面向應急救援的抗惡劣環境自組網通信裝備研究與應用

關鍵詞：應急救援；惡劣環境；自組網；通信裝備

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A

0 引言

隨著社會的發展與進步，應急救援保障在消防體系，乃至整個國際社會都是一個重要話題[1]。應急救援通信裝備的應用是整個應急救援過程中的核心環節，但其面臨諸多難題。首先，在自然災害救援時，救援人員經常處于高溫、高寒、高濕、沙塵、煙霧等惡劣環境，救援過程中會遇到裝備體積大、易跌落等情況；其次，高帶寬、低時延、長距離的高性能通信需求和小型化、低功耗的裝備要求難以同時兼顧；最后，單一的通信裝備不能滿足應急救援場景規模多樣化需求。針對以上難題，本文提出了一種適用于差異化惡劣環境和不同救援規模的靈活、可配置自組網通信裝備，介紹了其抗惡劣環境的關鍵技術和各種應用場景。

1 自組網通信裝備的需求和應用

1.1 自組網通信概述

傳統通信方式[2] 是基站加終端的模式，其網絡結構簡單，每個入網的設備進行數據交換需經過中心站處理。而自組網通信[3] 則不同，其采用基于“無線網格網”理念設計的移動寬帶多媒體通信系統，該系統所有節點在非視距、快速移動條件下，利用無中心自組織分布式的網絡構架，實現多路語音、數據、圖像、視頻等多媒體信息的實時交互。自組網通信具有大帶寬、低延時、遠距離、組網靈活等特點。

1.2 自組網通信形態與應用場景

常見的應急搜救過程可分為行進、搜索、搶險救援等不同階段，每一階段的參與人員、網絡拓撲特性、通信關系和內容等均存在差異，任務過程中搜救人員需要與后方指揮中心保持通信暢通。因此，自組網通信根據需求分為遠程接入、行進搜索組網、小規模搶險救援自組網、大規模搶險救援自組網4 種模式。

1.2.1 遠程接入

偏僻山地林區的一線搜救隊伍在行進、搜索、救援過程中需要與后方指揮中心、現場指揮車等進行情況通報，接受任務指揮和調度等，必要時還需要與其他搜救力量協同執行任務。通常，一個搜救團隊只需要一個遠程接入點，由一線指揮調度人員負責對外通信。因此，一線指揮調度人員需要一款基于衛星通信[4] 的超視距通信終端。遠程接入如圖1 所示。

1.2.2 行進、搜索組網

在小型應急搜救過程中，一線搜救團隊人數較少（≤ 20 人），作業區域半徑不超過2 km。在搜索過程中，整個團隊將會處于不斷移動的狀態，這對裝備的便攜性、持續工作時間要求較高。其還面臨地勢復雜等因素，這導致人員移動范圍受限，因此需要無人機的支持。

1.2.2.1 行進、搜索階段移動自組網

當搜救團隊在行進或搜索時可采用自組網模式，根據各成員位置分布情況，該模式可以在鏈式組網、星狀組網、網狀組網之間自動切換，搜救團隊成員通過自組網手持通信終端進行通信。

1.2.2.2 地勢險峻環境搜索移動自組網

當搜救團隊成員在地勢險峻環境中搜索時，通過采用小型化便攜式無人機攜帶小型基站升空的方式，形成蜂窩基站模式，為各成員提供穩定、實時、高速的搜索服務。在搜救時，搜救團隊需要蜂窩手持終端和便于掛載的小型化蜂窩基站，如圖2所示。該模式受限于無人機續航時間，主要用于臨時性短暫組網。

1.2.3 小規模搶險救援自組網

當搜救團隊成員位置分布較為集中時，對通信的穩定性和實時性要求較高，通過采用蜂窩基站模式，搜救團隊依靠蜂窩手持終端和續航能力強的小型化蜂窩基站，形成小規模搶險救援自組網模式，如圖3 所示。

1.2.4 大規模搶險救援自組網

當開展重大應急救援時，參加施救人員眾多，團隊組織復雜，既要保證團隊內的成員通信，又要維持團隊間的成員通信，因此需要構建大規模通信網絡。搜救團隊需要蜂窩手持終端及組網容量大、續航時間長的蜂窩基站，并且支持基站間級聯組網，大規模搶險救援自組網如圖4所示。

2 通信裝備關鍵技術研究

2.1 通信裝備高溫、高寒環境適應性關鍵技術

針對應急通信裝備在救援過程中常面臨高溫、高寒、高濕、鹽霧、沙塵等惡劣環境的問題，重點考慮小型化應急通信終端如何實現在高溫（55℃）及高寒（-40℃）環境下的正常使用，并采用以下兩種關鍵技術進行攻關。

2.1.1 抗高溫設計

結合自組網通信裝備在抗高溫方面已有的成熟技術（材料元器件選型與篩選、加工裝聯工藝），重點針對中、大功率器件及模塊抗高溫性能問題，運用計算機仿真技術分析應急通信裝備各單元的結構、布局，以及中、大功率器件和其他各組成單元的溫度變化。對設備內部的熱流密度以及溫度場的分布情況進行設計，得到應急通信裝備內部模塊流場和溫度云圖，建立應急通信裝備抗高溫熱仿真模型，實現應急通信裝備內部中、大功率器件及模塊最優散熱設計，以適應55℃ 的高溫工作環境。

2.1.2 抗高寒設計

以自組網通信裝備在抗低溫方面已有的成熟技術為基礎，開展應急通信裝備抗低溫設計，包括抗低溫元器件選型與篩選、結構密閉設計，并且通過石墨烯[5] 導熱回流設計和屏幕加溫、加固等方式保障關鍵模塊能夠在低溫下正常工作。同時，本文針對電池抗低溫的性能問題，研究基于輕量型深度學習框架的應用場景、電量和溫度三維智能適配算法，結合應急通信裝備內部溫控傳感器和加溫電路，實現電源的動態、智能管理，以適應-40℃ 的低溫工作環境。

2.2 通信裝備小型化低功耗關鍵技術

2.2.1 微系統封裝技術

基于芯片化方面已有的成熟技術，針對多通信模式、電磁屏蔽、小型化難兼顧的問題和應急通信終端的易攜帶、長續航需求，本文基于微系統的天線、基帶芯片、射頻芯片三維立體封裝技術，以及射頻芯片與基帶處理芯片之間的電磁兼容特性、封裝設計及工藝等，構建場路聯合仿真模型、三維電磁仿真模型、電源完整性設計和趨于理想的邊界環境。通過銅核球柵格陣列、硅通孔和硅基共面波導傳輸線，實現多模通信射頻信號互聯和屏蔽。此外，本文研究可重構的全向天線與數字終端相互集成的設計方法，并在此基礎上設計和開發多模應急通信模組。

2.2.2 基于自適應功率的低功耗技術研究

為了降低通信設備整機功耗，在不同環境下選擇不同發射功率來滿足通信需求，合理分配設備的功耗，從而實現設備的長續航。在電波傳播中，由于大型遮擋物的阻擋，形成“陰影”效應，進而產生慢衰落，導致通信設備功率損耗較大；由于附近的散射體或自然障礙物引起的多徑傳播信號在接收點相互疊加，造成接收信號快速起伏，即快衰落，導致系統能夠接入的通信終端數量下降以及實際通信服務范圍縮小等。通過自適應處理技術，對上行功率和下行功率進行有效控制，能夠解決上述問題。

2.3 通信裝備多模式通信及頻率自適應關鍵技術

在應急救援過程中，由于障礙物頻繁遮擋，信道條件較為惡劣，導致鏈路頻繁中斷、鏈路傳輸質量差等救援場景下典型通信特征的出現，這給自適應路由設計帶來了挑戰，主要表現為兩個方面：一是在路由度量設計時需要考慮鏈路頻繁中斷、鏈路傳輸質量差等因素的影響；二是由于信道質量較差，在主被動融合自適應路由設計時應該降低路由開銷，這可以通過主被動路由聯合設計來實現。

針對以上挑戰，開展了小型化應急通信裝備多模組網、抗干擾通信設計，如圖5 所示。其中，針對現有小型化通信裝備通信模式單一的問題，本文研究了基于軟件無線電和國產芯片的多模通信技術，設計了基于信號增強技術[6] 的強穿透、強越障的自組網通信波形組件，支持根據信道模型自主配置通信頻率、帶寬、子載波間隔等參數，提供了開放式的波形擴展接口，以實現多模通信。針對山地茂密林區復雜電磁環境造成的通信不穩定問題，本文提出了低能耗分布式頻譜感知和自適應切換技術，研究了頻率可重構天線與射頻饋電網絡之間的匹配特性及數學模型，實現在不中斷通信業務的條件下，設備在不同頻段之間的自適應切換。

3 結語

本文首先介紹了自組網通信裝備在應急救援中的必要性和重要性；其次，提出了一種包括語音、視頻、數據等一體化的融合通信平臺，以及自主可控的自組網應急通信裝備，以滿足不同的需求，實現對一線作戰現場的音視頻扁平化指揮；再次，面對應急救援需求，結合實際場景，提出了遠程接入、行進搜索組網、小規模搶險救援自組網、大規模搶險救援自組網4 種組網模式；最后，介紹了高溫高寒等惡劣環境適應性設計、小型化低功耗設計、多模式通信及頻率自適應設計等關鍵技術。實際應用情況表明，本文研究的通信裝備可以滿足各種惡劣環境下應急救援自組網通信需求。