區域空間應急通信系統研究*

何 維 ，謝人超 ，黃 韜 ，劉人鋒

（1.國網湖南省電力公司信息通信公司 長沙 410004；2.北京郵電大學網絡與交換國家重點實驗室 北京 100876；3.中國聯合網絡通信集團有限公司博士后工作站 北京 100033）

1 引言

我國地質災害種類多、分布廣、頻次高、強度大、災情嚴重，是世界上地質災害最嚴重的國家之一，諸如洪澇災害、地震災害、地質災害以及森林草原火災等災害事件時有發生。2010年4月在青海玉樹發生的7.1級強烈地震，直接造成了重大人員傷亡和財產損失，據估計，此次地震中的死亡人數超過2 000人，上萬人在地震中受傷，造成的林業經濟損失超過25億元，同時波及四川地區，造成其經濟損失近3億元。2013年10月，發生在華東地區的強臺風“菲特”致使杭州、寧波、溫州及上海等地普降暴雨，城市內澇嚴重，市區不少道路癱瘓，據估計，此次臺風直接造成浙江省11個市75個縣914個鄉的707.3萬人受災，因洪澇災害造成的直接經濟損失達到124.05億元。為了防止和減少自然災害對社會的影響及最大程度地減少國民經濟損失，需要加強應急通信網絡的抗災能力建設，確保在自然災害面前能第一時間實現應急搶險救援。

當前，應急通信系統的建設大多采用衛星通信系統、地面移動通信系統或短波通信系統等。在特大自然災害面前，地面通信系統在短時間內恢復的可能性極小，同時地面應急通信系統如微波通信、程控交換車、衛星通信車等，都會因為交通癱瘓、地理和氣象條件惡劣等因素無法進入現場，而無法提供應急通信支援；短波通信系統的帶寬有限、容量小，同時支持的業務類型有限；而衛星移動通信系統因國內資源缺乏、終端受限、容量和能力有限等，也難以承擔有大規模應急通信需求的應急保障任務。

針對當前應急通信系統暴露的缺點與不足，需要加強應急通信網絡抗災能力的建設，充分利用空間資源，結合地面網絡建立能夠適應復雜環境的應急通信系統。因此，基于區域空間的應急通信系統受到廣泛關注。

2 基于區域空間的應急通信系統

2.1 系統概述

基于區域空間的應急通信系統主要指在公共事件發生區域上空建立一套空、地一體化的新型無線應急通信系統，保障大型自然災害發生時能提供及時的應急通信，實現第一時間的搶險救援。當前區域空間應急通信系統所采用的技術主要是基于浮空平臺的通信技術。浮空平臺通信技術并不是一個最新的技術，早在20世紀60年代，研究學者就提出了高空平臺通信（high altitude platform station，HAPS）的概念，又稱為平流層通信、同溫層通信、飛艇通信或臨近空間通信、近太空通信等。其主要思想是在距地面高度20～30 km的平流層中安放氣球或飛艇，設置空中無線電臺，使其電波覆蓋地面上一定范圍的區域，為該覆蓋范圍內的用戶提供固定與移動通信、移動視頻電話、高速數據通信、互聯網等多種業務。

利用浮空平臺通信技術構成的區域空間應急通信系統，與衛星通信、地面通信相比具有許多明顯的優勢。與衛星通信系統相比，區域空間應急通信系統不僅系統時延小、容量大而且仰角大，受建筑物等的影響較小，同時該系統建設快、易于回收并能進行設備維修與更換，費用低廉，利用浮空平臺通信技術構成的區域空間應急通信系統位于國境之內，主權、所有權、管理權歸屬本國。

與地面通信相比，區域空間應急通信系統的多徑衰落小、覆蓋面積大，在發生地震等災害時所受的影響較小，且部署更加簡單，對惡劣環境具有良好的適用性。因此，當地面應急通信網絡因自然災害受損而無法工作時，區域空間應急通信系統能夠充分利用空間維度資源，從受災區域的上空提供及時、可靠、有效的應急通信手段。

2.2 系統架構

基于區域空間的應急通信系統組網架構如圖1所示。在該系統中，空中載體主要以浮空平臺為基礎，并在載體中搭載移動通信基站系統。基于此從空中向下發送移動通信信號，實現對受災區域的覆蓋，同時多個浮空平臺之間可以組成區域無線寬帶網絡，實現通信數據的高速轉發和傳輸，最后空中移動通信基站系統通過地面網關與地面通信網絡相連，從而實現自然災害惡劣環境下的應急通信搶險指揮與調度。

為了保證該基于區域空間的應急通信系統的可靠性和安全性，在與地面通信網絡相連的過程中采用雙網關互為備份，并采用中繼衛星鏈路實現多鏈路備份保證。在該網絡架構中建立地面測控、調度、決策指揮中心，實現應急通信救災部門通過地面通信網絡進行現場與遠程的搶險救災指揮以及對浮空平臺的實時飛行監測與控制，從而實現對災情的實時監控和決策部署。同時，浮空平臺還搭載航拍設備，實現對地面的數據采集，并實時回傳給應急救災部門的視頻網絡及地面指揮中心，實現實時災情監控，為應急救災部門的遠程救災指揮調度提供保障手段。

基于區域空間的應急通信系統總體架構如圖2所示。該系統架構由平臺與測控分系統、空間數據通信與網絡分系統、空中移動通信分系統、航拍分系統、系統管理與控制中心分系統以及應用平臺分系統等功能模塊組成。各分系統的具體功能描述如下。

（1）平臺與測控分系統

負責為整個系統提供基礎平臺（包括浮空平臺、穩定平臺），同時還負責各種測控信令和控制消息的傳送，測控網絡除要求可以直接對浮空平臺進行控制外，還要求能夠通過中繼方式實現高可靠性、遠距離、大縱深的測控信令傳輸。

（2）空間數據通信與網絡分系統

主要負責高速數據的傳輸，支持微波中繼和衛星中繼兩種數據傳輸方式，實現平臺數據的落地。

（3）空中移動通信分系統

負責地面終端設備的接入，實現與電力通信專用網絡的互連互通。同時應用多波束天線技術及多種容量增強技術，提升單基站用戶容量。

（4）航拍分系統

主要在浮空平臺上搭載航拍采集設備，利用該設備實現對自然災害發生區域的探測與監視，從而對實時圖像信息進行獲取，在高效視頻壓縮編碼模塊壓縮、加密后，通過空間數據通信與網絡分系統回傳至地面視頻網關，最后接入應急通信指揮部門的視頻會議系統。

（5）系統管理與控制中心分系統

主要提供一些容器，用來承載各相關子系統的管理程序，為相關子系統的運行提供合適的環境，維護整個系統的運行及應用，保障系統的正常運轉。整個管理與控制的相關信息由測控網絡負責傳遞。

（6）應用平臺分系統

負責整體系統應用平臺的研發，主要是軟件研發，需要實現包括鑒權、加密、指揮調度、數據采集、數據查詢、數據廣播、定位在內的多種應用。

2.3 系統可行性驗證

為了驗證區域空間應急通信系統方案的可行性，針對該組網方案進行了放飛試驗。在試驗過程中，所有分系統都盡量采用最基本、最可靠的方案，如空中移動通信分系統采用單載頻WCDMA基站；飛艇測控采用最基本的一對一測控方案；數據落地傳輸采用基于全向天線的微波中繼傳輸方案等。在試驗過程中，重點在于驗證系統是否能夠正常工作，因此測試內容盡量集中在對基本功能的驗證，包括：能否進行正常的語音業務與短信業務，業務質量是否滿足應急救災通信的要求；能否進行正常的數據業務，業務傳輸速率能達到多少；驗證航拍視頻實時下傳、接入地面視頻網、進行異地協同調度的可行性等。

本次試驗網絡的組網結構如圖3所示。微波傳輸設備提供的基本接口為E1接口（2 Mbit/s）。移動基站本身可以提供E1接口，也可以提供以太網接口。考慮到未來的實施方案會統一使用以太網接口的微波傳輸設備以及調測的便利性，要求為所有微波E1接口配備“E1<=>以太網轉換器”，從而將E1接口轉換成以太網接口。由此，系留氣球上的兩套微波設備通過轉換器共提供3個以太網接口，這些接口與移動基站的以太網接口都連接到一臺支持網管的以太網交換機上。同時，系留氣球通過纜繩內的光纖提供了一個可以傳輸到地面的以太網接口，此接口也連接在交換機上。微波落地站放置在中國聯通的某個基站機房中，從而實現與公眾通信網的數據接入。基站機房提供的傳輸資源也是E1接口，可以與微波落地站的兩個E1接口直接相連，但這兩個E1傳輸通道最終也要轉換為以太網接口。對于移動通信語音數據來說，這種轉換可以在RNC機房內進行；對于航拍數據，轉換可以在任何合適的地點進行，只要能夠在轉換器和航拍視頻輸出PC機之間實現IP分組傳輸即可。航拍視頻輸出PC機用于觀看航拍設備送出的視頻流，并幫助將視頻接入中國聯通視頻會議網中。

通過此次放飛試驗測試，可以得到如下結論。

隨著CDIO模式在高校教學改革中的深入發展，我院結合專業實際，在《崗位技能實訓》課程中引入CDIO工程教育理念，在課程內容、教學方式與考核方式等方面進行改革探索與研究，建立理論與實踐相結合、綜合各課程進行專業知識能力提高的內容體系，指導學生通過實訓項目開發與團隊成員間的協作配合去鍛煉自己、提高各項能力。因此研究采用CDIO教育理念的課程改革，使學生真正融入實訓中來，從而實現教學目標具有十分重要的意義。

微波鏈路網絡測試包括地面分段測試、空中分段測試、空中部分集成測試以及控制全集成測試四大部分。測試結果顯示，對于空—空微波鏈路，無線鏈路接收電平在視通條件較好時優于-80 dBm，無誤碼，但在飛艇轉彎時天線波束會有一些遮擋，視通條件會受到一定的影響，接收電平有較大降低，從而造成鏈路短時中斷。通常情況下，鏈路時延平均為5 ms，傳輸帶寬大于2 Mbit/s。對于空—地微波鏈路，測試時無線鏈路通暢，接收電平范圍為-72～-60 dBm，無誤碼，鏈路時延為3～6 ms；傳輸2路E1基站業務信息及1路圖像信號條件滿足系統要求。

移動通信測試結果與分析如下：對于AMR 12.2 kbit/s業務測試，遠、中、近及正下方4個點的呼叫保持（3 min），語音質量清晰連續，未出現掉話，遠、中、近及正下方4個點的平均時延（50次短呼）測試結果見表1；對于CS 64 kbit/s業務測試，遠、中、近及正下方4個點的CS 64 kbit/s視頻電話業務（持續3 min），業務質量良好，無斷線，均無馬賽克出現；對于PS 64 kbit/s業務測試，遠、中、近及正下方4個點的PS 64 kbit/s業務信道的平均上傳和下載速率見表2。

表1 AMR 12.2 kbit/s業務測試結果

表2 PS 64 kbit/s業務測試結果

如圖4所示，航拍攝像機對地面進行實時航拍的功能測試具體步驟和測試結果介紹如下。

·開啟攝像機，保持拍攝狀態。等待起飛，檢查網絡狀況，網絡狀況良好，用ping命令測試100個分組，沒有分組丟失現象，平均時延為5 ms。

·飛艇飛行過程中，網絡鏈路并不是很穩定，特別是當飛艇轉向時有時會出現分組丟失（當接收電平低于-80 dBm時就會造成分組丟失），造成圖像傳輸并不流暢。在飛行過程中，用ping命令測試網絡的狀態，分組丟失率為10%，平均時延為17 ms。

·測試飛艇在500 m高空飛行時，攝像機拍攝地面的清晰程度。在網絡接通的狀態下，可以看到視頻圖像，但由于測試當天有很厚的云層和濃密的霧氣，攝像機拍攝地面的清晰程度并不是很好。

·基于頻率自適應感知及基站自配置技術的研究：在空中基站中引入自測量、自感知的無線環境測量機制，以實現頻率、功率、擾碼及鄰小區列表等參數的自動調整，完成基站相關參數的自配置與自優化，進而實現自動網絡規劃與優化，徹底解決空中基站與地面基站之間的干擾問題，最終實現空中基站與地面基站的無縫互聯與切換。

·遠距離無線自組織測控組網技術的研究：理想的測控信令網應該設計為一種具有高度自治性、可靠性、安全性的網絡。受距離、能量、時延、信道利用率、吞吐量以及頑健性等方面的限制，區域空間應急通信系統測控信令網不能直接使用現有的自組織網絡技術，必須針對其應用特點設計新型協議，如采用遠距離的空分復用TDMA信道接入策略、基于拓撲重構的能量優化策略、基于拓撲發現和鏈路狀態感知的路由優化方法、支持跨層設計的協議體系等。

3 區域空間應急通信系統關鍵技術問題

3.1 無線傳輸技術研究

為了實現與電力通信專用網絡的互聯互通，地面終端設備的接入主要由區域空間電力應急通信系統的空中移動通信分系統負責完成。當前可以用于實現無線通信接入的技術包括 3G 技術（WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA）、4G技術（TD-LTE、LTE FDD、WiMAX）、SCDMA 技術以及點對點微波通信技術等。因此要研究適合電力應急通信系統的無線傳輸技術，不僅需要考慮無線傳輸技術的傳輸特性以及未來的可演進性與可擴展性，而且需要考慮其終端的普及性。

3.2 無線頻率規劃

區域空間電力應急通信系統的空中載體主要以浮空平臺作為基礎，并在該載體上搭載移動基站系統，從空中向下實現移動通信信號對受災區域的覆蓋，最后通過地面網關與地面電力通信專用網絡相連。因此，在數據的轉發與傳輸過程中，需要為空中移動通信系統劃分工作頻率。考慮到在應急救災時，可能存在地面通信系統基站部分癱瘓、部分繼續工作的情形，在進行頻率規劃時需要考慮避免與傳統地面蜂窩系統之間采用同頻所帶來的干擾問題。

3.3 空中移動通信分系統設計原則

空中移動通信分系統主要負責地面終端用戶的接入，實現與電力通信專用網絡的互連互通，并向被覆蓋區域提供可靠的移動通信服務，是區域空間電力應急通信系統的重要分系統之一。空中移動通信分系統由空中基站子系統、多波束天線子系統、移動基站設備管理子系統組成。在具體設計實現時，該分系統需要重點解決移動通信基站（含天線）在浮空平臺上的小型化設計、集成、安裝、供電等問題，而基站遠程控制、用戶信息管理、跨域通信等功能則均依托于地面電力通信核心網絡。

3.4 平臺與測控分系統設計原則

作為區域空間應急通信系統的基礎和核心，該分系統主要采用飛艇和系留氣球作為區域空間電力應急通信網絡系統的載體平臺，負責載荷設備的集成與搭載。該分系統包括浮空平臺子系統、穩定平臺子系統與測控網絡子系統。浮空平臺子系統負責搭載飛艇上整個系統的所有載荷設備，完成符合航空標準的集成與安裝，同時為各艇載設備提供能源供給；穩定平臺子系統的設計應盡量考慮對總體重量的節省，同時要保證在各種場景下微波鏈路及衛星鏈路不被其他設備遮擋，以保障數據鏈路傳輸的可靠性；測控網絡子系統負責保障浮空平臺的測控鏈路，其設計要求保證測控信令的高可靠性和低時延性。

3.5 空間數據通信與網絡分系統設計原則

該分系統主要負責高速數據的傳輸，支持微波中繼和衛星中繼兩種數據傳輸方式，實現平臺數據的落地，包括微波中繼子系統、衛星中繼子系統、高速傳輸網絡子系統和網絡管理子系統。在系統設計時應考慮使系統具有如下功能：實現移動基站、航拍等載荷設備與地面網絡的雙向微波高速數據通信；具備提供備用衛星通信接口的能力；基于空間位置、三維地理環境信息等多種因素組建鏈式網絡拓撲，并在飛艇動態輪換/受控運動、故障及干擾等情形下進行拓撲重構；提供可靠性與服務質量保證；運行IP（網絡協議），避免載荷設備的協議改造；當飛艇發生中繼切換時保持IP地址恒定；由地面控制中心進行集中控制與管理。

3.6 接入控制設計原則

在發生自然災害時，整個系統的業務量通常會急劇增加，從而可能導致網絡發生嚴重擁塞。為保證應急通信系統的正常工作，保障搶險抗災指揮員等重要緊急用戶通信通暢，有必要采用相關的用戶接入等級控制解決方案。針對這一方案，電力應急通信指揮部門需要建立一套應急保障預案作為儲備，以便在緊急關頭可以立刻實施，從而保證搶險救災指揮策略的快速傳達并準確執行。

4 結束語

由于衛星通信應急系統與地面應急通信系統存在許多缺點與不足，為了克服這些缺點，本文研究了基于區域空間的應急通信系統，并對該系統架構及關鍵技術問題進行了深入探討，該系統利用空域維度資源采用浮空平臺通信技術，可以實現對受災區域高效、實時的大面積覆蓋，同時該系統具有快速靈活、低成本部署等特點，對多種復雜環境及重大災情具有良好的適應性，在電力應急通信領域具有很好的應用前景。

下一步工作將著重考慮基于電子可調多波束天線的設計與研制，利用對下傾角進行遠程調整與控制，實現空中基站對地面區域覆蓋范圍的動態控制，實現受災地區的最優覆蓋性能。未來將考慮在空中基站中引入自測量、自感知的無線環境測量機制，以實現頻率、功率、擾碼及鄰小區列表等參數的自動調整，完成基站相關參數的自配置與自優化，進而實現自動網絡規劃與優化，優化空中基站與地面基站的無縫切換。

1 付重,肖行詮.電力應急通信系統應用研究.電力系統通信,2011,32(233):111～115

2 崔燕明,劉孝先.電力應急通信指揮系統的建設方案.電力系統通信,2009,30(6):33～36

3 高強,劉獻偉,邱麗君.電力系統應急通信網絡及其抗毀性分析.電網技術,2009,33(11):104～108

4 李兆偉.衛星通信在東莞電力應急通信中的應用.廣東電力,2011,24(12):100～104

5 谷坊祝.衛星通信技術在電力應急通信中的應用.電力系統通信,2009,30(200):29～32

6 張海亮,路民輝.區域空間電力應急通信體系的探討.電信科學,2010(S2)

7 黃濤,黃韜.區域空間應急通信系統研究與實踐進展.通信技術與標準,2011(1):58～61

8 黃濤,黃韜.區域空間應急通信系統研究.中國通信標準化協會,2010