常最大用戶容量，導(dǎo)致手機(jī)接撥電話困難、網(wǎng)絡(luò)訪問遲滯嚴(yán)重等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致通信癱瘓。移動(dòng)通信在熱點(diǎn)區(qū)域通信擁塞情況如圖1所示。

在此種場(chǎng)景下，為了保障現(xiàn)場(chǎng)通信的順暢，通常通信運(yùn)營商會(huì)采取臨時(shí)部署應(yīng)急通信保障車的方式。這些應(yīng)急通信保障車可以為熱點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的一部分移動(dòng)用戶提供移動(dòng)通信服務(wù)。通過將一部分用戶分流到這些保障車上，可以解決移動(dòng)通信基站用戶容量過載的問題，實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)區(qū)域移動(dòng)通信的臨時(shí)增強(qiáng)。相比永久增加基站容量來說，這種臨時(shí)部署應(yīng)急通信保障車的方式更加經(jīng)濟(jì)有效。

如圖2所示，在熱點(diǎn)地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)部署5G應(yīng)急通信保障車，利用車載5G基站為熱點(diǎn)區(qū)域部分用戶提供5G移動(dòng)通信接入。再通過公用網(wǎng)絡(luò)接入5G核心網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)5G車載基站并網(wǎng)運(yùn)行，為熱點(diǎn)區(qū)域分流的移動(dòng)通信用戶提供公用的5G移動(dòng)通信服務(wù)，解決熱點(diǎn)區(qū)域固定基站接入用戶過多導(dǎo)致移動(dòng)通信服務(wù)質(zhì)量嚴(yán)重下降問題，保障熱點(diǎn)區(qū)域移動(dòng)通信業(yè)務(wù)正常使用。

（二）搶險(xiǎn)救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)通信替代

我國是自然災(zāi)害頻發(fā)的國家，近年先后發(fā)生了“5·12”汶川地震、“7·20”鄭州特大暴雨等重大自然災(zāi)害。這些極端的自然災(zāi)害不僅造成了當(dāng)?shù)赝ㄐ呕A(chǔ)設(shè)施的嚴(yán)重破壞，還導(dǎo)致了大面積的通信中斷。這給及時(shí)通報(bào)和上報(bào)災(zāi)情、險(xiǎn)情，以及隨后的搶險(xiǎn)救災(zāi)工作的組織協(xié)調(diào)帶來了嚴(yán)重的影響。自然災(zāi)害導(dǎo)致的移動(dòng)通信中斷情況如圖3所示。

在此種場(chǎng)景下，受災(zāi)當(dāng)?shù)毓簿W(wǎng)絡(luò)遭到嚴(yán)重破壞，內(nèi)部通信、對(duì)外通信中斷，且無法在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)，導(dǎo)致災(zāi)情、險(xiǎn)情無法及時(shí)上報(bào)，救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)無法實(shí)現(xiàn)情報(bào)共享，嚴(yán)重影響搶險(xiǎn)救援工作的組織、協(xié)調(diào)以及工作的進(jìn)展。此時(shí)，大容量、高可靠和高帶寬的通信保障，對(duì)搶險(xiǎn)救災(zāi)工作的順利展開和穩(wěn)步推進(jìn)尤為重要。通常情況下，自然災(zāi)害破壞力強(qiáng)、波及面積廣，加上受災(zāi)地區(qū)地形復(fù)雜、環(huán)境惡劣，采用車載升高天線架設(shè)的移動(dòng)通信基站覆蓋范圍有限，要想實(shí)現(xiàn)大面積的移動(dòng)通信覆蓋，則需要架設(shè)大量的移動(dòng)通信基站。因此，借助升空平臺(tái)進(jìn)一步擴(kuò)大移動(dòng)通信基站信號(hào)覆蓋范圍，同時(shí)減少移動(dòng)通信基站的架設(shè)數(shù)量，是解決搶險(xiǎn)救災(zāi)地區(qū)通信的既經(jīng)濟(jì)又有效的方法。

如圖4所示，在搶險(xiǎn)救災(zāi)地區(qū)部署5G應(yīng)急通信保障車，利用保障車上搭載5G微型基站的無人機(jī)升空平臺(tái)。無人機(jī)升空后，為應(yīng)急通信保障車周圍的移動(dòng)通信用戶提供5G移動(dòng)通信接入，擴(kuò)大信號(hào)覆蓋范圍。同時(shí)，升空后的無人機(jī)通過自組網(wǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，多個(gè)5G微型基站形成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)搶險(xiǎn)救災(zāi)地區(qū)的全域5G移動(dòng)通信用戶互聯(lián)互通。此外，無人機(jī)還通過應(yīng)急通信保障車上的衛(wèi)星遠(yuǎn)程中繼，實(shí)現(xiàn)與應(yīng)急指揮中心和公用網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)通信[3]。

（三）偏遠(yuǎn)地區(qū)的通信補(bǔ)盲

偏遠(yuǎn)地區(qū)地廣人稀，適合發(fā)展無線通信。然而，由于地理?xiàng)l件差、自然環(huán)境惡劣等因素，對(duì)公用通信基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)造成了限制。此外，偏遠(yuǎn)地區(qū)人口數(shù)量少、經(jīng)濟(jì)水平低、市場(chǎng)需求少，導(dǎo)致通信運(yùn)營商在這些地區(qū)投入建設(shè)的積極性不高，資金投入不足甚至沒有投入。綜合考慮這些因素，導(dǎo)致偏遠(yuǎn)地區(qū)公共移動(dòng)通信基礎(chǔ)設(shè)施的落后或根本不存在的現(xiàn)狀。如新疆和西藏邊境，南海海上的鉆井平臺(tái)等偏遠(yuǎn)地區(qū)。偏遠(yuǎn)地區(qū)公用移動(dòng)通信現(xiàn)狀如圖5所示。

在此場(chǎng)景下，由于通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不完善，導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)的敵情、沖突險(xiǎn)情以及非法越界等違法犯罪活動(dòng)的信息上報(bào)不及時(shí)。同時(shí)，在礦洞和鉆井平臺(tái)內(nèi)部，工作難以協(xié)同進(jìn)行，信息也難以共享，因此險(xiǎn)情無法及時(shí)上報(bào)。這種情況嚴(yán)重影響了邊境安全和高危行業(yè)的生產(chǎn)安全。因此，解決邊防巡邏沿線、礦洞內(nèi)部和海上鉆井平臺(tái)的內(nèi)部通信和對(duì)外通信問題變得非常關(guān)鍵，這是保障邊防安全和高危行業(yè)生產(chǎn)安全的重要環(huán)節(jié)。

如圖6所示，巡邏戰(zhàn)士通過5G移動(dòng)通信終端接入隨行的5G移動(dòng)通信保障車，再通過保障車上衛(wèi)星中繼接入邊防指揮專用網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與邊防指揮中心的互聯(lián)通信。同時(shí)，巡邏戰(zhàn)士下車后也可利用5G移動(dòng)通信將實(shí)時(shí)采集的視頻信息回傳至邊防指揮中心，供指揮人員查看。

如圖7所示，海上鉆井平臺(tái)部署5G移動(dòng)通信基站，為鉆井平臺(tái)內(nèi)部用戶提供5G移動(dòng)通信服務(wù)。同時(shí)，通過5G網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)時(shí)采集鉆井平臺(tái)重要或關(guān)鍵部位的高清監(jiān)控視頻。這些視頻通過衛(wèi)星中繼設(shè)備接入海上鉆井平臺(tái)專用網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)鉆井平臺(tái)內(nèi)部與指揮中心的互聯(lián)通信，同時(shí)指揮中心能夠?qū)︺@井平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和預(yù)警。

五、結(jié)束語

5G移動(dòng)通信具有高速率、低時(shí)延和大連接的特點(diǎn)，相較于3G和4G移動(dòng)通信，具備巨大的優(yōu)勢(shì)。隨著5G產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，其技術(shù)逐漸成熟，成本也在不斷降低，終端設(shè)備及應(yīng)用也變得更加豐富。本文針對(duì)搶險(xiǎn)救災(zāi)中的幾個(gè)典型場(chǎng)景，結(jié)合不同場(chǎng)景對(duì)應(yīng)急通信的需求，開展5G通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用組織的探索，充分利用公用網(wǎng)絡(luò)資源，希望能為搶險(xiǎn)救災(zāi)場(chǎng)景下的應(yīng)急通信設(shè)計(jì)提供一些有效的參考思路。

作者單位：熊廷坤 張誠 劉旭 咸立文 中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所

參考文獻(xiàn)

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熊廷坤（1982.10-），男，漢族，四川蒲江，學(xué)士，工程師，研究方向：通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)；

張誠（1982.12-），男，漢族，四川廣元，學(xué)士，高工，研究方向：通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)；

劉旭（1980.10-），男，漢族，湖北荊州，大學(xué)，工程師，研究方向：通信系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)；

咸立文（1981.12-），男，漢族，內(nèi)蒙古赤峰，大學(xué)，高級(jí)工程師，研究方向：通信網(wǎng)絡(luò)安全、密碼應(yīng)用。