應(yīng)急通信技術(shù)現(xiàn)狀及趨勢(shì)

武警工程大學(xué)信息工程學(xué)院 周 洋

應(yīng)急通信是指應(yīng)對(duì)突發(fā)緊急情況或者特殊通信保障任務(wù)，綜合利用各種通信資源來(lái)滿足通信業(yè)務(wù)需求，是一種暫時(shí)性的特殊通信機(jī)制。介紹了應(yīng)急通信的定義、特點(diǎn)及其分類，分析了應(yīng)急通信的場(chǎng)景需求，并對(duì)應(yīng)急通信的技術(shù)進(jìn)行研究并對(duì)比了其優(yōu)缺點(diǎn)，單一應(yīng)急通信技術(shù)無(wú)法滿足多層次的通信需求，需要融合各類通信方式，加快新型技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，最后展望了應(yīng)急通信技術(shù)發(fā)展方向。

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，通信技術(shù)已經(jīng)融合到人們生活的點(diǎn)點(diǎn)滴滴，給人們生活帶來(lái)便利，并在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著舉足輕重的作用，比如鐵路調(diào)度、云端會(huì)議、網(wǎng)絡(luò)支付等。然而人們?cè)谙硎芡ㄐ偶夹g(shù)日益發(fā)展的福利同時(shí)，也面臨著各種潛在的風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)，比如各類自然災(zāi)害、突發(fā)公共安全事件等。在面對(duì)突發(fā)事件時(shí)，如何發(fā)展應(yīng)急通信技術(shù)已經(jīng)引起社會(huì)各方面的關(guān)注。

應(yīng)急通信技術(shù)不是一種新型通信技術(shù)，而是在應(yīng)對(duì)各種各樣的突發(fā)公共安全事件，靈活融合各種通信方式，以期達(dá)到穩(wěn)定可靠的通信。西方國(guó)家因?yàn)橥ㄐ偶夹g(shù)的起步較早，應(yīng)急管理支持技術(shù)研究相對(duì)成熟。比如美國(guó)使用WPS(Wireless Priority Service)業(yè)務(wù)使美國(guó)人們享受無(wú)線和有線兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)先權(quán)；日本建設(shè)了由固定通信鏈路、衛(wèi)星通信鏈路和移動(dòng)通信鏈路組成的覆蓋全國(guó)的“中央防災(zāi)無(wú)線網(wǎng)”，并建立多路環(huán)形傳輸線路機(jī)制；英國(guó)電信運(yùn)營(yíng)商采用了“呼叫終止”的方式來(lái)解決網(wǎng)絡(luò)擁塞。表1所示是應(yīng)急通信系統(tǒng)及通信方式。

1 應(yīng)急通信

1.1 應(yīng)急通信的定義

應(yīng)急通信重在突出“應(yīng)急”二字上，在面對(duì)突發(fā)情況時(shí)，原有通信系統(tǒng)無(wú)法滿足通信需求，為了保障通信暢通，滿足通信業(yè)務(wù)需求，采用靈活的、機(jī)動(dòng)的、可靠的、融合的通信方式，是一種暫時(shí)的特殊性通信機(jī)制。

應(yīng)急顧名思義是應(yīng)付迫切的需要，國(guó)際上根據(jù)不同的應(yīng)急情況，對(duì)于應(yīng)急通信進(jìn)行分類，一種是減災(zāi)通信TDR(Telecommunications for Disaster Relief)，是為了應(yīng)對(duì)突發(fā)公共事件，大型自然災(zāi)害等，為地區(qū)提供一套臨時(shí)穩(wěn)定靈活的通信方式。另一種是應(yīng)急通信服務(wù)ETS(Emergency Telecommunications Service)，指的是應(yīng)對(duì)重大活動(dòng)或任務(wù)時(shí)，利用現(xiàn)有的通信手段和技術(shù)達(dá)到目標(biāo)通信需求，比如大型會(huì)議保障、反恐任務(wù)通信干擾等。兩種的區(qū)別在于前者沒(méi)有預(yù)見(jiàn)性，或者發(fā)現(xiàn)來(lái)不及做好準(zhǔn)備，后者是具有預(yù)見(jiàn)性，可以為了特定的通信需求做足充分的準(zhǔn)備。

表1 應(yīng)急通信系統(tǒng)及通信方式

1.2 應(yīng)急通信的特點(diǎn)

其特點(diǎn)首先是隨機(jī)性和不確定性，因?yàn)橥话l(fā)事件發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)大多數(shù)是無(wú)法預(yù)測(cè)，或者是有征兆但來(lái)不及做事先的準(zhǔn)備，例如2004年印度洋海嘯。

第二是突發(fā)性，自然災(zāi)害比如地震、海嘯是突如其來(lái)的，幾乎沒(méi)有征兆，往往造成巨大的破壞力，對(duì)通信設(shè)備帶來(lái)巨大的損壞。

第三是時(shí)效性，面對(duì)突發(fā)自然災(zāi)害，第一時(shí)間恢復(fù)通信對(duì)救災(zāi)減災(zāi)具有重要意義，比如2008年汶川大地震。

第四是可靠性和安全性，擔(dān)負(fù)軍事作戰(zhàn)任務(wù)或者警衛(wèi)安保任務(wù)時(shí)，要求通信準(zhǔn)確、可靠、安全和保密。

圖1 應(yīng)急通信分類

1.3 應(yīng)急通信的分類

應(yīng)急通信按照傳輸媒質(zhì)可以分為有線通信和無(wú)線通信兩種通信方式。有線通信是利用電線或者光纜作為通訊介質(zhì)，通信方式包括公用電話、網(wǎng)絡(luò)通信等。無(wú)線通信是利用電磁波而不通過(guò)線纜進(jìn)行信號(hào)傳輸，常見(jiàn)的包括衛(wèi)星通信、短波通信、蜂窩通信、集群通信等。如圖1所示。

按照信息傳輸流程來(lái)區(qū)分，包括突發(fā)事件前信息監(jiān)測(cè)預(yù)警、突發(fā)事件發(fā)生時(shí)的緊急呼叫、定位、優(yōu)先權(quán)處理和突發(fā)事件發(fā)生后的減災(zāi)救災(zāi)、安撫重建等。

根據(jù)應(yīng)急通信系統(tǒng)構(gòu)建方法，可分為容災(zāi)性應(yīng)急通信系統(tǒng)和搭建性應(yīng)急通信系統(tǒng)。容災(zāi)性應(yīng)急通信系統(tǒng)則以提升通信系統(tǒng)的抗毀性、容災(zāi)性為目的，以便在發(fā)生突發(fā)情況時(shí)，能夠及時(shí)傳達(dá)災(zāi)區(qū)信息，比如超級(jí)基站、專網(wǎng)集群網(wǎng)絡(luò)等。另一種是能夠在發(fā)生突發(fā)事件后，能夠快速靈活地部署通信網(wǎng)絡(luò)，恢復(fù)區(qū)域通信鏈路，比如衛(wèi)星應(yīng)急通信車、高空移動(dòng)駐留通信等。

2 應(yīng)急通信技術(shù)

突發(fā)事件如自然災(zāi)害會(huì)在短期內(nèi)造成光纜中斷、電力系統(tǒng)癱瘓、通信設(shè)備受損，導(dǎo)致區(qū)域通信成為盲區(qū)；另外一方面，突發(fā)事件初期，會(huì)在社會(huì)范圍內(nèi)引起大范圍恐慌，會(huì)引起通信業(yè)務(wù)量猛增，導(dǎo)致不同程度的網(wǎng)絡(luò)堵塞；次生自然災(zāi)害會(huì)對(duì)通信設(shè)備造成二次損傷。因此加大對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景下應(yīng)急通信技術(shù)研究對(duì)于提升應(yīng)急通信保障效益具有重要意義。

2.1 應(yīng)急通信的應(yīng)用場(chǎng)景

結(jié)合自然災(zāi)害的應(yīng)急管理體系，按照應(yīng)急指揮救援流程，根據(jù)通信的需求類型，可以把應(yīng)急通信場(chǎng)景劃分為四個(gè)部分。一是國(guó)家指揮中心與現(xiàn)場(chǎng)指揮中心的廣域傳輸網(wǎng)，要求通信距離遠(yuǎn)穩(wěn)定且保密；二是現(xiàn)場(chǎng)指揮中心與應(yīng)急救援分隊(duì)之間的指揮調(diào)度專用網(wǎng)絡(luò)，要求通信穩(wěn)定實(shí)時(shí)且不受外界干擾；三是應(yīng)急救援分隊(duì)內(nèi)部之間實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)通信聯(lián)絡(luò)，要求通信區(qū)域網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定；四是災(zāi)區(qū)群眾通信對(duì)外通信需求，要求通信話務(wù)量大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。

2.2 應(yīng)急通信技術(shù)現(xiàn)狀

應(yīng)急通信，按照傳輸介質(zhì)來(lái)分，主要分為有線應(yīng)急通信和無(wú)線應(yīng)急通信。有線應(yīng)急通信是采用同軸電纜、雙絞線、光纖等有線介質(zhì)來(lái)傳遞信息，優(yōu)點(diǎn)是通達(dá)范圍廣，資費(fèi)低，不受環(huán)境干擾，缺點(diǎn)是依賴有線介質(zhì)，抗毀性差，一旦被摧毀，通信很難在短時(shí)間內(nèi)被恢復(fù)。常規(guī)的有線應(yīng)急通信技術(shù)包括公用電話網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等。公用電話網(wǎng)可以用作國(guó)家救援中心和災(zāi)害指揮中心的指揮通信網(wǎng)絡(luò)，目前具有緊急呼叫功能，應(yīng)急短信息功能，對(duì)于通過(guò)公網(wǎng)實(shí)現(xiàn)指揮調(diào)度應(yīng)具備優(yōu)先呼叫、優(yōu)先接入以及擁塞控制等功能。互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急通信包括即時(shí)通信和電子郵件通信，即時(shí)通信比如微信、QQ等軟件可以發(fā)送文字、語(yǔ)音、圖片、短視頻，也可以通過(guò)位置共享、搜索附近的人進(jìn)行定位，電子郵件通信最大的特點(diǎn)是存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式服務(wù)，在網(wǎng)絡(luò)繁忙的條件下可以保留信息。

無(wú)線應(yīng)急通信不需要依賴傳輸介質(zhì)傳輸，是利用電磁波傳送信號(hào)。它的優(yōu)點(diǎn)是可移動(dòng)性、覆蓋性廣、部署靈活，抗災(zāi)性強(qiáng)。常用的無(wú)線應(yīng)急通信手段包括衛(wèi)星通信、無(wú)線應(yīng)急電臺(tái)、集群通信、蜂窩移動(dòng)通信等。

衛(wèi)星應(yīng)急通信是利用人造地球衛(wèi)星進(jìn)行微波中轉(zhuǎn)通信，目前通信采用Ka、Ku、C、VHF等頻段。它的優(yōu)點(diǎn)是通信覆蓋范圍廣，且不受地面條件限制，具有獨(dú)立通信能力且抗毀能力極強(qiáng)。缺點(diǎn)是頻段資源緊張、終端設(shè)備昂貴。常用的通信系統(tǒng)包括VAST(Very Small Aperture Terminal)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，利用甚小口徑天線的微型地球站，通過(guò)組網(wǎng)構(gòu)成一個(gè)衛(wèi)星通信網(wǎng)；Inmarsat(International MARritime SATellite Organization)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，中文名稱為“國(guó)際海事衛(wèi)星組織”，該系統(tǒng)由衛(wèi)星、固定站、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)站和移動(dòng)站構(gòu)成，它的特點(diǎn)是全球覆蓋，保密性強(qiáng)，便攜可移動(dòng)；另外還有高通量通信衛(wèi)星，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及衛(wèi)星電話，如我國(guó)在2016年8月成功發(fā)射了首顆天通一號(hào)衛(wèi)星，2018年天通一號(hào)衛(wèi)星終端面向公眾市場(chǎng)開(kāi)放使用，采取“TD-LTE+衛(wèi)星”雙模通信，使用方便。

無(wú)線應(yīng)急電臺(tái)是依賴電磁波傳播信息，根據(jù)頻段分類，可分為長(zhǎng)波電臺(tái)（30-300KHz）、中波電臺(tái)（300-3000KHz）、短波電臺(tái)（3-30MHz）、超短波電臺(tái)（30-300MHz）以及微波電臺(tái)（300MHz-300GHz）。短波應(yīng)急電臺(tái)通過(guò)電離層和地波傳播，不依賴地面通信網(wǎng)絡(luò)而獨(dú)立工作，通信自主性比衛(wèi)星通信更強(qiáng)，而且通信沒(méi)有費(fèi)用，被譽(yù)為戰(zhàn)爭(zhēng)狀態(tài)下唯一可靠的通信，目前短波電臺(tái)主主要包括美國(guó)CHESS(Correlated Hopping Enhanced Spread Spectrum)短波跳頻通信系統(tǒng)，美國(guó)海軍的HF-ITF網(wǎng)絡(luò)和HF艦/岸(HFSS)網(wǎng)絡(luò)，國(guó)產(chǎn)烽火系列XD-D9B1型20W短波單邊電臺(tái)。中國(guó)FH2337系列新型微波自適應(yīng)跳頻網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)采用自適應(yīng)跳頻技術(shù)，能夠?qū)χ車姶怒h(huán)境進(jìn)行探測(cè)，隨機(jī)選定干擾較小的頻率進(jìn)行傳輸，優(yōu)點(diǎn)是能夠適應(yīng)用長(zhǎng)距離傳輸，具有寬帶高效等特點(diǎn)。

表2 應(yīng)急通信優(yōu)缺點(diǎn)及場(chǎng)景適用

集群移動(dòng)通信是一種高級(jí)移動(dòng)調(diào)度系統(tǒng)，是集指揮、調(diào)度、管理一體化的無(wú)線通信系統(tǒng)，具備安全、高效、智能化的通訊效果。主要特點(diǎn)是資源共享，系統(tǒng)所具有的全部可用信道都為系統(tǒng)內(nèi)全體用戶共享，提供一對(duì)一、一對(duì)多的通話方式，操作簡(jiǎn)單、且不受網(wǎng)絡(luò)限制，常用的設(shè)備終端包括手持式對(duì)講機(jī)和車載式對(duì)講機(jī)和轉(zhuǎn)發(fā)式無(wú)線對(duì)講機(jī)。手持式對(duì)講機(jī)包括Motorolar GP2000S手持式對(duì)講機(jī)、建伍TK3107手持式對(duì)講機(jī)，其特點(diǎn)是體積小、重量輕，便于攜帶，也可以在運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行通信，由于功率小，在視距無(wú)阻攔的環(huán)境下可以達(dá)到5km。車載式對(duì)講機(jī)包括摩托羅拉GM398車載式對(duì)講機(jī)，其特點(diǎn)是結(jié)實(shí)耐用、安全可靠，能支持160個(gè)信道，由于功率大，通信距離可達(dá)到20Km以上。

蜂窩移動(dòng)通信是采用基站設(shè)備來(lái)提供無(wú)線服務(wù)，根據(jù)基站輻射范圍，可以分為大區(qū)制和小區(qū)制，優(yōu)點(diǎn)是容量大，缺點(diǎn)是依賴于基站和地面饋電設(shè)備，易受自然災(zāi)害的破壞，很難快速恢復(fù)。高空移動(dòng)駐留應(yīng)急平臺(tái)是將基站搬運(yùn)到無(wú)人機(jī)、氣球、飛艇，將信號(hào)從空中向下覆蓋，它的優(yōu)點(diǎn)是靈活性高、可以快速部署，且不受地面環(huán)境以及次生災(zāi)害的影響，可進(jìn)行大范圍覆蓋。2020年9月，翼龍-2無(wú)人機(jī)成功完成全球首次應(yīng)急救援通信保障實(shí)戰(zhàn)演練，為公網(wǎng)覆蓋不到四川木里林區(qū)提供通信保障。

2.3 應(yīng)急通信技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，結(jié)合應(yīng)急通信各類通信方法的優(yōu)缺點(diǎn)，采取不同的通信保障方式，能夠達(dá)到事半功倍的效果。具體應(yīng)用場(chǎng)景如表2所示。

3 未來(lái)發(fā)展方向

3.1 通信設(shè)備更加便攜化

傳統(tǒng)的應(yīng)急通信車因尺寸較大，受地面環(huán)境、建筑影響往往在突發(fā)事件后，不能靈活快遞地進(jìn)行通信保障，加快通信設(shè)備便攜化，提高設(shè)備機(jī)動(dòng)性能，對(duì)于減小應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間，提升處置效益具有重要意義。2011年9月“便攜式移動(dòng)通信保障設(shè)備”在第九屆少數(shù)民族運(yùn)動(dòng)會(huì)上大顯身手。2020年9月翼龍-2無(wú)人機(jī)攜帶無(wú)線基站完成移動(dòng)通信組網(wǎng)，小型化、便攜式、高性能基站更有利于空基LTE通信保障。

3.2 通信技術(shù)更加智能化

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息科技的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)已經(jīng)深入到人類日常應(yīng)用，人們可以利用RFID、傳感器、監(jiān)控等設(shè)備對(duì)自然災(zāi)害隱患區(qū)域進(jìn)行感知、測(cè)量、捕獲，做到提前部署，快速?zèng)Q策，減少災(zāi)害帶來(lái)的損失。比如2018年5月，美國(guó)馬里蘭州發(fā)生了洪水災(zāi)害，美國(guó)國(guó)土安全部門通過(guò)自動(dòng)傳感器對(duì)洪水進(jìn)行了預(yù)警，減少損失。2018年11月，美國(guó)加州發(fā)生森林火災(zāi)，美國(guó)舊金山的Silvia Terra公司利用人工智能技術(shù)結(jié)合樹木的密度種類等對(duì)森林測(cè)繪，找出火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)最高的區(qū)域，從而做好預(yù)案。

3.3 通信體系更加一體化

當(dāng)前，我國(guó)的應(yīng)急通信手段依賴于通信基礎(chǔ)設(shè)施，網(wǎng)絡(luò)的生存性和容災(zāi)性低。應(yīng)急通信應(yīng)用場(chǎng)景多樣，通信需求形式多樣，任何單一通信技術(shù)無(wú)法滿足要求，所以必須充分融合各種通信技術(shù)手段，構(gòu)建集監(jiān)測(cè)、報(bào)警、決策等功能的一體化應(yīng)急通信平臺(tái)，以滿足在應(yīng)急情況下提供快速可靠的通信保障。

結(jié)語(yǔ)：目前，應(yīng)急通信技術(shù)研究已經(jīng)較為成熟，但單一通信技術(shù)或多或少存在不足，無(wú)法勝任應(yīng)急需求，因此加大對(duì)應(yīng)急場(chǎng)景的通信需求研究，合理配置通信資源，對(duì)于提升應(yīng)急通信保障效益，維護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全和社會(huì)穩(wěn)定具有重要意義。隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)地快速發(fā)展，應(yīng)急通信技術(shù)一定會(huì)有新的突破。