星地融合通信網絡架構森林火災應急通信應用

文 | 鄧守峰 艾寧義 李明 安玉拴 雷建勝

天津航天中為數據系統科技有限公司

一、引言

森林火災是世界八大自然災害之一，具有突發性強、發生面廣、處置撲救難度大、破壞性強的特點。據不完全統計，全球每年有數百萬公頃的森林覆蓋區域受到火災的影響。依據中國統計年鑒（2011—2021），2010 ～2020 年之間，全國共發生森林火災39310 次，其中特別重大火災11 次，重大火災63 次，受害林面積20 余萬公頃，傷亡人數651 人。因此在森林火災發生時，如何高效地進行信息交互，更加全面掌握火場態勢及接收指揮指令，對于及時撲救森林火災、保護人民財產安全具有深遠而重要的意義。

然而，由于部分林區通信基礎建設不完善、現有防火通信覆蓋率約為70%，存在較大盲區，衛星通信、機動通信保障能力不強。有線基礎網絡建設滯后，難以滿足語音通信、火險預警、圖像監控、視頻調度、信息指揮等防火業務工作的需要，導致指揮中心與火場的信息交互不及時，火場態勢不明確，極大地限制了撲救工作的開展。

星地融合通信網絡架構打造以衛星通信為骨干網絡，多種地面通信模式統一接入的融合通信網絡，可在火災發生時快速構建多節點之間的通信通道。衛星通信不受地理條件和基礎設施的制約，具備覆蓋范圍大、通信距離遠、通信建立迅速的特點，融合超短波、4G LTE、寬帶自組網等多種地面通信方式，可進一步擴展衛星通信業務接入能力，所構成的星地融合通信網絡架構在具備衛星通信網絡特點的同時，可承載多種豐富的語音、數據業務。通過星地融合通信網絡架構可在第一時間將火場前線信息以語音、視頻等方式回傳至指揮中心，為指揮中心提供直觀、全面的現場活動狀態，為戰術制定、人員調配等一系列火場相關的工作提供數據基礎，真正有效提升指揮中心對火災現場控制能力，確保實現森林火災“打早、打小、打了”的目標，最大程度保證人民群眾的財產安全。

二、融合通信網絡架構

1.基礎架構

圖1 星地融合通信網絡架構

星地融合網絡架構具備如下特點。

1）業務應用管道化。如圖2 所示，星地融合通信網絡架構中，衛星通信網絡以管道化方式應用，從邏輯上看來，每個業務應用終端均處于管道端口處，各種應用通信從管道一端進入，從另一端輸出，減少業務人員對網絡結構本身的關注，可更多地聚焦于業務應用。

圖2 業務應用管道化

2）業務承載多元化。如圖3 所示，星地融合通信網絡架構以衛星組網通信模式構成承載網絡，其他地面通信方式構成接入網絡，疊加在承載網絡之上，可同時實現語音、數據、視頻等火場監測信息的傳輸與交互，并且便于后續應用業務的靈活擴展。

圖3 業務承載多元化

2.通信模式

（1）衛星+窄帶超短波融合通信

衛星+ 窄帶超短波融合通信架構充分發揮衛星通信廣域覆蓋能力，可組建廣域的超短波通信網絡，如圖4 所示。超短波基站、超短波終端通過超短波空中接口，形成獨立的超短波通信局域網絡。以衛星星型組網通信作為基礎的骨干承載傳輸網絡，將各個超短波通信局域網絡附著在骨干承載傳輸網絡邊緣，作為語音業務接入網絡，通過這種方式將各個超短波通信局域網絡連接起來，形成廣域的超短波通信網絡。

圖4 衛星+窄帶超短波融合通信架構

該架構充分發揮了超短波通信具有語音清晰、抗干擾能力強、移動通信能力強且不依賴于有線和光纖等特點，充分利用衛星通信機動式、便攜式優勢應對森林火災時間上的突發性和空間上的隨機性，無需建設中間用于轉發的超短波設施，依據火場位置迅速建立衛星與超短波融合通信，即可利用超短波豐富的語音調度、單呼、組呼、全呼等功能，實現前后方的實時聯動指揮。

（2）衛星+VoIP 融合語音通信

語音通信是信息交互的基本方式，是森林火災應急通信的基礎保障。衛星+VoIP 融合通信架構以衛星通信為基礎數據傳輸網絡，實現多個VoIP 節點之間，以及VoIP 系統內與PLMN、PSTN 網絡之間的高清語音通信，如圖5 所示。

圖5 衛星+VOIP 融合通信架構

VoIP 語音通信基于SIP 協議實現，適合在IP網絡中應用，可直接接入基于IP 傳輸的衛星通信網絡。衛星與VoIP 融合語音通信架構充分發揮VoIP 通信的成本低、帶寬利用率高的特點，降低對衛星鏈路帶寬的要求，使得VoIP 語音通信在有限的衛星帶寬資源下可提供較高質量的語音服務，有效地解決了森林防火應急通信中基礎語音通信的問題。

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

（3）衛星+4G LTE 融合通信

衛星+4G LTE 融合通信架構以衛星通信網絡作為火場臨時部署的4G 基站回程鏈路。面向森林火災位置的不確定性，依托衛星通信鏈路快速實現靈活、高效的火場4G 信號覆蓋，使得該區域內的人員使用普通手機終端即可接入運營商公共通信網絡，實現公網通信。

傳統的地面網絡4G 網絡回程鏈路基本采用千兆以太網光纖鏈路，但火場區域往往不具有光纖通信條件。如圖6 所示，該架構采用虛擬鏈路技術在衛星網絡上構建二層傳輸隧道，使得LTE 基站回傳可在衛星網絡上進行透傳，達到衛星網絡與4G 網絡可獨立進行IP 規劃的目的，有效避免了網絡之間相互干擾，降低了網絡安全隱患，實現了基于衛星通信為回程鏈路的4G 網絡數據傳輸。

圖6 衛星+4G LTE 融合通信架構

（4）衛星+寬帶自組網融合通信

寬帶自組網具有部署簡便、非視距傳輸效果好、魯棒性強、結構靈活的特性，在局域范圍內可根據應用場景形成鏈型、星型以及混合型網絡拓撲，通過不同節點的中繼傳輸實現多跳傳輸，從而實現局域范圍遠距離的網絡覆蓋。衛星+寬帶自組網融合通信架構以衛星通信網絡為骨干網絡，寬帶自組網作為衛星通信的無線延伸，構建星地融合移動通信寬帶通信網絡。

如圖7 所示，寬帶自組網作為該融合通信網絡架構的接入部分，可靈活接入無人機、單兵數據采集終端等設備，結合衛星通信的廣域通信特性，可實現火場前線至后方指揮中心的無人機視頻實時回傳、數據實時分發等功能，可將火場圖片、視頻等多媒體數據實時回傳至指揮中心，為指揮決策提供數據支撐。

圖7 衛星+寬帶自組網融合通信架構

三、林區應用

以星地融合通信網絡架構為基礎，在某林區建立了防火機動應急通信指揮系統。該系統在指揮中心建設衛星通信固定站作為固定節點；在林區內分區域布設衛星通信車，搭載衛星通信車載站作為機動節點；以衛星通信便攜站作為移動節點。衛星通信采用中星10 號衛星資源，以星型組網的方式建立衛星骨干傳輸網絡，同時融合超短波、VoIP、4G LTE 等多種通信模式，實現多節點之間的實時通信。自該系統建成以來，多次在森林火災應急通信保障中應用，在實戰中充分驗證了該架構對森林火災應急通信保障的實用性、有效性和穩定性。

2019 年，該林區某區域發生中型火災。待火場區域確定后，迅速派遣衛星通信指揮車前往火災地點，建立前線指揮中心。同時依托衛星通信骨干網絡建立與后方指揮中心的實時數據傳輸鏈路，同時由撲火人員攜帶超短波、衛星通信便攜站+VoIP、寬帶自組網設備前往火場區域，建立了“火場—移動前指—指揮中心”之間的多級聯動指揮通信網絡。圖8 為在此次撲火任務中星地融合通信網絡架構的現場應用模式。

圖8 星地融合通信網絡架構的現場應用模式

1.衛星+窄帶超短波融合通信應用

在此次撲火任務中，基于衛星+窄帶超短波融合通信架構，將衛星通信和超短波通信相融合，建立了廣域的超短波通信網絡。以衛星通信指揮車內的車載超短波通信基站為中心節點，撲火隊員攜帶便攜式超短波基站，利用超短波通信的林區穿透性和自組網特性，將超短波通信網絡自衛星通信指揮車逐級延伸至火場；同時利用衛星通信骨干網絡，后方指揮中心與衛星通信指揮車內的超短波網絡互聯互通。指揮人員利用超短波集群通信特性，對指揮信息廣域分發，實現了對火場內的撲火人員實時指揮。

2.衛星+VoIP 融合語音通信應用

為避免因山石等障礙物遮擋造成超短波通信網絡不穩定，進而導致火場通信故障，在此次撲火過程中，由撲火隊員攜帶衛星通信便攜站和VoIP 通信設備前往火場區域，基于衛星+VoIP 融合通信架構搭建多節點之間的高清語音通信。通過衛星通信便攜站與衛星通信固定站、衛星通信車載站組網通信，建立了多節點之間基于VoIP 通信的高清語音通信網絡。同時基于指揮中心部署的IPPBX 設備，實現VoIP 通信網絡與公共電話網絡實時通信。指揮人員采用VoIP 終端、固話終端、手機終端等多種通信方式，對撲火人員進行指揮，有效保障了火場指揮通信的穩定性。

3.衛星+4G LTE 融合通信應用

面向火場公網通信需求，基于衛星+4G LTE融合通信架構，在無光纖基礎條件的林區環境中，通過衛星通信車搭載的4G LTE 公網基站，并基于虛擬鏈路技術在衛星通信骨干網絡上搭建二層傳輸隧道，以衛星通信網絡為回傳鏈路建立了4G 公網通信基站，形成了以衛星通信指揮車為中心的一定范圍內的4G 公網覆蓋。前指指揮人員無需依賴超短波、VoIP 終端等專業通信設備，利用普通手機終端通過4G 公網與后方指揮人員以及其他人員實時通信，通過語音、圖片、視頻等多種方式實時反饋火場情況，同時后方指揮人員依據火場信息做出指揮決策。

4.衛星+寬帶自組網融合通信應用

撲火隊員攜帶單兵數據采集設備采集現場圖片、視頻等火場數據，經過寬帶自組網局域網絡傳輸至衛星通信指揮車。同時，衛星通信指揮車通過衛星通信骨干網絡將數據回傳至后方指揮中心。后方指揮人員基于回傳數據判斷現場態勢，并基于視頻會議單元與前線指揮人員進行視頻會商，共同商討撲火方案（圖9）。同時為更加全面掌握火場態勢和評價災后損失，本次撲火行動中結合無人機低空監測手段，以低空、大范圍視角對火場開展視頻采集，并依托衛星+寬帶自組網融合通信網絡實現了無人機采集的視頻數據實時回傳，為指揮人員實施指揮決策和災后評估提供了有力的數據支撐。

圖9 衛星通信指揮車內實時視頻會商

四、結論

星地融合通信網絡架構打造了以衛星通信網絡為骨干，多種通信模式統一接入的融合通信網絡。面向森林火災的突發性特征，在火災發生時充分發揮衛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—移動前指—指揮中心”信息傳輸通道，通過承載多種語音、數據業務，實現火場信息高效交互，協助指揮人員快速掌握火場態勢變化，實現面向火場撲救場景的多級聯動指揮，可極大地提高森林火災應急撲救的指揮決策能效。