基于“7·20鄭州特大暴雨”對空天地一體化通信的思考

李福昌，裴郁杉，王俊杰，張琳，邱勇

（中國聯合網絡通信有限公司研究院，北京 100048）

0 引言

在5G 移動通信的研究過程中，3GPP、ITU 等組織明確提出了構建空天地一體化通信網絡的需求。空天地一體化通信網絡作為通信系統的未來發展方向，越來越受到人們的重視，相較于地面通信網絡，空天地一體化通信網絡能夠突破地形地表的限制，將通信鏈路擴展至太空、空中、陸地、海洋等自然空間，實現全球全域的泛在接入與連接[1-2]。

在“7·20 鄭州特大暴雨”應急通信救援中，運營商分別采用了衛星應急通信與移動空中平臺應急通信的方式為通信中斷的區域提供應急通信保障服務，有力地保障了人民的生命財產安全與社會運轉。此次“7·20 鄭州特大暴雨”救援中出現的新型應急通信方式也標志著空天地一體化通信網絡的漸進。隨著空天地一體化通信網絡在應急通信、軍事、政治和經濟領域的地位日益重要，空天地一體化通信網絡受到了世界各國的高度關注和重點發展。

1 “7·20鄭州特大暴雨”事件及應急通信救援

2021 年7 月17 日8 時至21 日6 時，河南出現罕見持續性強降水天氣，多地突發特大暴雨，其中鄭州降雨量達345 mm，最大點雨量尖崗884 mm[3]。此次暴雨導致鄭州292人遇難，47 人失蹤，直接經濟損失達532 億元。暴雨還導致鄭州通信基站大面積退服，多條通信光纜受損，通信基礎設施受損嚴重，甚至某些受災嚴重區域一度發生通信阻斷。據統計，此次特大暴雨共造成河南省6.2 萬個基站退服，其中鄭州市退服基站達3.5 萬個，光纜受損566 條共1 223 km，影響固定網用戶數14.3 萬戶，移動網用戶數38.2 萬戶[4]。河南省及鄭州市基站退服率分別達到了13%和45%，如圖1 所示：

圖1 河南省與鄭州市退服基站統計

截至7 月23 日河南省累計出動應急人員3.03 萬人次、應急車輛8 237 臺次、發電油機8 018 臺次、衛星電話148 部，累計發送短信息5 200 萬余條。其中，鄭州通信行業累計出動應急人員1.17 萬人次、應急車輛4 607 臺次、發電油機6 302 臺次，其統計結果如圖2 所示：

圖2 河南省與鄭州市應急通信救援統計

此次應急通信救援對運營商以及應急保障部門的應急救援部署與快速反應能力提出了考驗，多地應急救援保障部門與運營商分公司馳援鄭州，參與應急通信保障。據新華網消息，鄭州市主城區基站通信于7 月23 日16時實現全面恢復，全域（含郊縣）基站通信服務于7 月27 日全部恢復至災前水平。由上述可知，對于特大型自然災害，災后地面公網及相關基礎設施的恢復需要以強大的運營維護、組織與保障能力作為支撐。

2 “7·20鄭州特大暴雨”應急通信救援的思考

2.1 應急通信救援對新型應急通信模式提出了需求

雨災發生后的72 小時是救援“黃金期”，公網作為應急救援管理部門與民眾的最大的公約數，其恢復過程亦是一場與“生命賽跑”的過程。此次雨災造成大范圍鄭州基礎通信設施多處嚴重受損，多處機房、機柜被淹，鄭州市因災退服基站恢復過程統計結果如圖3 所示。

圖3 鄭州市在服基站統計

由圖3 可知，鄭州基站在服率在雨災發生初期陡然下降，在運營商與應急保障部門全力搶修下，基站在服率逐步回升。此次雨災造成鄭州市退服基站的數量尤為龐大，即便在多地應急救援保障部門與運營商全力救援的情況下，地面公網恢復仍然需要一定的恢復周期。由圖3 可知，雨災發生后的黃金救援期內，鄭州市在服基站率不足60%，尚未恢復至災前水平。在此雨災發生后的地面公網恢復周期內，公眾對2G（語音/短報文）業務需求激增，社會秩序也需要地面運營商移動互聯網通信網絡業務的維持，社會的千行百業都需要移動通信網絡的支持，當互聯網通信技術賦予城市的秩序失效之后，大范圍的基站退服導致鄭州多處區域“脫網”問題直接影響到了社會的正常運行。在此階段，地面通信網絡已經無法滿足應急救援與公眾對于應急通信的需求。針對基站退服造成的地面公網通信癱瘓問題，運營商緊急部署無人機實現了快速恢復局部區域通信，借助衛星構筑起天地通信鏈路，構筑起強有力的空天地一體化應急通信保障體系，有效地保障人民群眾的生命與財產安全與社會的正常運轉。上述表明，應急救援對新型應急通信模式提出了內在的訴求，空天地一體化通信網絡可以作為處于恢復期內的地面公網提供有力的補充與完善，為公眾提供語音、短報文與移動互聯網絡等業務。

2.2 構筑空天地一體化應急通信保障體系勢在必行

在此次“7·20 鄭州特大暴雨”應急通信救援中，河南機動通信局應急通信保障小組和鄭州聯通應急通信分隊，建立基站、車輛通信基站、“動中通”、海事衛星四重保障，和中國電信提供服務的衛星通信充分發揮電聯雙方共建共享的優勢，構筑起空天地一體化的強有力的應急通信保障體系。運營商通過大型回傳式無人機與小型系留式搭載移動公網基站，為鄭州多處受災嚴重的通信阻斷區域提供音視頻等通信服務。在此次應急通信救援中，衛星通信與無人機成為重要的應急通信利器，在局部區域構筑起高機動、高可靠性的空天地一體化通信網絡。運營商采用的基于衛星的應急通信方式與基于無人機應急通信方式，其部署方式如圖4 所示，可以歸納為：

圖4 衛星通信與無人機部署方式

（1）基于衛星的應急通信救援。借助地球無線電通信站，在Ka/Ku 波段下利用衛星作為中繼，實現多個地球站/衛星通信終端之間的通信，可為廣覆蓋區域提供語音與短報文服務。

（2）基于無人機應急通信救援。此次“7·20 鄭州特大暴雨”應急通信救援中，共采用了兩種無人機應急通信救援方式：

1）回傳式大型無人機應急通信。回傳式大型無人機利用大型無人機搭載無線通信基站，完全擺脫了地面供電、通信回傳的束縛，通過衛星傳輸的方式，可提供廣區域覆蓋、持續性應急通信保障方案。

2）系留式小型無人機應急通信。系留無人機作為應急通信基站，具有快速部署、輕便靈活、起降環境要求低等特點，能實現幾十公里范圍內快速、可靠、廉價的寬帶通信，在突發自然災害、通信基礎設施受到破壞、通信環境惡劣等條件下，其應急通信能力優勢明顯。

綜上，在此次應急通信救援中采用的無人機通信與衛星通信等新型應急通信方式表明：借助機動公網基站與高通量衛星，機動快速地恢復地面公網通信，是未來應急通信保障的發展方向，構筑空天地一體化的應急通信保障體系勢在必行。

3 空天地一體化通信網絡建設思路與建議

3.1 面向應急通信的空天地一體化通信體系建設思路

空天地一體化通信網絡是以空間平臺（如衛星、臨近空間飛行器以及無人機等）與地面網絡基礎設施為載體，通過一體化互聯組網，支持信息采集、傳輸和處理海量數據的空間信息體系化通信網絡，其架構如圖5 所示[1,5]。在面向覆蓋的公眾服務（2C）方面，空天地一體化通信網絡可提供應急通信、遠洋通信、航空通信以及偏遠地區通信服務。在面向物聯網業務（2B）的行業專網服務方面，空天地一體化通信網絡可提供近海專網通信、廣域物聯網通信、廣域海洋專網通信以及跨區域行業專網等服務。相較于地面通信網絡，空天地一體化通信網絡的非地面網絡段具有明顯的覆蓋和長距離通信優勢，可以提供低成本的普遍服務及擴展現有的通信服務[5-6]。

圖5 空天地一體化通信網絡架構

根據通信載體位于空間的高度，天基網絡基礎設施主要包括高、中、低軌道衛星平臺等類型，空基網絡基礎設施包括臨近空間的高空通信平臺（HAPS,High Altitude Platform Station）、民航客機和泛在低空無人機等飛行器通信平臺類型。

特別地，就應急通信而言，應當借助機動公網基站與衛星等資源，通過機動快速部署相關移動通信終端或中繼通信設備的方式地恢復通信。基于圖5，未來面向公眾的應急通信服務可基于空天地一體化通信網絡的天基平臺（衛星）與移動空基平臺（HAPS，無人機）進行部署。基于天基平臺與基于空基平臺的應急通信方案可歸納為下述四種方式：

（1）基于衛星的應急通信方式。衛星通信方式具有不受地形地貌限制的天然優勢，在系統容量與覆蓋范圍方面也優于空基平臺。對于應急通信而言，可以在災后地面網絡癱瘓區域部署應急通信救援車載或手持終端進行衛星通信。考慮到衛星通信所具備廣范圍覆蓋優勢以及我國具備豐富的衛星資源，此種方式已經成為歷次自然災害中最為可靠的應急通信方式。目前，衛星互聯網已經被列入國家信息基礎設施的新基建范疇，面向普通手持終端的衛星互聯網通信方式已成為未來空天地一體化通信網絡發展趨勢。

（2）基于HAPS 的應急通信方式。HAPS 可部署于距離地面20～50 km 高度，覆蓋區域可達20 至數百公里，通過多個HAPS 平臺無線連接即可打造區域空基網絡[6-7]。對于應急通信而言，基于HAPS 的應急通信方式不受制于災后地形的影響，完全擺脫地面供電、通信回傳的束縛，提供全天24 小時的應急通信保障方案。在目標區域部署HAPS 空基平臺，即可為其覆蓋區域的所有普通終端提供應急通信服務。此次“7·20 鄭州特大暴雨”救援中，只需在鄭州部署一個HAPS 空基平臺，即可實現對鄭州城區及周邊區域的廣范圍覆蓋。不失一般性而言，以高度為20 km，通信頻率為3.5 GHz，帶寬為100 MHz 的5G NR 宏小區基站設備配置于HAPS 通信平臺為例，其單波束小區峰值速率可達5 Gbps，單HAPS 平臺的通信系統的峰值速率可達20/25 Gbps，小區邊緣傳播空口時延約為180 μs，覆蓋范圍內的時延差約為12.8 μs。盡管HAPS 目前仍處于標準化推進階段，還需要進一步解決頻率干擾、平臺擾動、回傳等問題，但隨著HAPS 技術的逐步成熟，未來HAPS 搭載基站的通信方式也成為潛在的應急通信以及區域廣覆蓋通信的有效手段[8-10]。

（3）基于大型回傳式無人機的通信方式。此種方式以無人機作為通信中繼，采用4G/5G 通信技術，借助衛星實現應急通信。此種方式與基于HAPS 的應急通信方式類似，不受制于災后地形的影響，擺脫地面供電、通信回傳的束縛，為其覆蓋區域的所有普通終端提供應急通信服務，其覆蓋范圍介于小型無人機與HAPS 平臺之間。此次“7·20 鄭州特大暴雨”救援中運營商采用的翼龍無人機即屬于此方式。在此應急救援中，基于大型回傳式無人機滯空時間為5 小時，定向恢復了50 km2的移動公網通信，建立了可覆蓋15 000 km2的音視頻通信網絡，累計接通用戶3 572 個，產生流量2 089.89 M，單次最大接入用戶648 個，為災區及時提供了移動通信保障。

（4）基于系留式小型無人機的通信方式。此種方式以小型無人機作為通信中繼，通過系留的方式搭載4G/5G 基站類設備，滯空高度可達30～200 m，覆蓋距離為2～20 km，最高可同時保障800 個用戶，衛星基站上傳最大速率30 M，下載最大速率可達50 M。對于應急通信而言，此種方式需要考慮災后地形的情況，且需要地面供電、通信回傳。但基于系留式小型無人機的通信方式具有快速部署與高機動區域覆蓋的優勢。

上述四種應急通信方式中，除基于HAPS 的應急通信方式尚在研究測試階段外，基于衛星、大型回傳式無人機與系留式小型無人機的應急通信方式已在應急救援中應用。按照自然災害造成的受災程度可以大致分為兩種類型：一般阻斷（交通/通信阻斷）與完全阻斷（交通、通信、電力阻斷）。對于一般阻斷區域，上述四種應急通信方式即可進行部署。對于完全阻斷區域，則需要通過融合空中組網、高點中繼回傳技術實現應急通信，具體可采用的應急通信方式為：基于衛星手持終端、基于HAPS 與大型回傳式無人機等應急通信方式。另，考慮到不同自然災害對不同區域的影響以及災后地面公網的恢復時間，建議在“救援黃金期”內采取所有上述應急通信方式以保障災區人民群眾的生命財產安全、支撐應急救援通信。此外，在地面公網完全恢復之前，需要全程部署系留式小型無人機保證重點受災區域的通信。

3.2 面向應急通信的空天地一體化通信網絡發展建議

此次“7·20 鄭州特大暴雨”救援中的新型應急通信方式表明空天地一體化通信網絡的建設事關人民福祉，需要堅定不移的統籌推進。

（1）多方合作，提升應急通信救援能力。在應急通信救援時，各地面運營商之間可互相提供通信援助（如基站、傳輸等通信鏈路開放等）。如在5G 網絡建設中，由于中國聯通與中國電信聯合建成了全球最大的5G 共建共享網絡，在此應急救援中，電聯雙方充分發揮了共建共享優勢，互相依托雙方在應急通信中基站、車輛通信基站、“動中通”、海事衛星等通信平臺，構筑起空天地一體化的強有力的應急通信保障體系。考慮到我國的國情以及強大的地面基礎網絡設施，在面對自然災害時，可采取多方聯合、共同合作的方式開展急通信救援。

（2）建設空天地一體化的應急通信平臺。通過空天地一體化的應急平臺將非地面通信與地面通信有機結合起來，形成應急通信保障系統解決方案。該平臺應當以省級應急通信模型與跨區域協同應急通信模型為數據依托，為應急救援中空基通信平臺的部署提供決策依據。

（3）分階段逐步建立統一技術體制的空天地一體化通信網絡。現階段，我國現有衛星和地面網絡技術體制不同，還存在產業發展不均衡矛盾。針對上述問題，構建空天地一體化通信網絡應以地面網絡為基礎、以空間網絡為延伸，覆蓋太空、天空、陸地、海洋等物理空間，實現多種異構網絡深度融合，分階段逐步建立統一技術體制的空天地一體化通信網絡[8-11]：

第一階段，互聯互通階段，實現業務融合。衛星網絡與地面核心網通過網關實現互聯互通，從而實現天地一體的全面網絡覆蓋，發展衛星互聯網業務。

第二階段，混合接入階段，實現體制融合。打造全球覆蓋、隨遇接入、按需服務、安全可信的融合體制星地網絡，實現用戶通過單一多模終端即可接入衛星和地面網絡，拓展天地一體網絡的用戶與業務。

第三階段，統一組網階段，實現系統融合。實現用戶通過統一終端接入統一接入協議的衛星或地面接入網絡，使之具備全球時空連續通信、高可靠安全通信、區域大容量通信、高機動信息傳輸等能力，完成最終的空天地一體化通信網絡的構建。

4 結論與展望

在此次“7·20 鄭州特大暴雨”應急通信救援中，運營商分別采用的衛星應急通信與移動空中平臺等應急通信方式在局部區域構筑起空天地一體化的應急通信保障體系，彌補了在災后地面移動網絡恢復期內的通信空白，有力地保障了人民的生命與財產安全。空天地一體化通信網絡不受地面環境的影響，其非地面網絡段具有明顯的覆蓋優勢和長距離通信優勢，不但可以作為地面網絡應急通信有效補充，亦可以提供低成本的普遍服務及擴展現有的通信服務[1,6]。因此，空天地一體化通信網絡的非地面網絡與地面網絡在建設初期階段應當同謀劃、同開展：在2025 年前后，完成空天地一體化通信網絡的體系頂層設計、制定技術發展路線與相關標準規范，突破多網融合，通過衛星網絡與地面移動網的互聯互通，實現全域覆蓋和業務融合。在2035 年前后，通過統一終端、統一技術體制實現系統融合，完成空天地一體化通信網絡建設。