基于無線自組網(wǎng)技術(shù)的消防抗毀通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

摘要：各類公共安全事故、自然災(zāi)害、突發(fā)事件的救援處置中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)專網(wǎng)通信覆蓋差、公網(wǎng)通信癱瘓、現(xiàn)場通信組織難度大的問題，嚴(yán)重影響滅火救援工作效率。面對(duì)現(xiàn)有消防無線通信系統(tǒng)的各種短板，承擔(dān)“全災(zāi)種、大應(yīng)急”任務(wù)的消防隊(duì)伍積極應(yīng)用全新無線自組網(wǎng)技術(shù)，建設(shè)一套通信覆蓋率更高、通信便捷性、靈活性更強(qiáng)、自身抗毀保障能力更強(qiáng)的無線通信系統(tǒng)顯得尤為重要。

關(guān)鍵詞：消防救援；無線通信；自組網(wǎng)；抗毀保障

中圖分類號(hào)：X913.4" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " "文章編號(hào)：2096-1227（2024）07-0033-03

消防無線通信是消防救援隊(duì)伍組織指揮的重要通信保障手段。近年來，公共安全事故、自然災(zāi)害、突發(fā)事件呈現(xiàn)多發(fā)高發(fā)趨勢，面對(duì)消防應(yīng)急救援通信的需求，急需建設(shè)一套確?，F(xiàn)場無中心、自組織、自愈型、抗毀能力強(qiáng)的戰(zhàn)術(shù)無線通信網(wǎng)。本文以寧波市消防救援支隊(duì)建設(shè)的基于無線自組網(wǎng)技術(shù)的消防抗毀通信系統(tǒng)為研究對(duì)象，系統(tǒng)闡述如何利用全新的無線應(yīng)急通信組網(wǎng)技術(shù)建設(shè)全無線鏈路組網(wǎng)，顯著增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)健壯性，有效規(guī)避通信系統(tǒng)因?yàn)橥獠恳蛩厥軗p而被動(dòng)中斷的可能。

1 消防無線通信的現(xiàn)狀及存在問題

1.1" 現(xiàn)狀

滅火救援工作具有高度的綜合性，成功處置事故的背后離不開團(tuán)隊(duì)協(xié)作，離不開在調(diào)度、指揮以及通信等環(huán)節(jié)的緊密配合，在處置災(zāi)害事故過程中通信起到了關(guān)鍵性作用。參戰(zhàn)力量調(diào)集規(guī)模隨災(zāi)害規(guī)模擴(kuò)大而擴(kuò)大，無線通信作為滅火救援現(xiàn)場組織指揮的核心手段，其重要性愈發(fā)凸顯。經(jīng)歷了長達(dá)數(shù)十年的發(fā)展，融合平時(shí)與戰(zhàn)時(shí)需求的無線通信調(diào)度及指揮體系已經(jīng)形成，所構(gòu)建的無線通信系統(tǒng)做到了覆蓋消防指揮中心、基層隊(duì)站、救援現(xiàn)場。

1.2" 存在的問題

消防自主構(gòu)建的無線通信系統(tǒng)，例如350M常規(guī)系統(tǒng)，主要以轄區(qū)覆蓋核心，盡管先后完成了部分改造升級(jí)，但是在實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用中還是存在一定的局限性。

一是頻率有限。一直以來，350M專用頻段作為消防部門長久使用的頻段，始終面臨著頻率資源緊張的問題。每個(gè)城市分配到的頻率資源非常有限，這些頻率資源在滿足面上調(diào)度覆蓋需求的同時(shí)，也要滿足救援重點(diǎn)區(qū)域的需求，因此做好頻率分配是一項(xiàng)極具難度的工作[1]。

二是技術(shù)有待進(jìn)一步提升。作為常規(guī)系統(tǒng)的模擬通信，功能不夠完備、信道利用率不夠高以及音質(zhì)不夠好是一直存在的問題。隨著科技進(jìn)步和需求的提高，專業(yè)無線通信這一應(yīng)用于救援指揮的系統(tǒng)正在經(jīng)歷從模擬到數(shù)字化的大規(guī)模轉(zhuǎn)型。由于數(shù)字化技術(shù)的抗干擾性和強(qiáng)大功能，使其成為近年來專業(yè)無線通信網(wǎng)絡(luò)改造的首選方案。

三是制式多樣。由此在日常使用和維護(hù)方面存在一定困難。部分地市與當(dāng)?shù)毓补蚕砉灿脭?shù)字集群系統(tǒng)資源的同時(shí)，消防又擁有自建的350M常規(guī)系統(tǒng)，這二者在整體架構(gòu)、特性以及使用方式上有著根本差異。盡管能夠語音互通，但由于這二者在本質(zhì)上存在區(qū)別，再加上控制方式不同以及上線存在一定時(shí)間差，使得這兩者不能做到融合。在事故救援現(xiàn)場，無法做到指令迅速下達(dá)，環(huán)節(jié)較為繁瑣，既耗時(shí)又耗力，在一定程度上影響了救援力量戰(zhàn)備。

2 無線自組網(wǎng)的技術(shù)性能分析

2.1" 無線自組網(wǎng)與傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)比較

目前部分消防救援隊(duì)伍使用的無線通信系統(tǒng)依然為傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)，系統(tǒng)自身存在的技術(shù)缺陷已無法滿足實(shí)戰(zhàn)需要，而自組網(wǎng)技術(shù)更加適應(yīng)突發(fā)任務(wù)或者移動(dòng)型任務(wù)的通信需求，不僅能保障甚至提升現(xiàn)場的通信效果，對(duì)現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)強(qiáng)信號(hào)覆蓋，還能夠滿足移動(dòng)型任務(wù)需求實(shí)現(xiàn)車隊(duì)“動(dòng)中通”。無線自組網(wǎng)與傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)比較詳見表1[2]：

2.2" 無線自組網(wǎng)抗毀系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢

系統(tǒng)具備兩大技術(shù)優(yōu)勢：

一是同頻同播技術(shù)。同頻同播系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)過多年經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和研發(fā)演進(jìn)已非常成熟，同頻同播技術(shù)能夠充分利用有限的頻率，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急自組網(wǎng)系統(tǒng)覆蓋的最優(yōu)化，具備組網(wǎng)靈活、穩(wěn)定可靠、節(jié)省資源、補(bǔ)網(wǎng)方便、無縫漫游等優(yōu)勢。在同一個(gè)轄區(qū)內(nèi)布設(shè)多個(gè)同頻同播基站，使用鏈路將這些中繼基站互聯(lián)從而增加無線通信網(wǎng)的覆蓋范圍，有效解決無線通信盲區(qū)問題。同頻同播網(wǎng)如遇重大救援事件，指揮中心網(wǎng)管通過設(shè)置可以完成多個(gè)同播基站的互聯(lián)互通，使不同區(qū)域的無線通信調(diào)度指揮整合在一個(gè)平臺(tái)上，網(wǎng)內(nèi)一呼百應(yīng)，便于救援現(xiàn)場統(tǒng)一指揮調(diào)度。

二是無線自組網(wǎng)技術(shù)。將自組網(wǎng)技術(shù)與超短波進(jìn)行融合，真正實(shí)現(xiàn)了全轄區(qū)無線備份的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)。寧波中心城區(qū)地處四明山脈，森林山地多，不具備傳統(tǒng)無線調(diào)度指揮專網(wǎng)全覆蓋的基礎(chǔ)。所以依托單一技術(shù)難以在有限的資金投入下實(shí)現(xiàn)轄區(qū)的通信覆蓋。要保證轄區(qū)覆蓋保底無線通信網(wǎng)必須采用無線鏈路技術(shù)，通過無線鏈路自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)中繼的方式，應(yīng)用移動(dòng)式通信基站對(duì)重點(diǎn)偏遠(yuǎn)地區(qū)的進(jìn)行延伸補(bǔ)充覆蓋，實(shí)現(xiàn)“網(wǎng)隨人到”的應(yīng)用轉(zhuǎn)變。系統(tǒng)采用全無線鏈路技術(shù)，抗災(zāi)、抗毀能力強(qiáng)，彌補(bǔ)了調(diào)度指揮網(wǎng)健壯性不足的弱點(diǎn)。全部基站之間無中心自動(dòng)組織聯(lián)網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)轄區(qū)范圍內(nèi)聯(lián)網(wǎng)覆蓋，同時(shí)支持移動(dòng)便攜基站快速部署，實(shí)現(xiàn)“到位即展開，展開即覆蓋”的目的[3]。

3 建設(shè)任務(wù)分析

根據(jù)寧波市消防支隊(duì)實(shí)際通信需要，本項(xiàng)目擬建設(shè)一套應(yīng)急無線通信保障抗毀系統(tǒng)，包括指揮調(diào)度實(shí)時(shí)定位平臺(tái)、7套固定式自組網(wǎng)基站、便攜式自組網(wǎng)基站、基地臺(tái)、手持對(duì)講機(jī)。

3.1" 任務(wù)需求分解

無線通信保障抗毀系統(tǒng)總體要求如下：一是構(gòu)建無線覆蓋雙層網(wǎng)。以同頻同播自組網(wǎng)技術(shù)作為基礎(chǔ)，基站間利用無線鏈路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組網(wǎng)構(gòu)建廣域覆蓋網(wǎng)絡(luò)，主要采用固定式自組網(wǎng)太陽能基站（簡稱固定站），并通過便攜式自組網(wǎng)基站（簡稱便攜站）深度延伸輔助，搭建雙層通信網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)多種應(yīng)急、救援及秘密任務(wù)場景的具體需求深入分析考慮各種實(shí)際情況，確保在面對(duì)各種復(fù)雜的情況都能夠快速構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，通信保障暢通。二是搭建指揮調(diào)度實(shí)時(shí)定位平臺(tái)。通話錄音、人員定位顯示、基站聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測等功能都可以通過指揮調(diào)度管理平臺(tái)中的調(diào)度管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)時(shí)掌控應(yīng)急搶險(xiǎn)救災(zāi)時(shí)人員分布情況、行進(jìn)情況，有效提高系統(tǒng)調(diào)度的管理效率。

3.2" 核心任務(wù)需求

一是通信距離要求。保證覆蓋，通得上、通得遠(yuǎn)。城市及郊區(qū)等地方轄區(qū)廣闊，地形多為山地及丘陵，山體林木遮擋嚴(yán)重，系統(tǒng)建設(shè)必須保證實(shí)現(xiàn)足夠的通信覆蓋，充分利用固定站和便攜站二者互聯(lián)延伸通信距離的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)、建筑密集群體、隧道、室內(nèi)等典型區(qū)域進(jìn)行覆蓋。

二是安全可靠要求?，F(xiàn)場應(yīng)急通信應(yīng)滿足在不依賴公網(wǎng)、微波等外部鏈路資源的情況下，自行組網(wǎng)同時(shí)網(wǎng)絡(luò)能夠穩(wěn)定自修復(fù)的要求，設(shè)備一到位，就啟動(dòng)聯(lián)網(wǎng)，從而在現(xiàn)場建立專門的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)。因此良好的環(huán)境適應(yīng)性是設(shè)備所具備的，能在高溫、低溫、潮濕、灰塵等環(huán)境下使用，通風(fēng)散熱良好；設(shè)備支持多機(jī)相互備份，負(fù)荷分擔(dān)，系統(tǒng)自行修復(fù)，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)不可預(yù)知的損失時(shí)，其他節(jié)點(diǎn)可自行補(bǔ)充、動(dòng)態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淅^續(xù)保障通信救援。

4 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

如圖1所示，系統(tǒng)總體劃分為兩大部分：指揮調(diào)度實(shí)時(shí)定位平臺(tái)和無線覆蓋雙層網(wǎng)。指揮調(diào)度實(shí)時(shí)定位平臺(tái)含調(diào)度、錄音軟件、匯接交換系統(tǒng)、網(wǎng)管運(yùn)維平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)短信息功能，單呼、組呼、錄音等語音功能，對(duì)電臺(tái)定位按需多種方式獲取、查詢，實(shí)時(shí)掌握人員分布、隊(duì)伍行進(jìn)情況，同時(shí)對(duì)電臺(tái)及基站數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測管理。

無線覆蓋雙層網(wǎng)含固定式自組網(wǎng)基站、便攜式自組網(wǎng)基站、基地臺(tái)、手持對(duì)講機(jī)、單呼組呼全呼等語音功能、電臺(tái)相互定位功能，同時(shí)支持無線自組網(wǎng)，即開即用，快速響應(yīng)組建通信網(wǎng)，采用同頻同播技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)講機(jī)全區(qū)漫游。

5 系統(tǒng)主要應(yīng)用優(yōu)勢

5.1" 全區(qū)覆蓋

全區(qū)域覆蓋是應(yīng)急通信網(wǎng)所必須具備的，發(fā)生地點(diǎn)具有不確定性是突發(fā)事件的一個(gè)顯著特點(diǎn)，因此任何地區(qū)的應(yīng)急事件都需要無條件實(shí)現(xiàn)覆蓋，同時(shí)需要迅速提供通信覆蓋不得延誤。通過建設(shè)10個(gè)高架站點(diǎn)，基本可以覆蓋中心城區(qū)95%的地面信號(hào)，同時(shí)可以提供至少2信道動(dòng)態(tài)分配，供多個(gè)部門共享使用。

5.2" 防災(zāi)抗毀

所有現(xiàn)代通信技術(shù)，包括電信無線傳輸系統(tǒng)，在遭遇故障或特殊情況時(shí)可能完全失效。應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)需要能夠保持不間斷運(yùn)行并且提供持續(xù)穩(wěn)定的通信覆蓋。各種自然災(zāi)害如風(fēng)災(zāi)、雨災(zāi)、洪災(zāi)以及地震供電中斷，應(yīng)急通信網(wǎng)不能中斷。該應(yīng)急通信網(wǎng)具有很強(qiáng)的生存能力，即便在電源斷開的情況下仍能保持運(yùn)行超過1周，支持配置2周以上。

5.3" 網(wǎng)絡(luò)自組織

全網(wǎng)絡(luò)沒有控制中心，也沒有硬件交換中心，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的交換在空中完成無線交換。對(duì)于每個(gè)基站而言，地位都是平等的，即對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)。能夠允許任何數(shù)量的基站隨時(shí)加入或退出無線網(wǎng)絡(luò)。任意基站的失效并不會(huì)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行產(chǎn)生影響，因此具備極強(qiáng)的抗毀性。

基站的布設(shè)無需依賴于任何預(yù)設(shè)的有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，全部通過自身的無線技術(shù)自組織聯(lián)網(wǎng)。任何固定的高架、便攜、背負(fù)、車載基站開機(jī)工作即可自動(dòng)相互握手聯(lián)網(wǎng)[4]。

參考文獻(xiàn)

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[3]范浩如，王超，楊曉，等.“衛(wèi)星+無線自組網(wǎng)”技術(shù)在應(yīng)急通信中的應(yīng)用[J].中國建設(shè)信息化，2022，6（27）：157.

[4]姚克義.應(yīng)急通信基站回傳中無線Mesh自組網(wǎng)的應(yīng)用[J].科學(xué)與技術(shù)2022，30（9）：25-26.