森林消防超短波自組網(wǎng)通信系統(tǒng)應(yīng)用研究

李 攀， 郭文剛， 凌 勇， 孫 樂

(1. 應(yīng)急管理部森林消防局，北京 100097；2. 中國電子科學(xué)研究院，北京 100041；3. 北京中興高達(dá)通信技術(shù)有限公司，北京 100044)

0 引 言

森林消防隊(duì)伍作為國家綜合性消防救援隊(duì)伍的重要組成力量，擔(dān)負(fù)著我國森林草原火災(zāi)撲救、地震地質(zhì)災(zāi)害救援和洪澇災(zāi)害搶險(xiǎn)救援等“一主兩輔”職能任務(wù)，面對(duì)“跨區(qū)域應(yīng)急救援力量”的全新定位和使命要求，森林消防隊(duì)伍始終堅(jiān)持“兩個(gè)至上”，聚焦任務(wù)核心，高度重視信息化建設(shè)和遂行任務(wù)通信保障。從“十一五”到“十三五”，森林消防隊(duì)伍信息化建設(shè)取得了長足發(fā)展，先后建成了模擬超短波通信、數(shù)字短波通信、寬帶衛(wèi)星通信等無線通信系統(tǒng)，滿足了各類任務(wù)指揮通信基本需求，特別是模擬超短波通信系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了我國東北、西南重點(diǎn)林區(qū)超短波無線通信覆蓋，成為森林消防隊(duì)伍遂行任務(wù)期間使用最主要、最頻繁的通信保障手段。

目前森林消防隊(duì)伍超短波通信系統(tǒng)主要以數(shù)模常規(guī)制式直通/轉(zhuǎn)信對(duì)講為主，業(yè)務(wù)功能單一、通信效果一般、抗干擾和組網(wǎng)覆蓋能力有限、抗災(zāi)應(yīng)變能力較弱，多層級(jí)指揮調(diào)度和用戶管理能力有待提高。因此，為強(qiáng)化森林消防隊(duì)伍應(yīng)急救援能力建設(shè)，提高遂行任務(wù)指揮效率，經(jīng)過深入對(duì)比各種無線通信組網(wǎng)方案，選擇采用超短波自組網(wǎng)作為基礎(chǔ)組網(wǎng)方案，通過建設(shè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、可視化的超短波自組網(wǎng)通信系統(tǒng)，拓展超短波通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，推動(dòng)超短波通信系統(tǒng)數(shù)字化升級(jí)，全面提升森林消防隊(duì)伍無線通信保障能力，為圓滿完成“一主兩輔”應(yīng)急救援任務(wù)提供技術(shù)手段支撐。

1 超短波自組網(wǎng)技術(shù)概述1.1 超短波自組網(wǎng)技術(shù)特點(diǎn)

超短波自組網(wǎng)技術(shù)特點(diǎn)主要有抗毀性、自組織性、機(jī)動(dòng)性、可拓展性，其主要業(yè)務(wù)包括語音、短信、定位、傳感器數(shù)據(jù)等[1]。

超短波自組網(wǎng)通常沒有路由概念，以廣播的形式在網(wǎng)內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)，特別是基于語音通信的超短波自組網(wǎng)技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)原理是通過不斷接收和轉(zhuǎn)發(fā)，來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)對(duì)信息的獲取[2]，超短波自組網(wǎng)固定臺(tái)設(shè)備工作流程見圖1。

圖1 超短波自組網(wǎng)固定臺(tái)設(shè)備工作流程框圖

超短波自組網(wǎng)固定臺(tái)節(jié)點(diǎn)，采用高性能恒溫晶體，通過同步時(shí)鐘校準(zhǔn)后，實(shí)現(xiàn)高精度的射頻對(duì)齊和多徑干擾消除技術(shù)，確保各自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間在任意拓?fù)浣M網(wǎng)下信號(hào)不相互干擾，可滿足鏈型、星型、樹型、網(wǎng)型、混合型等多種拓?fù)鋫鬏擺3]。

1.2 超短波自組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方式

國內(nèi)的主流超短波通信技術(shù)走在了實(shí)用化、小型化的前列，近年來相繼推出的超短波自組網(wǎng)產(chǎn)品多以PDT或DMR數(shù)字通信標(biāo)準(zhǔn)為核心，在具體空口和鏈路實(shí)現(xiàn)上進(jìn)行了差異化改造[4]，通常分為以下兩種實(shí)現(xiàn)方式。

第一種實(shí)現(xiàn)方式是將本地覆蓋和無線鏈路分開，采用兩對(duì)不同頻段的頻點(diǎn)，一對(duì)頻點(diǎn)用于本地覆蓋，采用標(biāo)準(zhǔn)中轉(zhuǎn)臺(tái)的方式，可以接入普通的超短波終端；另一對(duì)頻點(diǎn)則用于構(gòu)建自組網(wǎng)多跳的鏈路連接，實(shí)現(xiàn)多個(gè)超短波自組網(wǎng)中繼設(shè)備互聯(lián)。這種實(shí)現(xiàn)方式實(shí)質(zhì)上是將覆蓋的終端設(shè)備與鏈路中繼設(shè)備通過背靠背的方式連接起來。優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于超短波終端設(shè)備要求較低，標(biāo)準(zhǔn)超短波終端即可接入，且鏈路獨(dú)立工作比較容易實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)則是需要集成兩套基帶射頻，硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜，功耗較高，不同頻點(diǎn)間干擾較大[5]。

第二種方案則是將本地覆蓋和無線自組網(wǎng)鏈路相融合，其無線信號(hào)既承載了語音、短數(shù)據(jù)等信息，同時(shí)也構(gòu)建了不同設(shè)備之間的轉(zhuǎn)發(fā)鏈路，這種實(shí)現(xiàn)方式技術(shù)難度較大，也遵循PDT或DMR的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字通信空口標(biāo)準(zhǔn)，在具體組網(wǎng)鏈接策略上針對(duì)自組網(wǎng)進(jìn)行了局部調(diào)整，以確保超短波終端只需要通過少量的修改和設(shè)置，就可以接入到自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，具備低功耗、抗干擾、傳輸遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)[6]。

2 森林消防超短波自組網(wǎng)特點(diǎn)

森林消防隊(duì)伍結(jié)合任務(wù)實(shí)際，所采用的超短波自組網(wǎng)方案屬于上述第二種方案。其在通信標(biāo)準(zhǔn)上遵循PDT/DMR協(xié)議，采用12.5 kHz的信道帶寬，通過“頻分+時(shí)分”的方式，在使用少量頻率的情況下，即可達(dá)成各種拓?fù)浣M網(wǎng)下的無線多跳接力，實(shí)現(xiàn)廣域超短波無線自組網(wǎng)覆蓋；在射頻上采用經(jīng)典超外差接收方式，配合高發(fā)射功率，滿足林區(qū)遠(yuǎn)距離傳輸和覆蓋的需求，同時(shí)提高接收靈敏度和抗干擾能力；在算法上通過數(shù)字信號(hào)處理和邏輯處理相結(jié)合的方式，主動(dòng)感知自組網(wǎng)鏈路關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)異常，達(dá)到更強(qiáng)的抗干擾和抗毀能力。森林消防超短波自組網(wǎng)具備以下四個(gè)實(shí)用特點(diǎn)。

(1)快速組網(wǎng)

傳統(tǒng)的自組網(wǎng)技術(shù)通常采用廣播的形式傳遞路由，讓相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)自己并形成路由表，但當(dāng)節(jié)點(diǎn)較多時(shí)，這種方式需要大量的廣播，容易造成無線信號(hào)的沖突，組網(wǎng)的時(shí)間也隨著節(jié)點(diǎn)的增多而成倍數(shù)增加。為了解決上述問題，森林消防超短波自組網(wǎng)方案提出一種廣播式的轉(zhuǎn)發(fā)方式，即收到信號(hào)立即轉(zhuǎn)發(fā)，通過各個(gè)節(jié)點(diǎn)高精度射頻對(duì)齊技術(shù)，只需要開機(jī)后發(fā)送幾條同步信號(hào)，以監(jiān)聽沖突消除的方式，即可解決快速組網(wǎng)中無線信號(hào)沖突的問題，提高組網(wǎng)和使用效率[7]。

(2)網(wǎng)絡(luò)抗毀性

超短波自組網(wǎng)固定臺(tái)設(shè)備采用廣播式的轉(zhuǎn)發(fā)方式，盡可能地利用每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)某個(gè)中轉(zhuǎn)設(shè)備因供電或自身故障等其他原因轉(zhuǎn)發(fā)中斷時(shí)，如果該設(shè)備節(jié)點(diǎn)不是唯一的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，也不會(huì)影響其他節(jié)點(diǎn)正常轉(zhuǎn)發(fā)，這種情況是無需額外操作的；如果該設(shè)備是下一個(gè)節(jié)點(diǎn)唯一的或關(guān)鍵的接收源，會(huì)導(dǎo)致下一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收和轉(zhuǎn)發(fā)中斷。此時(shí)的解決辦法是當(dāng)下一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收中斷的時(shí)候，重新掃描信號(hào)，重新選擇當(dāng)前最好的信號(hào)或者解碼校驗(yàn)通過的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)[8]。

(3)林區(qū)靈活組網(wǎng)

森林消防隊(duì)伍任務(wù)區(qū)域主要在林區(qū)，然而在林區(qū)部署超短波自組網(wǎng)設(shè)備，其通信效果受林區(qū)樹木、山體等地理環(huán)境影響較大，與空曠地區(qū)或城區(qū)通信有較大差別。因此在林區(qū)內(nèi)依托高地部署超短波自組網(wǎng)固定臺(tái)，實(shí)現(xiàn)大面積組網(wǎng)，在遂行任務(wù)期間配合超短波自組網(wǎng)背負(fù)臺(tái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入和區(qū)域補(bǔ)盲，從而有效解決森林消防隊(duì)伍在林區(qū)腹地遂行任務(wù)通信指揮難題。

(4)自給供電能力

林區(qū)腹地通常無電力供應(yīng)，因此在林區(qū)建設(shè)超短波自組網(wǎng)固定臺(tái)必須充分考慮自給供電能力。一般情況下，采用太陽能或風(fēng)能等形式實(shí)現(xiàn)自給供電，配合電源管理系統(tǒng)、保溫防護(hù)系統(tǒng)、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)長時(shí)間無人值守自動(dòng)續(xù)航。

綜上所述，基于高精度的射頻對(duì)齊技術(shù)、快速轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)和斷鏈重連技術(shù)，輔助實(shí)施監(jiān)聽沖突消除策略，使得森林消防超短波自組網(wǎng)具備強(qiáng)大的快速組網(wǎng)和抗毀性能，配合自給供電系統(tǒng)，能夠在基礎(chǔ)設(shè)施匱乏的原始林區(qū)實(shí)現(xiàn)大范圍的超短波無線自組網(wǎng)覆蓋，從而滿足在復(fù)雜惡劣環(huán)境中應(yīng)急救援的實(shí)際需求。

3 森林消防超短波自組網(wǎng)架構(gòu)

3.1 系統(tǒng)組成

森林消防超短波自組網(wǎng)通信系統(tǒng)由超短波自組網(wǎng)背負(fù)臺(tái)、車載臺(tái)、固定臺(tái)、調(diào)度系統(tǒng)和網(wǎng)管系統(tǒng)等組成,如圖2所示。

圖2 森林消防超短波無線自組網(wǎng)

3.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

結(jié)合森林消防隊(duì)伍遂行任務(wù)期間的指揮模式，森林消防超短波自組網(wǎng)規(guī)劃了林區(qū)超短波無線組網(wǎng)與營區(qū)IP互聯(lián)組網(wǎng)的組合架構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)自上而下的垂直通連,如圖3所示。

圖3 森林消防超短波無線自組網(wǎng)基礎(chǔ)組網(wǎng)架構(gòu)

3.3 林區(qū)空口組網(wǎng)

在缺乏光纖、公網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施的重點(diǎn)林區(qū)，以超短波自組網(wǎng)空口通信方式為主，通過在林區(qū)防火瞭望塔上建設(shè)大功率自組網(wǎng)固定臺(tái)，通過鏈型、星型、樹型、網(wǎng)型或混合型超短波無線鏈路進(jìn)行組網(wǎng)覆蓋，實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)信號(hào)的遠(yuǎn)距離多跳中轉(zhuǎn)和互聯(lián)互通，逐步接力向外擴(kuò)展，從而提供林區(qū)自組網(wǎng)骨干鏈路，實(shí)現(xiàn)大范圍的林區(qū)廣域覆蓋。

同時(shí)考慮到林區(qū)復(fù)雜環(huán)境對(duì)于無線電波存在阻擋吸收，因此在隊(duì)伍遂行任務(wù)時(shí)，通過自組網(wǎng)車載固定臺(tái)和背負(fù)式自組網(wǎng)固定臺(tái)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)和補(bǔ)盲，確保盲區(qū)通信與骨干網(wǎng)絡(luò)互通，實(shí)現(xiàn)超短波自組網(wǎng)縱深覆蓋，確保任務(wù)一線與指揮所信息互通。

3.4 跨區(qū)IP互聯(lián)

森林消防隊(duì)伍在遂行跨區(qū)域應(yīng)急救援任務(wù)時(shí)，通常由多支隊(duì)伍協(xié)同救援，超短波自組網(wǎng)跨區(qū)協(xié)同指揮通信尤為重要。在超短波自組網(wǎng)空口通信的基礎(chǔ)上，利用基于4G公網(wǎng)的超短波自組網(wǎng)車載固定臺(tái)、背負(fù)固定臺(tái)IP互聯(lián)功能，可以快速實(shí)現(xiàn)多支隊(duì)伍之間的協(xié)同指揮，從而實(shí)現(xiàn)小網(wǎng)組成大網(wǎng)，融合互聯(lián)、統(tǒng)一指揮。

3.5 調(diào)度系統(tǒng)

調(diào)度系統(tǒng)是提升整個(gè)數(shù)字超短波自組網(wǎng)系統(tǒng)能力的重要組成部分，調(diào)度員可以可視化的方式直接與終端進(jìn)行通話或短信業(yè)務(wù)，實(shí)時(shí)獲取終端和自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的地理位置，實(shí)現(xiàn)高效指揮調(diào)度。調(diào)度系統(tǒng)通過IP連接，由調(diào)度服務(wù)器負(fù)責(zé)對(duì)接、處理多調(diào)度系統(tǒng)間的互聯(lián)互通業(yè)務(wù)[9]，如圖4所示。

圖4 超短波自組網(wǎng)整體調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3.6 網(wǎng)管系統(tǒng)

網(wǎng)管系統(tǒng)是提升整個(gè)數(shù)字超短波自組網(wǎng)系統(tǒng)能力的重要組成部分。運(yùn)維管理人員可以在網(wǎng)管界面直觀的了解系統(tǒng)內(nèi)自組網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)實(shí)際情況，實(shí)時(shí)調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)自組網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)維掌控。網(wǎng)管系統(tǒng)通過IP連接，可提供遠(yuǎn)程配置及控制，告警管理，郵件通知，設(shè)備狀態(tài)管理及日志管理等功能[10]，如圖4所示。

4 森林消防超短波自組網(wǎng)實(shí)用性能分析

4.1 路損預(yù)算

森林消防超短波自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)路損模型簡化示意如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)路損模型

森林消防超短波自組網(wǎng)的空間最大允許路徑損耗(Max Allowable Path Loss，MAPL)預(yù)算公式為

LMAPL=PNBTP+GNBAG+GUAG-LNBCCL-

MSFM-MFFM-LOLM-RURR

式中：LMAPL為最大允許路徑損耗；PNBTP為固定臺(tái)單載波發(fā)射功率，按照25 W配置，約44 dBm；GNBAG為固定臺(tái)天線增益，10.2 dBi；GUAG為終端天線增益，0 dBi；LNBCCL為饋線、接頭等損耗與超短波自組網(wǎng)固定臺(tái)設(shè)備的饋線長度及單位長度損耗指標(biāo)相關(guān)，不失一般性，取2 dB；MSFM為慢衰落余量與地形地勢(shì)及山體或建筑物等大型阻擋物特征相關(guān)，本鏈路預(yù)算按照準(zhǔn)平坦區(qū)域取值4 dB，對(duì)于山區(qū)或其他場(chǎng)景，由于地形地貌復(fù)雜，本鏈路預(yù)算的取值需要根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景估算；MFFM為快速衰落余量，取3 dB；LOLM為其他損耗主要考慮的是樹木等植被的穿透損耗，根據(jù)樹木疏密情況依次取樣本值3 dB～15 dB。當(dāng)取值為3 dB時(shí)，最大允許損耗=44+10.2-2+0-4-3-3-(-95)=137.2 dB，當(dāng)取值為6 dB、10 dB和15 dB時(shí)，最大允許損耗分別為134.2 dB、130.2 dB和125.2 dB；RURR終端接收信號(hào)強(qiáng)度一般取-95 dBm。在鏈路覆蓋計(jì)算中，該值將作為定義覆蓋邊緣的條件。

4.2 覆蓋半徑仿真預(yù)算

對(duì)于森林消防使用的370 MHz頻段，終端天線高度1.5 m，在準(zhǔn)平坦場(chǎng)景下，應(yīng)用如下傳播模型公式[11]：

L=69.55+26.16lgf-13.82lghb-a(hm)+(44.9-6.55lghb)(lgd)+Ru

其中，

式中：f為工作頻率；hb是固定臺(tái)高度；hm是背負(fù)臺(tái)高度；Ru為準(zhǔn)平坦場(chǎng)景的校正因子；d為覆蓋半徑;a(hm)為高度修正因子。

將Max Allowable Path Loss代入傳播模型公式(L值)，根據(jù)固定臺(tái)不同的高度，可以分別估算得到不同的覆蓋半徑(邊緣RRSI定義為-95 dBm)。

表1 固定臺(tái)天線高度25 m(對(duì)應(yīng)平地瞭望塔相對(duì)高度)

表2 固定臺(tái)天線高度150 m(對(duì)應(yīng)常見丘陵相對(duì)高度)

從以上對(duì)覆蓋半徑的仿真計(jì)算可以看出，固定臺(tái)架設(shè)高度，以及樹林茂密程度是影響超短波自組網(wǎng)的無線覆蓋半徑的重要因素。在實(shí)際部署中，需盡可能提升固定臺(tái)架設(shè)的高度，以獲得更大的無線覆蓋半徑。

表3 固定臺(tái)天線高度400 m(對(duì)應(yīng)常見低山相對(duì)高度)

上述結(jié)果主要應(yīng)用于準(zhǔn)平坦場(chǎng)景(含植被穿透損耗)。林區(qū)場(chǎng)景下的覆蓋半徑，與地形地貌及山體阻擋情況密切相關(guān)，覆蓋半徑與準(zhǔn)平坦場(chǎng)景鏈路計(jì)算結(jié)果存在差異。此外，傳播模型本身也有一定的適用條件，當(dāng)固定臺(tái)天線高度超過200 m，覆蓋半徑超過35 km時(shí)，鏈路預(yù)算結(jié)果與實(shí)際覆蓋半徑的偏差會(huì)越來越大。所以，鏈路預(yù)算僅為一定條件下典型場(chǎng)景的預(yù)估參考值，可以給網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供參考依據(jù)，但網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際覆蓋情況與具體的環(huán)境相關(guān)，應(yīng)以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

4.3 自組網(wǎng)無線覆蓋實(shí)測(cè)

為了解超短波自組網(wǎng)真實(shí)的極限覆蓋半徑，進(jìn)行了拉距測(cè)試。在北京海拔約500 m的山上架設(shè)了超短波自組網(wǎng)固定臺(tái)，采用全向天線，25 W發(fā)射功率進(jìn)行覆蓋；接收端是一臺(tái)超短波自組網(wǎng)背負(fù)臺(tái)，具備25 W發(fā)射功率和-124 dBm高接收靈敏度。由于平原地勢(shì)平坦，無密植遮擋，最終測(cè)試的可用通話距離，可超過100 km。測(cè)試證明，超短波自組網(wǎng)的覆蓋距離較遠(yuǎn)，能夠滿足森林消防隊(duì)伍廣域覆蓋的需求。

4.4 供電能力分析

通過對(duì)超短波自組網(wǎng)固定臺(tái)整機(jī)功耗進(jìn)行了針對(duì)性的深度優(yōu)化，發(fā)射功率為25 W，呼叫∶空閑=3∶7的任務(wù)模型下整機(jī)功耗小于28 W。在極端情況下，僅靠電池儲(chǔ)能系統(tǒng)供電，仍能連續(xù)工作96 h，按照4 d/96 h計(jì)算，需要耗電2 688 Wh。

采用膠體電池電壓為12 V，放電深度為75%，則所需電池容量為：2 688 Wh/75%/12 V=298.7 Ah，因此，使用300 Ah的膠體電池獨(dú)立供電能夠滿足在陰雨天氣獨(dú)立供電4d/96h的能力。

如果太陽能板的功率是300 W，每天有效日照時(shí)間是3 h，電池從25%容量開始充電至充滿300 Ah 電量需要時(shí)間的計(jì)算步驟為：1)太陽能板每天能夠生成的電能是300 W×3 h=900 Wh；2)超短波自組網(wǎng)固定臺(tái)每天耗電為28 W×24 h=672 Wh；3)每天能夠存儲(chǔ)的電能為900 Wh-672 Wh=228 Wh；4)每天能夠存儲(chǔ)的電量為228 Wh/12 V=19 Ah；5)需要的天數(shù)為300 Ah×75%/19 Ah=11.8 d。

5 結(jié) 語

森林消防隊(duì)伍在北京周邊進(jìn)行了超短波自組網(wǎng)試點(diǎn)，完成了370 MHz超短波自組網(wǎng)環(huán)境測(cè)試和10個(gè)臺(tái)站的搭建組網(wǎng)，以空口通信為主，IP互聯(lián)為輔，采用市電、太陽能熱備份供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了北京市轄區(qū)以及周邊重點(diǎn)林區(qū)的大范圍通信覆蓋，達(dá)到了語音通信清晰、人員定位精準(zhǔn)、行動(dòng)軌跡連續(xù)、分級(jí)指揮順暢的通信保障要求，驗(yàn)證了超短波自組網(wǎng)系統(tǒng)的功能和性能，為今后在全國重點(diǎn)林區(qū)開展超短波自組網(wǎng)建設(shè)提供了實(shí)踐支撐和經(jīng)驗(yàn)積累。隨著森林消防超短波自組網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用，將有效提高森林消防通信容量、質(zhì)量和效率，為我國森林消防事業(yè)提供技術(shù)支撐。