周 洋，趙旭毅

(1.中國人民武裝警察部隊工程大學(xué) 信息工程學(xué)院，西安 710086；2.中國人民武裝警察部隊工程大學(xué) 軍事基礎(chǔ)教育學(xué)院，西安 710086)

0 引言

我國是個幅員遼闊的國家，每年因自然災(zāi)害造成的損失是巨大的，地震往往會帶來余震、泥石流、堰塞湖等次生災(zāi)害，給人們生命財產(chǎn)帶來巨大隱患，黃金72小時救援顯得至關(guān)重要，然而地震往往會造成光纜中斷、基站等設(shè)備受損導(dǎo)致通信不暢，應(yīng)急通信旨在突發(fā)事件后提供一套靈活穩(wěn)定的通信系統(tǒng)。文獻(xiàn)[1-3]分別介紹了“動中通”、高空應(yīng)急通信以及無線自組網(wǎng)在不同應(yīng)急通信場景下的應(yīng)用。文獻(xiàn)[4]提出構(gòu)造天地一體化應(yīng)急指揮通信網(wǎng)絡(luò)，利用衛(wèi)星、蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)以及無線局域網(wǎng)分別構(gòu)造廣域傳輸網(wǎng)、現(xiàn)場指揮調(diào)度網(wǎng)絡(luò)以及救援自組織網(wǎng)絡(luò)，但具體實施辦法未進(jìn)行明確。文獻(xiàn)[5]提出一個以地面、小范圍、大范圍分層分別采取設(shè)備到設(shè)備、無人機(jī)中轉(zhuǎn)、衛(wèi)星通信方式的空天一體化應(yīng)急通信系統(tǒng)，該模型能夠提供高容量、穩(wěn)定的通信鏈路。文獻(xiàn)[6]介紹了無人機(jī)應(yīng)急移動通信方案，該方案是利用無人機(jī)中繼通信平臺，通過與地面移動通信網(wǎng)以及衛(wèi)星網(wǎng)進(jìn)行通信鏈接為災(zāi)區(qū)進(jìn)行通信保障。文獻(xiàn)[7]指出社交媒體受地震影響較小，應(yīng)用廣泛，傳播迅速，相關(guān)機(jī)構(gòu)可以利用傳播知識，應(yīng)對災(zāi)害。

文章在前人研究的基礎(chǔ)上，提出分層應(yīng)急通信保障策略，該策略是基于震后災(zāi)區(qū)模型進(jìn)行應(yīng)急通信保障，依照震后烈度圖、人口密度圖以及無人機(jī)中繼通信覆蓋直徑把災(zāi)區(qū)模型分成邊緣層和核心層，各層之間采取不同的通信保障方式，達(dá)到集約高效。

1 災(zāi)區(qū)通信保障模型構(gòu)建

地震、海嘯、臺風(fēng)、泥石流等自然災(zāi)害發(fā)生后，災(zāi)區(qū)道路受損，基站設(shè)備損壞，光纖中斷，導(dǎo)致災(zāi)區(qū)成為通信盲區(qū)。為了搶占黃金72小時，保障災(zāi)區(qū)群眾通信需求，需要第一時間建立起通信鏈路。災(zāi)區(qū)通信保障模型是基于災(zāi)區(qū)通信環(huán)境所建立的模型，該模型受地震烈度、無人機(jī)中繼通信覆蓋直徑以及人口密度等因素的影響。地震烈度是測算出模型覆蓋范圍的快速有效方法，常用來描述地震對人、建筑、自然環(huán)境影響的強(qiáng)弱程度，它受震級、距離、地質(zhì)結(jié)構(gòu)等多方面因素的影響，一般情況下，離震源越近，烈度越大，它的等級越高，基站等通信設(shè)備受損越嚴(yán)重。中國對烈度等級進(jìn)行劃分,分成12個等級，從Ⅰ到Ⅻ級，Ⅶ級以上就會導(dǎo)致地表出現(xiàn)裂縫，牌坊，煙囪損壞，通信設(shè)備受損導(dǎo)致區(qū)域成為通信盲區(qū)，具體是Ⅶ級以上通信設(shè)備受損嚴(yán)重，蜂窩移動通信中斷，需要進(jìn)行通信保障。烈度評定結(jié)果有助于迅速掌握災(zāi)情，文獻(xiàn)[8]中指出地震烈度快速評估可以通過烈度衰減規(guī)律模型進(jìn)行。依據(jù)無人機(jī)的覆蓋直徑d，結(jié)合不同的通信保障方式，把災(zāi)區(qū)劃分為邊緣層和核心層，其中從通信盲區(qū)邊界及以內(nèi)d范圍內(nèi)劃分成邊緣層，邊緣層以內(nèi)劃為核心層，邊緣層采取無人機(jī)加LTE通信保障模式，核心層利用應(yīng)急通信指揮車、短波電臺通信方式。人口密度越大，話務(wù)量需求越大，優(yōu)先等級就越高，是通信保障的重點區(qū)域，在無人機(jī)巡航和路線規(guī)劃需要重點考慮。

2 分層應(yīng)急通信保障體系實施

依據(jù)災(zāi)區(qū)模型，劃分邊緣層和核心層，各層采取不同的通信保障方式。具體是衛(wèi)星通信負(fù)責(zé)骨干通信及偏遠(yuǎn)通信，無人機(jī)中繼通信在邊緣層負(fù)責(zé)災(zāi)區(qū)通信保障，短波電臺及應(yīng)急通信車在核心層進(jìn)行補(bǔ)充。衛(wèi)星通信雖然不受地理環(huán)境影響，但帶寬受限，時延大，終端設(shè)備昂貴[9]，不能滿足災(zāi)區(qū)大量群眾通信需求，只能適用于特定通信需求。無人機(jī)中繼通信是在無人機(jī)上搭載空中基站，通過衛(wèi)星鏈路或蜂窩移動網(wǎng)鏈路達(dá)到對災(zāi)區(qū)進(jìn)行大范圍通信覆蓋。無人機(jī)進(jìn)行邊緣部署的考慮是一方面能夠鏈接蜂窩移動網(wǎng)，為災(zāi)區(qū)群眾提供大范圍穩(wěn)定的通信信號，另一方面是毗鄰正常工作區(qū)，有利于搶險救援隊伍第一時間實施救援，為進(jìn)入災(zāi)區(qū)核心部位開展救援創(chuàng)造條件。隨著無人機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，無人機(jī)中繼通信技術(shù)走向成熟，2020年9月25日，翼龍2無人機(jī)冒雨從貴州安順機(jī)場起飛，在無信號的四川木里地區(qū)構(gòu)建了空天地一體化應(yīng)急通信平臺。短波電臺的通信自主性強(qiáng)、容災(zāi)性高、受地震影響較小，適應(yīng)于最低限度通信。應(yīng)急通信車開通迅速、運(yùn)用靈活、調(diào)度方便，能夠提供語音調(diào)度、視頻會議以及無線組網(wǎng)等功能。

為了做好分層應(yīng)急通信保障，需要未雨綢繆，在災(zāi)害發(fā)生之前，完善地震高危地區(qū)通信設(shè)施器材的保障，主要是在鎮(zhèn)一級政府配備衛(wèi)星移動手機(jī)，在學(xué)校、車站、機(jī)場等人流量密集的地方配備短波電臺和無線自組網(wǎng)，在縣以上單位根據(jù)轄區(qū)規(guī)模配備足夠的衛(wèi)星應(yīng)急通信車，在地震高危地區(qū)周邊機(jī)場部署搭載空中基站的翼龍2無人機(jī)作為備用。當(dāng)發(fā)生地震災(zāi)害后，應(yīng)迅速調(diào)集各類通信資源，按照分層應(yīng)急通信保障策略實施保障。具體流程圖如圖1。

(a)通信器材保障 (b)應(yīng)急通信保障實施

地震發(fā)生后，迅速啟動應(yīng)急通信響應(yīng)機(jī)制，協(xié)同地震局通過遙控衛(wèi)星和實測掌握地震烈度圖，估測通信需要覆蓋的區(qū)域，并對災(zāi)區(qū)區(qū)域進(jìn)行分層。協(xié)調(diào)周邊可用機(jī)場做好無人機(jī)通信中繼保障任務(wù)準(zhǔn)備工作。

無人機(jī)的部署數(shù)量應(yīng)根據(jù)地震烈度Ⅶ度以上地區(qū)范圍和無人機(jī)中繼通信覆蓋范圍計算得出。地震烈度圖在近場一般呈橢圓形，遠(yuǎn)場逐漸成為圓形[10]，不失一般性用橢圓表示，如圖2所示，烈度值I越高，地震破壞性越大。橢圓的長、短軸分別用ai和bi(i=1…n)。為方便起見，用相同長度寬度分別為ai和bi的長方形近似代替橢圓，來表示地震受災(zāi)區(qū)域。

圖2 地震烈度模型

無人機(jī)中繼平臺的通信覆蓋區(qū)域與攜帶通信設(shè)備功率和飛行高度有關(guān)。地面接收信號平均功率可以由式(1)表示：

(1)

其中pt表示無人機(jī)發(fā)射功率，Gt、Gr分別表示發(fā)射和接受天線增益，ΔL表示為自由空間損耗，d為通信距離，f為電磁波工作頻率。無人機(jī)中繼通信覆蓋半徑可由式(2)計算[11]:

(2)

其中R是地球半徑，T為接收端等效噪聲溫度，K是玻爾茲曼常數(shù)，γ0是接收端最低信噪比門限，Rb表示信息傳輸速率。

為了討論一般情況，假設(shè)災(zāi)區(qū)人口密度是均勻分布，每個地區(qū)都需要通信保障，為了確定無人機(jī)部署數(shù)量，首先需要確定無人機(jī)覆蓋模型，假設(shè)無人機(jī)攜帶是全向天線，則覆蓋區(qū)域是個圓形，由圖3和表1可知，當(dāng)無人機(jī)覆蓋區(qū)域近似用正六邊形覆蓋時[12]，同等覆蓋區(qū)域所需的無人機(jī)覆蓋數(shù)量最少。

圖3 無人機(jī)覆蓋模型等效圖

覆蓋形狀正三角形正方形正六邊形領(lǐng)區(qū)距離r2r3r轄區(qū)面積1.3r22r22.6r2交疊區(qū)寬度r0.59r0.27r交疊區(qū)面積1.2πr20.73πr20.35πr2

為了精確算出無人機(jī)部署數(shù)量，首先要根據(jù)邊緣層區(qū)域大小來估算，設(shè)烈度Ⅶ級以上區(qū)域長度為a，寬度為b，一般情況下，破壞性地震烈度的寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無人機(jī)的覆蓋直徑r，即b≥2r，如圖4所示。

圖4 無人機(jī)覆蓋模型

則需要覆蓋的無人機(jī)數(shù)量為：

(3)

對于無人機(jī)覆蓋不了的區(qū)域，則利用通信指揮車，通過衛(wèi)星鏈路，構(gòu)成點對點通信，短波電臺不依賴于基礎(chǔ)通信設(shè)施，容災(zāi)性強(qiáng)，可以在人口密集的地區(qū)作為最低通信保障方式使用，向外界傳遞信息。整個分層通信保障如圖5所示。

圖5 分層通信保障示意圖

3 分層應(yīng)急通信保障的優(yōu)點

1)集約高效，各類通信鏈路不會受到干擾。分層應(yīng)急通信是依據(jù)災(zāi)區(qū)不同的通信業(yè)務(wù)需求，結(jié)合空中基站通信技術(shù)，對災(zāi)區(qū)模型劃分成核心層以及邊緣層，各層之前采取不同的通信保障策略，提升應(yīng)急通信保障效益。衛(wèi)星通信因為帶寬受限，接入數(shù)量受限等因素，不能滿足災(zāi)區(qū)大量群眾話務(wù)量需求[13]，但其保密性強(qiáng)，適合于救災(zāi)通信指揮、定點通信的需求。無人機(jī)攜帶空中基站，通過鏈接蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)，迅速在災(zāi)區(qū)邊緣構(gòu)建大規(guī)模應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，能夠為災(zāi)區(qū)群眾持續(xù)穩(wěn)定提供高速率的語音、圖像、網(wǎng)絡(luò)等業(yè)務(wù)需求，又能夠為救援分隊提供地理位置信息，且覆蓋區(qū)域廣闊，有利于第一時間開展大范圍救援活動。短波電臺，不依賴于基礎(chǔ)通信設(shè)備，能夠在震中區(qū)域第一時間向外界傳輸信號，具有很強(qiáng)的容災(zāi)性。

2)不受復(fù)雜地形地貌限制，部署快速便捷[14]。翼龍2無人機(jī)，最大飛行高度可達(dá)9 km，且最快速度能達(dá)370 km/h，在災(zāi)區(qū)臨近機(jī)場起飛，1小時內(nèi)即能夠飛抵災(zāi)區(qū)上空，組建臨時移動通信網(wǎng)，且翼龍2無人機(jī)續(xù)航時間能達(dá)到20小時，能夠持續(xù)為災(zāi)區(qū)提供通信保障。相對于傳統(tǒng)地面無線通信方式，翼龍2無人機(jī)攜帶基站飛入高空，不受地球曲率、建筑物、山脈等障礙物影響，同時可以避免地表障礙物對通信鏈路的阻擋，降低了地表建筑物、地貌等引起的多徑衰落效應(yīng)[15]，從而建立起穩(wěn)定的通信鏈路。

3)機(jī)動靈活，操作便捷，能避免次生地質(zhì)災(zāi)害的影響。無人機(jī)中繼通信能夠根據(jù)不同的災(zāi)區(qū)環(huán)境情況靈活調(diào)整部署范圍，另外無人機(jī)操作模塊化，相對簡單，不受災(zāi)區(qū)交通、電力中斷、余震等次生災(zāi)害的影響。

4 分層應(yīng)急通信存在的技術(shù)難點

分層應(yīng)急通信的核心是無人機(jī)空中中繼通信，主要存在以下難點：

1)固定翼無人機(jī)需要在空中盤旋，盤旋時無人機(jī)覆蓋區(qū)域會發(fā)生變化，邊緣覆蓋部位信號不穩(wěn)定，另外相鄰區(qū)域無人機(jī)覆蓋區(qū)域會發(fā)生疊加，加強(qiáng)無人機(jī)群的飛行路線規(guī)劃也需要研究。

2)固定翼無人機(jī)需要從機(jī)場起飛，會占用航道資源，自然災(zāi)害發(fā)生是突然的，此時機(jī)場不一定有空閑的航道用于無人機(jī)起飛，因此加強(qiáng)與機(jī)場管理局的溝通協(xié)調(diào)機(jī)制的研究，確保遇到突發(fā)情況能夠立即起飛。

3)基于分層應(yīng)急通信保障涉及到災(zāi)區(qū)通信模型的建立和通信器材的配備，因此平時要加強(qiáng)演練，完善配備人流量密集場所的電臺、衛(wèi)星通信設(shè)備終端，做到一旦出現(xiàn)自然災(zāi)害，能夠迅速建立起通信鏈路，快速開展救援。

5 結(jié)論

目前無人機(jī)中繼通信研究已經(jīng)比較成熟，充分利用各類通信資源，快速建立通信鏈路對于減災(zāi)救災(zāi)具有充分意義，文章在前人的研究結(jié)果上，提出分層應(yīng)急通信保障策略，重點對無人機(jī)中繼通信保障的覆蓋模型進(jìn)行討論，并對分層應(yīng)急通信保障策略需要把握的重點進(jìn)行討論。分層應(yīng)急通信的高機(jī)動性、超強(qiáng)的抗毀能力、快速部署性、分層保障策略必然能夠促進(jìn)我國應(yīng)急管理能力的發(fā)展。