早期预警与减灾无线电通信系统

       
        公共预警系统（PWS）核心是利用公众移动通信网用户颁布灾难预警信息，承担告警信息颁布的网络主体是移动通信网。而早期预警与减灾无线电通信系统是由亚太电信标准化计划（APT Standardization Program,ASTAP）的灾难管理专家组提出的，目的是通过建立“早期预警与减灾无线电通信系统”，在灾难即将发生前，将灾难信息及时传递给居民，防止自然灾害、事故或人类活动引发的灾害对社会造成严重破坏，给生命、财产或环境带来严重威胁。早期预警与减灾无线电通信系统并不是针对公众移动通信网，而是通过建立两级结构的网络，利用无线电通信技术，向民众传播灾难告警信息。

       2003年，为了确保人道主义组织人员的安全，并督促各成员国便利使用电信网络，世界无线电通信会议颁布646决议“公共保护和减灾”。ITU-R建议F.1105-2列出许多用于减灾的无线电通信类型，包括地区同步通信系统。为了防止自然现象、事故或人类活动引发的灾害对社会造成严重破坏，给生命、财产或环境带来严重威胁，APT建议建立早期预警与减灾无线电通信系统。

       APT所建议的“早期预警与减灾无线电通信系统”为国家级灾难管理中心和地方政府两级结构，灾难管理中心通过陆地或卫星系统将灾难信息及时传送给地方政府，地方政府通过地区同步通信系统及时将消息传给当地居民，如图5-101所示。

图5-101   早期预警与减灾无线电通信系统

       一个完整的早期预警和减灾无线电通信系统是由固定无线电通信系统（Fixed Radio Communication System,FRGS）和移动无线电通信系统构成的，下面分别予以详细介绍。

        固定无线电通信系统包括核心网络通信系统和地区同步通信系统。核心网络通信系统通过陆地系统和卫星系统，实现灾难管理中心（国家级或州政府级）和地方政府机构（如州、城市、城镇，村庄）的通信；地区同步通信系统连接地方政府机构和居民。其架构如图5-101所示。

1.核心网络通信系统

        核心网络通信系统为灾难管理中心和地方政府机构间提供稳定、安全、高速的通信链路，并能快速充分收集和发送灾难信息（如语音、传真、图像和数据等）。该系统包括陆地系统和卫星系统，陆地系统和卫星系统应互为补充支持预警减灾无线电通信网络，提供通信冗余性，从而提高通信网络的可靠性。

（1）陆地系统

        陆地系统是一个宽带无线通信网络，实现灾难管理中心和地方政府机构之间灾难信息（如语音、图像和数据）的交互。为了减少灾难（如地震、暴风雨或洪水等）造成的损失，陆地系统能启动合理的应对策略，并向灾难管理中心的请求作出快速反应。

        如图5-102所示，陆地系统架构包括无线站和无线链路。无线站有控制站、中继站、分支站和终端站。无线链路有骨干链路、分支链路。

图5-102   陆地系统功能架构示意图

       控制站是陆地系统的核心无线站，位于政府部门。援助灾难现场的灾难管理中心通常设立在控制站，收集信息、提供灾难预警或向其他站点颁布减灾指令。控制站通过远距离监督控制主要中继转播设备。

       中继站一般位于山地，用于控制站和其他站之间无线电通信信号的传送。中继站可确保通信的广域覆盖，提供稳定、高质量的无线电通信链路。中继站由数字多路无线电设备和窄带数字无线电设备组成。控制站和中继站形成无线电通信链路环路，并提供多选择的无线路由，从而提供可靠的通信。

       分支站转发控制站与终端站之间的信息；分支站与控制站之间通过数字多路无线链路连接，能发送大量数据；分支站与终端站通过数字窄带无线链路连接，能发送小量数据（如语音和传真）。

       终端站位于地方政府和相关机构。终端站通过窄带数字无线电链路连接到分支站，可提供电话和传真通信。

       骨干链路（微波多路无线链路）：中继站通过骨干链路连接控制站和分支站。每个站的微波多路无线电设备提供任何两个站之间的点对点数字无线电链路。媒体（如语音、图像和数据）信号范围在任何两个站之间都是不同的。当多种设备提供多路信道并交叉连接时，骨干链路是点对点连接的，从而确保骨干网的高效使用。

分支链路（窄带无线电链路）：分支链路连接终端站和更高级别站。链路通过分别位于控制站和分支站的数字交叉设备提供电话和传真信道。

       陆地系统的通信模式包括同步通信、群组通信和个人通信模式，见表5-14。

表5-14  通信模式

 

（2）卫星系统

       卫星系统通过卫星提供国家灾难管理中心、地方灾难管理中心和分支机构间的可靠通信链路，并收集灾难信息并立即通知每个终端。该系统提供灵活和快速的科能融合应急通信，并提供任何地方（包括偏远地区和孤岛）的日常通信，包括点对点的个人通信（如语音、传真和低速数据）、高速IP数据、点对多点IP多播和视频传送。

       除提供电话、传真、数据通信外，卫星系统有如下功能：

       1）灾难发生时，提供紧急联络、多播和灾难地区图像的传送。

       2）颁布管理信息，如全国紧急会议直播情况、国家政策、地方官员或国会议员的公告。

       3）全国范围节日、展览会和地区特产的图片传送。

       卫星系统的架构如图5-103所示。

图5-103   卫星系统架构功能示意图

       如图5-103所示，卫星系统基本包括卫星、网络协调站（Network  Coordination Station,NCS）、子网络协调站（Sub-NCS）.地方政府固定地球站（控制站）和VSAT（Very Small Aperture Terminal）。

       NCS/Sub-NCS：NCS应具备按需分配（Demand Assignment,DA）功能，根据控制站的要求，通过动态分配频率资源，有效使用卫星转发器的带宽，适用于全网状和星形的卫星系统。另外，NCS还能包括类似多播、数字视频传送/接收和IP/视频传送预留子系统等功能。

       NCS控制和管理整个卫星网络。NCS的DA能力应提供如下卫星资源管理功能：

       1）信道流量需按要求或预留要求进行分配。.

       2）通信控制：优先分配特殊灾难地区的信道；建立热线。

       3）灾难发生时，强迫断开已使用的非紧急卫星信道，确保更重要的科能融合应急通信。

       4）视频传输预留管理。

       5）流量监测。

       同时，NCS提供遥控和监控所有控制站状态、IP多点传送、数字视频传送管理和计费管理等。

       基于控制站或分支站的请求，NCS应能将部分通信控制功能转移到这些站点上，同时也可操作控制站具备NCS所有功能，从而减少系统运行成本并可动态改变控制站的功能。

       Sub-NCS应提供NCS的备用功能，以防NCS的定期维护、设备失败、地区有大雨等异常情况。NCS和Sub-NCS应在地理上分设，以提供预防自然灾害（如地震和台风）的功能。

       控制站：控制站（包括VSAT）应包括天线、发送/接收设备和终端。控制站应位于地方政府，并提供个人通信（语音或传真）、地方范围多播通信和全国范围的数字视频传送。控制站处在地区边界地方时应具备VSAT状态检测功能，灾难发生时控制站应具备强迫断开非紧急卫星链路的通信控制功能，从而确保更重要的紧急通信。

       分支站：分支站应一般部署在地方政府的分支机构，提供个人通信（语音/传真）、IP数据/多播数据和数字视频接收功能。

       VSAT：VSAT应一般部署在城市/城镇/村庄政府机构、灾难管理部门或其他公共安全救援部门，并提供语音/传真通信、IP数据、多播数据和数字视频接收功能。

       车载站：车载站（如SNG）适于灾难地区支持个人通信、紧急传送灾难地区图片，并提供数字视频、语音、传真通信和IP数据传输，可扩展到利用卫星跟踪天线的移动应用。

       便携式VSAT：便携式VSAT重量轻、有按键，主要电源由便携式发电机供电，适合于灾难地区的科能融合应急通信，应提供语音、传真通信或IP数据传输。

       卫星系统管理个人点对点通信（语音、传真和数据）流量和点对多点灾难信息（包括视频）。根据设备发送/接收能力和可用调制解调器数量等因素的限制，每个地球站或VSAT提供网状（如语音）或星形（如多播）通信网络。

       卫星网络可配置为全网状和星形的混合网络，如图5-104所示。NCS的DA可控制整个网络操作和流量管理。

图5-104    卫星系统网状和星形的混合网络

卫星系统应提供如下应用，见表5-15

表5-15  卫星应用和网络配置

2.地区同步通信系统

      灾害发生时，地区同步通信系统（RegionalSimultaneousCommunicationSystem,RSCS）部署在地方政府灾难信息中心或灾难管理中心，并迅速向居民发送灾难通知信息，从而保护公众安全。

       RSCS包括地方政府建立的主站、中继站和子站。RSCS的基本系统架构如图5-105所示。

图5-105   RSCS基本系统架构

（1）主站

主站部署在地方政府部门处，发送语音和消息给子站，并从子站接收语言、图像和数据。

（2）中继站

根据主站和子站需求，中继站可部署在山脉处，传递主站与子站间交互的消息。

（3）子站

       子站可直接从主站或通过中继站接收语音和消息。子站包括室外终端和室内接收器，由主站控制。室外终端能传送和接收通信和指挥频道；然而，室内接收器只能接收通信频道（语音和消息）。

       灾害包括自然灾害（如台风、海啸、地震等）、人为事故（如飞机坠毁、核电站爆炸等）、蓄意的灾害（如恐怖袭击、爆炸事件等）。当灾害发生时，需要向居民通知各种信息。通信消息包括，如天气预报、台风风速、地震后的海啸信息。除此之外，通过传播速度不同的波来预报地震将至的消息，灾难信息也可能包括避难所的通知信息。当这些灾难发生时,有必要快速地将不同预警信息发送给居民。

       地区同步通信系统允许双向数据通信，且配置应用软件，允许从灾难现场收集地理图像信息，并在避难区域和地方政府部门之间交互信息，同时通过语音和消息发出疏散指令和灾难消息。

       考虑到弱势群体（如残疾人、老人），系统也配备了提供字符显示和传真等应用，图5-106表示同步传送灾难信息给子站的模式，如室外终端和室内接收者，从地方政府建立的主站接收信息的情景。中继站一般部署 在主站和子站之间无法直接通信的地方，以传递主站与子站间的交互信息。

       地区同步通信系统一般有同步通信、应急同步通信、群组通信、个人通信4个通信模式，见表5-16所示。 

 

图5-106    地区同步通信系统简图

表5-16通信模式

通信模式	通信类型
同步通信	从主站到所有备份站的单向同步通信
应急同步通信	主站到所有子站、子站群的单向科能融合应急通信；为了给居民立即发送应急消息，主站能断开已使用 的通信信道，占用通信信道并激活子站的扬声器
群组通信	主站和子站群单向通信
个人通信	主站和特定子站的双向通信

某些用户可能需要同时使用多种RSCS应用，如网络语音、低/适中速度数据、高速数据等业务；RSCS应可以通过在其设备中配置相应的设备，以支持多种不同应用的同时使用，如主站提供传真、数据通信、图片传送和语音通信设备；室外终端提供传真、数据通信、图片传送和语音通信设备；室内接收器提供语音重放、角色特性、传真设备。RSCS应用示例见表5-17。

表5-17  RSCS应用示例

      系统可以有从简单到复杂不同的实现架构，分别如图5-107.图5-108和图5-109所示。图5-107是最简单的系统架构，包括主站和子站。

图5-107   架构模型1

       图5-108所示的模型包含主站、中继站和子站。中继站部署在主站和子站之间，并且每个子站不会直接从主站接收/发送消息。

       图5-109所示的模型是最可能出现的系统模型，子站直接接收/发送信息从/到主站，或者通过中继站。 

图5-108   架构模型2

图5-109    架构模型3

       移动无线电通信系统(Mobile Radio Communication System,MRCS)是对固定无线电通信系统的补充，目的是提供移动性的应急指挥。MRCS和FRCS共同构成一个完整的早期预警和减灾无线电通信系统。

       MRCS可使用集群或其他传统无线网络，在集群没有覆盖或故障时，可使用可部署的通信单元(Deployable Communication Unit,DCU)加以补充。DCU可通过卫星、微波方式连接到地方政府机构或灾难管理中心。MRCS允许双向语音和窄带数据通信，可收集灾难现场信息并交换避难场所和地方政府的信息，同时颁布语音和消息疏散指令、灾难消息。MRCS使灾难管理中心、地方政府机构、求救人员和救援人员之间的通信更加便利。

       MRCS的特点是灵活和点对多点通信，并满足移动性需求，MRCS具有如下功能：

       1)灾难管理中心和地方政府机构之间的移动逋信；

       2)地方政府机构和居民区之间的移动通信。

       MRCS系统架构如图5-110所示。

如图5-110所示，MRCS包括如下子系统： 

图5-110  MRCS系统架构

1）集群/传统无线网络；

2）可部署的通信单元（DCU）；

3）移动站。

       MRCS中的集群或传统无线网络能用于陆地移动通信，使第一个回应者、救援人员、灾难管理指挥和控制中心之间的通信更加便利。如图5-111所示。

图5-111   集群/传统无线网络（含移动站）的基本结构

       在图5-111中，主站控制中继站和移动站的语音、无线信号、消息和数据业务，可由集群通信系统的无线交换系统构成，主站应连接到指挥和控制系统，以便控制整个MCRS的运行。主站可位于灾难管理中心、地方政府机构或其他任何适于集中操作的地方。中继站位于室外（更适宜高地，如多山地方或高塔），转发主站和移动站之间的无线通信信号。中继站使用有线链路（如E1/T1）或专用无线链路（如微波）连接主站。主站故障或主站的链路路障，中继站应能继续运转。

       MRCS中的第二个子系统是可部署的通信单元，它的使用是基于一定背景的。通过很多关于国家灾难（如海啸、地震和恐怖主义袭击）的灾后分析报告可以看到，通信系统（尤其无线网络）面临的关键问题是：

       1）公共通信网络的拥塞，包括无线系统（如蜂窝网络）；

       2）无线网络基础设施的破坏（如天线或中继站）；

       3）电源中断、电力线破坏引起的持续长久断电； 

       4）倒塌建筑物的碎片和碎石等堵塞物造成无线覆盖很差；

       5）无线系统和公共安全组织的无线信道频率不兼容。

       如果处在集群/传统无线网络无法覆盖的废墟中，第一个求救者/团队可通过可部署的通信单元（DCU）进行通信求救。DCU可以补充地区通信系统和陆地系统，实现与其他系统的互操作。DCU的所有通信可通过卫星、微波方式连接到地方政府机构或灾难管理中心。

       DCU可通过如下方式作为集群/传统无线网络的补充系统：

       1）允许覆盖集群/传统无线网络未覆盖的区域，扩大覆盖范围；

       2）部署DCU以增加信道容量，减轻拥塞；

       3）主要系统破坏时，DCU可作为备用单元进行通信，以保持重要通信不间断。

       DCU也可安装移动控制中心（MobileControlCenter,MCC）,从而实现陆地移动通信的跨越海洋的减灾活动，MCC能连接到地方、区域或国家灾难管理中心。DCU的系统构成如图5-112所示。

图5-112DCU（含MCC）系统组成

      MRCS中另一个子系统是移动站，移动站是MRCS的用户接口。移动站直接从其他移动站、中继站或直接接受控制和命令发送/接收语音、数据和消息。移动站包括各种不同类型的无线终端，如便携式无线终端、移动无线终端、固定无线终端。另外，当网络基础设施（如主站或中继站）出现故障时，所有移动站应能实现短距离间的直接通信。

       MRCS应支持各种用户终端，并有如下目标和需求：

      1）漫游、移动性、通信单元的可携带；

      2）高效使用无线射频频谱；

      3）成组通话功能，包括设定通话组；

      4）实现端到端的加密通信；

      5）开放标准。

      MRCS应有同步通信、紧急通信、群组通信和个人通信4种通信模式，见表5-18。

表5-18通值模式

 

      MRCS可指定优先通信，如灾难发生的优先科能融合应急通信优先科能融合应急通信需要一定的专用通信资源。