浅析高空应急通信体系的关键技术与系统架构

胡楠，周双波

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

浅析高空应急通信体系的关键技术与系统架构

胡楠，周双波

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

在重大自然灾害及事件发生后，地面通信系统瘫痪、交通受阻，本文主要探讨如何利用热气球等浮空器平台，承载大容量基站，升空数千米，在受灾区域附近及上空为受灾地区提供地面通信覆盖并确保移动通信畅通的可行性方案。

应急通信；浮空器；系留热气球；高空基站；空地传输

1 概述

为了加强各类自然灾害及突发事件情况下通信网络保障能力，需要考虑多种手段相结合、立体化的多维联动应急通信保障解决措施及解决方案，以中国移动为代表的国内运营商积极开展了应急通信体系研究工作，分别提出了“天地一体应急通信体系”和“区域空间应急通信系统”，这两个系统的研究都包含一个重要的内容：构建基于空中平台的应急通信系统，即高空基站系统，具有快速部署的能力，适应各种重大灾情、适用于灾区多种复杂环境、兼容现有通信系统、保证救灾部门的指挥调度等需求。

2 系统关键技术

中国移动的“天地一体应急通信体系”（如图1所示）提出了从空中到地面、平战结合、固定与机动相结合的多种方案协同工作的应急通信体系。针对不同场景下应急通信的需求，对多种应急解决方案统筹部署，形成立体化、广覆盖、可扩展的综合应急通信体系。

图1 天地一体应急通信体系

高空基站系统即通过氦气艇、热气球等浮空器，升空数千米，承载大容量基站，实现移动通信广覆盖，主要应用场景是灾害发生后地面交通全阻时，快速抵达受灾区域上空，确保移动通信畅通。高空布放基站的主要特点有两个，一是利用浮空器实现地面交通全阻时的快速布放，二是通过提升基站高度，实现移动通信广覆盖。高空基站系统应解决下面几个关键问题。

2.1 工作高度

目前美国、德国、日本等国家对平流层浮空器进行了大量的研究，但都还没有成功的应用。包括我国在内的很多国家在6 km以下的氦气艇研究及应用上获得了很多经验，同时，综合考虑高空基站的应用需求，建议空中基站的工作高度为2 km以下。

2.2 空中载体

空中载体包括升空器和浮空器，无人机作为一种升空器，可以搭载高空基站系统。而浮空器是指利用轻于空气的气体来提供升力的航空器。依照工作原理，常见的浮空器包括氦气球和热气球2种。

热气球（也称热气艇）一般分为自由飞行热气球、动力热气球及系留热气球3种，根据高空应急通信系统的特点，建议选择系留热气球作为浮空器的首选，其升空原理及部署便利性如下：

（1） 由液化气燃烧加热空气提供升力，一般滞空时间为3～5 h，增加液化气罐数量可增加滞空时间。

（2） 热气球运输便利，一般只需4～6名地勤人员。

（3） 系留热气球采用密闭加压方式提高抗风能力，通过地面锚泊车固定，根据系留缆绳长度，升空可达数千米，采用系留方式增加稳定性。

（4） 中国移动联合国内主要热气球研发生产厂家，已经研制开发出几代比较成熟的产品，最新的产品从稳定性及留空时间上都较早期产品有很大提升。目前优化后的系留热气球呈艇状外形，结构密闭，并采用新型加热器等技术，提高了抗风能力，增加有效载荷及滞空时间。

2.3 传输及供电

为了获得稳定而持续的覆盖效果，传输方式及供电系统的选择是高空应急系统必须要考虑的问题。通常情况下，大容量（72个载频）基站传输带宽需求至少在11～16 Mbit/s之间，目前能够满足要求的传输方式主要有McWiLL宽带无线接入、动中通卫星系统和光纤等几种方式，满足高空基站供电要求的主要有地面高压供电（三合一缆绳）和艇上油机供电两种方式。主要指标比较如表1所示。

综合考虑传输、供电解决方案，通过对各系统重量、接入带宽、滞空时间、安全性、成本等方面的比较分析，McWiLL+艇上油机供电的方案系统总重量较轻、成本低、防雷性能好，经过外场测试验证能够满足高空基站传输、供电要求，建议将其作为定制高空基站的主要传输和供电方案。

3 系统架构

3.1 系统组成及结构图

高空基站系统结构如图2所示，主要包括空中部分、地面部分、BSC/RNC、核心网部分。

空中部分由高空载体搭载基站设备、基站天线、艇地连接设备组成。其中高空载体为氦气艇或热气艇；基站设备为GSM或TD-SCDMA基站；基站天线可以是吸顶天线、全向天线或定向天线；艇地连接设备可为光纤连接方式或为其他无线传输方式。

表1 地面高压供电（三合一缆绳）和艇上油机供电指标比较表

图2 高空基站系统结构图

系留方式高空基站空中部分通过系留缆绳固定在地面。

地面部分由地面锚泊高空载体的锚泊系统、用于艇地连接的传输设备、用于与核心网连接的地面传输设备组成。与核心网连接的地面传输设备可以为光纤传输设备，也可以是通过卫星进行传输接入核心网的传输设备。

核心网部分包括MSC、HLR等网元以及对应的地面传输设备。

高空载体也可以搭载动中通设备直接通过卫星与核心网部分连接。

3.2 浮空平台系统（空中部分）

浮空平台系统（空中部分）如图3所示。所有设备采取等电位连接方式，保证整个系统为等势体，必要时安装防雷模块或防雷器等措施进行防雷处理。

3.2.1 基站分系统

为了适应高空通信作业要求，基站系统应满足如下技术要求：

针对GSM系统而言，为降低高空基站部署时对地面系统的干扰，建议高空基站采用1 800 MHz频段；

为实现整体设备舱轻型化模块化，建议定制为轻型机框并使用机架式MCPA设备；

综合考虑各类架间电缆的安装便利性及稳定性，不同机架间应能实现良好的固定连接；

设备舱设计时充分考虑通信设备的电磁兼容性以及环境适应性，特别是高空环境下的温、湿度适应性（设备工作环境要求：环境温度-20 ℃～50 ℃，相对湿度 5%～95%）；预留与载荷舱的加固连接点。

3.2.2 供电分系统

艇上油机供电方案，即由艇上单相汽油机和艇上开关电源组成供电系统。艇上油机供电方式成本低，防雷性能好，重量相对较轻，建议采用艇上油机供电方式，通过定制小型化、低干扰开关电源及轻型油机，降低电源设备重量和体积。

3.2.3 传输分系统

（1）艇地传输- McWill方案

McWiLL（Multi-Carrier Wireless Information Local Loop，多载波无线信息本地环路）是国内自主研发的移动宽带无线接入（BWA）系统，可以同时支持语音业务、数据业务、多媒体业务，McWiLL单基站占用5 MHz的载频带宽，最高吞吐量为20 Mbit/s，终端最高吞吐量为3 Mbit/s，最多能支持并发300路语音，是语音数据一体化的宽带多媒体无线接入系统。2008年12月，工信部国家无线电管理局发布无[2008]332号文件，McWiLL系统符合该文件对1 800 MHz无线接入频段的使用要求。

目前该技术已经较为成熟，而且重量、成本均较低，经过外场测试初步验证能够满足高空基站传输要求，因此，建议高空基站系统采用McWiLL作为空地传输手段。

图3 系统总体框图

（2）地面传输

地面可通过卫星链路与卫星通信主站以及相应的地面电路接入IP化BSC/RNC。如部署点位置具备光纤或微波传输链路，也可优先考虑接入本地BSC/RNC。

3.2.4 天线系统

以GSM系统为例，当使用高空基站时，目标覆盖区域在高空基站载体下方几十公里的范围内，同时浮空器载体悬浮在空中会以很小的角速度旋转，以保持相对平稳。如果采用全向天线，能够保证无线网络覆盖的稳定性考虑，但应考虑覆盖范围过大引起基站拥塞问题。当采用36载频，在不采用外置合路器条件下，天线数量为6根全向天线；当采用72载频，在不采用外置合路器条件下，天线数量为12根全向天线。为有效克服塔下黑问题（零点衰落），全向天线应选用带零点填充功能（天线倒装，需要上波瓣的零点填充）的全向天线，考虑一定电上倾角及远程控制，有效增强地面覆盖。

3.3 锚泊系统（地面部分）

热气飞艇依靠锚泊系统系留在地面，锚泊系统还用于热气飞艇的收放、牵引等功能。锚泊系统使用电动绞盘形式，整个锚泊系统以锚泊车为主体，具有自动排缆功能。

系留热气浮空平台依靠锚泊系统系留在地面，锚泊车系统通过操纵主缆绳和艇头牵引绳，能够使系留热气飞艇处于合理位置并根据需要进行不同位置的更换。由于热气飞艇在风中阻力系数较大，系留过程中抗风能力较差，如何利用锚泊系统处理好释放、回收速度，对提高整个系统的安全性和实用性具有很大的作用。

4 系统部署原则

在发生重大灾情后的高空应急通信系统快速部署，首要选择距离覆盖区域15～30 km范围内的地点，如果距离过远，则受基站及天线发射功率限制将无法保证覆盖质量，其次，由于目前系留热气球的升空高度有限，所以应尽量选择与覆盖区域海拔相当且之间没有高山阻挡的地点进行部署，最后，气象条件对系统的影响也很大，如果空中瞬时风速超过5级（10 m/s）或是较大雨雪天气，目前的系统将无法完成升空作业，另外，不同海拔高度对系统的留空时间也有影响，海拔越高则热气球的留空时间也相应缩短，艇上油机的能效也会有所下降，故部署时必须充分考虑。

5 结束语

高空应急通信系统是一项能够解决由于突发灾害或事件造成的移动通信大范围断网的创新解决方案，构建了一种基于空中平台的转信通信系统，不仅具有快速部署的能力、适应各种复杂环境，而且是兼容现有通信系统、保证救灾部门指挥调度的新型应急通信系统，所以是十分必要的。

Key technology and system architecture of high-altitude emergency communication system

HU Nan, ZHOU Shuang-bo
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

The ground communication system and traffc is blocked after the natural disasters and the incident, this paper mainly discusses feasible solutions that how to use helium ship, hot air balloon, aerostat and so on carrying capacity of base station, levitating several kilometers, to provide ground communication coverage for the affected areas in the affected region near, ensuring the smooth flow of mobile communications.

emergency communication; aerostat; tethered balloon; high-altitude station; air-ground transmission

TN915

A

1008-5599（2014）01-0057-04

2013-10-12