“空天地井” 一体化应急通信平台

      “空天地井”一体化应急通信指通信领域涵盖外太空、大气层、地面、井下甚至水下等各个层面的紧急通信。

      根据应急救援工作的时空特点，“空天地井”一体化应急通信平台主要分为如下四层体系结构，即感知层、通信层、数据层和应用层，见图7.22,其功能如下。

       感知层是应急平台运作的基础，主要包括现场各种分布式数据采集传感器、无线传感器网络（WSN）、位置传感器、语音终端（电话机、手机、对讲机、电台等）、视频终端等数据终端，釆用有线+无线的数据接入方式和基于IP技术的通信控制。

       终端设备位于整个应急平台的最外围，如同平台的手脚，在四个平面中担负着最基础的工作。

图7.22   “空天地井”一体化应急通信平台体系结构

       数据库数据的釆集一直是困扰应急指挥的一个问题。很多专业业务系统，如GIS、车辆/人员GPS跟踪、视频数据、语音数据等，有些是结构化数据，有些是非结构化数据。结构化数据在数据整合方面缺乏统一标准，实施难度大，难以基于数据层面在应急指挥中心进行呈现；非结构化数据质量高，传统视频接入不能满足要求。关于应急数据中心的建设以及配套的管理规范实施，将逐步实现与应急相关的信息采集、备份，数据库釆用中间件方式或者虚拟存储方式。

       通信层又分为主干网和接入网，采用有线+无线的数据传输模式和C/S+B/S的数据访问方式，接口实现规范化和标准化，主要作用为信息的汇集、水平信息的整合与共享、通信指挥，必须有充分冗余及可靠性设计。

       主干网主要由城域/广域和有线网络组成，包括交换机、路由器、线路和信道(光纤、电缆等)等网络设施；公用交换电话网、移动通信网络，包括2G/2.5G/3G/4G,以及卫星、无线电台和语音集群系统等。

       接入网主要有WLAN、无线Mesh网络、蓝牙等无线接入，以及窄带综合业务数字网(N.ISDN)、Cable Modem与混合光纤同轴电缆(HFC)、高速数字用户环路(HDSL)与对称数字用户环路(SDSL)、不对称数字用户环路(ADSL)、甚高速数字用户环路(VDSL)、同步数字序列(SDH)、Passive无源光网络(PON)与ATM无源光网络(APON)等有线接入等。

       在有条件的情况下，应急数据尽可能在专网上运行，且应该采用类似RPR等的链路保护技术；在无法提供专网的情况下，应尽可能采用专线类的运营链路。卫星链路和无线通信方式作为有线链路必备的备份传送手段，要尽可能地作用于每一个网络节点。各种不同制式之间的切换与保护也是应急网络平台管理最具挑战性的需求。通过提供适合不同场景、各种带宽、可靠性、各种成本的无线通信链路保障实现应急网络“高可靠”。

       包括服务器、数据库、显示器、大屏幕、调度台、视频会议终端、UPS等，在整个应急平台中，数据层是最靠近决策中枢的环节，也是最直接支撑上层软件应用的环节。数据层存在两个特征，一是数据类型多样，尤其是多媒体类数据占有大量比例；二是包含集中通信控制和集中显示控制两个功能。基于以太网的统一交换架构数据层对于满足上述两个特征最为适合。一方面统一的以太网底层通道为集中控制、集中通信、集中显示提供了物理上的通道技术基础，只要在需要的环节和位置引入相应的控制设备即可，甚至还可以做到设备级的各种集成；另一方面，统一交换架构数据层打通了前、后层的网络平面，统一了互联网、服务器和存储器，这就为不同类型数据的不同管理方式带来了灵活性。此外，统一交换架构数据层在容灾方面的实现手段多样化、易于部署，对整个应急平台的高可靠性也是一个很大的支撑。

       应用层实现应急平台的设备管理、网络管理、业务管理(通信、会议、图像、数据等)、用户管理、接口管理等各种管理功能，为应急业务提供高效的资源管理，并且它的持续优化整合最终体现在应急平台的易用性上。同时也为综合应用系统提供良好的业务接口(软件)O综合应用系统的效能最终体现在接口丰富性和管理层对下面各个平面管理的紧密度上。

       卫星通信距离远，且不受地面条件的限制。灾难突发时，具有独立通信能力和抗毁能力优势，不依赖地面通信网络和电力系统而独立工作，能够以优异的性能及迅捷的速度实现在地面传输手段无法满足的地点之间的通信，非常适合应急通信的需求。目前,国内成熟的可应用于卫星的应急通信系统有：VSAT卫星通信系统、Inmarsat国际海事卫星、中国高通量通信卫星(HTS)、中国北斗卫星导航系统(BDS)等。

       微波、超短波、短波依靠表面波和天波传播，由于频带较宽，被广泛应用于应急通信领域。目前，国内成熟的技术产品有国产烽火系列无线短波电台、武警FH2327系列微波电台、超短波对讲机等。

       高空移动驻留平台有无人机、飞艇、系留气球等，既可以从空中向下覆盖目标区域,  又可以通过电台或卫星与核心网进行连接。

       地面应急通信车、互联网、移动通信网络、无线Mesh网、WLAN、公用交换电话网等都是可以充分利用的应急通信手段。

       井下有赖于“即铺即用”的矿山救援通信系统。

       通信网络是应急平台的物理基础，平台上的搭载业务（通信、视频监视、视频会议系统、车辆定位等）的数据传输、调用均依赖于它，见图7.23。通信网络提供专业通道，具有高可靠、低时延、多业务承载和多种链路备份的特点，应该自建专网，光纤直连，组网形式以RPR为佳。对于有线链路受到严重损毁的地区则通过直播卫星快速建立起临时数据通道，实时传递音视频信息。而在应急传输网之上的应急数据共享，图像接入的方案最为成熟。由此也带来结构化数据共享的一个新思路，即远程呈现。

图7.23      “空天地井”通信网络

       此方案在救援现场建设一个稳定、高效的网络传输平台来支撑各种业务传输的需求，彻底解决卫星应急通信车下车后的“最后一公里”网络通信问题，见图7.240方案以卫星通信作为回程链路，网络釆用开放式构架，现场快速组织若干个高性能的移动通信基站，在灾害现场部署数十至上百个前端CPE用户设备，便于多个信息釆集点接入，实现文件传输、指挥调度和视频实时釆集上传。全部釆用FH2327系列自适应网络跳频电台作为基站和CPE网络接入设备，解决方案的应用要点包括以下几个方面。

图7.24  “空天地井”一体化应急通信系统方案一示意图

 

       (1)考虑是在野外救援现场，电磁环境相对简单，并且有充足的频谱资源，因此工作模式建议改成定频宽带模式，调制带宽全部由默认的5MHz扩展为20MHz,这样单基站的网络吞吐量，理论上可以由原来的16.5Mbit/s扩展为65Mbit/s甚至150Mbit/s的能力，为多业务承载提供充足的带宽资源。

       (2)依托卫星车等设施作为上车回传，与后方指挥中心远程互连，将一个“点”扩展为救援现场的一个“面”，全面拓展业务和覆盖范围。通过良好的网络QoS能力，可进一步划分VLAN,将语音网、视频网、远程医疗网等众多逻辑网络合并到同一主干回传，并且在带宽控制和业务实时性方面有较好的控制。

       (3)充分利用地形进行网络覆盖拓展，在现场建立制高点核心基站，可以利用高山、山坡的高度优势，使覆盖范围在视距条件下，使用全向天线达到3km的水平，外接定向天线时达到10km以上；同时配合基站内置的DC-UPS电源，并外接野战太阳能供电器等实现长时间的续航能力。基站的整体功耗小于6W,经过特殊优化的基站甚至小于3W,轻松满足72h的要求。

       (4)CPE终端釆用内置电源的单兵型电台，可以随时开启和关闭，并且可以迅速转换角色作为WiFi使用，为现场的各种智能终端、便携式计算机、无线IP网络摄像机等接入创造了即插即用的条件。

       (5)位于网络的任何位置都可以部署提前预置的基本服务，如IP-PBX、视频会议系统等。用户只需要在其PAD或计算机终端上安装APP服务，甚至直接利用Web网页即可实现数据资料的上传、召开电话会议、开启现场视频监控等业务。而这些业务几乎与位置无关，更多的高级业务可能位于远程的后方指挥中心，因为现场可以提供足够的带宽服务，使各种应用变得更加灵活。甚至通过系统可以获得远程服务器提供的未来24小时云图和天气预报等以前不敢奢望的高级服务。充足的带宽使远程医疗会诊也成为可能，利用野战医院提供的X射线、CT、B超等高级诊断设备，配合远程专家会诊系统,对及时救助伤员、提高存活率有十分积极的作用。

      (6)需要积极更新和拓展与救援相关的APP应用，同步进行“一体化”应急平台的开发与利用，不能等到网络部署完毕后数据滞后的尴尬局面。由于救援现场通过下车网实现了点对面的覆盖，通过WiFi二次中继以后，各类用户终端能大量接入网络，具备了非常强大的即时通信能力。这样，进一步开发救援信息共享系统，既能有效提高现场后勤保障和物资使用的效率，又可以将现场急需的救援需求及时通过回传网络向社会面发布，方便发动各级政府部分和社会响应救援行动，有针对性地进行资助或捐赠物资器材,并提供医疗信息等增援行动。而这些能力全部需要在进一步的需求分析基础上有针对性地进行软件开发。

       此方案解决井下救援现场多媒体信号的远传问题。包括卫星通信单元和井下灾区应急通信单元两大部分，见图7.25。

图7.25    应急救援通信子系统组成 

     （1）卫星通信单元：实现现场指挥功能，具有覆盖范围最广、快速组网、易于扩展、支持大容量高速率多媒体业务等优点，可以满足抢险救灾、新闻采访、公安和军事领域的应急通信需要；同时还可以和任何已有的应急救援通信子系统配合使用，可应用于多种情况，具有很强的实用性和重大的社会、经济效应。

       卫星通信单元由支撑网络、卫星通信指挥车、通信卫星、卫星地面接收设备、图像接入设备、应急语音调度设备等组成。支撑网络主要包括上传线路、核心交换和现场无线接入。

       上传线路以卫星线路为主。卫星通信单元需要与应急救援各级指挥中心进行多媒体交互，对带宽的需求较高，目前采用VSAT卫星通信系统方式较多，同时可通过3G/4G方式进行线路备份，满足平时和战时的不同场景的应用。

       核心交换包括图像接入管理、应急通信调度系统和应急应用系统等的互连接入。现场无线接入主要实现井下灾区应急通信单元的接入，主要是语音调度和现场图像等业务的承载，经现场指挥员综合研判和决策后将关键信息通过核心交换上传，传输到指挥中心；指挥中心再将相关指令和指示传达到卫星通信单元，从而实现应急联合协调处置。

       卫星通信指挥车基于VSAT卫星通信系统和海事卫星BGAN传输，包括天线、车载摄像机、视频服务器、音视频矩阵、卫星电话等。卫星电话以海事卫星BGAN业务为例，该业务支持64Kbit/s、256Kbit/s、432Kbit/s速率的IP数据业务。

     （2）井下灾区应急通信单元：釆用有线与无线相结合方式，地面指挥中心与井下救护基地之间（10〜20km不等）釆取有线（电话线/光缆）通信方式；井下救护基地与灾区现场之间（通常在1000m左右）釆用无线方式。救援终端主要由应急救援黑匣子（图7.26）和无线Mesh网组成，将客户端与无线路由器连接到一起。应急救援黑匣子完成井下现场的视频、音频、环境参数（氧气、一氧化碳、瓦斯浓度和环境温度）等多媒体信息的实时采集，并具有存储、显示、报警等功能，无线Mesh网将多媒体信号以多跳的方式，通过若干Mesh路由器的路由转发功能将信号送至井下基地设备，设备电源釆用本安型锂电池，实现“即铺即用”的矿山救援通信服务。

图7.26  应急救援黑匣子照片