一種采用氣球基站擴(kuò)展應(yīng)急通信解決方案探討

1 背景

信息時(shí)代，通信已經(jīng)成為人們工作、生活中不可或缺的重要組成部分。尤其在重大自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，更加顯示出通信的關(guān)鍵作用，作為和電力、水力一樣的重要基礎(chǔ)設(shè)施，通信是報(bào)告災(zāi)情、組織實(shí)施救援必不可少的技術(shù)手段?？梢哉f(shuō)，保障災(zāi)難發(fā)生后的通信暢通，就是保住了災(zāi)區(qū)救援、盡量降低災(zāi)害損失的生命線。出現(xiàn)突發(fā)性緊急情況時(shí)，綜合利用各種通信資源，保障救援、緊急救助和必要通信所需的通信手段和方法，被稱作“應(yīng)急通信”。

應(yīng)急通信并不是獨(dú)立存在的新技術(shù)，而是很多技術(shù)在應(yīng)急方面的特殊應(yīng)用。面對(duì)不同的緊急情況，需要的應(yīng)急通信技術(shù)手段、設(shè)備也不盡相同。傳統(tǒng)應(yīng)急設(shè)備受限于交通情況，對(duì)于海島、山區(qū)或由于地震災(zāi)害導(dǎo)致交通不便的場(chǎng)景，傳統(tǒng)應(yīng)急通信設(shè)備通常無(wú)法進(jìn)入，而新型氣球基站由于布放場(chǎng)景在空中，且覆蓋距離較廣，可以較好地解決此類問(wèn)題。

2 應(yīng)急通信規(guī)劃場(chǎng)景及傳統(tǒng)應(yīng)急設(shè)備

2.1 應(yīng)急通信規(guī)劃場(chǎng)景

通過(guò)持續(xù)的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，可全面提升應(yīng)急通信保障能力，滿足突發(fā)情況下通信保障應(yīng)急和通信恢復(fù)工作的需要，確保移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的安全暢通。同時(shí)不斷提高應(yīng)急裝備綜合利用率，充分發(fā)揮投資效益。應(yīng)急通信主要規(guī)劃場(chǎng)景有：

（1）戰(zhàn)爭(zhēng)；

（2）極端突發(fā)事件且造成重特大通信故障，如汶川地震；

（3）局部突發(fā)事件且造成通信局部破壞，如一般地震和洪澇災(zāi)害，社會(huì)安全事件，煤礦事故災(zāi)難等；

（4）突發(fā)事件未造成通信故障，如衛(wèi)星事件、交通事故、核污染等；

（5）有計(jì)劃的承擔(dān)通信保障任務(wù)，如保障各類大型活動(dòng)等。

2.2 應(yīng)急通信設(shè)備

對(duì)于不同的應(yīng)急事件，應(yīng)急通信設(shè)備亦不相同，目前應(yīng)急通信設(shè)備主要有：

（1）超級(jí)基站/VoIP衛(wèi)星站：超級(jí)基站指在災(zāi)害多發(fā)區(qū)每區(qū)縣用于覆蓋區(qū)縣級(jí)別的政府、機(jī)關(guān)單位的基站。VoIP衛(wèi)星站在自有通信機(jī)樓設(shè)置，用于緊急情況下的公司內(nèi)部指揮調(diào)度通信；

（2）增強(qiáng)型抗災(zāi)基站：在每個(gè)行政鄉(xiāng)鎮(zhèn)選取一個(gè)覆蓋政府的基站，充分利用現(xiàn)有資源進(jìn)行改造，通過(guò)增強(qiáng)其傳輸、動(dòng)力容災(zāi)能力，實(shí)現(xiàn)重大災(zāi)害（主要是臺(tái)風(fēng)、洪水、內(nèi)澇）時(shí)鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)通信不中斷的保障目標(biāo)；

（3）應(yīng)急通信車：應(yīng)急通信車是車載式應(yīng)急基站，分為整車型、掛車型及流動(dòng)基站。對(duì)于掛車型及流動(dòng)基站，需額外配置拖車頭或租用拖車頭；生活保障基站應(yīng)急車，具備為應(yīng)急隊(duì)伍提供休息條件和衛(wèi)生、飲食、生活、通信等方面保障的應(yīng)急車。

（4）應(yīng)急發(fā)電車：應(yīng)急發(fā)電車是車載式應(yīng)急發(fā)電設(shè)備，按發(fā)電功率分為大小兩種。大型應(yīng)急發(fā)電車發(fā)電功率200 KW以上，主要用于機(jī)樓電源保障；小型應(yīng)急發(fā)電車10～200 KW，主要用于匯聚節(jié)點(diǎn)電源保障。與應(yīng)急通信車類似，應(yīng)急發(fā)電車也分為整車型及掛車型。

（5）拖頭車：拖頭車是為掛車式應(yīng)急通信車、掛車式應(yīng)急發(fā)電車提供動(dòng)力的牽引車；

（6）固定油機(jī)：固定油機(jī)發(fā)電功率一般為15 KW、30 KW等，主要用于災(zāi)害時(shí)期人員難以到達(dá)的基站的應(yīng)急發(fā)電場(chǎng)景；

（7）移動(dòng)油機(jī)：移動(dòng)油機(jī)發(fā)電功率一般為3～13 KW，主要用于基站的常規(guī)停電或?yàn)?zāi)害時(shí)期斷電的應(yīng)急場(chǎng)景，分為交流油機(jī)和直流油機(jī)；

（8）衛(wèi)星便攜站：衛(wèi)星便攜站是一種提供衛(wèi)星鏈路傳輸?shù)脑O(shè)備，可在較惡劣條件下通過(guò)各種交通工具攜帶設(shè)備前往現(xiàn)場(chǎng)，迅速建立衛(wèi)星傳輸鏈路；

（9）微波傳輸設(shè)備：微波傳輸設(shè)備是一種以微波為媒介的無(wú)線傳輸設(shè)備，作為有線傳輸鏈路中斷時(shí)應(yīng)急補(bǔ)充手段；

（10）其它應(yīng)急物資：橡皮艇、沖鋒舟是用于抗洪搶險(xiǎn)人員及物資運(yùn)輸?shù)乃辖煌üぞ?。沖鋒舟自帶動(dòng)力系統(tǒng)，橡皮艇需額外配置馬達(dá)。

3 氣球基站簡(jiǎn)介

氣球基站是將天線固定安裝在用繩索等拴住不會(huì)飛走的“空中氣球”上面，從高空發(fā)射信號(hào)覆蓋目標(biāo)區(qū)域。氣球向地面的無(wú)線車載式中繼器發(fā)射信號(hào)，再通過(guò)中繼車連接到光纖和互聯(lián)網(wǎng)上，實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)無(wú)線中繼系統(tǒng)，可連接1.3公里外的陸地基站。發(fā)生災(zāi)害時(shí)即使普通基站無(wú)法正常使用，也能在很大范圍內(nèi)保證智能手機(jī)等終端的通信。用戶手機(jī)的信號(hào)通過(guò)“空中氣球”回傳到附近陸地基站，從而實(shí)現(xiàn)通信服務(wù)的目的。

圖1 軟銀氣球基站示例

當(dāng)前研究氣球基站作為信號(hào)覆蓋解決方案的主要是軟銀公司。該公司氣球采用氦氣來(lái)充氣，配備了高容量蓄電池和太陽(yáng)能面板。軟銀在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為了克服強(qiáng)風(fēng)導(dǎo)致氣球晃動(dòng)而影響無(wú)線信號(hào)傳播，將氣球設(shè)計(jì)為更扁平的橢圓形，并特別加裝了防風(fēng)系統(tǒng)，軟銀測(cè)試氣球如圖1所示。為進(jìn)一增強(qiáng)可靠性，軟銀將氣球與陸地基站間的無(wú)線傳輸頻率從3.3 GHz調(diào)整到1.5 GHz，調(diào)整后采用的低頻段一方面保證了傳輸更高的連接可靠性，另一方面能擴(kuò)展基站信號(hào)覆蓋范圍。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，調(diào)整后的設(shè)備能保證在暴雨下依然正常運(yùn)行，同時(shí)覆蓋范圍從5 km擴(kuò)展到10 km。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，周圍的樹(shù)木及建筑基本對(duì)覆蓋無(wú)影響，能看到氣球的地點(diǎn)都可以接入，可同時(shí)支持400用戶/連接，支持WCDMA和LTE，最高速率150 M。

4 氣球基站建設(shè)方案

4.1 場(chǎng)景選擇

使用氣球回傳方案搭建應(yīng)急通信站點(diǎn)，可打破傳統(tǒng)應(yīng)急站對(duì)周邊環(huán)境的要求，特別適用于傳統(tǒng)基站維護(hù)困難、大型活動(dòng)容量保障、緊急通信恢復(fù)等區(qū)域，能使應(yīng)急基站開(kāi)通更迅捷，適用范圍更廣。為進(jìn)一步驗(yàn)證氣球基站性能，評(píng)估應(yīng)急通信保障效果，擬選址A地市某海島場(chǎng)景作為氣球基站部署位置，用于驗(yàn)證設(shè)備的長(zhǎng)距離傳送能力和地面覆蓋的有效范圍。

場(chǎng)景介紹：該海島目前已建設(shè)一個(gè)基站，基站位于島內(nèi)山上，山坡樹(shù)木茂盛，上站困難，且上島交通不便，需要乘船，站點(diǎn)故障搶修難度較大，如果該站點(diǎn)故障將嚴(yán)重影響島內(nèi)居民和游客與外界通訊。

模擬場(chǎng)景：停電、微波故障等原因?qū)е略摵u現(xiàn)網(wǎng)基站退服，島上通信中斷，通過(guò)使用氣球回傳方案臨時(shí)搭建應(yīng)急站點(diǎn)，解決突發(fā)情況并恢復(fù)通信。

資源需求：根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)站點(diǎn)數(shù)據(jù)分析，該海島需增加1～2個(gè)微小站作為應(yīng)急通信保障站點(diǎn)，即可滿足最低業(yè)務(wù)需求。

4.2 氣球基站建設(shè)架構(gòu)

氣球采用氦氣來(lái)充氣，由于重量限制，在氣球上放置微小站（內(nèi)置定向天線）+Relay方式作為無(wú)線回傳方案，回傳到遠(yuǎn)端宿主基站從而連通信號(hào)，建議氣球升起高度控制在30～50 m左右。采用高容量蓄電池或太陽(yáng)能面板作為氣球基站供電方式，并放置于應(yīng)急車上，使用時(shí)需與氣球保持在一定距離內(nèi)以備供電。氣球基站系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

無(wú)線側(cè)：采用Relay+微小站方式，微小站已內(nèi)置天線并具備基帶處理功能，信號(hào)通過(guò)中繼回傳到遠(yuǎn)端宿主基站，設(shè)備放置于氣球內(nèi)，重量小于10 kg。

供電：采用高容量蓄電池或太陽(yáng)能面板放置于近端應(yīng)急車，作為氣球基站供電方式。

圖2 氣球基站系統(tǒng)架構(gòu)圖

傳輸：采用透明Relay回傳方案。由一個(gè)室外Relay與微小站組成中繼節(jié)點(diǎn)，提供到核心網(wǎng)的無(wú)線回傳。Relay用于傳輸微小站和宏站間的數(shù)據(jù)流。從宏站看Relay是普通的UE。PGW(Relay)節(jié)點(diǎn)處理來(lái)自無(wú)線側(cè)的數(shù)據(jù)，并把所有來(lái)自微小站的數(shù)據(jù)流做為PGW(Relay)隧道中的Relay承載，PGW(Relay)再把這些數(shù)據(jù)傳送到核心網(wǎng)，具體透明Relay回傳方案如圖3所示。

圖3 透明Relay回傳方案

5 總結(jié)與展望

本文對(duì)當(dāng)前應(yīng)急通信規(guī)劃場(chǎng)景及傳統(tǒng)應(yīng)急設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)介紹，引出了采用新型化氣球基站解決應(yīng)急通信場(chǎng)景的需求。通過(guò)對(duì)氣球基站應(yīng)用場(chǎng)景選擇及建設(shè)架構(gòu)描述，采用微小站建設(shè)并用無(wú)線回傳方式部署氣球基站，對(duì)氣球基站無(wú)線側(cè)、供電及傳輸側(cè)的建設(shè)方案進(jìn)行分析，形成了采用氣球基站作為應(yīng)急通信情形下的解決方案。