胡楠，周雙波

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080）

淺析高空應(yīng)急通信體系的關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)架構(gòu)

胡楠，周雙波

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080）

在重大自然災(zāi)害及事件發(fā)生后，地面通信系統(tǒng)癱瘓、交通受阻，本文主要探討如何利用熱氣球等浮空器平臺(tái)，承載大容量基站，升空數(shù)千米，在受災(zāi)區(qū)域附近及上空為受災(zāi)地區(qū)提供地面通信覆蓋并確保移動(dòng)通信暢通的可行性方案。

應(yīng)急通信；浮空器；系留熱氣球；高空基站；空地傳輸

1 概述

為了加強(qiáng)各類自然災(zāi)害及突發(fā)事件情況下通信網(wǎng)絡(luò)保障能力，需要考慮多種手段相結(jié)合、立體化的多維聯(lián)動(dòng)應(yīng)急通信保障解決措施及解決方案，以中國(guó)移動(dòng)為代表的國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商積極開(kāi)展了應(yīng)急通信體系研究工作，分別提出了“天地一體應(yīng)急通信體系”和“區(qū)域空間應(yīng)急通信系統(tǒng)”，這兩個(gè)系統(tǒng)的研究都包含一個(gè)重要的內(nèi)容：構(gòu)建基于空中平臺(tái)的應(yīng)急通信系統(tǒng)，即高空基站系統(tǒng)，具有快速部署的能力，適應(yīng)各種重大災(zāi)情、適用于災(zāi)區(qū)多種復(fù)雜環(huán)境、兼容現(xiàn)有通信系統(tǒng)、保證救災(zāi)部門(mén)的指揮調(diào)度等需求。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

中國(guó)移動(dòng)的“天地一體應(yīng)急通信體系”（如圖1所示）提出了從空中到地面、平戰(zhàn)結(jié)合、固定與機(jī)動(dòng)相結(jié)合的多種方案協(xié)同工作的應(yīng)急通信體系。針對(duì)不同場(chǎng)景下應(yīng)急通信的需求，對(duì)多種應(yīng)急解決方案統(tǒng)籌部署，形成立體化、廣覆蓋、可擴(kuò)展的綜合應(yīng)急通信體系。

圖1 天地一體應(yīng)急通信體系

高空基站系統(tǒng)即通過(guò)氦氣艇、熱氣球等浮空器，升空數(shù)千米，承載大容量基站，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信廣覆蓋，主要應(yīng)用場(chǎng)景是災(zāi)害發(fā)生后地面交通全阻時(shí)，快速抵達(dá)受災(zāi)區(qū)域上空，確保移動(dòng)通信暢通。高空布放基站的主要特點(diǎn)有兩個(gè)，一是利用浮空器實(shí)現(xiàn)地面交通全阻時(shí)的快速布放，二是通過(guò)提升基站高度，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信廣覆蓋。高空基站系統(tǒng)應(yīng)解決下面幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

2.1 工作高度

目前美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家對(duì)平流層浮空器進(jìn)行了大量的研究，但都還沒(méi)有成功的應(yīng)用。包括我國(guó)在內(nèi)的很多國(guó)家在6 km以下的氦氣艇研究及應(yīng)用上獲得了很多經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)，綜合考慮高空基站的應(yīng)用需求，建議空中基站的工作高度為2 km以下。

2.2 空中載體

空中載體包括升空器和浮空器，無(wú)人機(jī)作為一種升空器，可以搭載高空基站系統(tǒng)。而浮空器是指利用輕于空氣的氣體來(lái)提供升力的航空器。依照工作原理，常見(jiàn)的浮空器包括氦氣球和熱氣球2種。

熱氣球（也稱熱氣艇）一般分為自由飛行熱氣球、動(dòng)力熱氣球及系留熱氣球3種，根據(jù)高空應(yīng)急通信系統(tǒng)的特點(diǎn)，建議選擇系留熱氣球作為浮空器的首選，其升空原理及部署便利性如下：

（1） 由液化氣燃燒加熱空氣提供升力，一般滯空時(shí)間為3～5 h，增加液化氣罐數(shù)量可增加滯空時(shí)間。

（2） 熱氣球運(yùn)輸便利，一般只需4～6名地勤人員。

（3） 系留熱氣球采用密閉加壓方式提高抗風(fēng)能力，通過(guò)地面錨泊車(chē)固定，根據(jù)系留纜繩長(zhǎng)度，升空可達(dá)數(shù)千米，采用系留方式增加穩(wěn)定性。

（4） 中國(guó)移動(dòng)聯(lián)合國(guó)內(nèi)主要熱氣球研發(fā)生產(chǎn)廠家，已經(jīng)研制開(kāi)發(fā)出幾代比較成熟的產(chǎn)品，最新的產(chǎn)品從穩(wěn)定性及留空時(shí)間上都較早期產(chǎn)品有很大提升。目前優(yōu)化后的系留熱氣球呈艇狀外形，結(jié)構(gòu)密閉，并采用新型加熱器等技術(shù)，提高了抗風(fēng)能力，增加有效載荷及滯空時(shí)間。

2.3 傳輸及供電

為了獲得穩(wěn)定而持續(xù)的覆蓋效果，傳輸方式及供電系統(tǒng)的選擇是高空應(yīng)急系統(tǒng)必須要考慮的問(wèn)題。通常情況下，大容量（72個(gè)載頻）基站傳輸帶寬需求至少在11～16 Mbit/s之間，目前能夠滿足要求的傳輸方式主要有McWiLL寬帶無(wú)線接入、動(dòng)中通衛(wèi)星系統(tǒng)和光纖等幾種方式，滿足高空基站供電要求的主要有地面高壓供電（三合一纜繩）和艇上油機(jī)供電兩種方式。主要指標(biāo)比較如表1所示。

綜合考慮傳輸、供電解決方案，通過(guò)對(duì)各系統(tǒng)重量、接入帶寬、滯空時(shí)間、安全性、成本等方面的比較分析，McWiLL+艇上油機(jī)供電的方案系統(tǒng)總重量較輕、成本低、防雷性能好，經(jīng)過(guò)外場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證能夠滿足高空基站傳輸、供電要求，建議將其作為定制高空基站的主要傳輸和供電方案。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)圖

高空基站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括空中部分、地面部分、BSC/RNC、核心網(wǎng)部分。

空中部分由高空載體搭載基站設(shè)備、基站天線、艇地連接設(shè)備組成。其中高空載體為氦氣艇或熱氣艇；基站設(shè)備為GSM或TD-SCDMA基站；基站天線可以是吸頂天線、全向天線或定向天線；艇地連接設(shè)備可為光纖連接方式或?yàn)槠渌麩o(wú)線傳輸方式。

表1 地面高壓供電（三合一纜繩）和艇上油機(jī)供電指標(biāo)比較表

圖2 高空基站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系留方式高空基站空中部分通過(guò)系留纜繩固定在地面。

地面部分由地面錨泊高空載體的錨泊系統(tǒng)、用于艇地連接的傳輸設(shè)備、用于與核心網(wǎng)連接的地面?zhèn)鬏斣O(shè)備組成。與核心網(wǎng)連接的地面?zhèn)鬏斣O(shè)備可以為光纖傳輸設(shè)備，也可以是通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行傳輸接入核心網(wǎng)的傳輸設(shè)備。

核心網(wǎng)部分包括MSC、HLR等網(wǎng)元以及對(duì)應(yīng)的地面?zhèn)鬏斣O(shè)備。

高空載體也可以搭載動(dòng)中通設(shè)備直接通過(guò)衛(wèi)星與核心網(wǎng)部分連接。

3.2 浮空平臺(tái)系統(tǒng)（空中部分）

浮空平臺(tái)系統(tǒng)（空中部分）如圖3所示。所有設(shè)備采取等電位連接方式，保證整個(gè)系統(tǒng)為等勢(shì)體，必要時(shí)安裝防雷模塊或防雷器等措施進(jìn)行防雷處理。

3.2.1 基站分系統(tǒng)

為了適應(yīng)高空通信作業(yè)要求，基站系統(tǒng)應(yīng)滿足如下技術(shù)要求：

針對(duì)GSM系統(tǒng)而言，為降低高空基站部署時(shí)對(duì)地面系統(tǒng)的干擾，建議高空基站采用1 800 MHz頻段；

為實(shí)現(xiàn)整體設(shè)備艙輕型化模塊化，建議定制為輕型機(jī)框并使用機(jī)架式MCPA設(shè)備；

綜合考慮各類架間電纜的安裝便利性及穩(wěn)定性，不同機(jī)架間應(yīng)能實(shí)現(xiàn)良好的固定連接；

設(shè)備艙設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮通信設(shè)備的電磁兼容性以及環(huán)境適應(yīng)性，特別是高空環(huán)境下的溫、濕度適應(yīng)性（設(shè)備工作環(huán)境要求：環(huán)境溫度-20 ℃～50 ℃，相對(duì)濕度 5%～95%）；預(yù)留與載荷艙的加固連接點(diǎn)。

3.2.2 供電分系統(tǒng)

艇上油機(jī)供電方案，即由艇上單相汽油機(jī)和艇上開(kāi)關(guān)電源組成供電系統(tǒng)。艇上油機(jī)供電方式成本低，防雷性能好，重量相對(duì)較輕，建議采用艇上油機(jī)供電方式，通過(guò)定制小型化、低干擾開(kāi)關(guān)電源及輕型油機(jī)，降低電源設(shè)備重量和體積。

3.2.3 傳輸分系統(tǒng)

（1）艇地傳輸- McWill方案

McWiLL（Multi-Carrier Wireless Information Local Loop，多載波無(wú)線信息本地環(huán)路）是國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的移動(dòng)寬帶無(wú)線接入（BWA）系統(tǒng)，可以同時(shí)支持語(yǔ)音業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、多媒體業(yè)務(wù)，McWiLL單基站占用5 MHz的載頻帶寬，最高吞吐量為20 Mbit/s，終端最高吞吐量為3 Mbit/s，最多能支持并發(fā)300路語(yǔ)音，是語(yǔ)音數(shù)據(jù)一體化的寬帶多媒體無(wú)線接入系統(tǒng)。2008年12月，工信部國(guó)家無(wú)線電管理局發(fā)布無(wú)[2008]332號(hào)文件，McWiLL系統(tǒng)符合該文件對(duì)1 800 MHz無(wú)線接入頻段的使用要求。

目前該技術(shù)已經(jīng)較為成熟，而且重量、成本均較低，經(jīng)過(guò)外場(chǎng)測(cè)試初步驗(yàn)證能夠滿足高空基站傳輸要求，因此，建議高空基站系統(tǒng)采用McWiLL作為空地傳輸手段。

圖3 系統(tǒng)總體框圖

（2）地面?zhèn)鬏?/p>

地面可通過(guò)衛(wèi)星鏈路與衛(wèi)星通信主站以及相應(yīng)的地面電路接入IP化BSC/RNC。如部署點(diǎn)位置具備光纖或微波傳輸鏈路，也可優(yōu)先考慮接入本地BSC/RNC。

3.2.4 天線系統(tǒng)

以GSM系統(tǒng)為例，當(dāng)使用高空基站時(shí)，目標(biāo)覆蓋區(qū)域在高空基站載體下方幾十公里的范圍內(nèi)，同時(shí)浮空器載體懸浮在空中會(huì)以很小的角速度旋轉(zhuǎn)，以保持相對(duì)平穩(wěn)。如果采用全向天線，能夠保證無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的穩(wěn)定性考慮，但應(yīng)考慮覆蓋范圍過(guò)大引起基站擁塞問(wèn)題。當(dāng)采用36載頻，在不采用外置合路器條件下，天線數(shù)量為6根全向天線；當(dāng)采用72載頻，在不采用外置合路器條件下，天線數(shù)量為12根全向天線。為有效克服塔下黑問(wèn)題（零點(diǎn)衰落），全向天線應(yīng)選用帶零點(diǎn)填充功能（天線倒裝，需要上波瓣的零點(diǎn)填充）的全向天線，考慮一定電上傾角及遠(yuǎn)程控制，有效增強(qiáng)地面覆蓋。

3.3 錨泊系統(tǒng)（地面部分）

熱氣飛艇依靠錨泊系統(tǒng)系留在地面，錨泊系統(tǒng)還用于熱氣飛艇的收放、牽引等功能。錨泊系統(tǒng)使用電動(dòng)絞盤(pán)形式，整個(gè)錨泊系統(tǒng)以錨泊車(chē)為主體，具有自動(dòng)排纜功能。

系留熱氣浮空平臺(tái)依靠錨泊系統(tǒng)系留在地面，錨泊車(chē)系統(tǒng)通過(guò)操縱主纜繩和艇頭牽引繩，能夠使系留熱氣飛艇處于合理位置并根據(jù)需要進(jìn)行不同位置的更換。由于熱氣飛艇在風(fēng)中阻力系數(shù)較大，系留過(guò)程中抗風(fēng)能力較差，如何利用錨泊系統(tǒng)處理好釋放、回收速度，對(duì)提高整個(gè)系統(tǒng)的安全性和實(shí)用性具有很大的作用。

4 系統(tǒng)部署原則

在發(fā)生重大災(zāi)情后的高空應(yīng)急通信系統(tǒng)快速部署，首要選擇距離覆蓋區(qū)域15～30 km范圍內(nèi)的地點(diǎn)，如果距離過(guò)遠(yuǎn)，則受基站及天線發(fā)射功率限制將無(wú)法保證覆蓋質(zhì)量，其次，由于目前系留熱氣球的升空高度有限，所以應(yīng)盡量選擇與覆蓋區(qū)域海拔相當(dāng)且之間沒(méi)有高山阻擋的地點(diǎn)進(jìn)行部署，最后，氣象條件對(duì)系統(tǒng)的影響也很大，如果空中瞬時(shí)風(fēng)速超過(guò)5級(jí)（10 m/s）或是較大雨雪天氣，目前的系統(tǒng)將無(wú)法完成升空作業(yè)，另外，不同海拔高度對(duì)系統(tǒng)的留空時(shí)間也有影響，海拔越高則熱氣球的留空時(shí)間也相應(yīng)縮短，艇上油機(jī)的能效也會(huì)有所下降，故部署時(shí)必須充分考慮。

5 結(jié)束語(yǔ)

高空應(yīng)急通信系統(tǒng)是一項(xiàng)能夠解決由于突發(fā)災(zāi)害或事件造成的移動(dòng)通信大范圍斷網(wǎng)的創(chuàng)新解決方案，構(gòu)建了一種基于空中平臺(tái)的轉(zhuǎn)信通信系統(tǒng)，不僅具有快速部署的能力、適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境，而且是兼容現(xiàn)有通信系統(tǒng)、保證救災(zāi)部門(mén)指揮調(diào)度的新型應(yīng)急通信系統(tǒng)，所以是十分必要的。

Key technology and system architecture of high-altitude emergency communication system

HU Nan, ZHOU Shuang-bo
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

The ground communication system and traffc is blocked after the natural disasters and the incident, this paper mainly discusses feasible solutions that how to use helium ship, hot air balloon, aerostat and so on carrying capacity of base station, levitating several kilometers, to provide ground communication coverage for the affected areas in the affected region near, ensuring the smooth flow of mobile communications.

emergency communication; aerostat; tethered balloon; high-altitude station; air-ground transmission

TN915

A

1008-5599（2014）01-0057-04

2013-10-12