淺析5G通信技術在消防通信體系中的應用

摘要：隨著應急措施救援任務的規模和復雜性不斷增加，消防應急通信網絡的需求正在顯著增長，為有效確保消防隊救援隊伍在指揮總體調度、滅火救援、救援處置突發事件等工作環節相互溝通聯動有效。5G通信網絡新技術的同步應用，可以在滅火救援、洪水預警系統、個人指揮調度、團隊運營管理等方面，在高度智能化、專業化和綜合化水平上顯著提高區域建設的整體水平。本文首先分析了當前火災信息處理中通信相關技術存在的問題，討論了5G通信網絡技術的綜合分析和發展5G專用網絡技術需求，重點深入分析5G專網消防救援通信系統的新架構，以及應急救援場景的全面保障，最后對5G通信網絡核心技術深入分析。

關鍵詞：5G網絡通信技術；消防救援；數據通信保障

轉制以來，國家綜合性消防救援隊伍立足當前“全災種、大應急”任務需求，承擔著我國應急救援主力軍和國家隊的重任，其應急救援作戰行動復雜多變，尤其在如石油化工爆炸、危險化學品災害處置等滅火救援現場，及時準確獲取災害現場基本信息，第一時間實施作戰部署，作好災害現場作戰訓練安全管控，確保現場消防救援人員安全，對災害現場消防通信保障要求提出了很高要求。因此，借助當前5G通信技術變革，消防現場通信技術顯得十分必要。

一、目前消防信息化相關內容和技術的基本現狀及存在的基本問題

（一）整合綜合信息能力不足

當前全國消防救援隊伍正在整合實戰平臺各類綜合信息，加工、分類、決策等信息化功能的進一步升級完善，在此過程中，作為通信技術，需要應用更為穩定安全的信號傳輸方案以及更快速的數據傳輸載體來傳輸更清晰、更準確的音視頻信息，也就是說，新時代的消防救援工作的大環境對于信息化建設的功能性提出了更高、更嚴格的要求，而現階段各級消防隊伍所配備的應急通信裝備的系統集成度較低，多數還是屬于常規的通信技術的范疇，功能相對比較單一，已經不能適應現階段的實際需要。

（二）各類信號模式兼容性不足

當前，消防隊伍所配備的通信裝備不能實現所有數據兼容級共享。在完成復雜消防救援任務的過程中，消防人員必須佩戴各種無線通信設備，通過設備實現在火災現場進行調度指揮的目標而且還滿足精確收集圖像和音頻信號的要求，對市和縣級應急指揮中心進行實時響應和傳輸。如果無線通信信號差、擴展范圍大的重大危險區域，準確掌握現場救援數據和信息以及及時做出相關決策會有嚴重障礙。

（三）通信技術模式相對落后

在消防救援中，以廣泛使用的350M無線通信、對講機數據通信相關的設備為例，該轉換裝置廣泛用于其他短波無線電通信操作模式，該系統提供了理論發展互聯網的傳輸范圍為（3.5～10.5）千米，地表上有建筑物、高海拔、高溫環境和電磁波輻射明顯的地區，通信范圍和信號互聯網傳輸質量將大大降低，因此僅適用于范圍小、周邊規劃自然環境不復雜的災害現場、救援場所，目前消防救援隊伍在集群的Qchat通信技術模式，信號傳輸距離和綜合質量得到了一定程度的提高，然而該通信模式必須借助運營商網絡進行傳輸，在某些運營商網絡信號覆蓋率不高的地表以下建筑物及偏遠山區實際使用效果不理想。

二、5G通信技術及5G專網技術需求分析

（一）5G通信技術概述

5G通信技術是當前通信領域最先進技術，和以前通信技術對比，具有高穩定性、高兼容性、安全可靠的優勢，數據傳輸速率是以Gbit/s標準起步，比4G網絡快100倍；能夠在響應時間上大幅減少，網絡沒有延遲；具有超大容量，增強設備接入能力，連接設備密度較以往增加10至100倍，滿足物聯網通信需求；流量密度與頻譜效率大幅度提升等。正是由于其有那么多優越性能，其成為當前消防信息化建設的重要依托。

邊緣移動計算（MEC）是技術生命場景的技術支持。它是通過多種方式將傳輸信息的綜合數據基本運行到本地公司服務器進行數據計算和存儲數據處理，從而實現數據本地化，并可分布式集中部署傳輸信息內容主題。通過三種類型和網絡切割技術，可以實現消防救援隊伍通信網絡系統的建設，以滿足定制、實時數據集中部署和動態信息保障的需要 。

（二）5G專網技術及需求分析

隨著5G通信技術的發展，依托網絡切片技術將物理網絡切割成一個共享端到端的虛擬網絡，再結合MEC技術，在核心網中斷時提供移動性切換和快速重連功能。

1.網絡切片技術

網絡切片技術是根據業務對網絡的不同需求，建設不同功能專網的核心技術。其可以將網絡切割成多個虛擬“子網絡”，并能夠使每一個虛擬網絡在邏輯上隔離，若其中一個虛擬網絡出現問題也不會影響到其他的虛擬網絡。同時，自定義的切片具有速率、延遲、頻譜效率、連接密度等特點，可以通過靈活的網絡配置，滿足消防通信體系建設專網的需求。

2. MEC移動邊緣技術

充分利用了MEC與用戶及信息源的地理優勢，將其下沉到網絡邊緣，此時用戶的請求可以直接通過本地的MEC服務器進行處理，這將大大提高了傳輸速率，有效降低了通信時延，一定程度上解決了數據傳輸過程中的網絡擁塞。同時，處在網絡邊緣還能夠收集到鄰近基站的ID以及可用帶寬的數據信息，并能夠感知附近的鏈路是否能夠支持連接，這將為建設5G消防通信專網提供了部署的可能性。

三、5G專網消防救援通信體系架構及應急保障場景分析

（一）系統架構

當前在5G頻段劃分上國內三大通信運營商分布在2.5GHz-2.6GHz、3.4GHz-3.6GHz、4.8GHz-4.9GHz頻段，而新入網的廣電運營商的5G頻段則為700MHz，其耗損和穿透力優于移動、聯動、電信運營商4G、5G頻譜，對應的5G基站最遠覆蓋距離在5Km左右，有效覆蓋范圍在2.2Km左右，因此，如能夠基于700MHz廣電運營商基站建設公專網融合通信網絡，形成平時使用公網廣域通信；“三斷”環境下，單個基站斷網脫離公網核心網絡時，仍然能夠提供該基站覆蓋范圍2-5Km內的局域專網自組通信，構建更加安全穩定、反應快速的消防救援通信體系，以滿足全時段、全天候消防現場救援對信息收集匯聚、準確的信號覆蓋、終端及時響應等應急通信保障的需求。

該網絡架構是共享廣電公網中的gNB、UPF、MEC、5GC CP、UDM、用戶面以及控制面，同時，在5G基站中增添部署一套UPF及UDM控制面功能，當gNB接入電臺終端進行通報信息令的處理，基站中的UPF及MEC將下沉進行數據計算存儲，5GC CP將從UDM中將數據進行同步到另一套UPF，使其能夠支持負荷分擔容災的能力。

（二）關鍵技術

①中斷保存。當gNB檢測到N2故障時，將繼續保持連接狀態用戶的N3會話隧道，此時收到NAS信令或切換信令失敗或超時，將不會釋放用戶連接，而是待N2恢復后正常運行之前的業務。②數據同步。公網UDM通過安全文件傳送協議（SFTP）安全傳輸通道將數據上傳至文件服務器，專網UDM將其下載至本地并加載生效，但不支持對數據進行修改，可在網絡連接中斷的災情現場中，提供對專網用戶進行5G鑒權/注冊/接入等基本業務功能。③業務回遷。刪除用戶會話，此時連接狀態的用戶進入空閑狀態，進而觸發服務請求消息或周期性TAU信令，gNB會將用戶信令傳送給5G核心網控制面。通信網絡中斷期間，中斷保存的正在運行的業務，將不受回遷影響。

（三）應用場景分析

1.“三斷”條件下的應急保障

當遇重特大自然災害時，現場的通信基礎設施均遭受到不同程度的損壞，再加上遠超負荷的呼叫和吞吐量導致公網的擁塞和癱瘓，導致開展消防救援任務時后方調度指揮的指令無法下達，作戰現場指戰員之間的信息傳輸不暢。該網絡架構下，可以利用當前沒有損壞的通信設施，使用網絡切片技術重新搭建一個虛擬網絡，以保障作戰現場的指揮通信及與后方的指揮調度的通信需求。

2.本地化的網絡快速重建

由于災害導致本地的基本通信設施與外界的核心網連接中斷，導致與外界網絡傳輸中斷，可以選擇另一套UPF重建會話，將新的接入用戶遷移至UPF中。同時，gNB和UPF處在連接狀態并沒有發生移動性切換的業務，將會自動儲存該過程數據，待故障恢復后正常運行，而對于發生移動性切換的用戶將會通過本地的控制面重新接入。因此，對于出現短暫中斷情景時，救援通信任務可以基于基本完好的gNB快速恢復本地網絡通信，確保提供消防救援基本通信需求。

3.現場應急通信系統的快速構建

針對重特大自然災害導致通信網絡基本癱瘓的局面，已無法利用災區現有的通信設施進行重新組網，而未損壞的通信網絡，也會由于這一刻的接入用戶激增，導致網絡堵塞。此時，可依托消防救援通信體系原有的LTE專網、Mesh基站、衛星便攜站等通信設施，依靠Mesh基站的自組網服務，將其接入到一個網絡中，并快速部署一個能夠覆蓋災區的應急通信網絡，保障現場救援任務的展開。

四、 5G通信技術戰斗力生存

（一）能夠有效提升戰斗力

應急管理部依靠消防救援隊伍可靠的通信技術提出了關于“加強斷網、斷路、斷電等極端惡劣條件下的應急通信保障能力建設”。主題是在所有極端條件下，如拔掉網線、局部短路、停電等，加強應急通信的可靠保障能力建設。在高效消防救援指揮系統中消防通信作用越來越凸顯。第一，現場指揮部建立要高效。利用5G技術搭建統一的系統平臺為指揮部，收集各種相關和視頻信號，并形成一個可以分析、研究、判斷和部署的高效指揮部。第二，建立各種高效的網絡通信手段 。建設5G專網相關的設備，在5G專網絡和5G公共網絡之間形成互聯，最有效地整體改善了必要的數據通信手段。第三，綜合安全保障體系有成效。利用當前隊伍所配備的通信裝備，建立空地場景三維空間保障系統。憑借5G高傳輸率和低延時的獨特特點，將現場滅火救援的圖像實時雙向傳輸至前后方指揮部。

（二）能夠提高滅火救援現場戰斗力

第一，提高滅火初期控制能力。通過5G網絡，消防救援人員借助微信視頻、導航定位等手段，最短時間內獲取現場真實核心定位信息和其他相關場地信息。第二，有效減少現場作戰傷亡人數。消防救援人員在遇到危險化學品、放射性物質和其他危險的現場，通過現有的通信手段、消防機器人的研發應用，增強車輛和車輛之間通信，從而最大限度地減少前線作戰隊伍傷亡。第三，為研究和判斷提供高度全面的信息。借助現有的指揮實戰模擬系統及各類?；窞暮μ幹镁C合查詢系統，高效提取分析作戰現場的風險，快速推斷災情發展態勢，為前線作戰指揮提供有力數據參考。

（三）提升隊伍管理效能

第一，應用于管理人員。該技術可以實時監測和分析指戰員集中訓練的具體情況、休息時間和健身運動軌跡，方便在集體情況下訓練和管理。第二，應用于消防裝備管理。通過5G定位裝置使用，更加精準定位消防車輛、相關設施地理位置等相關信息。第三，應用在營區管理。利用5G超大傳輸速率來改善消防營地實時監控效果，并通過技術分析方法，對高風險的故障報警提醒。建立并實現高效的哨兵管理模式。每個營地可以將已建立的超高清監控和其他有線傳感器相關設備相結合，從而也可以在受訪者的手機平臺上實時獲取訪客的其他信息，達到自動管理的目的。

（四）對火災事故預防和控制起到積極作用

通過與國內互聯網巨頭及三大電信運營商的合作，開發5G智能消防平臺。應用物聯網技術通過“感、傳、知、用”等手段，應用當前各類先進技術，對消防安全重點單位和場所的消防設施、器材、人員等狀態實時監控，在中央系統對各類數據進行處理，不僅對火災防控具有一定的作用，也對滅火救援能夠提供信息支撐。

五、結束語

隨著5G技術的發展，日益成熟的MEC移動邊緣計算、網絡切片技術，滿足日益增長的消防救援任務，對高可靠、高安全通信系統的需求。5G消防救援應急通信專網在硬件上與廣電現有的5G基站設施共享，增添MEC、UPF模塊，補足容災性能負擔問題，并與公網互為補充鏈路，最大程度上發揮出5G消防救援應急通信專網的優勢，同時，要兼容已有的不同制式的通信設備，確保關鍵語音通信業務不受影響，增強消防通信救援工作實戰實力。

作者單位：許哲豪 新疆伊犁消防救援支隊

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