基于“7·20郑州特大暴雨”对空天地一体化通信的思考

李福昌，裴郁杉，王俊杰，张琳，邱勇

（中国联合网络通信有限公司研究院，北京 100048）

0 引言

在5G 移动通信的研究过程中，3GPP、ITU 等组织明确提出了构建空天地一体化通信网络的需求。空天地一体化通信网络作为通信系统的未来发展方向，越来越受到人们的重视，相较于地面通信网络，空天地一体化通信网络能够突破地形地表的限制，将通信链路扩展至太空、空中、陆地、海洋等自然空间，实现全球全域的泛在接入与连接[1-2]。

在“7·20 郑州特大暴雨”应急通信救援中，运营商分别采用了卫星应急通信与移动空中平台应急通信的方式为通信中断的区域提供应急通信保障服务，有力地保障了人民的生命财产安全与社会运转。此次“7·20 郑州特大暴雨”救援中出现的新型应急通信方式也标志着空天地一体化通信网络的渐进。随着空天地一体化通信网络在应急通信、军事、政治和经济领域的地位日益重要，空天地一体化通信网络受到了世界各国的高度关注和重点发展。

1 “7·20郑州特大暴雨”事件及应急通信救援

2021 年7 月17 日8 时至21 日6 时，河南出现罕见持续性强降水天气，多地突发特大暴雨，其中郑州降雨量达345 mm，最大点雨量尖岗884 mm[3]。此次暴雨导致郑州292人遇难，47 人失踪，直接经济损失达532 亿元。暴雨还导致郑州通信基站大面积退服，多条通信光缆受损，通信基础设施受损严重，甚至某些受灾严重区域一度发生通信阻断。据统计，此次特大暴雨共造成河南省6.2 万个基站退服，其中郑州市退服基站达3.5 万个，光缆受损566 条共1 223 km，影响固定网用户数14.3 万户，移动网用户数38.2 万户[4]。河南省及郑州市基站退服率分别达到了13%和45%，如图1 所示：

图1 河南省与郑州市退服基站统计

截至7 月23 日河南省累计出动应急人员3.03 万人次、应急车辆8 237 台次、发电油机8 018 台次、卫星电话148 部，累计发送短信息5 200 万余条。其中，郑州通信行业累计出动应急人员1.17 万人次、应急车辆4 607 台次、发电油机6 302 台次，其统计结果如图2 所示：

图2 河南省与郑州市应急通信救援统计

此次应急通信救援对运营商以及应急保障部门的应急救援部署与快速反应能力提出了考验，多地应急救援保障部门与运营商分公司驰援郑州，参与应急通信保障。据新华网消息，郑州市主城区基站通信于7 月23 日16时实现全面恢复，全域（含郊县）基站通信服务于7 月27 日全部恢复至灾前水平。由上述可知，对于特大型自然灾害，灾后地面公网及相关基础设施的恢复需要以强大的运营维护、组织与保障能力作为支撑。

2 “7·20郑州特大暴雨”应急通信救援的思考

2.1 应急通信救援对新型应急通信模式提出了需求

雨灾发生后的72 小时是救援“黄金期”，公网作为应急救援管理部门与民众的最大的公约数，其恢复过程亦是一场与“生命赛跑”的过程。此次雨灾造成大范围郑州基础通信设施多处严重受损，多处机房、机柜被淹，郑州市因灾退服基站恢复过程统计结果如图3 所示。

图3 郑州市在服基站统计

由图3 可知，郑州基站在服率在雨灾发生初期陡然下降，在运营商与应急保障部门全力抢修下，基站在服率逐步回升。此次雨灾造成郑州市退服基站的数量尤为庞大，即便在多地应急救援保障部门与运营商全力救援的情况下，地面公网恢复仍然需要一定的恢复周期。由图3 可知，雨灾发生后的黄金救援期内，郑州市在服基站率不足60%，尚未恢复至灾前水平。在此雨灾发生后的地面公网恢复周期内，公众对2G（语音/短报文）业务需求激增，社会秩序也需要地面运营商移动互联网通信网络业务的维持，社会的千行百业都需要移动通信网络的支持，当互联网通信技术赋予城市的秩序失效之后，大范围的基站退服导致郑州多处区域“脱网”问题直接影响到了社会的正常运行。在此阶段，地面通信网络已经无法满足应急救援与公众对于应急通信的需求。针对基站退服造成的地面公网通信瘫痪问题，运营商紧急部署无人机实现了快速恢复局部区域通信，借助卫星构筑起天地通信链路，构筑起强有力的空天地一体化应急通信保障体系，有效地保障人民群众的生命与财产安全与社会的正常运转。上述表明，应急救援对新型应急通信模式提出了内在的诉求，空天地一体化通信网络可以作为处于恢复期内的地面公网提供有力的补充与完善，为公众提供语音、短报文与移动互联网络等业务。

2.2 构筑空天地一体化应急通信保障体系势在必行

在此次“7·20 郑州特大暴雨”应急通信救援中，河南机动通信局应急通信保障小组和郑州联通应急通信分队，建立基站、车辆通信基站、“动中通”、海事卫星四重保障，和中国电信提供服务的卫星通信充分发挥电联双方共建共享的优势，构筑起空天地一体化的强有力的应急通信保障体系。运营商通过大型回传式无人机与小型系留式搭载移动公网基站，为郑州多处受灾严重的通信阻断区域提供音视频等通信服务。在此次应急通信救援中，卫星通信与无人机成为重要的应急通信利器，在局部区域构筑起高机动、高可靠性的空天地一体化通信网络。运营商采用的基于卫星的应急通信方式与基于无人机应急通信方式，其部署方式如图4 所示，可以归纳为：

图4 卫星通信与无人机部署方式

（1）基于卫星的应急通信救援。借助地球无线电通信站，在Ka/Ku 波段下利用卫星作为中继，实现多个地球站/卫星通信终端之间的通信，可为广覆盖区域提供语音与短报文服务。

（2）基于无人机应急通信救援。此次“7·20 郑州特大暴雨”应急通信救援中，共采用了两种无人机应急通信救援方式：

1）回传式大型无人机应急通信。回传式大型无人机利用大型无人机搭载无线通信基站，完全摆脱了地面供电、通信回传的束缚，通过卫星传输的方式，可提供广区域覆盖、持续性应急通信保障方案。

2）系留式小型无人机应急通信。系留无人机作为应急通信基站，具有快速部署、轻便灵活、起降环境要求低等特点，能实现几十公里范围内快速、可靠、廉价的宽带通信，在突发自然灾害、通信基础设施受到破坏、通信环境恶劣等条件下，其应急通信能力优势明显。

综上，在此次应急通信救援中采用的无人机通信与卫星通信等新型应急通信方式表明：借助机动公网基站与高通量卫星，机动快速地恢复地面公网通信，是未来应急通信保障的发展方向，构筑空天地一体化的应急通信保障体系势在必行。

3 空天地一体化通信网络建设思路与建议

3.1 面向应急通信的空天地一体化通信体系建设思路

空天地一体化通信网络是以空间平台（如卫星、临近空间飞行器以及无人机等）与地面网络基础设施为载体，通过一体化互联组网，支持信息采集、传输和处理海量数据的空间信息体系化通信网络，其架构如图5 所示[1,5]。在面向覆盖的公众服务（2C）方面，空天地一体化通信网络可提供应急通信、远洋通信、航空通信以及偏远地区通信服务。在面向物联网业务（2B）的行业专网服务方面，空天地一体化通信网络可提供近海专网通信、广域物联网通信、广域海洋专网通信以及跨区域行业专网等服务。相较于地面通信网络，空天地一体化通信网络的非地面网络段具有明显的覆盖和长距离通信优势，可以提供低成本的普遍服务及扩展现有的通信服务[5-6]。

图5 空天地一体化通信网络架构

根据通信载体位于空间的高度，天基网络基础设施主要包括高、中、低轨道卫星平台等类型，空基网络基础设施包括临近空间的高空通信平台（HAPS,High Altitude Platform Station）、民航客机和泛在低空无人机等飞行器通信平台类型。

特别地，就应急通信而言，应当借助机动公网基站与卫星等资源，通过机动快速部署相关移动通信终端或中继通信设备的方式地恢复通信。基于图5，未来面向公众的应急通信服务可基于空天地一体化通信网络的天基平台（卫星）与移动空基平台（HAPS，无人机）进行部署。基于天基平台与基于空基平台的应急通信方案可归纳为下述四种方式：

（1）基于卫星的应急通信方式。卫星通信方式具有不受地形地貌限制的天然优势，在系统容量与覆盖范围方面也优于空基平台。对于应急通信而言，可以在灾后地面网络瘫痪区域部署应急通信救援车载或手持终端进行卫星通信。考虑到卫星通信所具备广范围覆盖优势以及我国具备丰富的卫星资源，此种方式已经成为历次自然灾害中最为可靠的应急通信方式。目前，卫星互联网已经被列入国家信息基础设施的新基建范畴，面向普通手持终端的卫星互联网通信方式已成为未来空天地一体化通信网络发展趋势。

（2）基于HAPS 的应急通信方式。HAPS 可部署于距离地面20～50 km 高度，覆盖区域可达20 至数百公里，通过多个HAPS 平台无线连接即可打造区域空基网络[6-7]。对于应急通信而言，基于HAPS 的应急通信方式不受制于灾后地形的影响，完全摆脱地面供电、通信回传的束缚，提供全天24 小时的应急通信保障方案。在目标区域部署HAPS 空基平台，即可为其覆盖区域的所有普通终端提供应急通信服务。此次“7·20 郑州特大暴雨”救援中，只需在郑州部署一个HAPS 空基平台，即可实现对郑州城区及周边区域的广范围覆盖。不失一般性而言，以高度为20 km，通信频率为3.5 GHz，带宽为100 MHz 的5G NR 宏小区基站设备配置于HAPS 通信平台为例，其单波束小区峰值速率可达5 Gbps，单HAPS 平台的通信系统的峰值速率可达20/25 Gbps，小区边缘传播空口时延约为180 μs，覆盖范围内的时延差约为12.8 μs。尽管HAPS 目前仍处于标准化推进阶段，还需要进一步解决频率干扰、平台扰动、回传等问题，但随着HAPS 技术的逐步成熟，未来HAPS 搭载基站的通信方式也成为潜在的应急通信以及区域广覆盖通信的有效手段[8-10]。

（3）基于大型回传式无人机的通信方式。此种方式以无人机作为通信中继，采用4G/5G 通信技术，借助卫星实现应急通信。此种方式与基于HAPS 的应急通信方式类似，不受制于灾后地形的影响，摆脱地面供电、通信回传的束缚，为其覆盖区域的所有普通终端提供应急通信服务，其覆盖范围介于小型无人机与HAPS 平台之间。此次“7·20 郑州特大暴雨”救援中运营商采用的翼龙无人机即属于此方式。在此应急救援中，基于大型回传式无人机滞空时间为5 小时，定向恢复了50 km2的移动公网通信，建立了可覆盖15 000 km2的音视频通信网络，累计接通用户3 572 个，产生流量2 089.89 M，单次最大接入用户648 个，为灾区及时提供了移动通信保障。

（4）基于系留式小型无人机的通信方式。此种方式以小型无人机作为通信中继，通过系留的方式搭载4G/5G 基站类设备，滞空高度可达30～200 m，覆盖距离为2～20 km，最高可同时保障800 个用户，卫星基站上传最大速率30 M，下载最大速率可达50 M。对于应急通信而言，此种方式需要考虑灾后地形的情况，且需要地面供电、通信回传。但基于系留式小型无人机的通信方式具有快速部署与高机动区域覆盖的优势。

上述四种应急通信方式中，除基于HAPS 的应急通信方式尚在研究测试阶段外，基于卫星、大型回传式无人机与系留式小型无人机的应急通信方式已在应急救援中应用。按照自然灾害造成的受灾程度可以大致分为两种类型：一般阻断（交通/通信阻断）与完全阻断（交通、通信、电力阻断）。对于一般阻断区域，上述四种应急通信方式即可进行部署。对于完全阻断区域，则需要通过融合空中组网、高点中继回传技术实现应急通信，具体可采用的应急通信方式为：基于卫星手持终端、基于HAPS 与大型回传式无人机等应急通信方式。另，考虑到不同自然灾害对不同区域的影响以及灾后地面公网的恢复时间，建议在“救援黄金期”内采取所有上述应急通信方式以保障灾区人民群众的生命财产安全、支撑应急救援通信。此外，在地面公网完全恢复之前，需要全程部署系留式小型无人机保证重点受灾区域的通信。

3.2 面向应急通信的空天地一体化通信网络发展建议

此次“7·20 郑州特大暴雨”救援中的新型应急通信方式表明空天地一体化通信网络的建设事关人民福祉，需要坚定不移的统筹推进。

（1）多方合作，提升应急通信救援能力。在应急通信救援时，各地面运营商之间可互相提供通信援助（如基站、传输等通信链路开放等）。如在5G 网络建设中，由于中国联通与中国电信联合建成了全球最大的5G 共建共享网络，在此应急救援中，电联双方充分发挥了共建共享优势，互相依托双方在应急通信中基站、车辆通信基站、“动中通”、海事卫星等通信平台，构筑起空天地一体化的强有力的应急通信保障体系。考虑到我国的国情以及强大的地面基础网络设施，在面对自然灾害时，可采取多方联合、共同合作的方式开展急通信救援。

（2）建设空天地一体化的应急通信平台。通过空天地一体化的应急平台将非地面通信与地面通信有机结合起来，形成应急通信保障系统解决方案。该平台应当以省级应急通信模型与跨区域协同应急通信模型为数据依托，为应急救援中空基通信平台的部署提供决策依据。

（3）分阶段逐步建立统一技术体制的空天地一体化通信网络。现阶段，我国现有卫星和地面网络技术体制不同，还存在产业发展不均衡矛盾。针对上述问题，构建空天地一体化通信网络应以地面网络为基础、以空间网络为延伸，覆盖太空、天空、陆地、海洋等物理空间，实现多种异构网络深度融合，分阶段逐步建立统一技术体制的空天地一体化通信网络[8-11]：

第一阶段，互联互通阶段，实现业务融合。卫星网络与地面核心网通过网关实现互联互通，从而实现天地一体的全面网络覆盖，发展卫星互联网业务。

第二阶段，混合接入阶段，实现体制融合。打造全球覆盖、随遇接入、按需服务、安全可信的融合体制星地网络，实现用户通过单一多模终端即可接入卫星和地面网络，拓展天地一体网络的用户与业务。

第三阶段，统一组网阶段，实现系统融合。实现用户通过统一终端接入统一接入协议的卫星或地面接入网络，使之具备全球时空连续通信、高可靠安全通信、区域大容量通信、高机动信息传输等能力，完成最终的空天地一体化通信网络的构建。

4 结论与展望

在此次“7·20 郑州特大暴雨”应急通信救援中，运营商分别采用的卫星应急通信与移动空中平台等应急通信方式在局部区域构筑起空天地一体化的应急通信保障体系，弥补了在灾后地面移动网络恢复期内的通信空白，有力地保障了人民的生命与财产安全。空天地一体化通信网络不受地面环境的影响，其非地面网络段具有明显的覆盖优势和长距离通信优势，不但可以作为地面网络应急通信有效补充，亦可以提供低成本的普遍服务及扩展现有的通信服务[1,6]。因此，空天地一体化通信网络的非地面网络与地面网络在建设初期阶段应当同谋划、同开展：在2025 年前后，完成空天地一体化通信网络的体系顶层设计、制定技术发展路线与相关标准规范，突破多网融合，通过卫星网络与地面移动网的互联互通，实现全域覆盖和业务融合。在2035 年前后，通过统一终端、统一技术体制实现系统融合，完成空天地一体化通信网络建设。