中國集群通信網(wǎng)
空天地一體化技術(shù)在應急通信領(lǐng)域的應用與展望
近年來，除火山活動以外，地震、森林火災以及因極端天氣引發(fā)的暴雨、洪澇、泥石流、雨雪冰凍等各類自然災害屢屢發(fā)生。重大自然災害的發(fā)生，在損害人民群眾生命和財產(chǎn)安全的同時，也會對受災區(qū)域通信設備造成嚴重損壞，導致災區(qū)大面積、長時間通信中斷，給當?shù)卣块T組織開展搶險救災工作帶來極大挑戰(zhàn)。
當今社會，通信對于人們的生活而言，如同水和空氣一樣重要。而面對自然災害，傳統(tǒng)的地面應急通信車和設備搶修難以滿足受災區(qū)域人民群眾對通信的需求。為配合災后救援，快速恢復災區(qū)通信，需要一種可以快速部署、長時間保持并且大面積覆蓋的應急通信方案，臨時替代地面通信網(wǎng)絡，確保災后重要救援工作的通信網(wǎng)絡通暢。
2022年2月，國務院印發(fā)了《“十四五”國家應急體系規(guī)劃》，共規(guī)劃五大類17項重點工程。其中，在完善衛(wèi)星應急通信保障能力、促進“5G+應急通信”廣泛應用、推動北斗系統(tǒng)在應急領(lǐng)域深層次應用等多方面均明確提出了發(fā)展目標。
本文主要介紹空天地一體化技術(shù)在應急通信領(lǐng)域的應用，以及未來多種靈活的通信應用配置方式，提高災區(qū)核心區(qū)域快速恢復通信服務的能力，同時配合實現(xiàn)無線信號快速切換和覆蓋，解決突發(fā)事件處置現(xiàn)場“通信孤島”問題，構(gòu)建天地融合的應急通信保障體系。
空天地一體網(wǎng)絡體系
地面蜂窩網(wǎng)絡已成為人民群眾日常生活剛需，但其覆蓋范圍仍然有限，飛機/船舶/偏遠山區(qū)等場景仍無法實現(xiàn)高速互聯(lián)網(wǎng)接入；且蜂窩網(wǎng)絡受地面環(huán)境影響較大，水災、地震等突發(fā)災害造成通信、道路中斷后，難以依靠傳統(tǒng)地面應急通信手段，單一的應急通信方案也無法滿足不同場景的保障需求。為應對自然災害造成的通信中斷，應在原有的地基蜂窩通信網(wǎng)絡基礎(chǔ)上疊加天基、空基等能力，為地面通信提供空中備份網(wǎng)絡，形成分層的空天地一體化應急保障體系。
天基應急通信
天基應急通信網(wǎng)絡主要指高、中、低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡，利用天基部署的衛(wèi)星資源實現(xiàn)不間斷通信服務。如圖1所示，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡具備覆蓋廣、容災性高等優(yōu)勢，現(xiàn)有相關(guān)理論表明，3顆同步軌道衛(wèi)星即可覆蓋除南北兩極外的全球絕大部分區(qū)域，而中軌和低軌星座構(gòu)建完成后，也具備全球覆蓋能力。天基衛(wèi)星通過與地面網(wǎng)絡能力疊加，將實現(xiàn)網(wǎng)絡能力升維，提供備份通信鏈路，提升鏈路可靠性、安全性。
圖1 同步軌道通信衛(wèi)星覆蓋地面
空基應急通信
空基應急通信主要指利用臨近空間層的高空基站（HAPS/HIBS）和低空飛行器（UAV）提供應急通信。
如圖2所示，利用浮空飛艇或無人機搭載臨近空間層高空基站，以提供通信覆蓋。可采用現(xiàn)有蜂窩通信協(xié)議（如4G、5G），為覆蓋區(qū)域提供話音和互聯(lián)網(wǎng)接入服務。該方案與衛(wèi)星方案相似，可長期提供不間斷的通信服務，單個臨近空間平臺（升空20000米）可支持超過一萬平方千米的大范圍覆蓋能力。
低空飛行器應急通信目前主要利用無人機快速部署能力，通過搭載基站設備為通信中斷區(qū)域提供應急補盲，如自然災害導致區(qū)域通信中斷后，可利用無人機基站暫時保障網(wǎng)絡通信暢通。
圖2 空基應急網(wǎng)絡
地基應急通信
地基應急通信是傳統(tǒng)應急的主要手段，采用應急通信車通信保障方式和部署超級基站方式。應急通信車內(nèi)集成蜂窩通信基站、衛(wèi)星/微波/光纖回傳設備、油機電源等裝置，可提供長時間的應急通信保障能力，利用其高集成度與靈活部署能力，可按需應用于大型活動場所熱點容量補充和通信中斷區(qū)域的應急保障。
此外，部署超級基站也是防災減災的有效方式。與普通基站相比，超級基站采用高抗震要求的土建、額外油機供電資源，以及自適應衛(wèi)星傳輸備份鏈路等，以提升蜂窩網(wǎng)絡應對突發(fā)災害的能力。超級基站如圖3所示。
圖3 超級基站
現(xiàn)階段國內(nèi)主流無人機應急通信方案
現(xiàn)階段，需要部署災前預防與災后救援兩方面措施，提升應急通信保障能力，構(gòu)建覆蓋范圍廣、環(huán)境適應強、應急通信恢復快速的應急通信保障系統(tǒng)。在災害多發(fā)區(qū)域部署超級基站提升蜂窩網(wǎng)絡抗災能力，災害發(fā)生導致電力、通信中斷時，自動切換至利用備用發(fā)電機延長供電以及衛(wèi)星備份鏈路維持通信。
此外，洪水、地震等自然災害通常會造成道路中斷，傳統(tǒng)地面應急車難以快速到達災區(qū)中心區(qū)域，可利用空天地相結(jié)合的應急方案，如采用空無人機、蜂窩設備、衛(wèi)星鏈路組成無人機應急通信系統(tǒng)。目前，無人機應急通信方案主要包含兩種，即系留式低空無人機應急通信方案和非系留高空無人機應急方案。
系留式低空無人機應急通信方案
系留式無人機應急高空基站主要包括攜帶蜂窩射頻單元的多旋翼無人機、地面數(shù)據(jù)、衛(wèi)星回傳3部分，如圖4所示。可通過空投或背負方式進入災區(qū)，與衛(wèi)星便攜站配合使用，實現(xiàn)災區(qū)交通中斷情況下的快速部署。系留式無人機應急基站也可以與應急通信車配合使用，充分利用應急通信車的供電及傳輸資源。該方案利用無人機升空和長時間滯空能力，提供大范圍應急覆蓋，2020年在雄安外場實測覆蓋半徑可達6.5千米，遠超普通應急通信車覆蓋能力。該方案具有資金投入少、組織部署快、現(xiàn)場操作易等特點，理論上具有長時間滯空維持應急通信能力，為災后“黃金救援時段”提供穩(wěn)定的通信保障。
圖4 系留無人機應急通信保障方案
非系留高空無人機應急通信方案
非系留式無人機通常采用大型固定翼長續(xù)航無人機，在機內(nèi)集成蜂窩通信設備、衛(wèi)星動中通天線等整套應急保障設備，如圖5所示，通過遠程遙控無人機飛抵受災地區(qū)并在空中盤旋提供對地覆蓋。
圖5 大型固定翼無人機應急保障方案
據(jù)報道，2021年河南遭受水災，通信部門利用固定翼無人機為災區(qū)50平方千米范圍內(nèi)提供了5小時的蜂窩信號覆蓋，為災區(qū)人民搭建對外通信的橋梁。大型固定翼無人機具有高集成度、反應快捷、受地形影響小等特點，在地震、洪水、山體滑坡、泥石流等造成大面積道路損毀的場景下，具有明顯的優(yōu)勢。
隨著無人機應急通信技術(shù)的發(fā)展，下一代無人機將集成邊緣云及自適應鏈路回傳能力，在無人機或地面車載平臺上部署邊緣服務器，提供應急廣播、智能導引功能，助力災區(qū)救援指揮；根據(jù)環(huán)境特征和業(yè)務需求自適應選擇最優(yōu)回傳方式，包括利用微波回傳、Relay回傳以及衛(wèi)星回傳等，提升應急網(wǎng)絡性能和部署效率。
我國衛(wèi)星通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
衛(wèi)星通信技術(shù)依靠覆蓋區(qū)域廣闊、不過度依賴外部環(huán)境、可快速部署、操作性強等特點，在救災過程中對救援指揮調(diào)度、應急通信保障、信息報送、數(shù)據(jù)采集等起到重要作用，是當今應急通信領(lǐng)域中必不可少的核心技術(shù)。
黨的十九大做出建設網(wǎng)絡強國、數(shù)字中國和智慧社會的戰(zhàn)略部署，2020年衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)正式納入新型信息基礎(chǔ)設施范疇，并成為其重要組成部分。國家在“十三五”期間全面布局空間民用基礎(chǔ)設施的基礎(chǔ)上，又在“十四五”開局階段提出了加快布局衛(wèi)星通信，構(gòu)建覆蓋全球、天地一體的信息網(wǎng)絡，為陸海空天各類用戶提供全球信息網(wǎng)絡服務的發(fā)展規(guī)劃。國家戰(zhàn)略的系統(tǒng)謀劃為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的建設發(fā)展指出了明確方向。
國內(nèi)三大運營商衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)部署現(xiàn)狀
在5G加速商用的同時，三大運營商也在積極推進衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的部署工作。
2020年1月，中國電信正式商用天通衛(wèi)星通信服務，為應急管理、海上作業(yè)、航空通信等領(lǐng)域的用戶提供優(yōu)質(zhì)安全的通信服務。當月，中國移動順利完成衛(wèi)星通信網(wǎng)第十二期工程招標，隨著工程的有序推進，偏遠地區(qū)4G基站接入、應急通信車輛通信保障等業(yè)務能力進一步增強。
2020年4月，中國聯(lián)通所屬聯(lián)通航美公司發(fā)布了四大衛(wèi)星系列產(chǎn)品，為政府企業(yè)用戶展示了“天地海一體化”的應急通信服務能力。同年6月，中國聯(lián)通在北京與華為簽署了空天地一體化戰(zhàn)略合作協(xié)議，雙方將在低軌衛(wèi)星與5G網(wǎng)絡融合技術(shù)方面展開合作，共同構(gòu)建基于空地聯(lián)合的衛(wèi)星車聯(lián)組、物聯(lián)網(wǎng)等應用的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。
我國高軌高通量衛(wèi)星建設現(xiàn)狀
2017年，我國首顆高通量衛(wèi)星——中星16號成功發(fā)射，單星通信總?cè)萘窟_到20G，下載速率最高達到150Mbit/s，回傳速率最高達到12Mbit/s，與地面關(guān)口站系統(tǒng)、衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)和業(yè)務運營支撐系統(tǒng)，形成了完全自主可控的星地一體化衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡運營平臺，標志著我國靜止軌道高通量衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)進入實質(zhì)性應用階段。2020年，我國首顆采用Ku/Ka體系的高軌高通量衛(wèi)星——亞太6D成功發(fā)射，該星可以為中國全境及亞太地區(qū)用戶提供高質(zhì)量的話音、數(shù)據(jù)通信服務。
我國低軌星座項目建設現(xiàn)狀
2021年4月底，中國衛(wèi)星網(wǎng)絡集團有限公司正式掛牌成立，主要承擔我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的統(tǒng)籌發(fā)展，以及低軌互聯(lián)網(wǎng)星座的規(guī)劃、建設、運營等任務，這是我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)在被納入“新基建”范疇之后的重大舉措。
此外，作為中國民營企業(yè)中第一個有實質(zhì)性進展的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計劃，銀河Galaxy衛(wèi)星星座首顆衛(wèi)星已于2020年1月16日發(fā)射入軌。該星座基于5G標準，由650顆低軌通信衛(wèi)星組成覆蓋全球的天地融合5G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡，讓用戶能夠高速靈活地接入5G網(wǎng)絡。
另外，星網(wǎng)宇達、和德宇航、歐科微、國電高科等公司也公布了低軌衛(wèi)星計劃，其中國電高科已發(fā)射6顆衛(wèi)星，歐科微也發(fā)射了1顆。
空天地一體化應急通信保障典型應用實例
河南鄭州“720”特大暴雨災害應急通信保障
2021年7月19日，河南省遭遇極端強降雨，省內(nèi)多個城市發(fā)生嚴重內(nèi)澇。其中，鄭州市下轄鞏義市米河鎮(zhèn)因市電停電等原因造成通信全阻。受道路中斷影響，到達米河鎮(zhèn)的河南移動應急通信局、河南聯(lián)通機動通信局兩支國家應急通信一類保障隊伍，以及河南電信應急搶修隊伍暫無法進入現(xiàn)場開展應急搶修工作，當?shù)赝ㄐ哦虝r難以恢復。
7月21日，面對米河鎮(zhèn)“斷路、斷電、斷網(wǎng)”的困境，應急管理部提出相關(guān)工作要求，工業(yè)和信息化部統(tǒng)籌通信業(yè)各方保障力量，迅速調(diào)派在貴州省的“翼龍-2H”無人機從安順機場出發(fā)，歷經(jīng)4.5個小時、近1200千米飛行，跨越貴、渝、湘等多個省市，順利懸停在河南省米河鎮(zhèn)上空，利用自身空中應急通信平臺搭載的移動公網(wǎng)基站，為當?shù)丶s50平方千米范圍內(nèi)2572名翼龍注冊用戶，提供了5個小時不間斷的穩(wěn)定可靠手機通信服務。
7月22日13時36分，在工業(yè)和信息化部的統(tǒng)一指揮下，應前線應急管理部門救援需求，剛剛返回貴州基地不久的“翼龍-2H”無人機再度從安順機場出發(fā)，趕赴鄭州市中牟縣阜外華中心血管病醫(yī)院，為現(xiàn)場防汛救災工作提供了強有力的應急通信保障。
在河南鄭州“720”特大暴雨災害應急通信保障任務中，“翼龍-2H”應急救災型無人機依靠攜帶的移動通信基站和裝配的衛(wèi)星通信天線，通過衛(wèi)星回傳鏈路建立起與移動通信主站之間的連接，運用空中組網(wǎng)、高點中繼等技術(shù)，發(fā)揮數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化優(yōu)勢，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)、語音、圖像的互聯(lián)互通。同時，無人機還利用CCD航測相機、EO光電設備和SAR合成孔徑雷達，圖文監(jiān)測嚴重受災地區(qū)情況，并實時回傳，為指揮中心開展應急救援工作提供有效支撐。
“8.8”九寨溝地震應急通信保障
2017年8月8日21時19分46秒，四川省北部阿壩州九寨溝縣發(fā)生7.0級地震，震源深度20千米。地震發(fā)生后，工業(yè)和信息化部立即與四川省通信管理局和各基礎(chǔ)電信企業(yè)集團公司、四川省公司、一線救援隊伍建立視頻連線，組織當?shù)赝ㄐ判袠I(yè)第一時間啟動應急預案，開展應急通信保障工作。
應急通信保障期間，中國移動出動了1套無人機高空基站，于8月11日10時20分在九寨溝景區(qū)荷葉寨緊急升空，為方圓30多平方千米受災區(qū)域持續(xù)提供移動通信信號。據(jù)統(tǒng)計，在本次保障中無人機搭載的基站共接入4G用戶超500人，VoLTE呼叫接通率達98.79%，CSFB呼叫接通率達95.08%，提供數(shù)據(jù)業(yè)務總流量15000Mb以上，有效補充了常規(guī)應急通信保障信號覆蓋效果，助力搶險救災和公眾通信應急保障。
空天地網(wǎng)絡在應急通信應用前景展望
衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍廣、受環(huán)境影響小、容災能力強等特點，可作為地面網(wǎng)絡補充，增強地面通信鏈路的可靠性及安全性，為災害導致地面移動通信系統(tǒng)中斷的應急救災場景提供通信保障，使應急小區(qū)與遠程指揮中心可以進行數(shù)據(jù)、語音和視頻等通信交互，為應急搶險工作提供高效可靠的信息傳輸通道。
利用衛(wèi)星通信實現(xiàn)應急救援，國內(nèi)外已有應用，如國際海事衛(wèi)星、國內(nèi)的“天通一號”等，均支持手機形態(tài)的衛(wèi)星終端，可提供包括話音業(yè)務在內(nèi)的窄帶數(shù)據(jù)業(yè)務。這類終端便攜性較強，在地面蜂窩通信因發(fā)生自然災害造成中斷時可用于應急通信，但衛(wèi)星通信用戶規(guī)模較小，流量成本、終端成本偏高，難以面向公眾用戶推廣。
2021年，3GPP R17開展蜂窩協(xié)議用于衛(wèi)星通信場景的標準化研究，針對上行同步、時序關(guān)系、HARQ、波束管理等方面進行了協(xié)議優(yōu)化，完成了衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)模式下的通信協(xié)議設計，計劃于2022年凍結(jié)并發(fā)布標準化協(xié)議。
結(jié)合國內(nèi)高低軌衛(wèi)星的實際建設情況，未來5年衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)仍然以高軌衛(wèi)星為主，隨著低軌星座的建設和后期發(fā)展，高低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將與地面網(wǎng)充分融合，構(gòu)成天地一體化信息網(wǎng)絡。
隨著未來高中低軌衛(wèi)星協(xié)同組網(wǎng)，空天地一體技術(shù)將進一步深度融合，地面蜂窩產(chǎn)業(yè)賦能衛(wèi)星通信，利用蜂窩通信產(chǎn)業(yè)規(guī)模效應，大幅降低衛(wèi)星通信成本；成本可接受的衛(wèi)星通信設備與服務在公眾用戶中推廣，提供不間斷衛(wèi)星通信保障，徹底解決應急通信恢復速度慢、覆蓋范圍有限等問題。
面對自然災害多發(fā)易發(fā)的現(xiàn)實狀況，以及應急管理能力現(xiàn)代化新形勢對應急通信提出的新要求，應急通信領(lǐng)域的發(fā)展應滿足突發(fā)事件通信保障的客觀需求，適應應急管理發(fā)展需要，強化極端情況下通信保障能力建設，推動極端條件下的應急通信裝備研發(fā)。各地方政府和企業(yè)應推動全地形車、兩棲車、大型固定翼無人機等在應急通信隊伍中的裝備，加強天通、北斗等自主終端在基層的配備，尤其是加大災害頻發(fā)地區(qū)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)衛(wèi)星電話等設備的預置數(shù)量，以便形成多位一體、協(xié)同合作的新格局。
空天地一體化技術(shù)擁有顯著的大范圍通信優(yōu)勢，可不受地面限制向空、天、地、海等多維空間擴展，已在近年的自然災害應急通信保障中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。隨著未來空天地技術(shù)深度融合，進一步突破技術(shù)壁壘、實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)融通，構(gòu)建跨地域、跨空域、跨海域的空天地海一體化網(wǎng)絡，構(gòu)筑衛(wèi)星、無人機、地面應急車、4G/5G超級基站整體應急通信保障體系，將可全面滿足應急通信領(lǐng)域發(fā)展需求，實現(xiàn)空天地資源優(yōu)勢互補，提升國家應急通信保障能力。
作者：工業(yè)和信息化部應急通信保障中心 岳鸝 中鐵云網(wǎng)信息科技有限公司 曹雅春 天際互通（北京）信息科技有限責任公司 扈巖 王璠
(責任編輯：李俊勇)