窄帶無線自組網在應急語音通信中的實戰性應用研究

李 溯

（廣東省航空護林站（廣東省林火衛星監測中心），廣東 廣州 510000）

0 引 言

近年來，在社會經濟高速發展和全球氣候變化的大背景下，應急突發和自然災害事件頻發且危害程度愈發嚴重。應急通信作為支撐應急管理工作開展的重要保障，其應用也得到了重視，相關部門已經配置了不少應急通信系統和設備，并且積累了相關的使用經驗。

隨著科技進步，目前我國應急通信保障體系也得到了發展，為應急通信提供了包含語音通信、數據傳輸以及圖像傳輸等多種不同的功能保障。對于應急通信的功能需求和系統建設上，業內仍存在不少爭議，如應急通信究竟應寬帶化還是窄帶化[1]。應急救災現場對寬帶多媒體數據通信和窄帶語音通信都有實際需求，數據傳輸是支撐災情動態監測和救援方案分析的基礎，圖像傳輸是實現可視化調度指揮的重要條件。建設一體化融合應急通信系統，固然是應急通信保障工作的重要目標之一，但窄帶應急語音通信依然是應急救災通信的關鍵一環，語音穩定暢通是應急通信保障的第一因素[2]。因此在應急語音通信手段的選擇上，窄帶超短波技術仍然具有無可替代的優勢，如通信距離遠、一次性投入建設后維護費用低、操作方便、抗干擾能力更強以及延時小等。而對于電信運營商成熟的無線通信網絡而言，其僅限于覆蓋人口密集區域，并未做到全面覆蓋，并且存在建設周期長、投資成本高、穩定性不足、抗毀能力弱以及受損后修復周期長等問題。因此，應急語音通信手段將在未來較長的時間內，應該依然以超短波窄帶無線通信為主[3]。

1 窄帶應急通信的問題和需求

制約應急救援效率的重要因素可以歸結為以下3點，一是對現場災情掌握信息信息量少不及時，二是現場指揮調度難，三是風險難預警和避險難實施。其成因是應急救災現場信息化建設的觸角還沒有深入到救援組織指揮一線，問題的核心是現場態勢的實時感知能力弱和通信的質量與效率低[4]。因此在配套支撐的超短波無線通信技術手段中必須進一步強調以應急救援實戰應用為導向，要求在組網方式上貼合應急語音通信之實情，從救災現場環境特點綜合考慮。

相較于傳統窄帶通信系統，應急語音通信保障有其特定需求。首先，自然災害大多是突然發生的，并伴隨一定的毀滅性，這種情況下，對于應急通信功能的首要要求就是具備抗毀能力和快速響應能力，能夠在基礎通信設施發生部分損壞甚至于整體癱瘓的時候，保證現場語音暢通。其次，災害發生的地點和程度均不可預測，除了城市人口密集地區外，其他地區多面臨著地形復雜、交通不便以及基礎設備落后等問題，這些關鍵位置一旦不能保證通信暢通，關鍵時候極易發生安全事故。所以要求應急通信保障應該具備可以靈活機動覆蓋的能力，將通信覆蓋隨人員行動延伸到“最后一公里”。再次，眾多救援力量跨區域甚至跨國界作戰，投入力量多且部門協同復雜，要求現場通信系統覆蓋范圍必須涵蓋作戰現場和通信結構要支撐多部門有序、有力以及有效地協同救援行動。最后，救援現場任務復雜間前后貫通、跨層級跨地域“扁平化”的指揮體系，后方指揮所清晰掌控現場態勢，調度指令直達“一線”，提升應急救援效率[5]。

通過上述需求分析，應急語音通信具備很多獨特性。如果套用傳統窄帶通信技術規劃建設窄帶應急語音通信系統，將不能擺脫基礎通信設施和地理環境的約束，一線現場“信息孤島”的難題就無法得到突破性的解決。因此規劃應急語音通信系統建設時，不僅需要考慮傳統無線通信技術，還應該積極摸索新型無線通信技術的融合應用，針對應急救援通信需求進行創新和試點，利用現代數字通信技術，發展出新一代通信模式，才能推動應急通信向前發展，形成性價比高、部署靈活以及覆蓋好的窄帶應急語音通信解決方案。

2 窄帶無線自組網通信技術

無線自組網是計算機與通信領域中的高新技術，該技術最初起源于美國國防項目并在軍事通信中發展起來。無線自組網具有抗毀性、自組性以及機動性等特點，可以根據現場環境隨時建立本地通信覆蓋，具有重要的實戰應用意義。近年，自組網技術快速發展，其應用已慢慢滲透到公安、應急以及救援等領域中[6]。

從應用帶寬上可以分為寬帶自組網和窄帶自組網兩種。目前寬帶自組網技術多樣，包括Mesh自組網、Zigbee自組網以及LTE自組網等多種類型[7]。寬帶自組網技術主要用于現場視頻等多媒體信息采集應用，能夠提供足夠帶寬支撐各類傳感和多媒體信息傳輸，但是網絡中需要使用節點較多、延時較大且抗干擾能力弱，無法完全兼顧應急語音通信。而在語音通信中，任何預警和避險指令的延時甚至丟失，都可能會危及到一線人員的生命安全[8]。

窄帶自組網技術中，窄帶單頻自組網技術是目前成熟且可用于實戰的一種。窄帶單頻自組網是基于單頻中繼方式實現是一種多跳、無中心以及自組織的無線網絡，所以稱為單頻中繼自組網或者單頻自組網[9]。此技術徹底革新了窄帶傳統無線通信中雙頻中繼無法以無線方式擴大覆蓋面的應用邏輯，采用一個單頻點來實現網絡節點之間的自動互聯，完成大范圍通信覆蓋。同時單頻自組網的設備具有單機設備小型化、可靠性高以及通信網絡部署簡單快捷等符合應急通信的應用特點，單頻自組網目前已經在我國公安追捕、消防救援以及森林防火等場景中投入實戰應用，填補了窄帶應急救援通信的空白，是目前無線窄帶應急通信領域中具有優勢的解決方案之一。

3 窄帶無線自組網的原理和特點

窄帶單頻自組網整個網絡中的每個中繼節點既是中繼基站，也可以做為通信電臺。每個節點只要在無線覆蓋區內，都以任意方式動態地保持與其他節點的聯系[10]。在這種網絡中，打破了終端通信取值的有限性，使得兩個無法直接進行通信的用戶終端可以借助其他節點進行跳級，自動形成一個大面積通信覆蓋網，示意如圖1所示。單頻中繼自組網絡有3種網絡使用模式，第一種是局域移動網絡適用于移動環境的作戰，第二種是大跨距臨時或永久固定網絡適用于應急防災保底通信，第三種是上述的兩種模式的組合，永久固定網路與移動局域網絡混合組網實現大跨距前后方貫通的一體化通信系統[11]。

單頻自組網作為一種新的組網方式具有以下特點。一是獨立性，單頻自組網相對傳統通信網絡而言，最大的區別就是可以在任何時刻和任何地點不需要硬件基礎網絡設施的支持，設備用電也可以使用太陽能和風能進行獨立供給，快速構建起一個移動通信網絡。二是靈活性，在單頻自組網中，移動中繼節點可以在網中隨意移動。網絡由移動節點本身自動配置、隨時調整或自行維護，任何節點都可以隨時加入和退出網絡。三是無線鏈路傳輸，在單頻自組網中不需要任何基礎設施的支持，中繼節點之間的通信完全通過窄帶無線傳輸的方式自動配置完成，建立一個強大的無線自組織網絡。四是可靠性，在單頻自組網中沒有中心控制節點，每一個節點均通過分布式協議互聯，沒有中心控制節點。每個節點都參與其中，互為平等的關系，即使在緊急事件中某一個節點受損，其他節點仍然可以穩定通信。

4 窄帶自組網作為應急語音通信網的應用優勢

4.1 全區域覆蓋

突發事件地點是沒有規律且不可預測，因此應急通信網必須提供全區域覆蓋，而且必須及時迅速提供通信覆蓋，不可延誤。經濟不發達地區基礎設施不完善，信息通信手段落后甚至缺失。窄帶自組網通過節點之間的無中心自動組織聯網，可以實現全省范圍內聯網覆蓋，而針對郊區、野外、林區以及地下室等通信盲區以快速部署模式覆蓋，以任意突發事件地點為中心，實現現場100%即時通信覆蓋[12]。不僅提供穩定的跨區域長距離通信，還以事發地點臨時局域語音通信，具有建設成本低和覆蓋率高的特點。

4.2 防災抗毀

單頻自組網通過節點之間的無線互聯成網，相較于傳統的常規網絡，具有很強的生存能力且無中心網絡拓撲結構也相對更為穩定，出現故障或遇到特殊情況都不可能徹底中斷，即使網絡的某節點發生故障，其余的節點仍然能夠正常工作，故障節點只會影響節點本身所在的位置的覆蓋效果，并可以通過布設新的快速修復網絡，整體抗毀能力很強且可靠性高，適合應急救災和偏遠地區通信等應用。

4.3 快速部署

由于不能實現預知現場的地點和位置，不了解當地現場情況，即使有基礎通信資源，也可能受到眾多因素影響，關鍵位置不能暢通，因此應急通信難有固定覆蓋模式，但解決思路上分析以無線方式組網較為有利。使用窄帶自組網提供的快速部署技術設備，在任何不可預測的覆蓋不良區域，基本都做到100%的通信覆蓋，數分鐘至數十分鐘時間內即可在現場快速完成現場通信系統布設，起到支撐現場指揮通信工作并輔助決策的作用。

4.4 立體組網

復雜山區、偏遠林區、大型或多層地下室、隧道以及礦井等特殊區域受有線資源與建筑結構復雜等因素限制，地面信號無法直接傳導，因此向來是無線通信的薄弱環節。而單頻自組網通過便攜單頻中繼基站無線聯網，多跳轉發引入信號，可快速實現信號盲區和指揮大本營互通對講。

4.5 保底通信

單頻自組網是在單頻點通信的基礎上發展起來的自動組網中繼網絡，因此繼承了單頻直通模式，具有極高的穩定、快速、簡單以及實戰特點。電臺和基站均采用單頻通信，即便在中繼基站全數故障的最極端情況下，也只是通信范圍減小，周邊電臺之間仍然能夠維持最基本的電臺單頻直通通信，具有極高穩定性，符合應急救援通信特點。

5 無線自組網在應急通信中的實戰探討

2019年12月9日乳源瑤族自治縣大布鎮夾水村拐坑坪發生森林火災，火線蔓延過千余米，共組織500余名滅火人員參與撲火。

起火點位于拐坑坪的石頭灶附近，屬于偏遠山區，基礎通信建設落后，且因周邊其地形凹陷，收不到信號的重點通信盲區，因此撲救工作開展面臨著人員組織分散、交通不便以及基礎設備落后等問題，直接影響了撲火效率。在此事件中暴露了應急通信的薄弱環節，體現了現場通信對應急救援的重要影響。

在事件的總結中，現場應急通信保障成為關注的重點。事件后應急部門積極開展應急通信技術調研，嘗試使用新型通信技術及裝備，提高應急處置現場的通信能力，組織了實地適用性測試。

窄帶自組網通信測試中以129森林火災為測試模型，在尖峰筆、拐坑坪山地以及廣東第二高峰石韭坑部署窄帶自組網通信節點，搭建了窄帶自組備測試平臺，重點針對上次著火點位置做了通信覆蓋測試，該著火點距離尖峰筆節點直線距離約8.8 km，因其地形復雜，所以信號受阻擋，但配合移動節點現場補點后，該地點半徑3 km內均實現基本的窄帶語音全覆蓋。窄帶無線自組網配置如圖2所示。

本次適用性測試中初步證實，窄帶自組網通信技術及裝備在提高撲救火災及處置其他災害事故的語音通信保障能力方面，能夠支撐應急語音通信暢通，為相關部門盡早開展救援工作創造必要條件。

6 結 論

超短波窄帶無線通信是應急部門處置應急突發事件的重要通信手段，對保障應急救援通信暢通具有難以替代的應用優勢。在現代通信技術快速發展的背景下，本文結合應急通信的實戰需求探討了新一代窄帶自組網通信技術在應急通信領域的創新應用。窄帶自組網通信具有覆蓋面積廣、適應能力強、維護簡單以及成本低等應用優勢，能夠實現應急現場的通信組網和指揮調度等通信需求，但是感知數據業務傳輸還未進一步完善，將感知數據業務引入窄帶無線自組網中對滿足應急救援決策需求具有重要意義。雖然目前的應急通信保障系統在很多方面還存在空白，但相信隨著科學進步，相關部門將積極探索無線通信新技術應用，確保我國應急無線通信工作始終走上世界前列。