微波定向區域覆蓋在應急救援通信保障中的應用探討

摘要：在大型復雜災害事故救援處置現場，通常會有多部門協同配合開展作業，因而指揮通信業務繁忙。消防救援隊伍在使用公共移動通信網上傳各種信息特別是現場多路視頻信息時可能會面臨帶寬不足、信道爭奪的情況，甚至會面對現場斷網、斷電、斷路的情況。微波通信具有帶寬大、信道相對獨立的優勢。該文作者結合自身工作經驗，對使用微波數字通信對災害事故現場進行快速覆蓋、實現通信網絡延伸，保證消防救援隊伍指揮通信連續、通暢、可靠的可行性進行了測試和分析。

關鍵詞：消防；微波；應急通信；無線通信

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.05.031

中圖分類號：TN 91；TN 92" " " " " 文獻標志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2024）05-00-03

Discussion on the Application of Microwave Directional Area Coverage

in Emergency Rescue Communication Support

YANG Haocheng

（Kunming Training Corps of the National Fire and Rescue Bureau， Kunming 650029， China）

Abstract： In the rescue and disposal site of large-scale and complex disaster accidents， multiple departments usually cooperate to carry out operations， command communication business is busy， and fire rescue teams may face insufficient bandwidth and channel competition when using public mobile communication networks to transmit various information， especially multi-channel video information on site. They may even face on-site network outages， power outages， and circuit breakers. Microwave communication has the advantages of large bandwidth and relatively independent channels. The author of this article， based on their own work experience， tested and analyzed the feasibility of using microwave digital communication to quickly cover disaster accident sites， achieve communication network extension， and ensure continuous， smooth， and reliable command and communication of fire rescue teams.

Keywords： fire protection; microwave; emergency communication; wireless communication

1" "研究背景

為保證決策科學、指揮高效、調度精準，在災害事故救援處置現場，通信保障人員需采集現場各類數據信息并通過某種通信方式進行傳輸，各級指揮員依據這些信息對災害做出準確判斷和科學決策并迅速下達至一線。在使用公共移動通信網絡傳輸現場各種信息時，與日常公眾使用網絡以下載信息為主不同，此時信息數據流向以上傳為主，而單一移動通信基站上行帶寬小于下行帶寬，很容易出現網絡擁塞的情況。

因決策指揮需要，災害現場可視化對各級指揮員至關重要，故應盡可能多地采集現場視頻信息，而視頻信息數據需要較大通信帶寬才能實現流暢實時的傳輸。微波具有帶寬高、方向性強、定向傳輸距離遠等特點，結合消防通信保障以快致勝的需求，可考慮采取在一定距離上對災害事故現場進行區域化快速覆蓋，建立獨立于其他通信網絡的無線IP寬帶通信信道，以滿足消防救援隊伍指揮通信各類信息寬帶化傳輸的需求，并能方便地接入消防指揮調度網、衛星通信網或互聯網等各種網絡，將現場信息及時傳輸至全國各級救援指揮中心[1]。

2" "微波設備主要情況

測試人員選擇了國內某品牌廠商的若干類型的設備開展測試，具體包括微波通信基站、定向扇面天線、集成定向扇面天線的CPE通信終端，用于構建點對點的微波通信信道。其中微波通信基站整機功率

7.8 W，最大發射功率為26 dBm，工作頻段為5～6 GHz，最高無線速率為867 Mbps，具備千兆自適應RJ45接口；定向扇面天線尺寸為700×133×57 mm，增益為19 dBi，頻段為5～6 GHz，水平/垂直雙極化，水平波瓣寬度為120°，垂直波瓣寬度為4°。CPE尺寸為224×79×6 mm，整機功率為7.2 W，最大發射功率為26 dBm，天線水平/垂直雙極化，水平波瓣寬度為45°，垂直波瓣寬度為30°，增益為13 dBi，最高無線速率為867 Mbps，具備千兆自適應RJ45接口。

3" "基礎通信測試

為最大限度了解微波傳輸設備及測試設備的性能，測試人員先利用一座建筑內部100 m的通視走廊開展了基礎測試。

3.1 有線連接帶寬測試

為測定用于通信帶寬測試的網絡終端及交換設備的性能，傳輸帶寬測試全部使用兩臺移動建模圖形進行，操作系統均使用Windows 11 64位，設置了共享文件夾完全訪問權限，其中一臺工作站搭建了FTP服務器。為了有效掌握通信傳輸帶寬，兩臺工作站均通過屏蔽6類線接入交換機，分別通過文件復制、FTP上傳下載、Lan Speed Test軟件及外部命令iperf等4種方式來對傳輸速率進行測試。經測試，文件復制方式傳輸速率為569 Mbps，FTP方式傳輸速率為880 Mbps，Lan Speed Test傳輸速率為716 Mbps，外部命令行傳輸速率為942 Mbps。

3.2 微波基礎傳輸測試

在千兆有線局域網帶寬測試結果數據的基礎上，為了解微波通信設備傳輸性能，測試人員利用建筑內部100 m的通視走廊，在走廊兩端分別架設微波通信設備及天線，建立微波通信信道，并將兩臺工作站分別用6類屏蔽網線接入走廊兩端的微波通信終端，對微波通信設備的傳輸能力進行測試。建筑內部有公共移動通信網、Wi-Fi等無線信號，測試組合分別為微波通信基站與微波通信基站、微波通信基站與CPE，CPE與CPE，測試方式采用有線連接時的4種測試方式。在建筑內走廊測試時微波通信基站與定向扇面天線連接，兩端天線通過腳架架設，信號發射接收面中軸線相互對準并且高度一致，信號頻率設為5.1 GHz。分組測試結果見表1。

從表1測試數據看出，通過建筑內部使用微波建立數據傳輸信道，在較為復雜的電磁環境下，雖然不同設備組合及不同測試方式得到的數據不盡相同甚至有明顯差異，但得到的傳輸速率均大于150 Mbps，按照1路4K視頻流暢傳輸需50 Mbps帶寬計，能夠滿足多路4K清晰度視頻傳輸的需求，完全能滿足當前消防救援隊伍現場多路音視頻及其他數據同時實時傳輸的需求。所以在“三斷”或公共移動通信網擁塞的災害事故救援處置現場，消防通信保障人員可考慮利用微波建立專用通信信道，將災害事故現場采集的各種信息傳輸至消防指揮調度網、衛星網等。

4" "室外通信測試

在建筑內部進行的傳輸測試，因兩端距離僅100 m，為對微波通信設備的長距離通信傳輸能力進行評估，測試人員選擇在湖泊兩岸水邊開展測試，海拔均為1 868 m左右，一端為A點，一端為B點，將通信兩端距離拉遠，讓微波信號從湖面上方通過以避開地表障礙物遮擋。

測試所用設備、測試方式與室內測試時完全一致，一端工作站加掛4K圖形采集卡并連接無人機實時圖像（1 920×1 080），依然按照微波通信基站與微波通信基站、微波通信基站與CPE，CPE與CPE的組合分別進行測試，測試兩端均以最大發射功率發射信號，均使用1 021 Wh容量的戶外電源進行供電，并配有120 W太陽能充電板；測試時間均在日間進行，測試時天氣以晴朗為主，少數測試日期天氣為多云及有霧。

4.1 3.5 km通信傳輸測試

A點E102.675 N24.932，B點E102.643 N24.930，經計算兩點之間距離約為3 505 m，兩端天線按大致方向進行快速對準，測試當日天氣晴朗，能見度良好，風力大約為3級，天線輕微晃動，在A、B兩點使用370 MHz數字常規對講機在高功率模式下可正常通信，聲音清晰流暢。微波信道建立后A點遠程調用B點無人機實時畫面，圖像清晰，畫面流暢。測試數據如表2所示。

從表2測試結果上看，相對于室內測試結果，在同等發射功率下通信距離從100 m增加到3 505 m，測試得到的傳輸速率雖大幅降低，但依然在60 Mbps以上，仍然能夠滿足1路4K視頻傳輸；按1路1 080P全高清圖像需6 Mbps帶寬計，可滿足同時傳輸大于或等于10路1 080P全高清圖像。得益于更高的天線增益，微波通信基站傳輸性能明顯優于CPE，天線增益大小對信號傳輸有很大影響[2]。

4.2 6 km通信傳輸測試

A點位置不變，B點移至E102.657 N24.880，經計算兩點之間距離約為6 000 m，兩端天線按大致方向進行快速對準，測試當日天氣有霧，能見度差，風力大約為3級，天線輕微晃動，在A、B兩點使用370 MHz數字常規對講機在高功率模式下基本可通信，聲音清晰但出現卡頓及掉字，時有呼叫無應答的情況。微波信道建立后A點遠程調用B點無人機實時畫面，圖像清晰，畫面流暢。測試數據如表3所示。

從表3測試結果上看，相對于距離5 505 m測試結果，在同等發射功率下通信距離增大，傳輸速率降低，測試得到的傳輸速率最低值傳輸4K視頻可能出現卡頓，但仍可滿足大于或等于7路1 080P全高清視頻的流暢傳輸需求。但如果若選用天線增益較大的設備，仍可滿足1路4K視頻流暢傳輸的需求。

4.3 11 km通信傳輸測試

A點E102.732 N24.923，B點E102.763 N24.827，經計算兩點之間距離約為111 340 m，兩端天線按大致方向進行快速對準，測試當日天氣晴朗，能見度良好，基本無風，在A、B兩點使用370 MHz數字常規對講機在高功率模式下無法呼通。微波信道建立后A點遠程調用B點無人機實時畫面，圖像清晰，畫面流暢。測試數據如表4所示。

從表4測試結果上看，相對于距離5 km測試結果，雖距離增大，但傳輸速率卻優于5 km測試時的數據，5 km傳輸測試當日天氣有霧，能見度差，推測霧對微波傳輸性能造成了影響。

4.4 16 km通信傳輸測試

A點E102.732 N24.923，B點E102.657 N24.796，經計算兩點之間距離約為162 527 m，兩端天線按大致方向進行快速對準，測試當日天氣晴朗，能見度良好，風力約2級天線輕微搖晃，在A、B兩點使用370 MHz數字常規對講機在高功率模式下無法呼通。測試數據如表5所示。

CPE通信建立失敗，微波基站相互通信時帶寬不穩定，但測出的最低速率仍能滿足大于或等于4路1 080P全高清視頻傳輸需求，遠端調看無人機圖像清晰流暢。

5" "定向區域覆蓋能力估算

假定在距某災害事故現場災害3.5 km的地點設置通信節點A并架設水平波瓣寬度為120°的定向扇面天線，經簡單計算，理論上可提供與災害地點至通信節點A連線相垂的災害現場兩側水平各6 062 m的覆蓋范圍，在此范圍內通信的另一端無論使用扇面天線或集成化的CPE，都可以與通信節點A建立微波傳輸信道，最大通信距離為7 km；若在距災害事故現場5 km距離的高點設置通信節點及扇面天線，則覆蓋范圍可擴大到災害事故現場兩側水平各8 660 m的范圍，最大通信距離10 km。參照上面的測試數據，此次測試的微波設備可提供足夠的帶寬保障災害現場至消防指揮調度網或衛星網多路全高清視頻傳輸需求。

6" "實際通信保障中的應用可行性

本測試中1個微波基站+1副天線+1個可折疊天線桿質量不足5 kg，每個移動電源重9.2 kg，每個太陽能充電板質量為4 kg，重量較輕，便于運輸及人力攜行。

采取定向扇面覆蓋的方式通信兩端天線只需大概對準即可建立通信鏈路，因此可實現對現場的快速覆蓋，特別是在無法快速鋪設野戰光纖的情況下，微波定向區域覆蓋傳輸優勢十分突出，特別適用于較大范圍的災害現場覆蓋。整套微波設備操作簡單，對操作人員能力要求不高，經簡單培訓即可獨立完成操作。通信鏈路建立后基本無需操作，每端只需1人兼職值守，故可作為備選的通信保障手段。

7" "結束語

除兩端一對一通信外，現實應用中還應具體結合災害事故現場地理條件，采取接力通信、中繼繞障等方法來完善對現場的信號覆蓋。同時也可以通過增大發射功率來增加通信距離、提升信噪比及傳輸穩定度、克服雨霧對微波信號的干擾等。

參考文獻

[1] 欒秀珍．微波技術與微波器件[M]．北京：清華大學出版社，2021.

[2] 王文祥．微波工程技術[M]．北京：國防工業出版社，2009.