5G應(yīng)急通信技術(shù)應(yīng)用探索

中通服咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司 閆偉才 胡劍飛

1 背景

自古以來，人們一直在探索應(yīng)急通信技術(shù)應(yīng)用，例如烽火狼煙便為典型應(yīng)用。近年來通信技術(shù)迅猛發(fā)展，國內(nèi)5G通信已廣泛覆蓋，在應(yīng)急通信保障過程中也多次應(yīng)用。在此背景下，本文探索如何將將其他與5G應(yīng)急通信結(jié)合，更好的進(jìn)行應(yīng)急通信保障。

近幾年來我國自然災(zāi)害、突發(fā)事件頻發(fā)，在災(zāi)害與突發(fā)事件處理中應(yīng)急通信發(fā)揮舉足輕重的角色。疫情過后，各地經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇，大型會(huì)展、商演活動(dòng)、熱門旅游對應(yīng)急通信需求急劇增多。目前通信需求除電話話音基礎(chǔ)保障外，數(shù)據(jù)需求日益突出，如視頻信息及傳感信息等。國家應(yīng)急部門非常重視應(yīng)急事件處理，提出以下要求：以人為本，減少危害；居安思危，預(yù)防為主；統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)，分級(jí)負(fù)責(zé)；依法規(guī)范，加強(qiáng)管理；快速反應(yīng)，協(xié)同應(yīng)對；依靠科技，提高素質(zhì)。新時(shí)期下應(yīng)急通信要求具備以下新的特點(diǎn)：（1）寬帶化：在應(yīng)急場景下，圖片及視頻等可以傳輸更為直觀、準(zhǔn)確信息。為指揮人員分析現(xiàn)場情況更為精確了解決現(xiàn)場情況。如扶貧類日益增多的活動(dòng)轉(zhuǎn)播對應(yīng)急通信也提出高帶寬要求。（2）服務(wù)質(zhì)量保障：通過服務(wù)質(zhì)量控制，優(yōu)先保證重要用戶高質(zhì)量同時(shí)保障普通用戶高效率。將有限的資源合理分配實(shí)現(xiàn)服務(wù)質(zhì)量控制也是應(yīng)急通信需要解決的問題之一。（3）高可靠：應(yīng)急通信常常應(yīng)對的是非常復(fù)雜的應(yīng)用場景，如自然災(zāi)害后惡劣的自然條件及貧乏的配套資源，又如大型活動(dòng)中超大容量的通信業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)。保證信息有效傳輸是應(yīng)急通信是基本任務(wù)。

5G即第5代移動(dòng)通信，相比于以往技術(shù)速度更快，連接時(shí)延更低，較4G物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)量更有數(shù)量級(jí)的提升。在公網(wǎng)通信中5G經(jīng)過兩到三年建設(shè)，已實(shí)現(xiàn)大面積覆蓋，覆蓋到縣城級(jí)別以上，實(shí)現(xiàn)縣縣通5G。在應(yīng)急通信技術(shù)應(yīng)用中，5G的高速率、大連接特點(diǎn)可在連接可靠的下，在滿足基本信息的同時(shí)，傳輸與處理更多的現(xiàn)場視頻圖像與傳感信息。

2 無人機(jī)在應(yīng)急通信中應(yīng)用

最近幾年無人機(jī)由于其靈活特點(diǎn)，對作業(yè)環(huán)境要求低，沒有人員必須的舒適與安全要求，在生產(chǎn)與生活等各種場景中應(yīng)用越來越廣泛。5G設(shè)備在近幾年發(fā)展中，已出現(xiàn)多款質(zhì)量輕、體積小產(chǎn)品，與無人機(jī)結(jié)合水到渠成。目前已在多次應(yīng)急通信場景中看到了無人機(jī)的身影。2021年7月面對千年一次的暴雨災(zāi)害，許多基站被洪水沖壞，通過翼龍-2H無人機(jī)在重災(zāi)區(qū)鄭州鞏義米河鎮(zhèn)上空，架起了空中基站。為災(zāi)區(qū)人民雪中送炭，架起了通信的橋梁。同時(shí)為指揮中心傳回大量現(xiàn)場信息。飛機(jī)滯空時(shí)間可以超過一天以上，不過由于路程花費(fèi)時(shí)間較長，略有遺憾的是河南現(xiàn)場作業(yè)時(shí)間稍短只留下約5h。但此類無人機(jī)相對體積大功能更強(qiáng)，可裝備能力更大、容量更高設(shè)備。來返程可同時(shí)時(shí)攜帶其他救災(zāi)必須設(shè)備與材料，如衛(wèi)星電話與各類儀器，現(xiàn)場實(shí)物材料等。在鄭州另一地運(yùn)商營通過系留無人機(jī)空中應(yīng)急基站恢復(fù)米河鎮(zhèn)應(yīng)急通信，也是無人機(jī)在應(yīng)急通信中的典型應(yīng)用。

無人機(jī)在應(yīng)急通信中應(yīng)用可以發(fā)揮關(guān)鍵作用（1）快速實(shí)現(xiàn)基站中繼搭建，在應(yīng)急場景中往往很難找到合適高度的配套資源，同時(shí)設(shè)備安裝、天饋搭建對資源要求高，要求作業(yè)時(shí)間長。利用無人機(jī)快速部署、對資源要求低，可實(shí)現(xiàn)方圓幾到數(shù)十公里內(nèi)快速通信。（2）應(yīng)急信息采集。利用無人輕便靈活的特點(diǎn)，不僅行動(dòng)迅速還能方便到達(dá)很多高危、惡劣場所如輻射、坍塌區(qū)域，可為調(diào)度指揮提供更多有效信息。無人機(jī)應(yīng)急通信中通過融合5G技術(shù)，根據(jù)上文分析5G先進(jìn)特點(diǎn)，可更好完成應(yīng)用通信任務(wù)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通信技術(shù)水平提高。實(shí)際應(yīng)用場景中，系留類無人機(jī)是較為常見無人機(jī)中的一種，可攜帶小型或微型通信設(shè)備，由于較高的飛行高度，在傳輸中斷區(qū)域?qū)崿F(xiàn)與已有基站視距回傳，同時(shí)通信信號(hào)覆蓋更大范圍。實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)快速入網(wǎng)。也可利用自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)協(xié)同作業(yè)。此種無人機(jī)可也可實(shí)現(xiàn)地面供電或光纖信號(hào)傳輸，保證持續(xù)不間斷、可靠穩(wěn)定工作。

3 5G邊緣計(jì)算在應(yīng)急通信中應(yīng)用

邊緣計(jì)算為5G通信技術(shù)重點(diǎn)推動(dòng)發(fā)展的技術(shù)之一。MEC全稱是Multi-access Edge Computing，即多接入邊緣計(jì)算，主要思想是通過在移動(dòng)基站上引入業(yè)務(wù)平臺(tái)功能，使得業(yè)務(wù)應(yīng)用可以部署在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)邊緣。

通過引入邊緣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端算力下沉，減少傳輸帶需求，而且由于節(jié)約信息傳輸路徑，可極大減低時(shí)延。另外可以將終端算力上移，降低終端復(fù)雜度，提高續(xù)航，降低成本，同時(shí)依靠MEC遠(yuǎn)超終端的處理能力實(shí)現(xiàn)信息處理效率大幅提升。在通信技術(shù)發(fā)展中很早就提出NFV和SDN概述，直到第五代移動(dòng)通信中才真正得到應(yīng)用。此技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)元功能的分解、抽象和重構(gòu)，達(dá)到5G通信網(wǎng)絡(luò)達(dá)到控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面分離。5G通信網(wǎng)絡(luò)逐步演進(jìn)實(shí)現(xiàn)控制功能集中化和轉(zhuǎn)發(fā)功能分布化。5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)引入邊緣計(jì)算作為其的一部分，通信網(wǎng)絡(luò)可引入分布化架構(gòu)，提高業(yè)務(wù)本地化處理能力，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理效能提高，降低終端要求，解決部分終端用戶的極致需求，另外還可以滿足垂直行業(yè)網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延、大流量、高安全性等訴求。利用邊緣計(jì)算還可滿足2B需求安全需要，在園區(qū)等內(nèi)網(wǎng)處理信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)不出園區(qū)。綜上所述，通過連續(xù)計(jì)算內(nèi)部數(shù)據(jù)與應(yīng)用本地完成處理轉(zhuǎn)化，可提高邊緣網(wǎng)絡(luò)處理能力，降低核心網(wǎng)負(fù)荷，節(jié)約帶寬需求，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)安全的要求。

在5G應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中引入邊緣計(jì)算技術(shù)，通過本地應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，完成現(xiàn)場應(yīng)急信息采集分析預(yù)處理，本地應(yīng)急隊(duì)伍內(nèi)部或與本地應(yīng)急調(diào)度中心通信。在應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)中，帶寬資源緊張，數(shù)據(jù)分析處理，并進(jìn)行分流，可大大節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源。例如在活動(dòng)視頻轉(zhuǎn)播中可將內(nèi)部高度信息流量分流到活動(dòng)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。將視頻采集設(shè)備的部分分析處理能力通過邊緣計(jì)算進(jìn)行處理分析，可降低視頻采集要求，同時(shí)處理后的信息也能降低發(fā)給核心網(wǎng)的流量。

在2020年11月杭州舉行的馬拉松比賽中，運(yùn)營商選用5G+MEC車載應(yīng)急通信完成應(yīng)急通信保障，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場賽事高清直播等全新應(yīng)用亮相。本次應(yīng)急通信保障任務(wù)的圓滿成功，證明5G+MEC車載應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)可在5G應(yīng)急通信保障中發(fā)揮重要作用。相比以往應(yīng)急通信，通過現(xiàn)場終端拍攝直接傳輸?shù)竭h(yuǎn)方指揮中心。現(xiàn)場人員作業(yè)人員對上傳效果并不知情，而后臺(tái)不可能了解現(xiàn)場全方位信息所以無法與實(shí)際場景信息進(jìn)行對較分析從而影響決策。經(jīng)過對場景特點(diǎn)分析與MEC技術(shù)，本次馬拉松通信應(yīng)急保障中引用5G+MEC車載應(yīng)急通信。目前MEC產(chǎn)品已趨于成熟，現(xiàn)場設(shè)備開通能力實(shí)現(xiàn)小時(shí)級(jí)開通能力，選擇ULCL本地分流技術(shù)，現(xiàn)場邊緣計(jì)算設(shè)備可對信息進(jìn)行分析處理，經(jīng)過處理后的信息極大縮小視頻回傳網(wǎng)絡(luò)帶寬需求，為應(yīng)急通信場景提供更高效、更智能、更安全的5G服務(wù)。

4 衛(wèi)星技術(shù)與5G應(yīng)急通信結(jié)合

5G與衛(wèi)星技術(shù)實(shí)現(xiàn)融合可實(shí)現(xiàn)：（1）衛(wèi)星通信為5G實(shí)現(xiàn)傳輸回傳（2）衛(wèi)星通信采用5G通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息傳輸。

應(yīng)急通信場景常常環(huán)境惡劣、配套貧乏。如遇到泥石流、火災(zāi)、強(qiáng)地震、洪水、礦難等突發(fā)事件，導(dǎo)致地面網(wǎng)絡(luò)臨時(shí)中斷、基礎(chǔ)設(shè)施整體毀滅或邊遠(yuǎn)地區(qū)原先通信配套設(shè)施薄弱情況下，太空中的衛(wèi)星通信在此種場景脫穎而出。在該應(yīng)用場景中，衛(wèi)星/5G穩(wěn)定的工作滿足每個(gè)作業(yè)隊(duì)伍與應(yīng)急用戶的最基本的語音與數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)需求。衛(wèi)星在5G應(yīng)急通信用途之一是作為回傳網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)5G應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)的暢通。5G更高的峰值速率對回傳網(wǎng)絡(luò)要求較高，近年來高通量衛(wèi)星發(fā)展迅速。高頻段便攜設(shè)備逐步普及，高頻段在提供大帶寬的同時(shí)可大大減小設(shè)備體積。

另外在衛(wèi)星通信中也在引入5G技術(shù)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信5G相融合。SaT5G等項(xiàng)目將通過定義基于衛(wèi)星的回程和訊務(wù)分流解決方案將衛(wèi)星通信帶入5G。在國內(nèi)外已有相關(guān)試驗(yàn)，2021年7月，在北京和濟(jì)南，國內(nèi)第一次將低軌寬帶衛(wèi)星與5G專網(wǎng)進(jìn)行融合試驗(yàn)。

結(jié)語：應(yīng)急通信作為應(yīng)急管理中關(guān)鍵的一部分發(fā)揮不可替代的作用，結(jié)合5G通信技術(shù)特點(diǎn)融合其他先進(jìn)技術(shù)，探索其在5G應(yīng)急通信中應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)不斷發(fā)展。