面向火灾救援的空地一体化应急通信网络探讨

张翎文,曾海燕

1 引言

提高国家火灾救援能力，确保人民群众生命财产安全和社会稳定，是我国推进应急管理体系和能力现代化的重要任务。

我国幅员辽阔，人口聚集度高，火灾事件易发多发。面向火灾救援的应急通信网络是中国现代应急管理体系建设的重点内容，是在发生火灾等突发性紧急情况，在原有公众通信设施出现瘫痪或拥塞的情况下，为应对紧急情况而建立的一种特殊的通信网络，以保障救援、救急、救助的通信畅通。从火灾预防准备、监测预警、处置救援到灾后重建，保持通信畅通是火灾应急过程中各个环节的重中之重，也是实现火灾应急管理快速、高效、安全的前提[1]。因此，研究面向火灾救援的应急通信网络具有极其重要的意义。

目前，应急通信指挥车是火灾现场主要的通信保障手段，已在全国各地火灾救援中得到了广泛的应用。当火灾导致通信中断或拥塞时，距离火灾现场最近的应急通信指挥车提供应急救援通信保障。然而，许多火灾都发生在人员密集场所、高层建筑、地下建筑，大空间大跨度厂房，石油、化工场所及道路拥堵的城市，以及大跨度大区域的森林、水域甚至空域，道路和通信设施较为匮乏，不利于应急通信指挥车的展开。此外，火灾现场噪声干扰源多、通信设备架设不便；火场的高温高压，地下、水下和室内的复杂环境都给火灾现场应急通信保障带来了极大的挑战。这就要求火灾现场应急通信必须满足高可靠性要求。因此，针对复杂的火灾救援通信要求，迫切需要设计一种面向火灾救援的空地一体化应急通信网络，以满足未来复杂火灾场景下的应急通信需求。

本文首先介绍了目前在火灾救援领域中常用的无线通信技术；接下来提出了一种面向火灾救援的空地一体化应急通信网络，并对其主要功能和性能进行了介绍；最后是对本文的总结。

2 无线通信技术分析

目前在消防领域，除现有的电信运营商4G网络以外，其他常用的无线通信技术主要为以下两类，第一类是低功耗广域网通信技术，包含工作在非授权频段的Long Range(LoRa)技术[2]，以及工作于授权频段下基于蜂窝的窄带物联网(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)技术[3]；第二类是短距离通信技术，包含ZigBee[4]、Bluetooth[5]和WiFi[6]等技术。

2.1 LoRa技术

LoRa是由美国Semtech公司推出的一种工作于非授权频段下超远距离无线传输技术，具有带宽低、传输距离远、功耗低、连接量多等特点。目前，LoRa主要在全球免费频段运行，包括433/868/915MHz等。LoRa应用到物联网中可组成局域网或广域网。LoRa网络主要由终端(可内置LoRa模块)、网关(或称基站)、服务器和云等四部分组成。

该技术已经在全球被广泛应用于火情参数(如烟雾、温湿度等)的感知、消防设备监测管理、各种电子标识和报警装置、自然灾害监测报警及其他与安全相关的场所，并通过持续可靠的物联网与云连接和终端应用，将安全警报信息传送到专业服务器和消防部门及人员。

然而，由于LoRa使用免费的频段，导致该技术易受攻击，并且LoRa终端无SIM卡，是弱终端，认证机制简单且未受权威认可，密钥管理弱，存在安全风险。

2.2 NB-IoT技术

NB-IoT是3GPP组织在LTERelease13版本中推出的一种工作于蜂窝网络频段下超远距离窄带射频技术。NB-IoT只消耗大约180kHz的蜂窝网络授权带宽，具有功耗低、传输距离远、传输速率低、覆盖率高等特点，是一种低功耗长距离的无线通信技术，能够提供改进的室内覆盖、支持海量连接。

NB-IoT技术在消防监控领域已经得到广泛应用。在火灾风险较高的复杂场所，可以通过不同的传感器设备采集有严重火灾隐患的烟雾、电气特性、压力和水位等信息，结合所处环境的火灾风险特征，定时或者实时将这些信息通过NB-IoT网络上传至物联网云平台，并最终推送至监控平台进行数据处理。NB-IoT还能够应用于消防栓监控，即使消防栓位于室内或者地下室，该技术也能够保证正常的通信，NB-IoT模块拥有超低功耗，模块可以达到10年的待机时间。

其缺点是，由于低功耗，只能传输少量的数据。另外，除了NB-IoT通信模块的价格外，运营商还需要收取运营费用，导致NB-IoT通信成本高，尽管NB-IoT技术受到产业界广泛关注，但在实际应用中，由于技术不成熟，经常会出现各类通信故障，进而引起通信中断。

2.3 Zigbee技术

Zigbee是一种基于IEEE802.15.4标准的近距离无线通信技术，具有距离短、复杂度低、自组织、功耗低、数据速率低、成本低等特点。ZigBee的协议专利免费，通过大幅简化协议(不到Bluetooth的十分之一)降低了对通信控制器的要求，提供低成本的通信模块；ZigBee在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作半年至两年的时间，而WiFi仅可以工作数小时，Bluetooth可以工作数周；ZigBee具有高容量的优点，因为它可以采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，且主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成具有65000个节点的大网；ZigBee还具有高安全性，ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。

ZigBee在消防监控和应急救援管理等领域也有广泛应用，例如利用ZigBee技术的多个烟雾、燃气、温度、火焰等智能监测节点构建无线自组和多级路由的消防监测网。首先通过传感器实时采集消防现场环境的数据，然后通过ZigBee无线网络，将传感器采集到的数据传输到ZigBee网络服务器子系统，ZigBee网络服务器子系统再将信息统一上传至监测平台，实现对各种火情信息数据的采集、监控和远程管理。

然而，其缺点是ZigBee工作在250kbps的通讯速率，支持低速率数据传输的应用需求；传输范围小，一般介于10米至100米之间，增大发射功率，传输范围可扩充到1米至3千米；采用2.4GHz免费频段，其衍射和穿墙能力弱，通信稳定性差。

2.4 Bluetooth技术

Bluetooth是一种工作在2.4GHz频段，支持设备短距离(最大通信距离可以达到100米)信息交换的无线通信技术，能够为固定和移动设备，如手机、笔记本电脑等，建立近距离的无线连接。Bluetooth技术需求功耗低，便于电池供电设备工作；价格便宜，可以应用于低成本设备上；Bluetooth同时管理数据和声音传输，采用电路交换和分组交换策略，支持异步数据信道、三路语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道；Bluetooth模块体积很小、便于集成。

Bluetooth在消防领域也得到了广泛应用，例如基于Bluetooth技术的消防员可穿戴式设备管理系统。该系统由控制电路、双光摄像头终端、腕带式集控、单兵生命体征检测等设备组成。控制电路包括微处理器、显示、键盘输入、Bluetooth收发、设备存放检测、设备电源管理等模块，其中微处理器分别与显示、键盘输入、Bluetooth收发、设备存放检测、设备电源管理、电源等模块连接。该系统能够对整套Bluetooth可穿戴式设备进行智能化实时监控管理，掌握设备状态，满足火灾救援应急需要。

但是，是实际应用中，Bluetooth技术传输范围小，数据传输速率低(约24Mb/s)，不同设备间协议不兼容，需要本地数据记录,在确保数据不间断可用方面仍有缺点。

2.5 WiFi技术

WiFi是基于IEEE 802.11标准的无线局域网技术。WiFi技术工作在2.4GHz和5.8GHz免费频段，同Bluetooth技术一样，属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术。相比于Bluetooth技术，WiFi技术无线通信范围较大，能够满足单位楼层、办公室以及居家内部无线上网需求；健康安全，IEEE802.11规定不可以超过100毫瓦的发射功率，实际功率在60毫瓦至70毫瓦之间，较低发射功率能够保证良好的安全性。

WiFi已广泛用于火情监控与救援逃生的智慧消防系统，该系统一般由环境传感器模块、数据控制中心、客户端、数据传输、人员定位与WiFi探针等模块组成，其中，环境传感器模块用于实时采集环境数据信息；人员定位模块用于进行人员实时定位以获取他们的分布信息；数据控制中心用于接收与存储环境数据信息以及人员分布信息，并提供消防救援方案；数据传输模块与数据控制中心通过WiFi探针进行无线连接；客户端用于接收数据控制中心发送的实时环境数据信息，人员分布信息以及消防救援方案。

然而，WiFi技术耗电量较大，不适合电池供电的设备；使用免费的频段，易受干扰以及受到恶意的网络攻击，通信稳定性差；WiFi模板对硬件的要求较高，需要大量外围电路来辅助操作。

3 空地一体化应急通信网络设计

针对现有技术存在的不足及其在复杂火灾现场应用的局限性，本文基于毫米波、智能反射面、D2D通信和无人机技术提出了一种新型的空地一体化应急通信网络，其网络拓扑如图1所示。

图1 空地一体化应急通信网络

该网络具有部署灵活、时延低、通信距离远、速率高、功耗低、安全性高等优点，面向城市建筑火灾、水上船舶火灾和山地/森林火灾等三种应用场景，由消防指挥中心、消防员、毫米波基站、毫米波中继、智能反射面、无人机集群、起火的高楼、船舶和山地/森林组成。其中，无人机集群执行火情侦测、信息传输、空中灭火等任务。

通过D2D通信，无人机能够与地面的消防员进行直接通信。另外，通过智能反射面、毫米波中继和毫米波基站，消防员能够与消防指挥中心进行可靠稳定的通信。其关键技术说明如下：

3.1 毫米波技术

相对于稀缺的6GHz以下频段(Sub6G频段)，毫米波具有巨大的带宽资源，其频段范围从20GHz到300GHz。毫米波位于高频段，比Sub6G频段具有更高的通信速率、更低的延时、更小的天线体积等优势，因而已经成为5G和6G无线通信网络的关键支撑技术。然而，由于毫米波频段高，相对于低频信号，毫米波穿透能力弱、易被遮挡等缺点，因而适合短距离高速通信的应用场景。为了实现长距离的通信，如图1所示，本文采用D2D通信、毫米波中继、毫米波基站、智能反射面，实现用户之间的长距离、高可靠和高速率通信。

3.2 D2D通信技术

D2D通信是融合蜂窝网络和无线自组织网络的新型通信网络技术，其作为5G和6G移动通信网络的重要组成部分，已经成为全球移动通信网络领域的研究热点和技术竞争焦点。D2D通信是通过近距离用户设备复用蜂窝网络的频谱资源实现端到端直接通信，具有显著提高频谱资源利用率和网络吞吐量，达到网络负载均衡，扩展蜂窝网络的覆盖区域等优点，其有望解决传统的蜂窝网络难以满足未来用户对移动数据流量有巨大消费需求的问题。D2D通信可以解决无通信基础设施覆盖的森林/山地，以及火灾引起通信设施损毁导致通信中断而严重影响火灾救援有效开展的问题。在D2D通信模式下，两个近距离的用户之间仍然能够建立无线通信链路，进行数据传输，为火灾救援提供通信保障。另外，在森林/山地等无线信号覆盖的盲区，用户通过一跳或者多跳D2D通信可以连接到远程的用户，如图1所示，消防指挥中心通过多跳D2D通信方式和森林/山地区域的用户通信。

3.3 智能反射面技术

智能反射面是一种全新的革命性技术，是由大量低成本的无源反射元件组成的平面。它能够重新配置无线传播环境，从而显著提升无线网络的通信性能，即智能反射面的不同元件可以控制入射信号的幅度或相位来反射入射信号，从而协同地实现用于定向信号增强的三维无源波束形成，使得用户更好地接收来自源端的信号。本文提出的智能反射面火灾救援通信网络的关键技术说明如下：

图2(1)为当用户位于无线信号未能覆盖的死角位置时，部署智能反射面，可以建立一条反射通信链路，使得该用户仍能接收到信号，即使基站、窃听者、用户位于同一直线上时，无论如何改变源端的发送波束，都无法减弱窃听者接收到的合法信号。为此，图2(2)展示了通过设计智能反射面的反射因子，尽可能抵消反射到窃听者的信号与源端直接到达窃听者的信号，同时尽可能叠加增强反射到用户的信号与直接到达的信号。

图2 智能反射面的优势

图2(3)展示了当用户位于小区边缘时，其接收到本小区的基站信号将会严重衰减，还会受到相邻小区的信号干扰。通过设计智能反射面，能够有效增强本小区的信号，并减弱相邻小区的干扰。

图2(4)展示了大规模 D2D通信的场景。如大量的用户使用相同的信道资源进行D2D通信，相互之间必然会产生严重的干扰。通过设计智能反射面能够尽可能消除干扰信号，增强有效信号。

图2(5)展示了智能反射面可以作为中继，实现用户的远距离通信。

3.4 无人机集群通信技术

由于火灾现场应急救援环境的复杂性，现有的地面通信保障系统不能完全满足应急救援通信的需求。无人机作为一种新型通信设备，具有机动性高、部署灵活等优势，无人机在火灾应急救援领域将会发挥重要的作用，能够完成火灾现场的信息采集/侦测、信息传输和灭火救援任务。然而，由于单架无人机只能携带有限的传感器设备，且配备的电池能量有限，难以完成复杂的任务和远距离的通信，因此，本文中设计了一种多架无人机组成的集群协作架构，以完成这些复杂的任务和远距离通信，通过无人机集群实现降低网络时长、提高通信距离的功能，并具备速率高、功耗低、安全性高等优点。

4 结论

本文首先探讨了现有的无线通信技术的优缺点及其在消防领域的应用。针对这些技术的不足，本文运用5G/6G中的毫米波、智能反射面、D2D通信、无人机集群通信等技术，设计了一种新颖的面向火灾救援的空地一体化应急通信网络，该网络能够应用到高层建筑、船舶、森林/山地等复杂环境下的火灾救援领域，为其提供高可靠性、高速率、长距离、低延时、高安全性的通信保障。

该网络具有分布式、无中心、自组织、多业务、远距离、精准定位等特征，新兴无人机集群技术可以作为空中用户设备，用来发送、接收和转发数据，也可以作为空中基站，为地面或水面特定区域用户提供可靠稳定的通信访问。