5G在抗災救災中的創新優化及應用策略

李致常

（中國電信股份有限公司 三明分公司，福建 三明 365000）

0 引 言

福建等沿海省份不同季節的強臺風與暴雨易造成山洪暴發、山體滑坡、泥石流以及內澇等突發自然災害，對道路、供電及通信網絡造成嚴重破壞，受災地區通信部分阻斷或全阻形成信息孤島。傳統的通信保障方法是搶修中斷的傳輸并更換損壞設備，但此方法通常需要數天才能完成，極其耗費時間[1]。而且通過傳統的應急通信車臨時恢復災區的2G語音，無法滿足抗災救災指揮部的實時畫面交互和實時監控等需求，指揮部只能根據有限且滯后的受災信息指揮搶險救災，無法高效準確地開展抗災救災工作[2]。

5G網絡的3大應用場景（超大帶寬eMBB、超低時延uRLLC以及超大連接mMTC）都適用于抗災救災，具有顯著優勢[3]。本文對5G網絡在抗災救災中的特色優化與應用策略進行分析與研究，以達到全面高效恢復抗災指揮部與災區的監控與通信、修復重要政企專線線路以及Relay回傳恢復中斷基站的目的[4]。

1 5G網絡應用于抗災救災的優勢

5G網絡在抗災救災中的優勢主要體現在eMBB增強移動帶寬、uRLLC低時延高可靠連接以及mMTC海量物聯3個方面，典型應用如圖1所示。

圖1 5G網絡在抗災救災中的典型應用

現有5G網絡的下行速率最高可達1.7 Gb/s，上行速率可達280 Mb/s，是4G網絡的10倍左右，可以滿足救災指揮部的高清視頻監控、指揮系統交互、修復政企專線電路以及Relay回傳恢復中斷基站等通信需求。實際應用中，uRLLC的端到端時延最低可以達到5 ms，遠小于4G網絡時延30 ms，可以應用于對時延要求較高的場景，如遠程VR操作、蓄洪區水閘泄洪、無人機救援以及自動救災精密儀器操作等。mMTC場景下，每平方千米可以達到1×106個連接，可廣泛應用于泛洪區的水位探頭監控和疫情地區的門禁探頭監控等，這種需求是4G網絡無法滿足的。

2 5G應急通信快速組網策略

受災地區存在通信部分阻斷或全部阻斷的情況，這兩種情況下，5G應急通信網絡的組網方式有所不同。

2.1 通信部分阻斷的創新組網策略

因通信部分阻斷，災區無線監控設備和指揮部無線終端等設備無法連接5G網絡，同時政企專線電路中斷，無法在短時間內恢復。而CPE具有接收解調性能強大、與5G基站交互性能好、重量輕、易于單人攜帶且易于擺放在信號較好的高處等特點，可以及時跟隨救災指揮部轉換地點，并能與中斷的政企專線電路互聯，快速組網，從而幫助工作人員有效應對災情，節省寶貴時間。

災情現場監控設備通過網線接入CPE1，抗災指揮部視頻播放器接入CPE2，CPE通過5G網絡形成組網，實現數據信息交互。通信部分阻斷的救災指揮部組網策略如圖2所示。

圖2 通信部分阻斷的救災指揮部組網策略圖

災情現場政企專線路由器通過網線接入CPE，CPE通過5G網絡形成組網，建立政企專線與政企客戶支撐中心LNS之間的連接，保障政企專線的正常使用。通信部分阻斷的政企專線電路修復組網策略如圖3所示。

圖3 通信部分阻斷的政企專線電路修復組網策略圖

2.2 通信全阻情況下的創新組網策略

在災區通信全阻的情況下，利用行業領先的Ka技術，用Ka高通量衛星作為傳輸中繼，開通應急通信車上的5G網絡及Volte網絡，滿足抗災救災指揮部與政企專線電路的通信需求[5]。

應急通信車與NanoSat Ka衛星便攜站具有越野性能強大、出行方便以及易組網等特點，能夠及時跟隨救災指揮部轉換地點，快速組網，同時兼具恢復政企專線電路的功能[6]。

災情指揮部相關設備與政企專線路由器通過5G應急通信車、Ka衛星、地面衛星中心、IP RAN以及核心網形成通信全阻情況下的組網策略，具體如圖4所示[7]。

圖4 通信全阻情況下的組網策略

3 5G應急快速組網下的創新優化策略

救災指揮部需求的數據業務主要是監控視頻和單兵視頻等，這些業務對5G上行帶寬要求較高。此外，政企專線每日需要傳輸大量的數據到上級政企數據庫，對上行速率需求也較大。因此從3個方面對5G上行速率進行創新優化提升，以滿足救災指揮部和政企用戶的需求[8]。一是提高上行時隙配比。5G基站默認的下行上行時隙配比為8:2，將其優化為7:3，通過增加5G基站上行時隙來提升上行速率。理論上上行時隙配置優化為7:3后，上行速率能提升43%。二是PUSCH占用PRACH。由于應急通信網絡一般供給特定的人群使用，接入的設備和次數都是有限的，因此可以將5G網絡接入信道PRACH的資源讓給上行業務信道PUSCH使用，從而提升上行速率[9]。經過試驗證實，在理想狀態下上行速率提升14%。三是開啟上行256QAM自適應開關。使救災指揮部的5G終端處于最高階256QAM調制，避免終端處于QPSK或16QAM等低階調制，以此提升上行編碼數據攜帶能力，進而提升5G上行速率[10]。在實驗室理想狀態下，此創新優化策略能將上行速率提升12%。

4 5G在抗災救災中的創新優化及應用案例

為適應5G新時代，在泰寧大金湖水上抗災救災應急演練中采用此抗災救災的5G創新優化及應用策略，以驗證其先進性。需要用到的易攜帶設備包括圖5所示的兩個CPE、一輛裝有5G設備的應急通信車以及一套便攜式Ka衛星收發機。

圖5 易攜帶設備

通信部分阻斷與通信全阻狀態下，開通應急通信網絡前后上、下行平均速率對比如圖6所示。

圖6 開通應急通信網絡前后上、下行平均速率對比

在通信部分阻斷狀態下，使用提高上下行時隙配比、PUSCH占用PRACH、開啟上行256QAM自適應開關以及雙CPE組網等特色應用策略，在災情命令下達的20 min內成功組網。抗災救災演練指揮部的指揮及監控終端的下行平均速率從26.8 Mb/s提升至313.8 Mb/s，上行平均網絡速率從4.0 Mb/s提升至95.1 Mb/s。VoLTE業務可以正常起呼，業務正常，前臺觀察MOS值在3.96左右，測試10次無掉線。

在通信全阻的狀態下，通過提高上下行時隙配比、PUSCH占用PRACH或開啟上行256QAM自適應開關，并使用應急通信車和便攜式Ka衛星收發機等，在災情命令下達的40 min內，應急車5G基站以Ka衛星通信為中繼，從地面衛星站落地后經IP RAN傳輸后再轉到5G核心網，形成組網。抗災救災演練指揮部的指揮及監控終端的下行網絡速率從26.8 Mb/s提升至59.1 Mb/s，上行網絡速率從4.0 Mb/s提升至10.0 Mb/s。VoLTE業務可以正常起呼，業務正常，前臺觀察MOS值在3.92左右，測試10次無掉線。

5G網絡的創新優化與應用策略在此次大金湖水上抗災救災應急演練中十分成功，其20 min即可成功組網，具有數據及時、畫面高清且交互性強大的特點，給演練指揮部人員帶來良好的使用體驗。

5 結 論

本文闡述并論證了5G網絡在抗災救災中的特色優化及組網應用策略，充分利用5G網絡的優勢，結合行業領先的衛星Ka波段技術快速開通5G應急通信網絡，為救災指揮提供通信保障，并結合實際案例展示了此創新策略在抗災救災中的優勢，旨在為相關人員提供借鑒。