劉振

（中興通訊股份有限公司，陜西 西安 710114）

0 引言

我國幅員遼闊，多種自然災(zāi)害多發(fā)，斷路、斷電、斷網(wǎng)的“三斷”情況時(shí)有發(fā)生。汶川地震、九寨溝地震、河南水災(zāi)都對無線通信網(wǎng)絡(luò)造成不同程度損毀，嚴(yán)重影響災(zāi)后救援行動(dòng)開展和人們生產(chǎn)生活。因此，災(zāi)后快速建立應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)對于開展救援活動(dòng)和人們移動(dòng)支付、移動(dòng)通信等生產(chǎn)生活至關(guān)重要。國家有關(guān)部門也在“十四五”規(guī)劃中，提出推進(jìn)建設(shè)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的要求。

應(yīng)急通信不是一種專門的技術(shù)，而是為應(yīng)對自然或突發(fā)緊急情況，綜合利用各種通信資源，為保障緊急救援和必要通信而提供的一種暫時(shí)快速響應(yīng)的特殊通信機(jī)制。應(yīng)急通信具有時(shí)間突發(fā)性、地點(diǎn)不確定、容量不確定、信息多樣性和環(huán)境復(fù)雜特點(diǎn)[1]。針對應(yīng)急通信特有特點(diǎn)，對應(yīng)急通信系統(tǒng)和設(shè)備也有特定要求：自備電源、自成系統(tǒng)，快速組網(wǎng)、使用方便、裝備便攜、功耗低等。

由于應(yīng)急通信環(huán)境復(fù)雜，傳統(tǒng)應(yīng)急通信系統(tǒng)在某些情況使用受限，隨著無人機(jī)技術(shù)發(fā)展和普及，利用無人機(jī)搭載高空基站，快速恢復(fù)通信成為可能[2]。目前，無人機(jī)高空基站已經(jīng)在多地自然災(zāi)害后進(jìn)行了應(yīng)用[3]，由于無人機(jī)滯空時(shí)間短，大家也在研究使用高空氣球、無人飛艇等高空平臺進(jìn)行搭建空中基站方案[4]。

應(yīng)急通信需求多樣，現(xiàn)在可采用的方案也越來越多，搭建基于“空天地”協(xié)同的多種應(yīng)急通信方式成為可能[5]。本文分析了自然災(zāi)害過程中通信系統(tǒng)損毀及相應(yīng)補(bǔ)救方案，介紹了“空天地”應(yīng)急通信平臺搭載基站優(yōu)缺點(diǎn)對比和應(yīng)急通信場景各種回傳方案對比，最后介紹了應(yīng)急通信的發(fā)展趨勢和方向。

1 應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

移動(dòng)通信網(wǎng)包括：無線接入網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)三部分。在自然災(zāi)害過程中任何一部分出現(xiàn)故障都會(huì)導(dǎo)致無線通信中斷，為了快速恢復(fù)通信，需采用有效、有針對性措施。

1.1 移動(dòng)通信網(wǎng)故障點(diǎn)分析

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中無線接入網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)三個(gè)部分在自然災(zāi)害中損毀的概率和影響差異較大，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及故障點(diǎn)如圖1 所示：

圖1 無線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及故障點(diǎn)

無線接入網(wǎng)即分布廣泛的無線基站。在自然災(zāi)害中，基站可能由于電力中斷、鐵塔倒塌、設(shè)備損毀等原因?qū)е峦朔?，基站?shù)量較大，故損毀概率也大，但基站屬于末端設(shè)備，損毀后只影響其覆蓋區(qū)域業(yè)務(wù)，所以基站損毀的風(fēng)險(xiǎn)為中等。

承載網(wǎng)為基站連接核心網(wǎng)的部分，不僅分布極廣泛，所處環(huán)境也復(fù)雜，極易受到自然災(zāi)害影響破壞。承載網(wǎng)干線損毀，影響范圍較大，支線承載網(wǎng)損毀影響范圍小，會(huì)導(dǎo)致使用該部分傳輸網(wǎng)絡(luò)的基站無法正常工作。

運(yùn)營商核心網(wǎng)的服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備一般都部署在機(jī)房，且會(huì)進(jìn)行異地容災(zāi)備份操作，核心網(wǎng)完全損毀的概率較低，但核心網(wǎng)一旦損毀，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓，影響范圍極廣。

無線通信網(wǎng)絡(luò)在自然災(zāi)害過程中，較容易損毀的是無線接入網(wǎng)和承載網(wǎng)，所以，在恢復(fù)無線通信時(shí)也主要是針對這兩部分的恢復(fù)。

1.2 空天地協(xié)同應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

應(yīng)急通信需要多種技術(shù)相結(jié)合、相互補(bǔ)充、相互協(xié)同來快速恢復(fù)應(yīng)急通信系統(tǒng)。特別是隨著衛(wèi)星和無人機(jī)的快速發(fā)展，使得空天地協(xié)同的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)也成為了可能，在越來越多的應(yīng)急通信中發(fā)揮重要作用[6]，空天地協(xié)同應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 空天地協(xié)同應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

天基通信主要使用通信衛(wèi)星替代有線傳輸恢復(fù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，由于衛(wèi)星在空中，覆蓋面積廣，不受道路損毀影響，是特殊場景下最可使用的傳輸方案。隨著技術(shù)的發(fā)展，3GPP和不少機(jī)構(gòu)都對NTN[1]（Non-Terrestrial Network，非地面網(wǎng)絡(luò)）[2]有較高的研究興趣[3]，未來有望實(shí)現(xiàn)普通手機(jī)可直連通信衛(wèi)星進(jìn)行通信[4]。

空基通信主要借助于固定翼無人機(jī)、直升機(jī)和系留式無人機(jī)、高空飛艇和平流層飛艇等多種空中平臺搭建空中基站，實(shí)現(xiàn)無線接入網(wǎng)快速恢復(fù)。

地基通信主要借助應(yīng)急通信車、游牧式基站、背包基站等方式快速恢復(fù)無線通信。運(yùn)營商為了防止基站和傳輸在自然災(zāi)害中損毀，還會(huì)建設(shè)部分超級基站。超級基站傳輸方案上采用有線和衛(wèi)星備份，基建上能夠抗臺風(fēng)、抗地震等自然災(zāi)害，電源上也采用蓄電池和油機(jī)備份，建設(shè)位置上一般選址高處，既能防洪澇，又能擴(kuò)大覆蓋范圍。通過多種手段增強(qiáng)的超級基站比普通基站抗自然災(zāi)害能力更強(qiáng)，也作為自然災(zāi)害后通信的一部分。

2 應(yīng)急通信解決方案

在恢復(fù)無線接入網(wǎng)和承載網(wǎng)的過程中主要涉及應(yīng)急通信平臺選擇、回傳方案和供電方案幾個(gè)方面。

2.1 應(yīng)急通信平臺選擇

應(yīng)急通信車具有機(jī)動(dòng)性高、運(yùn)用靈活、調(diào)度方便、自備電源、可搭載衛(wèi)星回傳等特點(diǎn)，成為在應(yīng)急通信時(shí)首先的方案。應(yīng)急通信車包含車輛部分、車載部分和監(jiān)控部分，其中車載部分包含電源、通信設(shè)備、天線桅桿等滿足應(yīng)急通信需求[1]。

應(yīng)急通信車功能完備，但成本相對較高，游牧式基站簡化應(yīng)急通信車功能，采用普通的移動(dòng)車體、天線桅桿、室外機(jī)柜，再搭配無線通信設(shè)備組成小型應(yīng)急基站。游牧式基站體積小、運(yùn)輸方便、采購和維護(hù)成本低，是應(yīng)急通信車的一種有效補(bǔ)充手段。

自然災(zāi)害發(fā)生后，經(jīng)常會(huì)伴隨道路損毀的問題，一般通信車無法抵達(dá)現(xiàn)場。背包基站是一種較好的解決方案，組成基站的BBU（Baseband Unit，基帶處理單元）和RRU（Remote Radio Unit，射頻拉遠(yuǎn)單元）可以是一體化設(shè)備，使用一個(gè)背包運(yùn)輸，也可采用分體設(shè)備，使用兩個(gè)背包分別運(yùn)輸。

無人機(jī)作為一種空中平臺，可以搭載不同設(shè)備，比如紅外遙感設(shè)備、照相設(shè)備、基站設(shè)備等進(jìn)行多種應(yīng)用。無人機(jī)搭載空中基站對地覆蓋救災(zāi)時(shí)，存在兩個(gè)瓶頸：續(xù)航時(shí)長短、載荷能力低。為增加續(xù)航時(shí)長，可采用系留纜為無人機(jī)供電；為解決載重能力，系留無人機(jī)一般搭載Pad RRU 設(shè)備，通過系留光纜和地面BBU 通信。系留無人機(jī)基站通過系留光電混合纜解決了無人機(jī)兩個(gè)瓶頸問題，但由于系留光電混合纜存在，系留無人機(jī)空中基站不能夠自由移動(dòng)，只能定點(diǎn)懸停。

固定翼無人機(jī)載重能力大、飛行高度高，可同時(shí)搭載基站的BBU、RRU、天線和電源設(shè)備。固定翼無人機(jī)搭載空中基站[5]，擺脫了系留式無人機(jī)光電混合纜的羈絆，能夠靈活地飛行到目的區(qū)域，但固定翼無人機(jī)起飛需固定跑道、申請飛行空域、成本相對較高、飛行時(shí)長相對較短，且固定翼無人機(jī)只能在空中盤旋，覆蓋效果相對較差，故主要在道路損毀后其他應(yīng)急通信方式不可用時(shí)使用[2]。

無人直升機(jī)和有人直升機(jī)載重能力基本能達(dá)到100 kg以上，可以滿足將BBU和RRU 同時(shí)搭載的要求。起飛無需固定跑道，可采用衛(wèi)星回傳、Relay 回傳等無線回傳方案，實(shí)現(xiàn)機(jī)載基站和核心網(wǎng)的連接。直升機(jī)一般飛行時(shí)長也相對較短，大概3～5 小時(shí)左右。

高空飛艇駐空時(shí)間長、載荷能力強(qiáng)，可同時(shí)搭載RRU、AAU（Active Antenna Unit，有源天線單元）等設(shè)備，也是應(yīng)急通信空中平臺的一種選擇[6]?？罩酗w艇包括：飛艇囊體、空中系留系統(tǒng)、地面錨泊系統(tǒng)等組成[7]。上述多種應(yīng)急通信平臺的對比分析，如表1 所示。

表1 多種應(yīng)急通信平臺對比

上述多種應(yīng)急通信平臺并不是獨(dú)自工作，根據(jù)實(shí)際情況可以選擇多種應(yīng)急通信平臺協(xié)同配合，形成空天地一體化協(xié)同方案。比如地面游牧式基站為空中機(jī)載基站提供Relay 回傳等。

除上述應(yīng)急通信平臺外，NTN 主要平臺包括衛(wèi)星和HAPS（High Altitude Platform Station，高空平臺[14]）。平流層位于地表上方10～50 km，HAPS 平臺一般工作在20～50 km 高度，平流層飛艇無系留纜，可較長時(shí)間駐留空中，負(fù)載能力也較強(qiáng)。但平流層20 km 處溫度低于-66.5 ℃～78.4 ℃，氣壓僅相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)氣壓的5.7%～8.5%，低溫低壓使得通信基站系統(tǒng)面臨器件被擊穿、設(shè)備無法啟動(dòng)和無法散熱等問題，需要研究新技術(shù)來解決這些問題。平流層HAPS[15]平臺無法懸停不變，對無線回傳方案[16]也提出了較高要求?？刹捎脛?dòng)中通衛(wèi)星、微波通信和激光通信[17]等回傳方案，為了對抗HAPS 平臺的移動(dòng)，需使用伺服系統(tǒng)控制天線方向[18]，但也存在回傳天線無法對準(zhǔn)導(dǎo)致回傳鏈路中斷的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 應(yīng)急通信回傳方案

隨著4G和5G 空口容量大幅提升，對傳輸網(wǎng)絡(luò)帶寬要求更大。一般情況基站采用光纖回傳方案，所以，光纖回傳是應(yīng)急通信基站首選回傳方案，但光纖回傳在自然災(zāi)害的過程中極易損毀，造成無線通信網(wǎng)絡(luò)中斷。

衛(wèi)星回傳覆蓋廣，信關(guān)站異地備份基本不受自然災(zāi)害影響，能夠快速恢復(fù)回傳網(wǎng)絡(luò)，并且也能夠?yàn)榭罩谢咎峁o線回傳方案[19]。衛(wèi)星回傳對宏站和微站采用不同的配置方案，宏基站通過衛(wèi)星接入核心網(wǎng)時(shí)，衛(wèi)星采用二層模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，衛(wèi)星的運(yùn)行中心需要和運(yùn)營通過專線連接。宏基站采用衛(wèi)星回傳方案如圖3 所示。

圖3 宏站通過衛(wèi)星回傳

微基站通過衛(wèi)星接入核心網(wǎng)時(shí)，衛(wèi)星采用三層模式接入互聯(lián)網(wǎng)，需要部署一臺微站網(wǎng)關(guān)，作為微基站接入運(yùn)營商核心網(wǎng)的匯聚節(jié)點(diǎn)。由于使用了互聯(lián)網(wǎng)，微站和微站網(wǎng)關(guān)可建立IPSec 隧道來保證數(shù)據(jù)傳輸安全。微基站采用衛(wèi)星回傳方案如圖4 所示。

圖4 微站通過衛(wèi)星回傳

無線回傳方案中，除了衛(wèi)星回傳外還有Relay 回傳方案。Relay 回傳使用5G 為5G/4G 提供無線回傳，宿主基站在為普通用戶提供業(yè)務(wù)的同時(shí)，還能夠?yàn)镽elay 基站提供無線回傳，為了避免宿主基站和Relay 基站間干擾，需要異頻組網(wǎng)，Relay 回傳方案網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖5 所示。該方案非3GPP 標(biāo)準(zhǔn)方案，3GPP 也在研究5G 無線中繼技術(shù)IAB（Integrated Access and Backhaul，接入回傳一體化），但I(xiàn)AB 對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)變動(dòng)較大，當(dāng)前產(chǎn)業(yè)鏈也不太成熟[20]。

圖5 Relay回傳網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

Internet 網(wǎng)絡(luò)覆蓋全面，速率也逐步提升，具備傳輸條件。在Internet 做回傳方案時(shí)，需要部署一臺基站網(wǎng)關(guān)設(shè)備，基站和基站網(wǎng)關(guān)建立VPN 隧道，基站的數(shù)據(jù)都封裝到VPN 隧道中發(fā)送到基站網(wǎng)關(guān)，再由基站網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)到核心網(wǎng)，Internet 回傳方案如圖6 所示。

圖6 互聯(lián)網(wǎng)回傳方案

多種回傳方案的使用場景，優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)的對比如表2所示。

表2 多種回傳方案對比

2.3 應(yīng)急通信電源方案

在應(yīng)急通信時(shí)，市電正常情況下，優(yōu)先使用市電對設(shè)備進(jìn)行供電。市電損毀時(shí)，可以考慮使用鋰電池、油機(jī)等方式進(jìn)行供電。對于固定翼無人機(jī)、直升機(jī)等應(yīng)急通信平臺，在空中飛行無法使用市電的情況，可考慮鋰電池等方式對機(jī)載設(shè)備進(jìn)行供電。多種供電方案的對比如表3 所示。

表3 供電方案對比

3 應(yīng)急通信演進(jìn)方向

隨著技術(shù)的發(fā)展和國家對應(yīng)急通信的重視，更多的新技術(shù)和新方案會(huì)越來越多地應(yīng)用到應(yīng)急通信領(lǐng)域，應(yīng)急通信領(lǐng)域也有比較多的問題需要關(guān)注和進(jìn)一步研究。

3.1 非地面網(wǎng)

高空平臺搭載基站有覆蓋廣、不易損毀、不受地面環(huán)境限制的優(yōu)點(diǎn)，在應(yīng)急通信場景有著先天優(yōu)勢。衛(wèi)星基站和平流層飛艇HAPS 基站都有著很大的應(yīng)用空間，同時(shí)也都存在一些問題需要進(jìn)一步研究和解決。

3.2 多用戶接入

正常組網(wǎng)情況下，基站覆蓋范圍有限，除海面超遠(yuǎn)覆蓋外，一般基站覆蓋范圍在10 km 以內(nèi)，而在應(yīng)急通信場景下，多種空中平臺的應(yīng)用會(huì)擴(kuò)大基站覆蓋范圍，原有多個(gè)站點(diǎn)用戶都會(huì)接入到應(yīng)急通信基站，導(dǎo)致接入用戶數(shù)會(huì)成倍、成十倍量級增長。因此，在應(yīng)急通信場景下，基站如何吸納更多用戶是一個(gè)急需研究和解決的問題。

3.3 業(yè)務(wù)類型控制

隨著無線通信容量提升、智能手機(jī)發(fā)展，越來越多應(yīng)用發(fā)展起來，特別是視頻類應(yīng)用，對上下行容量都有較大需求。應(yīng)急通信基站取代了數(shù)個(gè)數(shù)十個(gè)基站，接入用戶數(shù)增加，但基站空口容量有限，為保證優(yōu)先級最高的語音和短信業(yè)務(wù)正常，需要研究對大容量需求類業(yè)務(wù)進(jìn)行限制，比如視頻回傳，以保障高優(yōu)先級業(yè)務(wù)。

3.4 多運(yùn)營商共享

應(yīng)急通信基站最好能夠同時(shí)支持多家運(yùn)營商用戶接入。由于空中應(yīng)急通信平臺承重能力有限，一套無線接入網(wǎng)需支持多運(yùn)營商共享，但由于各運(yùn)營商頻段差異，多運(yùn)營商可共享BBU，獨(dú)享或共享RRU 設(shè)備。需要在硬件設(shè)備能力上支持多運(yùn)營商頻段，在軟件上也能支持多運(yùn)營商開通。

4 結(jié)束語

本文介紹了智能手機(jī)普及后移動(dòng)支付、移動(dòng)消費(fèi)、移動(dòng)抗疫等都嚴(yán)重依賴無線通信網(wǎng)絡(luò)，在無線網(wǎng)絡(luò)因自然災(zāi)害等多種因素導(dǎo)致暫時(shí)故障后，及時(shí)開通應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的必要性和重要性，并分析了無線網(wǎng)絡(luò)中易受到損毀的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。分別對天基、空基和地基應(yīng)急通信平臺進(jìn)行了介紹和對比分析，也對多種基站回傳技術(shù)進(jìn)行了對比分析。針對不同的網(wǎng)絡(luò)損毀情況，需要采用適合應(yīng)急通信方案或空天地多種通信方案協(xié)同的應(yīng)急通信方案恢復(fù)無線通信網(wǎng)絡(luò)，有效解決自然災(zāi)害中無線網(wǎng)絡(luò)遭受破壞的問題。針對應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中存在的非地面網(wǎng)、多用戶接入、業(yè)務(wù)類型控制、多運(yùn)營商共享等問題還需要進(jìn)一步的研究和演進(jìn)。