自組網通信技術在應急救援領域的應用分析

摘要：文章對自組網通信技術的應用價值進行了簡要分析，并探討了自組網通信技術在應急救援領域中的應用要點，以期可以給行業相關工作人員提供有益的參考。

關鍵詞：自組網通信技術；通信中斷；應急救援

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.02.046

中圖分類號：TN 929.5" " " " " " " "文獻標示碼：A" " " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）02-0-03

Application Analysis of Ad Hoc Network Communication Technology

in Emergency Rescue

LIU Shulin

（Big Data Center of Emergency Management Department， Beijing 100000， China）

Abstract： This paper briefly analyzes the application value of ad hoc network communication technology， and discusses the application points of ad hoc network communication technology in the field of emergency rescue， in order to provide useful reference for relevant industry staff.

Key words： Ad Hoc network communication technology; communication interruption; emergency rescue

1" 自組網通信技術及其應用價值

1.1 自組網通信技術概述

無線自組網是利用無線連接來通信，各個節點能夠移動，構建出多個網絡，網絡中各個節點的能力是相同的，地位也是平等的，各個節點都可以隨時加入、離開。與傳統的無線通信網絡技術不同。傳統的無線通信網絡技術需要各類設備的支持才可完成工作，而無線自組網技術可以完成自行組網，不需要其他固定設備。另外非常重要的一點是，無線自組網系統中的每個節點都能自由移動，每個節點設備都能充當信息的收發器與路由器的角色，這一特點使得無線自組網在網絡拓撲結構發生變化的時候，單個節點終端通信不至于中斷。當現場無可用的設備或在特殊環境中通信受限時，自組網中的移動終端可以完成各用戶間的通信聯絡或協同工作，從而彌補由于缺乏可用固定通信基礎設施的缺點。無線自組網技術的以上特點使得其可應用于消防特殊環境中，如地下空間、大型商業綜合體、隧道、山林等大面積有遮擋的環境[1]。

1.2 自組網通信技術的應用價值

鑒于自組網通信技術的優勢，采用無線自組網通信技術的通信設備就具備了可移動、網絡動態拓撲以及便攜的等功能。同時，自組網通信技術應用了無線Mesh拓撲結構，能夠提供彈性化無線網絡架構，消除了以往的拓撲限制，并且可以自動發現、自動配置，實現了自動鏈路修復與自動性能調節。在無線Mesh中，可以將主鏈路、備選鏈路信息保留，對鏈路信息列表進行動態更新。如果網絡中某一點發生故障，其他設備會在備選鏈路中選擇最優參數備選鏈路，各個網絡接點能夠執行決策算法，以網絡性能、信號強度作為指標，可以對數據路徑進行動態化調整。自組網通信技術具有很高的靈敏度，支持多個頻段，包括450～600 MHz、340～460 MHz、1.625～1.825 GHz、5.8 GHz、2.4 GHz等，還可以定制頻段。總體來看，自組網通信技術的主要應用價值表現在以下幾個方面。

（1）小巧便攜。自組網設備不需要借助其他技術。針對大型應急事件的急迫性和突發性，自組網設備在應用操作、外觀設計上均可以滿足通信指揮要求，并且質量輕、體積小、方便攜帶。同時，支持一鍵開機組網，安裝便利，能夠快速地部署、聯通、響應，為突發事件的處理爭取更多時間。

（2）組網靈活。自組網通信設備支持多個網絡節點的自助，可以結合組成網狀、鏈狀、混合狀等網絡結構。在移動狀態下，可以根據網絡強度、節點距離來構建適合的網絡結構，實現動態拓撲組網。

（3）動態拓撲。利用自組網通信技術，在各個網絡中，節點地位和能力是平等的，隨時離開、加入網絡并不會影響整個網絡系統的正常運行。因此，移動節點可以做到動中通。

（4）寬窄帶融合。除了窄帶自組網，自組網通信技術還可以滿足寬帶自組網要求，既能夠提供語音，又可以提供視頻、圖片方面的回傳。在事故發生后，可以為指揮人員轉接現場畫面，以便使其快速了解情況。鑒于這些優勢，自組網通信技術應用在應急救援中能夠實現傳輸仿真，并借助光電轉化技術實現到5G基站的傳輸。如果在這一過程中發現傳輸中斷，可以第一時間利用自組網通信技術來進行部署。其在設備方面也具有顯著優勢，只要安裝電源就可以組建網絡。這種方式極大地節約了時間和精力，擴展了網絡覆蓋范圍[2]。

2" 無線自組網災后應急指揮通信系統的

特點分析與主要技術分析

2.1 無線自組網災后應急指揮通信系統的特點

該災后應急指揮通信系統建立在一個不依賴于基礎通信基站的無線自組網通信環境，通信頻段有別于市面的對講機和衛星電話，有效解決了傳統通信手段帶寬不足和無法統一組網的問題，為電力行業災后重建或搶修系統高性能、高可靠性、可大范圍組網的無線傳輸和指揮控制平臺。同時，該指揮通信系統的自組網電臺終端具有體積小、質量輕、功耗小的特點，首創采用無人機搭載中繼數據鏈，采用空中中繼的形式，實現20 km半徑內應急搶險的“災害評估、指揮決策、搶險維修”全流程通信保障[3]。

有別于傳統應急指揮通信系統，該無線自組網應急指揮通信系統在實測后具備以下優勢。

（1）解決單向信道問題。（1）設備即插即用，不需要規劃光纖線路，接上電源之后自動連接附近節點。從而可以省去布線所占用的時間、大大縮短組網工程時間。

（2）高效的多址接入算法，提升了高空間復用度，可以實現多對節點同時通信，實現頻率的空間復用，提供報文沖突解決的方法，盡量減小其帶來的影響。

（3）設計滿足硬件無關性。設計完成的信道接入協議能直接運行于滿足基本功能假設的無線模塊上；當無線模塊采用無線通信技術領域中滿足協議基本功能假設的最新研究成果時，該信道接入協議無須進行改變。

（4）動態變化的網絡結構。在自組網中，由于用戶終端的隨機移動、節點的隨時開機和關機、無線發信裝置發送功率的變化、無線信道間的相互干擾以及地形等綜合因素的影響，移動終端間通過無線信道形成的網絡拓撲結構隨時變化，而且變化的方式和速度都是不可預測的。

（5）安全保密性高。無線自組網系統同時具備編組加密（工作頻點、載波帶寬、通信距離、組網模式、MESHID等）、信道加密和信源加密等多種加密方式，專網專用，可有效防止非法設備入侵和所傳傳輸信息被截獲破解，確保網絡和信息高度安全[4]。

2.2 主要技術內容

該系統運用極低時延寬帶自組織網絡與異構網絡互聯技術，基于IP的柵格化信息網接入、頻譜自主認知、隱秘自組網等關鍵技術，使小型無人機集群具備按需智能組網通信能力，構建多節點寬帶通信與組網系統架構，運用高效編碼調制與多節點協作通信，使得每個節點都可以智能地、及時地感知四周所有節點對信道訪問的需求，相互協調占用發送信道的先后順序，避免碰撞沖突，實現“智能協商”，提升了信道利用率，增加了網絡吞吐量，為后續的推廣應用奠定了基礎。

2.3 主要技術難點

（1）物理層波形設計。根據不同的鏈路特性及自組網網絡特性，需選擇合適的通信體制與編碼調制技術及多種體制融合。

（2）MAC接入協議。根據節點決定是否需要同步分為同步協議（如TDMA）和異步協議（如MACA、MACAW等）；根據協議使用的信道數目，可以將信道分為單信道（如DCF、FAMA等）、雙信道（如DBTMA）和多信道協議（如HRMA）信道。根據自組網特定的使用場景，需要重新設計優化MAC接入協議。

（3）路由協議設計。目前無線自組網的各類路由協議還不成熟，沒有形成相應標準，分類也較多，按是否有層次結構分為平面路由和層次路由算法；按路由建立的數據發送關系分為主動路由和按需路由算法，包括DSDV、DSR、AODV、ABR等。但針對Ad Hoc網絡的網絡環境、拓撲結構、通信需求差別很大，通常需要多種路由算法綜合優化。

2.4 中繼數據鏈技術指標

（1）頻段：L頻段。

（2）供電電壓：+9～+36 V。

（3）傳輸距離：中繼機到任務機10 km、中繼機到地面50 km（使用地面定向天線可將中繼機到地面距離擴展為50 km）。

（4）最大數據率：4 Mbps。

（5）圖像分辨率：高清720 P@60 fps或720 P@50 fps。

（6）數據誤碼率：≤10-6。

（7）發射功率：1 W。

（8）設備功耗：30 W（12" V×2.5" A）。

（9）質量：1.2 kg（不含線纜）。

3" 自組網通信技術在應急救援中的應用

無線自組網具備臨時性、獨立性、強抗毀性等特征，所以，近些年自組網通信技術在應急救援工作中的應用越來越常見，在應急救援工作開展過程中發揮著非常關鍵的作用。救援現場工作人員不但需要相互溝通，同時還需要和各級指揮中心進行交互討論、現場的災情信息采集發布、及時告知外界和社會救援工作的狀況，這些都要依靠暢通的網絡鏈路僑保證。然而，當災害發生時，受災地區通信很有可能因災害的破壞而完全中斷，與外界失去聯系。而自組網不依賴于預設的基礎設施，可快速進行組網為應急救援提供通信支持，保障現場通信的順暢，將災害地區情況以音視頻形式傳回后方指揮中心，建立與后方（外界）指揮部門的無線通信鏈路。例如，當地震導致某地通信、電力等設施受損，地震災區現場又位于森林、山區等復雜地形環境中時，災難區域相對于外界來說是隔離的。在這種情況下，就可以選擇使用搭載自組網電臺的無人機快速地與指揮中心建立無線通信鏈路，將災情現場的各種信息快速、及時地傳到指揮中心，為指揮中心提供信息參考。

3.1 自組網通信技術在應急救援中的應用類型

3.1.1 混合式無線通信網絡的應用

混合式無線通用網絡是典型的自組網通信技術，在出現災害需要進行應急救援時，傳統無線網基站穩定性無法保障通信質量，即便設施完好，也會在信道環境惡劣、業務量激增等因素的影響下，無法正常訪問。而利用混合式無線通信網絡，可以彌補這一缺陷，在應用該方式組網后，移動終端可以自由選擇網絡，在一個網絡無法使用時，節點就會自動跳轉，并通過多次跳轉來構建出信道，能夠有效避免通信中斷影響，減輕基站負擔。

3.1.2 便攜式移動通信網絡的應用

便攜式移動通信網絡也是無線自組網應用的一種形式，該種網絡能夠發揮無線自主網絡的優勢，保障通信暢通性與可靠性，具有良好的相對獨立性，不需要其他網絡基礎設施，對人工干預的需求較小，支持多元化的接口技術，非常適合應用于應急救援工作。

3.1.3 無線傳感網絡的應用

無線傳感網絡是在安全監控與預警基礎上誕生的。在應急通信保障體系建設中，需要對應急事件區域進行全面、實時監控，以降低各類風險的發生率。在這一情況下，利用無線傳感網絡可實現對區域的監控與風險預警，可以提供更加可靠的數據傳輸服務，適合應用在多種場合，網絡覆蓋面較大，監控精度也較高，不需要采用人工干預的方式。

3.2 應用場景

自組網通信技術非常適合應用在通信網絡薄弱區域，以現有通信網絡作為基礎，增設容災功能，提高救援效率，并借助現有的無線通信技術構建綜合立體化網絡，提升網絡可靠性，減小大風、地震等自然災害的影響，做到未雨綢繆。其具體的應用場景如下。

第一，在通信中斷搶修中的應用。由于光纖中斷造成的傳輸鏈路故障，面臨的搶修環境非常復雜，難以迅速完成，此時可以借助無線Mesh自組網設備來構建傳輸通道，順利完成搶修，確保通信正常進行。

第二，在無線應急指揮通信中的應用。在故障現場有大量數據采集點，如船載、機載、車載、單兵背負等，涉及的數據類型涵蓋音頻、高清視頻、控制數據等，自組網通信技術可很好地被應用于該場景。

第三，在搶險救災應急指揮通信中的應用。針對安全與免疫通信、臨時部署、緊急救援事件等情況，適用于各類環境的自組網通信技術，能夠實現急救人員、救援隊伍、無線通信網絡的實時通信。

4" 結束語

綜上所述，自組網通信技術可被應用于緊急救援通信保障具有重要價值，其效果理想，應用可行性較高，能夠幫助各種應急救援人員構建安全的網絡通信通道，提升應急救援通信系統的穩定性。當前，自組網通信技術的應用方興未艾，各類新技術依然處于不斷攻堅和迅速發展階段，關于自組網通信技術在應急救援保障中的應用，還存在容易受到外部環境影響、非視距傳輸能力弱等問題，需要不斷進行技術創新與發展，在現有基礎上進行改進，以獲得更好的經濟效益與社會效益。■

參考文獻

[1] 盧小峰，李越杰，陳若虛，等．毫米波通信定位一體化自組網資源分配技術[J]．導航定位與授時，2022，9（2）：32-40.

[2] 鄭耀，鄭立．基于自組網通信技術的綜合應急通信系統研究與應用[C]．中國電機工程學會電力通信專業委員會第十三屆學術會議論文集，2022.

[3] 孟翔．自組網通信技術在消防救援隊伍搶險救援通信保障中的應用研究[J]．中國新通信，2020，22（20）：26-27.

[4] 李飛翔，衛穎，周遠遠．自組網通信技術戰術應用[J]．指揮信息系統與技術，2020，11（03）：87-91，96.