窄带无线自组网在森林火灾现场应急通信中的应用研究

李溯 魏书精 罗斯生 王振师

关键词：超短波窄带无线通信；窄带自组网通信技术；应急通信

近年来，在社会经济高速发展和全球气候变化的大背景下，应急突发、自然灾害事件频发且危害程度愈发严重。应急通信作为支撑应急管理工作开展的重要保障，其应用也得到了重视，相关部门已经配置了不少应急通信系统和设备，并且积累了相当的使用经验。

随着科技进步，目前我国应急通信保障体系也得到了发展，为应急通信提供了包含语音通信、数据传输、图像传输等多种不同的功能保障。对于应急通信的功能需求和系统建设上，业内仍存在不少争议，例如应急通信究竟宽带化或者窄带化。应急救灾现场对宽带多媒体数据通信和窄带语音通信都有实际需求，数据传输是支撑灾情动态监测和救援方案分析的基础，图像传输是实现可视化调度指挥的重要条件，建设一体化融合应急通信系统，固然是应急通信保障工作的重要目标之一，但窄带应急语音通信依然是应急救灾通信的关键一环，语音稳定“畅通”是应急通信保障的第一因素，脱离了这个语音“通”字任何通信手段都失去意义。因此在应急语音通信手段的选择上，窄带超短波技术仍然具有无可替代的优势，比如通信距离远、一次性投入建设后维护费用低，操作方便、抗干扰能力更强、延时小等，其次电信运营商具备成熟的无线通信网络，但仅限于覆盖人口密集区域，并未做到全面覆盖且建设周期长、投资成本高、稳定性不足、抗毁能力弱、受损后修复周期长等问题。因此应急语音通信手段在未来较长的时间内，应该依然以超短波窄带无线通信为主。

1 窄带应急通信的问题和需求

制约应急救援效率的重要因素可以归结为以下三点：一是对现场灾情掌握信息的信息量少、不及时；二是现场指挥调度难；三是风险难预警和避险难实施。其成因就是应急救灾现场信息化建设的触角还没有深入到救援组织指挥一线，问题的核心就是现场态势的实时感知能力弱和通信的质量和效率低。因此配套支撑的超短波无线通信技术手段必须进一步强调以应急救援实战应用为导向，要求在组网方式上贴合应急语音通信之实情，从救灾现场环境特点出发综合考虑。

相较于传统窄带通信系统，应急语音通信保障有其特定需求，如：

1.1 自然灾害大多是突然发生的，并伴随一定的毁灭性

这种情况下，对于应急通信功能的首要要求就是具备抗毁能力和快速响应能力，能够在基础通信设施发生部分损坏甚至于整体瘫痪的时候，保证现场语音畅通。

1.2 灾害发生的地点和程度均不可预测

除了城市人口密集地区外，其他地区多面临着地形复杂、交通不便、基础设备落后等问题，这些关键位置一旦不能保证通信畅通，关键时候极易发生安全事故。所以要求应急通信保障应该具备可以灵活机动覆盖的能力，把通信覆盖随人员行动延伸到“最后一公里”。

1.3 众多救援力量跨区域甚至跨国界作战

投入力量多、部门协同复杂，要求现场通信系统覆盖范围必须涵盖作战现场和通信结构，要支撑多部门有序、有力、有效的协同救援行动。

1.4 救援现场任务复杂

前后贯通、跨层级、跨地域“扁平化”的指挥体系，后方指挥所清晰掌控现场态势、调度指令直达“一线”，提升应急救援效率。

通过上述需求分析，应急语音通信具备很多独特性。如果套用传统窄带通信技术规划建设窄带应急语音通信系统，将不能摆脱基础通信设施和地理环境的约束，一线现场 “信息孤岛”的难题就无法得到突破性的解决。

因此规划应急语音通信系统建设时，不仅考虑传统无线通信技术，还应该积极摸索新型无线通信技术的融合应用，针对应急救援通信需求进行创新和试点，利用现代数字通信技术，发展出新一代通信模式，才能推动应急通信向前发展，形成性价比高、部署灵活、覆盖好的窄带应急语音通信解决方案。

2 窄带无线自组网通信技術

无线自组网是计算机与通信领域中的高新技术，该技术最初起源于美国国防项目并在军事通信中发展起来。无线自组网具有抗毁性、自组性和机动性等特点，可以根据现场环境随时建立本地通信覆盖，具有重要的实战应用意义。近年，自组网技术快速发展，其应用已慢慢渗透到公安、应急、救援等领域中。

从应用带宽上可以分为宽带自组网和窄带自组网两种，目前宽带自组网技术多样，包括Mesh自组网，Zigbee自组网和LTE自组网等多种类型。宽带自组网技术主要用于现场视频等多媒体信息采集应用，能够提供足够带宽支撑各类传感和多媒体信息传输，但是网络中需要使用的节点较多，延时较大，且抗干扰能力弱，无法完全兼顾应急语音通信，因为在语音通信中，任何预警、避险指令的延时甚至丢失，都可能会危及到一线人员的生命安全。

而窄带自组网技术中，窄带单频自组网技术是目前成熟且可用于实战的一种。窄带单频自组网，是基于单频中继方式实现的一种多跳、无中心、自组织无线网络，所以称为单频中继自组网或者单频自组网。此技术彻底革新了窄带传统无线通信中双频中继无法以无线方式扩大覆盖面的应用逻辑，采用一个单频点来实现网络节点之间的自动互联，完成大范围通信覆盖。同时单频自组网的设备具有单机设备小型化、可靠性高、通信网络部署简单快捷等符合应急通信的应用特点。单频自组网目前已经在我国公安追捕、消防救援、森林防火等场景中投入实战应用，填补了窄带应急救援通信的空白，是目前无线窄带应急通信领域中具有优势的解决方案之一。

3 窄带无线自组网的原理和特点

窄带单频自组网整个网络中的每个中继节点既是中继基站，也可以做为通信电台，每个节点只要在无线覆盖区内，都以任意方式动态地保持与其它节点的联系。在这种网络中，打破了终端通信取值的有限性，使得两个无法直接进行通信的用户终端可以借助其它节点进行跳级，自动形成一个大面积通信覆盖网。因此单频中继自组网络有三种网络使用模式：第一种是局域移动网络适用于移动环境的作战；第二种是大跨距临时或永久固定网络适用于应急防灾保底通信；第三种是上述的两种模式的组合，永久固定网络与移动局域网络混合组网实现大跨距前后方贯通的一体化通信系统。

单频自组网作为一种新的组网方式，具有以下特点：

3.1 独立性

单频自组网相对传统通信网络而言，最大的区别就是可以在任何时刻、任何地点不需要硬件基础网络设施的支持，设备用电也可以使用太阳能、风能进行独立供给，快速构建起一个移动通信网络。

3.2灵活性

在单频自组网中，移动中继节点可以在网中随意移动。网络由移动节点本身自动配置、随时调整、自行维护，任何节点都可以随时加入和退出网络。

3.3 无线链路传输

在单频自组网中不需要任何基础设施的支持，中继节点之间的通信完全通过窄带无线传输的方式自动配置完成，建立一个强大的无线自组织网络。

3.4 可靠性

在单频自组网中没有中心控制节点，每一个节点均通过分布式协议互联，没有中心控制节点。每个节点都参与其中，互为平等的关系，即使在紧急事件中某一个节点受损，其他节点仍然可以稳定通信。

4 窄带自组网作为应急语音通信网的应用优势

4.1 全区域覆盖

突发事件地点是没有规律且不可预测的，因此应急通信网必须提供全区域覆盖，任意地域应急事件需要就必须无条件覆盖，而且必须及时、迅速提供通信覆盖，不可延误。经济不发达地区基础设施不完善，信息通信手段落后甚至缺失。窄带自组网通过节点之间的无中心自动组织联网，可以实现全省范围内联网覆盖，而针对郊区、野外、林区、地下室等通信盲区以快速部署模式覆盖，以任意突发事件地点为中心，实现现场100%即時通信覆盖。不仅提供稳定的跨区域长距离通信，还可以事发地点临时局域语音通信。具有建设成本低，覆盖率高的特点。

4.2 防灾抗毁

单频自组网通过节点之间的无线互联成网，相较于传统的常规网络，具有很强的生存能力且无中心网络拓扑结构也相对更为稳定，出现故障或遇到特殊情况都不可能彻底中断。即使网络的某节点发生故障，其余的节点仍然能够正常工作，故障节点只会影响节点本身所在的位置的覆盖效果，并可以通过布设新的快速修复网络，整体抗毁能力很强，可靠性高。适合应急救灾、偏远地区通信等应用。

4.3 快速部署

由于不能实现预知事件现场的地点和位置，不了解当地现场情况，即使有基础通信资源，也可能受到众多因素影响，关键位置不能畅通，因此应急通信难有固定覆盖模式，但解决思路上分析以无线方式组网较为有利，使用窄带自组网提供的快速部署技术设备，在任何不可预测的覆盖不良区域，基本都做到百分之百的通信覆盖，数分钟至数十分钟时间内即可在现场快速完成现场通信系统布设，起到支撑现场指挥通信工作并辅助决策的作用。

4.4 立体组网

复杂山区、偏远林区，大型、多层地下室、隧道、矿井等特殊区域受有线资源、建筑结构复杂等因素限制，地面信号无法直接传导，因此向来是无线通信的薄弱环节。而单频自组网通过便携单频中继基站无线联网，多跳转发引入信号，快速实现信号盲区和指挥大本营互通对讲。

4.5 保底通信

单频自组网是在单频点通信的基础上发展起来的自动组网中继网络，因此继承了单频直通模式具有极高的稳定、快速、简单、实战特点，电台和基站均采用单频通信，即便中继基站全数故障的最极端情况下，也只是通信范围减小，周边电台之间仍然能够维持最基本的电台单频直通通信，具有极高稳定性，符合应急救援通信特点。

5 无线自组网在应急通信中的实战探讨

2019年12月9日乳源瑶族自治县大布镇夹水村“拐坑坪”发生森林火灾，火线蔓延过千余米，共500余名灭火人员参与扑火。

起火点位于“拐坑坪”的石头灶附近，属于偏远山区，基础通信建设落后，且因周边地形凹陷，是收不到信号的重点通信盲区。因此扑救工作开展面临着人员组织分散、交通不便、基础设备落后等问题，直接影响了扑火效率。在此事件中暴露了应急通信的薄弱环节，体现了现场通信对应急救援的重要影响。

在事件的总结中，现场应急通信保障成为关注的重点。事件发生后应急部门积极开展应急通信技术调研，尝试使用新型通信技术及装备，提高应急处置现场的通信能力，组织了实地适用性测试。

窄带自组网通信测试中以129森林火灾为测试模型，在尖峰笔、“拐坑坪”山地、广东第二高峰石韭坑部署窄带自组网通信节点，搭建了窄带自组备测试平台，重点针对上次着火点位置做了通信覆盖测试，该着火点距离尖峰笔节点直线距离约8.8公里，因其地形复杂，信号受阻挡，但配合移动节点现场补点后，该地点半径三公里内均实现基本的窄带语音全覆盖。

本次适用性测试中初步证实，窄带自组网通信技术及装备在提高扑救火灾以及处置其它灾害事故的语音通信保障能力方面，能够支撑应急语音通信畅通，为相关部门尽早开展救援工作创造了必要条件。

6 结束语

超短波窄带无线通信是应急部门处置应急突发事件的重要通信手段，对保障应急救援通信畅通具有难以替代的应用优势。在现代通信技术快速发展的背景之下，本文结合应急通信的实战需求探讨了新一代窄带自组网通信技术在应急通信领域的创新应用。窄带自组网通信具有覆盖面积广、适应能力强、维护简单、成本低等应用优势，能够实现应急现场的通信组网、指挥调度等通信需求，但是感知数据业务传输还未进一步完善，将感知数据业务引入窄带无线自组网中对满足应急救援决策需求具有重要意义。虽然目前的应急通信保障系统在很多方面还存在空白，但相信随着科学进步，相关部门将积极探索无线通信新技术应用，确保我国应急无线通信工作始终走在世界前列。

■ 作者简介：李溯（1983.6-），男，湖南，硕士，高级工程师，航空护林、林火信息化，工作单位：广东省航空护林站（广东省林火卫星监测中心）。