中国移动研究院:“空天地”融合技术为应急通信提供有力保障

作者:中国移动通信研究院无线与终端技术研究所 丁海煜 崔航 程锦霞 张龙 责任编辑:王禹蓉 2021.08.12 09:35 来源:通信世界全媒体

通信世界网消息(CWW)我国幅员辽阔,自然灾害时有发生,重大自然灾害往往造成通信大面积、长时间中断。如何快速恢复通信,消除“通信孤岛”,确保灾害发生后黄金抢救时间的通信畅通,是通信管理部门和通信企业必须肩负的神圣职责。

目前在灾害救援中,应急通信车是主要的通信保障手段,已广泛部署在全国各地。在突发通信中断时,由最近的应急通信车提供应急救援保障,但突发自然灾害区域不可预测,应急车到达现场投入使用的时间难以保证,并且灾害导致道路损坏也会极大延缓应急车通信保障效率。此外,通常应急通信车覆盖半径仅能达到几百米范围,难以满足大范围受灾地区人员的通信需求。

本文主要介绍“空天地”融合网络中无人机与蜂窝设备结合在应急通信领域的应用,以此满足突发灾害时的受灾群众和救援指挥人员的通信保障需求。

无人机应急通信保障救援生命线

自2008年汶川地震灾害后,中国移动投入大量资源开展应急通信技术研究,形成灾后快速救援和增强灾害常发区域通信可靠性两方面技术方案,力求为应急救援提供高可靠的通信保障。在此过程中,中国移动重点研究和探索了“空天地”网络体系中无人机平台与蜂窝技术结合提供应急通信保障方案。

无人机应急通信系统主要包括4G/5G蜂窝通信设备和无人机平台,以及包括卫星、微波、地面光纤链路等多种回传组成的端到端通信系统,该系统可快速恢复通信中断地区临时通信能力,为灾后“黄金72小时”救援提供稳定可靠的通信保障,无人机平台主要包括固定翼无人机和系留式多旋翼无人机两种。

固定翼无人机应急保障

固定翼无人机应急通信系统具有快速部署能力,采用固定翼大型无人机与通信设备结合,形成具有大载荷、快速部署能力的“空中基站”。可为通信中断区域提供临时性的应急覆盖,连续服务时间取决于无人机燃料携带量,通常可提供十几个小时的应急通信保障,例如采用多机接力方式可提供更长时间的保障能力。

大载荷无人机平台可同时挂载4G/5G通信基站、动中通设备,以及摄像、雷达等其他任务载荷,如图1所示。无人机从机场起飞,操控人员利用卫星通信远程控制无人机到达并在灾区上空盘旋,通过安装在飞机侧面的定向天线为受灾区域提供蜂窝覆盖,覆盖范围可达50平方千米以上。利用机载动中通设备与卫星相连承载基站的传输链路,并与地面蜂窝核心网相连,可提供面向受灾区域应急广播灾区用户对外通信等服务。

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固定翼无人机应急通信系统具备以下几大特点:一是适应性强,无人机可远程起飞、远程控制,直飞灾区现场,不受灾害发生造成的道路中断等地形影响;二是载荷能力强,无人机平台具有百千克以上载荷能力,可携带基站设备和动中通设备,无需其他配套设备;三是反应速度快,利用无人机高机动性特征,可根据应急保障需求快速切换区域,满足突发性覆盖需求。

该方案主要适用于极端环境的通信应急保障,尤其是道路损毁严重、车辆完全无法通行、需要快速深入灾区提供的通信保障。2021年7月河南突发特大暴雨,中国移动联合中航工业利用“翼龙”固定翼无人机为受灾区域提供5小时的通信保障,累计接通用户超过2500个,有效支撑了灾区应急救援行动。

系留无人机应急保障

系留无人机应急通信系统具备超长滞空能力,是由传统应急通信车集成多旋翼无人机和系留供电系统组成,由于采用地面电源提供电力(市电、油机等),在持续供电条件下,具有长时间通信保障能力。系留无人机应急通信系统相当于搭建一座临时的通信基站塔,无人机升空高度可根据应用场景灵活调整,高度范围通常为50~200米,可满足多种场景应用需求。

系留无人机应急通信系统主要由无人机平台、地面系留平台、供电电源以及回传系统组成,如图2所示。无人机平台可以挂载多种任务载荷,包括通信基站设备、自组网设备、中继台、电台、光学变焦设备等。空中平台通过光电复合系留线缆与地面系统连接,一方面空中平台及载荷利用系留缆连接地面电源获得持续的电力供应;另一方面,系留缆内置光纤提供了通信设备内部数据传输,为减轻多旋翼无人机载荷,通常仅将基站射频单元安装在无人机平台上,基带单元置于配套的应急车中,两者通过系留缆连接。基站的传输链路可根据灾区条件和业务要求选择适合的卫星中继、微波中继、光纤直连等回传方式,与地面核心网连接实现应急保障能力。图片

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系留无人机应急通信系统具备以下几大特点。

● 一是系统成本低,采用小型化的多旋翼无人机及地面供电单元,复用运营商应急通信车或普通的小型越野车辆承载,总体成本较低,可广泛部署在灾害易发区域,投入应用迅速。

● 二是操作便捷,标准化接口、模块化组装,普通人员简单培训即可操作。

● 三是覆盖灵活,可根据保障场景需求自由调节升空高度,可适应应急救援、活动保障等不同场景应用需求。

● 四是滞空时间长,利用光电复合线缆提供持续的电源保障,可提供长时间不间断应急通信服务。

与固定翼无人机方案主要面向极端环境不一样,系留无人机方案更为普适,主要适用于地震、洪水等自然灾害发生时的应急通信保障,在应急通信车无法到达或基站不能及时架设维修的场景下,可以作为临时基站,提供长时间通信覆盖,覆盖范围实测可达近百平方千米。该系统已经在2017年四川九寨沟地震、湖南抗洪抢险、阿拉善达喀尔拉力赛,以及2018年广东“山竹”台风、山东寿光抗洪抢险等事件中承担了应急通信保障任务。

云网业一体增强应急救援能力

无人机应急通信系统极大地提高了应急保障反应速度和环境适应能力,为受灾区域提供及时的信息交互保障,但用于承载基站回传链路的卫星带宽较小,传输能力通常在10Mbit/s以内,远小于应急小区通信能力需求,导致服务用户数目有限,面对灾区用户业务需求,易造成网络拥塞,通信困难。此外,卫星传输带宽小也限制了救援指挥系统的业务,无法开展视频类大带宽应用,无法直观地获取受灾区域状态信息,限制了应急救援信息获取能力。

为了解决上述问题,需要对现有的应急系统进一步赋能。一是将5G专网能力引入应急通信领域,利用5G网络提供QoS优先级、GBR专用承载、切片PRB资源预留等分级保障能力,在海量用户接入时保障重要信息通信链路通畅,打通应急通信生命线。二是在基站上部署本地分流设备和边缘云,形成具有本地数据处理和分级网络保障能力的“云网业一体化”应急通信系统,如图3所示,通过在本地部署应急指挥系统,提供本地的通话、视频等服务,未来结合AI能力,采集现场图像信息,利用边缘云快速识别、判断,为一线救援人员提供及时准确的信息辅助,这将极大提高应急救援的及时性和准确性。

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基站“云网业”一体化集成,让5G和云紧绑定,打造可移动的5G网络和云,让优质的信息服务无处不在。这种新型应急系统不仅可应用于洪灾等应急场景,还可应用于更加广泛的应用场景,例如船舶等网络快速移动场景、露天矿/野外科考等网络慢速移动场景、巡回电竞等行业临时覆盖场景。

综上所述,“空天地”融合网络可作为地面网络强有力的补充,提供地面网络损毁后的应急通信补充和通信替代链路,打通灾后区域救援通信生命线。

“空天地”网络融合也是未来通信技术演进的重要方向,非地面的卫星和空中网络具有明显的覆盖优势和大范围通信优势,可以突破地面限制,向空、天、地、海多维空间扩展,通过与地面网络技术融合,形成“空天地”一体化、“云网业”融合的立体多层网络体系,充分利用各层网络的优势,为用户提供高质量、无处不在的通信服务。

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