面向火災(zāi)救援的空地一體化應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)探討

張翎文,曾海燕

1 引言

提高國(guó)家火災(zāi)救援能力，確保人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和社會(huì)穩(wěn)定，是我國(guó)推進(jìn)應(yīng)急管理體系和能力現(xiàn)代化的重要任務(wù)。

我國(guó)幅員遼闊，人口聚集度高，火災(zāi)事件易發(fā)多發(fā)。面向火災(zāi)救援的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)是中國(guó)現(xiàn)代應(yīng)急管理體系建設(shè)的重點(diǎn)內(nèi)容，是在發(fā)生火災(zāi)等突發(fā)性緊急情況，在原有公眾通信設(shè)施出現(xiàn)癱瘓或擁塞的情況下，為應(yīng)對(duì)緊急情況而建立的一種特殊的通信網(wǎng)絡(luò)，以保障救援、救急、救助的通信暢通。從火災(zāi)預(yù)防準(zhǔn)備、監(jiān)測(cè)預(yù)警、處置救援到災(zāi)后重建，保持通信暢通是火災(zāi)應(yīng)急過程中各個(gè)環(huán)節(jié)的重中之重，也是實(shí)現(xiàn)火災(zāi)應(yīng)急管理快速、高效、安全的前提[1]。因此，研究面向火災(zāi)救援的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)具有極其重要的意義。

目前，應(yīng)急通信指揮車是火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)主要的通信保障手段，已在全國(guó)各地火災(zāi)救援中得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)火災(zāi)導(dǎo)致通信中斷或擁塞時(shí)，距離火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)最近的應(yīng)急通信指揮車提供應(yīng)急救援通信保障。然而，許多火災(zāi)都發(fā)生在人員密集場(chǎng)所、高層建筑、地下建筑，大空間大跨度廠房，石油、化工場(chǎng)所及道路擁堵的城市，以及大跨度大區(qū)域的森林、水域甚至空域，道路和通信設(shè)施較為匱乏，不利于應(yīng)急通信指揮車的展開。此外，火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)噪聲干擾源多、通信設(shè)備架設(shè)不便；火場(chǎng)的高溫高壓，地下、水下和室內(nèi)的復(fù)雜環(huán)境都給火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急通信保障帶來了極大的挑戰(zhàn)。這就要求火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急通信必須滿足高可靠性要求。因此，針對(duì)復(fù)雜的火災(zāi)救援通信要求，迫切需要設(shè)計(jì)一種面向火災(zāi)救援的空地一體化應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，以滿足未來復(fù)雜火災(zāi)場(chǎng)景下的應(yīng)急通信需求。

本文首先介紹了目前在火災(zāi)救援領(lǐng)域中常用的無線通信技術(shù)；接下來提出了一種面向火災(zāi)救援的空地一體化應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)其主要功能和性能進(jìn)行了介紹；最后是對(duì)本文的總結(jié)。

2 無線通信技術(shù)分析

目前在消防領(lǐng)域，除現(xiàn)有的電信運(yùn)營(yíng)商4G網(wǎng)絡(luò)以外，其他常用的無線通信技術(shù)主要為以下兩類，第一類是低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)，包含工作在非授權(quán)頻段的Long Range(LoRa)技術(shù)[2]，以及工作于授權(quán)頻段下基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)技術(shù)[3]；第二類是短距離通信技術(shù)，包含ZigBee[4]、Bluetooth[5]和WiFi[6]等技術(shù)。

2.1 LoRa技術(shù)

LoRa是由美國(guó)Semtech公司推出的一種工作于非授權(quán)頻段下超遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)，具有帶寬低、傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低、連接量多等特點(diǎn)。目前，LoRa主要在全球免費(fèi)頻段運(yùn)行，包括433/868/915MHz等。LoRa應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)中可組成局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)。LoRa網(wǎng)絡(luò)主要由終端(可內(nèi)置LoRa模塊)、網(wǎng)關(guān)(或稱基站)、服務(wù)器和云等四部分組成。

該技術(shù)已經(jīng)在全球被廣泛應(yīng)用于火情參數(shù)(如煙霧、溫濕度等)的感知、消防設(shè)備監(jiān)測(cè)管理、各種電子標(biāo)識(shí)和報(bào)警裝置、自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)報(bào)警及其他與安全相關(guān)的場(chǎng)所，并通過持續(xù)可靠的物聯(lián)網(wǎng)與云連接和終端應(yīng)用，將安全警報(bào)信息傳送到專業(yè)服務(wù)器和消防部門及人員。

然而，由于LoRa使用免費(fèi)的頻段，導(dǎo)致該技術(shù)易受攻擊，并且LoRa終端無SIM卡，是弱終端，認(rèn)證機(jī)制簡(jiǎn)單且未受權(quán)威認(rèn)可，密鑰管理弱，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 NB-IoT技術(shù)

NB-IoT是3GPP組織在LTERelease13版本中推出的一種工作于蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻段下超遠(yuǎn)距離窄帶射頻技術(shù)。NB-IoT只消耗大約180kHz的蜂窩網(wǎng)絡(luò)授權(quán)帶寬，具有功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速率低、覆蓋率高等特點(diǎn)，是一種低功耗長(zhǎng)距離的無線通信技術(shù)，能夠提供改進(jìn)的室內(nèi)覆蓋、支持海量連接。

NB-IoT技術(shù)在消防監(jiān)控領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)較高的復(fù)雜場(chǎng)所，可以通過不同的傳感器設(shè)備采集有嚴(yán)重火災(zāi)隱患的煙霧、電氣特性、壓力和水位等信息，結(jié)合所處環(huán)境的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)特征，定時(shí)或者實(shí)時(shí)將這些信息通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，并最終推送至監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。NB-IoT還能夠應(yīng)用于消防栓監(jiān)控，即使消防栓位于室內(nèi)或者地下室，該技術(shù)也能夠保證正常的通信，NB-IoT模塊擁有超低功耗，模塊可以達(dá)到10年的待機(jī)時(shí)間。

其缺點(diǎn)是，由于低功耗，只能傳輸少量的數(shù)據(jù)。另外，除了NB-IoT通信模塊的價(jià)格外，運(yùn)營(yíng)商還需要收取運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，導(dǎo)致NB-IoT通信成本高，盡管NB-IoT技術(shù)受到產(chǎn)業(yè)界廣泛關(guān)注，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于技術(shù)不成熟，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各類通信故障，進(jìn)而引起通信中斷。

2.3 Zigbee技術(shù)

Zigbee是一種基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的近距離無線通信技術(shù)，具有距離短、復(fù)雜度低、自組織、功耗低、數(shù)據(jù)速率低、成本低等特點(diǎn)。ZigBee的協(xié)議專利免費(fèi)，通過大幅簡(jiǎn)化協(xié)議(不到Bluetooth的十分之一)降低了對(duì)通信控制器的要求，提供低成本的通信模塊；ZigBee在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作半年至兩年的時(shí)間，而WiFi僅可以工作數(shù)小時(shí)，Bluetooth可以工作數(shù)周；ZigBee具有高容量的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗梢圆捎眯菭?、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，且主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成具有65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)；ZigBee還具有高安全性，ZigBee提供了三級(jí)安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES128)的對(duì)稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

ZigBee在消防監(jiān)控和應(yīng)急救援管理等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用，例如利用ZigBee技術(shù)的多個(gè)煙霧、燃?xì)?、溫度、火焰等智能監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建無線自組和多級(jí)路由的消防監(jiān)測(cè)網(wǎng)。首先通過傳感器實(shí)時(shí)采集消防現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的數(shù)據(jù)，然后通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絑igBee網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器子系統(tǒng)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器子系統(tǒng)再將信息統(tǒng)一上傳至監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種火情信息數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)控和遠(yuǎn)程管理。

然而，其缺點(diǎn)是ZigBee工作在250kbps的通訊速率，支持低速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用需求；傳輸范圍小，一般介于10米至100米之間，增大發(fā)射功率，傳輸范圍可擴(kuò)充到1米至3千米；采用2.4GHz免費(fèi)頻段，其衍射和穿墻能力弱，通信穩(wěn)定性差。

2.4 Bluetooth技術(shù)

Bluetooth是一種工作在2.4GHz頻段，支持設(shè)備短距離(最大通信距離可以達(dá)到100米)信息交換的無線通信技術(shù)，能夠?yàn)楣潭ê鸵苿?dòng)設(shè)備，如手機(jī)、筆記本電腦等，建立近距離的無線連接。Bluetooth技術(shù)需求功耗低，便于電池供電設(shè)備工作；價(jià)格便宜，可以應(yīng)用于低成本設(shè)備上；Bluetooth同時(shí)管理數(shù)據(jù)和聲音傳輸，采用電路交換和分組交換策略，支持異步數(shù)據(jù)信道、三路語音信道以及異步數(shù)據(jù)與同步語音同時(shí)傳輸?shù)男诺?；Bluetooth模塊體積很小、便于集成。

Bluetooth在消防領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用，例如基于Bluetooth技術(shù)的消防員可穿戴式設(shè)備管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由控制電路、雙光攝像頭終端、腕帶式集控、單兵生命體征檢測(cè)等設(shè)備組成。控制電路包括微處理器、顯示、鍵盤輸入、Bluetooth收發(fā)、設(shè)備存放檢測(cè)、設(shè)備電源管理等模塊，其中微處理器分別與顯示、鍵盤輸入、Bluetooth收發(fā)、設(shè)備存放檢測(cè)、設(shè)備電源管理、電源等模塊連接。該系統(tǒng)能夠?qū)φ譈luetooth可穿戴式設(shè)備進(jìn)行智能化實(shí)時(shí)監(jiān)控管理，掌握設(shè)備狀態(tài)，滿足火災(zāi)救援應(yīng)急需要。

但是，是實(shí)際應(yīng)用中，Bluetooth技術(shù)傳輸范圍小，數(shù)據(jù)傳輸速率低(約24Mb/s)，不同設(shè)備間協(xié)議不兼容，需要本地?cái)?shù)據(jù)記錄,在確保數(shù)據(jù)不間斷可用方面仍有缺點(diǎn)。

2.5 WiFi技術(shù)

WiFi是基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)技術(shù)。WiFi技術(shù)工作在2.4GHz和5.8GHz免費(fèi)頻段，同Bluetooth技術(shù)一樣，屬于在辦公室和家庭中使用的短距離無線技術(shù)。相比于Bluetooth技術(shù)，WiFi技術(shù)無線通信范圍較大，能夠滿足單位樓層、辦公室以及居家內(nèi)部無線上網(wǎng)需求；健康安全，IEEE802.11規(guī)定不可以超過100毫瓦的發(fā)射功率，實(shí)際功率在60毫瓦至70毫瓦之間，較低發(fā)射功率能夠保證良好的安全性。

WiFi已廣泛用于火情監(jiān)控與救援逃生的智慧消防系統(tǒng)，該系統(tǒng)一般由環(huán)境傳感器模塊、數(shù)據(jù)控制中心、客戶端、數(shù)據(jù)傳輸、人員定位與WiFi探針等模塊組成，其中，環(huán)境傳感器模塊用于實(shí)時(shí)采集環(huán)境數(shù)據(jù)信息；人員定位模塊用于進(jìn)行人員實(shí)時(shí)定位以獲取他們的分布信息；數(shù)據(jù)控制中心用于接收與存儲(chǔ)環(huán)境數(shù)據(jù)信息以及人員分布信息，并提供消防救援方案；數(shù)據(jù)傳輸模塊與數(shù)據(jù)控制中心通過WiFi探針進(jìn)行無線連接；客戶端用于接收數(shù)據(jù)控制中心發(fā)送的實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)信息，人員分布信息以及消防救援方案。

然而，WiFi技術(shù)耗電量較大，不適合電池供電的設(shè)備；使用免費(fèi)的頻段，易受干擾以及受到惡意的網(wǎng)絡(luò)攻擊，通信穩(wěn)定性差；WiFi模板對(duì)硬件的要求較高，需要大量外圍電路來輔助操作。

3 空地一體化應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足及其在復(fù)雜火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的局限性，本文基于毫米波、智能反射面、D2D通信和無人機(jī)技術(shù)提出了一種新型的空地一體化應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 空地一體化應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)

該網(wǎng)絡(luò)具有部署靈活、時(shí)延低、通信距離遠(yuǎn)、速率高、功耗低、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，面向城市建筑火災(zāi)、水上船舶火災(zāi)和山地/森林火災(zāi)等三種應(yīng)用場(chǎng)景，由消防指揮中心、消防員、毫米波基站、毫米波中繼、智能反射面、無人機(jī)集群、起火的高樓、船舶和山地/森林組成。其中，無人機(jī)集群執(zhí)行火情偵測(cè)、信息傳輸、空中滅火等任務(wù)。

通過D2D通信，無人機(jī)能夠與地面的消防員進(jìn)行直接通信。另外，通過智能反射面、毫米波中繼和毫米波基站，消防員能夠與消防指揮中心進(jìn)行可靠穩(wěn)定的通信。其關(guān)鍵技術(shù)說明如下：

3.1 毫米波技術(shù)

相對(duì)于稀缺的6GHz以下頻段(Sub6G頻段)，毫米波具有巨大的帶寬資源，其頻段范圍從20GHz到300GHz。毫米波位于高頻段，比Sub6G頻段具有更高的通信速率、更低的延時(shí)、更小的天線體積等優(yōu)勢(shì)，因而已經(jīng)成為5G和6G無線通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵支撐技術(shù)。然而，由于毫米波頻段高，相對(duì)于低頻信號(hào)，毫米波穿透能力弱、易被遮擋等缺點(diǎn)，因而適合短距離高速通信的應(yīng)用場(chǎng)景。為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的通信，如圖1所示，本文采用D2D通信、毫米波中繼、毫米波基站、智能反射面，實(shí)現(xiàn)用戶之間的長(zhǎng)距離、高可靠和高速率通信。

3.2 D2D通信技術(shù)

D2D通信是融合蜂窩網(wǎng)絡(luò)和無線自組織網(wǎng)絡(luò)的新型通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其作為5G和6G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，已經(jīng)成為全球移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)。D2D通信是通過近距離用戶設(shè)備復(fù)用蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻譜資源實(shí)現(xiàn)端到端直接通信，具有顯著提高頻譜資源利用率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡，擴(kuò)展蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域等優(yōu)點(diǎn)，其有望解決傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)難以滿足未來用戶對(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)流量有巨大消費(fèi)需求的問題。D2D通信可以解決無通信基礎(chǔ)設(shè)施覆蓋的森林/山地，以及火災(zāi)引起通信設(shè)施損毀導(dǎo)致通信中斷而嚴(yán)重影響火災(zāi)救援有效開展的問題。在D2D通信模式下，兩個(gè)近距離的用戶之間仍然能夠建立無線通信鏈路，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，為火災(zāi)救援提供通信保障。另外，在森林/山地等無線信號(hào)覆蓋的盲區(qū)，用戶通過一跳或者多跳D2D通信可以連接到遠(yuǎn)程的用戶，如圖1所示，消防指揮中心通過多跳D2D通信方式和森林/山地區(qū)域的用戶通信。

3.3 智能反射面技術(shù)

智能反射面是一種全新的革命性技術(shù)，是由大量低成本的無源反射元件組成的平面。它能夠重新配置無線傳播環(huán)境，從而顯著提升無線網(wǎng)絡(luò)的通信性能，即智能反射面的不同元件可以控制入射信號(hào)的幅度或相位來反射入射信號(hào)，從而協(xié)同地實(shí)現(xiàn)用于定向信號(hào)增強(qiáng)的三維無源波束形成，使得用戶更好地接收來自源端的信號(hào)。本文提出的智能反射面火災(zāi)救援通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)說明如下：

圖2(1)為當(dāng)用戶位于無線信號(hào)未能覆蓋的死角位置時(shí)，部署智能反射面，可以建立一條反射通信鏈路，使得該用戶仍能接收到信號(hào)，即使基站、竊聽者、用戶位于同一直線上時(shí)，無論如何改變?cè)炊说陌l(fā)送波束，都無法減弱竊聽者接收到的合法信號(hào)。為此，圖2(2)展示了通過設(shè)計(jì)智能反射面的反射因子，盡可能抵消反射到竊聽者的信號(hào)與源端直接到達(dá)竊聽者的信號(hào)，同時(shí)盡可能疊加增強(qiáng)反射到用戶的信號(hào)與直接到達(dá)的信號(hào)。

圖2 智能反射面的優(yōu)勢(shì)

圖2(3)展示了當(dāng)用戶位于小區(qū)邊緣時(shí)，其接收到本小區(qū)的基站信號(hào)將會(huì)嚴(yán)重衰減，還會(huì)受到相鄰小區(qū)的信號(hào)干擾。通過設(shè)計(jì)智能反射面，能夠有效增強(qiáng)本小區(qū)的信號(hào)，并減弱相鄰小區(qū)的干擾。

圖2(4)展示了大規(guī)模 D2D通信的場(chǎng)景。如大量的用戶使用相同的信道資源進(jìn)行D2D通信，相互之間必然會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。通過設(shè)計(jì)智能反射面能夠盡可能消除干擾信號(hào)，增強(qiáng)有效信號(hào)。

圖2(5)展示了智能反射面可以作為中繼，實(shí)現(xiàn)用戶的遠(yuǎn)距離通信。

3.4 無人機(jī)集群通信技術(shù)

由于火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急救援環(huán)境的復(fù)雜性，現(xiàn)有的地面通信保障系統(tǒng)不能完全滿足應(yīng)急救援通信的需求。無人機(jī)作為一種新型通信設(shè)備，具有機(jī)動(dòng)性高、部署靈活等優(yōu)勢(shì)，無人機(jī)在火災(zāi)應(yīng)急救援領(lǐng)域?qū)?huì)發(fā)揮重要的作用，能夠完成火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的信息采集/偵測(cè)、信息傳輸和滅火救援任務(wù)。然而，由于單架無人機(jī)只能攜帶有限的傳感器設(shè)備，且配備的電池能量有限，難以完成復(fù)雜的任務(wù)和遠(yuǎn)距離的通信，因此，本文中設(shè)計(jì)了一種多架無人機(jī)組成的集群協(xié)作架構(gòu)，以完成這些復(fù)雜的任務(wù)和遠(yuǎn)距離通信，通過無人機(jī)集群實(shí)現(xiàn)降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)長(zhǎng)、提高通信距離的功能，并具備速率高、功耗低、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)論

本文首先探討了現(xiàn)有的無線通信技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及其在消防領(lǐng)域的應(yīng)用。針對(duì)這些技術(shù)的不足，本文運(yùn)用5G/6G中的毫米波、智能反射面、D2D通信、無人機(jī)集群通信等技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新穎的面向火災(zāi)救援的空地一體化應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)能夠應(yīng)用到高層建筑、船舶、森林/山地等復(fù)雜環(huán)境下的火災(zāi)救援領(lǐng)域，為其提供高可靠性、高速率、長(zhǎng)距離、低延時(shí)、高安全性的通信保障。

該網(wǎng)絡(luò)具有分布式、無中心、自組織、多業(yè)務(wù)、遠(yuǎn)距離、精準(zhǔn)定位等特征，新興無人機(jī)集群技術(shù)可以作為空中用戶設(shè)備，用來發(fā)送、接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，也可以作為空中基站，為地面或水面特定區(qū)域用戶提供可靠穩(wěn)定的通信訪問。