微波定向區(qū)域覆蓋在應(yīng)急救援通信保障中的應(yīng)用探討

摘要：在大型復(fù)雜災(zāi)害事故救援處置現(xiàn)場(chǎng)，通常會(huì)有多部門協(xié)同配合開展作業(yè)，因而指揮通信業(yè)務(wù)繁忙。消防救援隊(duì)伍在使用公共移動(dòng)通信網(wǎng)上傳各種信息特別是現(xiàn)場(chǎng)多路視頻信息時(shí)可能會(huì)面臨帶寬不足、信道爭(zhēng)奪的情況，甚至?xí)鎸?duì)現(xiàn)場(chǎng)斷網(wǎng)、斷電、斷路的情況。微波通信具有帶寬大、信道相對(duì)獨(dú)立的優(yōu)勢(shì)。該文作者結(jié)合自身工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)使用微波數(shù)字通信對(duì)災(zāi)害事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行快速覆蓋、實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)延伸，保證消防救援隊(duì)伍指揮通信連續(xù)、通暢、可靠的可行性進(jìn)行了測(cè)試和分析。

關(guān)鍵詞：消防；微波；應(yīng)急通信；無線通信

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.05.031

中圖分類號(hào)：TN 91；TN 92" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2024）05-00-03

Discussion on the Application of Microwave Directional Area Coverage

in Emergency Rescue Communication Support

YANG Haocheng

（Kunming Training Corps of the National Fire and Rescue Bureau， Kunming 650029， China）

Abstract： In the rescue and disposal site of large-scale and complex disaster accidents， multiple departments usually cooperate to carry out operations， command communication business is busy， and fire rescue teams may face insufficient bandwidth and channel competition when using public mobile communication networks to transmit various information， especially multi-channel video information on site. They may even face on-site network outages， power outages， and circuit breakers. Microwave communication has the advantages of large bandwidth and relatively independent channels. The author of this article， based on their own work experience， tested and analyzed the feasibility of using microwave digital communication to quickly cover disaster accident sites， achieve communication network extension， and ensure continuous， smooth， and reliable command and communication of fire rescue teams.

Keywords： fire protection; microwave; emergency communication; wireless communication

1" "研究背景

為保證決策科學(xué)、指揮高效、調(diào)度精準(zhǔn)，在災(zāi)害事故救援處置現(xiàn)場(chǎng)，通信保障人員需采集現(xiàn)場(chǎng)各類數(shù)據(jù)信息并通過某種通信方式進(jìn)行傳輸，各級(jí)指揮員依據(jù)這些信息對(duì)災(zāi)害做出準(zhǔn)確判斷和科學(xué)決策并迅速下達(dá)至一線。在使用公共移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸現(xiàn)場(chǎng)各種信息時(shí)，與日常公眾使用網(wǎng)絡(luò)以下載信息為主不同，此時(shí)信息數(shù)據(jù)流向以上傳為主，而單一移動(dòng)通信基站上行帶寬小于下行帶寬，很容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況。

因決策指揮需要，災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)可視化對(duì)各級(jí)指揮員至關(guān)重要，故應(yīng)盡可能多地采集現(xiàn)場(chǎng)視頻信息，而視頻信息數(shù)據(jù)需要較大通信帶寬才能實(shí)現(xiàn)流暢實(shí)時(shí)的傳輸。微波具有帶寬高、方向性強(qiáng)、定向傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，結(jié)合消防通信保障以快致勝的需求，可考慮采取在一定距離上對(duì)災(zāi)害事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行區(qū)域化快速覆蓋，建立獨(dú)立于其他通信網(wǎng)絡(luò)的無線IP寬帶通信信道，以滿足消防救援隊(duì)伍指揮通信各類信息寬帶化傳輸?shù)男枨螅⒛芊奖愕亟尤胂乐笓]調(diào)度網(wǎng)、衛(wèi)星通信網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)等各種網(wǎng)絡(luò)，將現(xiàn)場(chǎng)信息及時(shí)傳輸至全國各級(jí)救援指揮中心[1]。

2" "微波設(shè)備主要情況

測(cè)試人員選擇了國內(nèi)某品牌廠商的若干類型的設(shè)備開展測(cè)試，具體包括微波通信基站、定向扇面天線、集成定向扇面天線的CPE通信終端，用于構(gòu)建點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的微波通信信道。其中微波通信基站整機(jī)功率

7.8 W，最大發(fā)射功率為26 dBm，工作頻段為5～6 GHz，最高無線速率為867 Mbps，具備千兆自適應(yīng)RJ45接口；定向扇面天線尺寸為700×133×57 mm，增益為19 dBi，頻段為5～6 GHz，水平/垂直雙極化，水平波瓣寬度為120°，垂直波瓣寬度為4°。CPE尺寸為224×79×6 mm，整機(jī)功率為7.2 W，最大發(fā)射功率為26 dBm，天線水平/垂直雙極化，水平波瓣寬度為45°，垂直波瓣寬度為30°，增益為13 dBi，最高無線速率為867 Mbps，具備千兆自適應(yīng)RJ45接口。

3" "基礎(chǔ)通信測(cè)試

為最大限度了解微波傳輸設(shè)備及測(cè)試設(shè)備的性能，測(cè)試人員先利用一座建筑內(nèi)部100 m的通視走廊開展了基礎(chǔ)測(cè)試。

3.1 有線連接帶寬測(cè)試

為測(cè)定用于通信帶寬測(cè)試的網(wǎng)絡(luò)終端及交換設(shè)備的性能，傳輸帶寬測(cè)試全部使用兩臺(tái)移動(dòng)建模圖形進(jìn)行，操作系統(tǒng)均使用Windows 11 64位，設(shè)置了共享文件夾完全訪問權(quán)限，其中一臺(tái)工作站搭建了FTP服務(wù)器。為了有效掌握通信傳輸帶寬，兩臺(tái)工作站均通過屏蔽6類線接入交換機(jī)，分別通過文件復(fù)制、FTP上傳下載、Lan Speed Test軟件及外部命令iperf等4種方式來對(duì)傳輸速率進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)測(cè)試，文件復(fù)制方式傳輸速率為569 Mbps，F(xiàn)TP方式傳輸速率為880 Mbps，Lan Speed Test傳輸速率為716 Mbps，外部命令行傳輸速率為942 Mbps。

3.2 微波基礎(chǔ)傳輸測(cè)試

在千兆有線局域網(wǎng)帶寬測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，為了解微波通信設(shè)備傳輸性能，測(cè)試人員利用建筑內(nèi)部100 m的通視走廊，在走廊兩端分別架設(shè)微波通信設(shè)備及天線，建立微波通信信道，并將兩臺(tái)工作站分別用6類屏蔽網(wǎng)線接入走廊兩端的微波通信終端，對(duì)微波通信設(shè)備的傳輸能力進(jìn)行測(cè)試。建筑內(nèi)部有公共移動(dòng)通信網(wǎng)、Wi-Fi等無線信號(hào)，測(cè)試組合分別為微波通信基站與微波通信基站、微波通信基站與CPE，CPE與CPE，測(cè)試方式采用有線連接時(shí)的4種測(cè)試方式。在建筑內(nèi)走廊測(cè)試時(shí)微波通信基站與定向扇面天線連接，兩端天線通過腳架架設(shè)，信號(hào)發(fā)射接收面中軸線相互對(duì)準(zhǔn)并且高度一致，信號(hào)頻率設(shè)為5.1 GHz。分組測(cè)試結(jié)果見表1。

從表1測(cè)試數(shù)據(jù)看出，通過建筑內(nèi)部使用微波建立數(shù)據(jù)傳輸信道，在較為復(fù)雜的電磁環(huán)境下，雖然不同設(shè)備組合及不同測(cè)試方式得到的數(shù)據(jù)不盡相同甚至有明顯差異，但得到的傳輸速率均大于150 Mbps，按照1路4K視頻流暢傳輸需50 Mbps帶寬計(jì)，能夠滿足多路4K清晰度視頻傳輸?shù)男枨螅耆軡M足當(dāng)前消防救援隊(duì)伍現(xiàn)場(chǎng)多路音視頻及其他數(shù)據(jù)同時(shí)實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枨蟆Ｋ栽凇叭龜唷被蚬惨苿?dòng)通信網(wǎng)擁塞的災(zāi)害事故救援處置現(xiàn)場(chǎng)，消防通信保障人員可考慮利用微波建立專用通信信道，將災(zāi)害事故現(xiàn)場(chǎng)采集的各種信息傳輸至消防指揮調(diào)度網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)等。

4" "室外通信測(cè)試

在建筑內(nèi)部進(jìn)行的傳輸測(cè)試，因兩端距離僅100 m，為對(duì)微波通信設(shè)備的長(zhǎng)距離通信傳輸能力進(jìn)行評(píng)估，測(cè)試人員選擇在湖泊兩岸水邊開展測(cè)試，海拔均為1 868 m左右，一端為A點(diǎn)，一端為B點(diǎn)，將通信兩端距離拉遠(yuǎn)，讓微波信號(hào)從湖面上方通過以避開地表障礙物遮擋。

測(cè)試所用設(shè)備、測(cè)試方式與室內(nèi)測(cè)試時(shí)完全一致，一端工作站加掛4K圖形采集卡并連接無人機(jī)實(shí)時(shí)圖像（1 920×1 080），依然按照微波通信基站與微波通信基站、微波通信基站與CPE，CPE與CPE的組合分別進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試兩端均以最大發(fā)射功率發(fā)射信號(hào)，均使用1 021 Wh容量的戶外電源進(jìn)行供電，并配有120 W太陽能充電板；測(cè)試時(shí)間均在日間進(jìn)行，測(cè)試時(shí)天氣以晴朗為主，少數(shù)測(cè)試日期天氣為多云及有霧。

4.1 3.5 km通信傳輸測(cè)試

A點(diǎn)E102.675 N24.932，B點(diǎn)E102.643 N24.930，經(jīng)計(jì)算兩點(diǎn)之間距離約為3 505 m，兩端天線按大致方向進(jìn)行快速對(duì)準(zhǔn)，測(cè)試當(dāng)日天氣晴朗，能見度良好，風(fēng)力大約為3級(jí)，天線輕微晃動(dòng)，在A、B兩點(diǎn)使用370 MHz數(shù)字常規(guī)對(duì)講機(jī)在高功率模式下可正常通信，聲音清晰流暢。微波信道建立后A點(diǎn)遠(yuǎn)程調(diào)用B點(diǎn)無人機(jī)實(shí)時(shí)畫面，圖像清晰，畫面流暢。測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2測(cè)試結(jié)果上看，相對(duì)于室內(nèi)測(cè)試結(jié)果，在同等發(fā)射功率下通信距離從100 m增加到3 505 m，測(cè)試得到的傳輸速率雖大幅降低，但依然在60 Mbps以上，仍然能夠滿足1路4K視頻傳輸；按1路1 080P全高清圖像需6 Mbps帶寬計(jì)，可滿足同時(shí)傳輸大于或等于10路1 080P全高清圖像。得益于更高的天線增益，微波通信基站傳輸性能明顯優(yōu)于CPE，天線增益大小對(duì)信號(hào)傳輸有很大影響[2]。

4.2 6 km通信傳輸測(cè)試

A點(diǎn)位置不變，B點(diǎn)移至E102.657 N24.880，經(jīng)計(jì)算兩點(diǎn)之間距離約為6 000 m，兩端天線按大致方向進(jìn)行快速對(duì)準(zhǔn)，測(cè)試當(dāng)日天氣有霧，能見度差，風(fēng)力大約為3級(jí)，天線輕微晃動(dòng)，在A、B兩點(diǎn)使用370 MHz數(shù)字常規(guī)對(duì)講機(jī)在高功率模式下基本可通信，聲音清晰但出現(xiàn)卡頓及掉字，時(shí)有呼叫無應(yīng)答的情況。微波信道建立后A點(diǎn)遠(yuǎn)程調(diào)用B點(diǎn)無人機(jī)實(shí)時(shí)畫面，圖像清晰，畫面流暢。測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

從表3測(cè)試結(jié)果上看，相對(duì)于距離5 505 m測(cè)試結(jié)果，在同等發(fā)射功率下通信距離增大，傳輸速率降低，測(cè)試得到的傳輸速率最低值傳輸4K視頻可能出現(xiàn)卡頓，但仍可滿足大于或等于7路1 080P全高清視頻的流暢傳輸需求。但如果若選用天線增益較大的設(shè)備，仍可滿足1路4K視頻流暢傳輸?shù)男枨蟆?/p>

4.3 11 km通信傳輸測(cè)試

A點(diǎn)E102.732 N24.923，B點(diǎn)E102.763 N24.827，經(jīng)計(jì)算兩點(diǎn)之間距離約為111 340 m，兩端天線按大致方向進(jìn)行快速對(duì)準(zhǔn)，測(cè)試當(dāng)日天氣晴朗，能見度良好，基本無風(fēng)，在A、B兩點(diǎn)使用370 MHz數(shù)字常規(guī)對(duì)講機(jī)在高功率模式下無法呼通。微波信道建立后A點(diǎn)遠(yuǎn)程調(diào)用B點(diǎn)無人機(jī)實(shí)時(shí)畫面，圖像清晰，畫面流暢。測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。

從表4測(cè)試結(jié)果上看，相對(duì)于距離5 km測(cè)試結(jié)果，雖距離增大，但傳輸速率卻優(yōu)于5 km測(cè)試時(shí)的數(shù)據(jù)，5 km傳輸測(cè)試當(dāng)日天氣有霧，能見度差，推測(cè)霧對(duì)微波傳輸性能造成了影響。

4.4 16 km通信傳輸測(cè)試

A點(diǎn)E102.732 N24.923，B點(diǎn)E102.657 N24.796，經(jīng)計(jì)算兩點(diǎn)之間距離約為162 527 m，兩端天線按大致方向進(jìn)行快速對(duì)準(zhǔn)，測(cè)試當(dāng)日天氣晴朗，能見度良好，風(fēng)力約2級(jí)天線輕微搖晃，在A、B兩點(diǎn)使用370 MHz數(shù)字常規(guī)對(duì)講機(jī)在高功率模式下無法呼通。測(cè)試數(shù)據(jù)如表5所示。

CPE通信建立失敗，微波基站相互通信時(shí)帶寬不穩(wěn)定，但測(cè)出的最低速率仍能滿足大于或等于4路1 080P全高清視頻傳輸需求，遠(yuǎn)端調(diào)看無人機(jī)圖像清晰流暢。

5" "定向區(qū)域覆蓋能力估算

假定在距某災(zāi)害事故現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)害3.5 km的地點(diǎn)設(shè)置通信節(jié)點(diǎn)A并架設(shè)水平波瓣寬度為120°的定向扇面天線，經(jīng)簡(jiǎn)單計(jì)算，理論上可提供與災(zāi)害地點(diǎn)至通信節(jié)點(diǎn)A連線相垂的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)兩側(cè)水平各6 062 m的覆蓋范圍，在此范圍內(nèi)通信的另一端無論使用扇面天線或集成化的CPE，都可以與通信節(jié)點(diǎn)A建立微波傳輸信道，最大通信距離為7 km；若在距災(zāi)害事故現(xiàn)場(chǎng)5 km距離的高點(diǎn)設(shè)置通信節(jié)點(diǎn)及扇面天線，則覆蓋范圍可擴(kuò)大到災(zāi)害事故現(xiàn)場(chǎng)兩側(cè)水平各8 660 m的范圍，最大通信距離10 km。參照上面的測(cè)試數(shù)據(jù)，此次測(cè)試的微波設(shè)備可提供足夠的帶寬保障災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)至消防指揮調(diào)度網(wǎng)或衛(wèi)星網(wǎng)多路全高清視頻傳輸需求。

6" "實(shí)際通信保障中的應(yīng)用可行性

本測(cè)試中1個(gè)微波基站+1副天線+1個(gè)可折疊天線桿質(zhì)量不足5 kg，每個(gè)移動(dòng)電源重9.2 kg，每個(gè)太陽能充電板質(zhì)量為4 kg，重量較輕，便于運(yùn)輸及人力攜行。

采取定向扇面覆蓋的方式通信兩端天線只需大概對(duì)準(zhǔn)即可建立通信鏈路，因此可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的快速覆蓋，特別是在無法快速鋪設(shè)野戰(zhàn)光纖的情況下，微波定向區(qū)域覆蓋傳輸優(yōu)勢(shì)十分突出，特別適用于較大范圍的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)覆蓋。整套微波設(shè)備操作簡(jiǎn)單，對(duì)操作人員能力要求不高，經(jīng)簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可獨(dú)立完成操作。通信鏈路建立后基本無需操作，每端只需1人兼職值守，故可作為備選的通信保障手段。

7" "結(jié)束語

除兩端一對(duì)一通信外，現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中還應(yīng)具體結(jié)合災(zāi)害事故現(xiàn)場(chǎng)地理?xiàng)l件，采取接力通信、中繼繞障等方法來完善對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)覆蓋。同時(shí)也可以通過增大發(fā)射功率來增加通信距離、提升信噪比及傳輸穩(wěn)定度、克服雨霧對(duì)微波信號(hào)的干擾等。

參考文獻(xiàn)

[1] 欒秀珍．微波技術(shù)與微波器件[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2021.

[2] 王文祥．微波工程技術(shù)[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2009.