星地融合通信网络架构森林火灾应急通信应用

文 | 邓守峰 艾宁义 李明 安玉拴 雷建胜

天津航天中为数据系统科技有限公司

一、引言

森林火灾是世界八大自然灾害之一，具有突发性强、发生面广、处置扑救难度大、破坏性强的特点。据不完全统计，全球每年有数百万公顷的森林覆盖区域受到火灾的影响。依据中国统计年鉴（2011—2021），2010 ～2020 年之间，全国共发生森林火灾39310 次，其中特别重大火灾11 次，重大火灾63 次，受害林面积20 余万公顷，伤亡人数651 人。因此在森林火灾发生时，如何高效地进行信息交互，更加全面掌握火场态势及接收指挥指令，对于及时扑救森林火灾、保护人民财产安全具有深远而重要的意义。

然而，由于部分林区通信基础建设不完善、现有防火通信覆盖率约为70%，存在较大盲区，卫星通信、机动通信保障能力不强。有线基础网络建设滞后，难以满足语音通信、火险预警、图像监控、视频调度、信息指挥等防火业务工作的需要，导致指挥中心与火场的信息交互不及时，火场态势不明确，极大地限制了扑救工作的开展。

星地融合通信网络架构打造以卫星通信为骨干网络，多种地面通信模式统一接入的融合通信网络，可在火灾发生时快速构建多节点之间的通信通道。卫星通信不受地理条件和基础设施的制约，具备覆盖范围大、通信距离远、通信建立迅速的特点，融合超短波、4G LTE、宽带自组网等多种地面通信方式，可进一步扩展卫星通信业务接入能力，所构成的星地融合通信网络架构在具备卫星通信网络特点的同时，可承载多种丰富的语音、数据业务。通过星地融合通信网络架构可在第一时间将火场前线信息以语音、视频等方式回传至指挥中心，为指挥中心提供直观、全面的现场活动状态，为战术制定、人员调配等一系列火场相关的工作提供数据基础，真正有效提升指挥中心对火灾现场控制能力，确保实现森林火灾“打早、打小、打了”的目标，最大程度保证人民群众的财产安全。

二、融合通信网络架构

1.基础架构

图1 星地融合通信网络架构

星地融合网络架构具备如下特点。

1）业务应用管道化。如图2 所示，星地融合通信网络架构中，卫星通信网络以管道化方式应用，从逻辑上看来，每个业务应用终端均处于管道端口处，各种应用通信从管道一端进入，从另一端输出，减少业务人员对网络结构本身的关注，可更多地聚焦于业务应用。

图2 业务应用管道化

2）业务承载多元化。如图3 所示，星地融合通信网络架构以卫星组网通信模式构成承载网络，其他地面通信方式构成接入网络，叠加在承载网络之上，可同时实现语音、数据、视频等火场监测信息的传输与交互，并且便于后续应用业务的灵活扩展。

图3 业务承载多元化

2.通信模式

（1）卫星+窄带超短波融合通信

卫星+ 窄带超短波融合通信架构充分发挥卫星通信广域覆盖能力，可组建广域的超短波通信网络，如图4 所示。超短波基站、超短波终端通过超短波空中接口，形成独立的超短波通信局域网络。以卫星星型组网通信作为基础的骨干承载传输网络，将各个超短波通信局域网络附着在骨干承载传输网络边缘，作为语音业务接入网络，通过这种方式将各个超短波通信局域网络连接起来，形成广域的超短波通信网络。

图4 卫星+窄带超短波融合通信架构

该架构充分发挥了超短波通信具有语音清晰、抗干扰能力强、移动通信能力强且不依赖于有线和光纤等特点，充分利用卫星通信机动式、便携式优势应对森林火灾时间上的突发性和空间上的随机性，无需建设中间用于转发的超短波设施，依据火场位置迅速建立卫星与超短波融合通信，即可利用超短波丰富的语音调度、单呼、组呼、全呼等功能，实现前后方的实时联动指挥。

（2）卫星+VoIP 融合语音通信

语音通信是信息交互的基本方式，是森林火灾应急通信的基础保障。卫星+VoIP 融合通信架构以卫星通信为基础数据传输网络，实现多个VoIP 节点之间，以及VoIP 系统内与PLMN、PSTN 网络之间的高清语音通信，如图5 所示。

图5 卫星+VOIP 融合通信架构

VoIP 语音通信基于SIP 协议实现，适合在IP网络中应用，可直接接入基于IP 传输的卫星通信网络。卫星与VoIP 融合语音通信架构充分发挥VoIP 通信的成本低、带宽利用率高的特点，降低对卫星链路带宽的要求，使得VoIP 语音通信在有限的卫星带宽资源下可提供较高质量的语音服务，有效地解决了森林防火应急通信中基础语音通信的问题。

“小说、尤其是长篇小说，应该有那么一个人，着墨不多，但贯穿始终，见证历史，就像是河边的一棵枯树。现在，我除了寻找那个属于我个人的词语，还在寻找——”一杭把筷子倒过来，蘸着酒在餐桌上写了个“树”字。

（3）卫星+4G LTE 融合通信

卫星+4G LTE 融合通信架构以卫星通信网络作为火场临时部署的4G 基站回程链路。面向森林火灾位置的不确定性，依托卫星通信链路快速实现灵活、高效的火场4G 信号覆盖，使得该区域内的人员使用普通手机终端即可接入运营商公共通信网络，实现公网通信。

传统的地面网络4G 网络回程链路基本采用千兆以太网光纤链路，但火场区域往往不具有光纤通信条件。如图6 所示，该架构采用虚拟链路技术在卫星网络上构建二层传输隧道，使得LTE 基站回传可在卫星网络上进行透传，达到卫星网络与4G 网络可独立进行IP 规划的目的，有效避免了网络之间相互干扰，降低了网络安全隐患，实现了基于卫星通信为回程链路的4G 网络数据传输。

图6 卫星+4G LTE 融合通信架构

（4）卫星+宽带自组网融合通信

宽带自组网具有部署简便、非视距传输效果好、鲁棒性强、结构灵活的特性，在局域范围内可根据应用场景形成链型、星型以及混合型网络拓扑，通过不同节点的中继传输实现多跳传输，从而实现局域范围远距离的网络覆盖。卫星+宽带自组网融合通信架构以卫星通信网络为骨干网络，宽带自组网作为卫星通信的无线延伸，构建星地融合移动通信宽带通信网络。

如图7 所示，宽带自组网作为该融合通信网络架构的接入部分，可灵活接入无人机、单兵数据采集终端等设备，结合卫星通信的广域通信特性，可实现火场前线至后方指挥中心的无人机视频实时回传、数据实时分发等功能，可将火场图片、视频等多媒体数据实时回传至指挥中心，为指挥决策提供数据支撑。

图7 卫星+宽带自组网融合通信架构

三、林区应用

以星地融合通信网络架构为基础，在某林区建立了防火机动应急通信指挥系统。该系统在指挥中心建设卫星通信固定站作为固定节点；在林区内分区域布设卫星通信车，搭载卫星通信车载站作为机动节点；以卫星通信便携站作为移动节点。卫星通信采用中星10 号卫星资源，以星型组网的方式建立卫星骨干传输网络，同时融合超短波、VoIP、4G LTE 等多种通信模式，实现多节点之间的实时通信。自该系统建成以来，多次在森林火灾应急通信保障中应用，在实战中充分验证了该架构对森林火灾应急通信保障的实用性、有效性和稳定性。

2019 年，该林区某区域发生中型火灾。待火场区域确定后，迅速派遣卫星通信指挥车前往火灾地点，建立前线指挥中心。同时依托卫星通信骨干网络建立与后方指挥中心的实时数据传输链路，同时由扑火人员携带超短波、卫星通信便携站+VoIP、宽带自组网设备前往火场区域，建立了“火场—移动前指—指挥中心”之间的多级联动指挥通信网络。图8 为在此次扑火任务中星地融合通信网络架构的现场应用模式。

图8 星地融合通信网络架构的现场应用模式

1.卫星+窄带超短波融合通信应用

在此次扑火任务中，基于卫星+窄带超短波融合通信架构，将卫星通信和超短波通信相融合，建立了广域的超短波通信网络。以卫星通信指挥车内的车载超短波通信基站为中心节点，扑火队员携带便携式超短波基站，利用超短波通信的林区穿透性和自组网特性，将超短波通信网络自卫星通信指挥车逐级延伸至火场；同时利用卫星通信骨干网络，后方指挥中心与卫星通信指挥车内的超短波网络互联互通。指挥人员利用超短波集群通信特性，对指挥信息广域分发，实现了对火场内的扑火人员实时指挥。

2.卫星+VoIP 融合语音通信应用

为避免因山石等障碍物遮挡造成超短波通信网络不稳定，进而导致火场通信故障，在此次扑火过程中，由扑火队员携带卫星通信便携站和VoIP 通信设备前往火场区域，基于卫星+VoIP 融合通信架构搭建多节点之间的高清语音通信。通过卫星通信便携站与卫星通信固定站、卫星通信车载站组网通信，建立了多节点之间基于VoIP 通信的高清语音通信网络。同时基于指挥中心部署的IPPBX 设备，实现VoIP 通信网络与公共电话网络实时通信。指挥人员采用VoIP 终端、固话终端、手机终端等多种通信方式，对扑火人员进行指挥，有效保障了火场指挥通信的稳定性。

3.卫星+4G LTE 融合通信应用

面向火场公网通信需求，基于卫星+4G LTE融合通信架构，在无光纤基础条件的林区环境中，通过卫星通信车搭载的4G LTE 公网基站，并基于虚拟链路技术在卫星通信骨干网络上搭建二层传输隧道，以卫星通信网络为回传链路建立了4G 公网通信基站，形成了以卫星通信指挥车为中心的一定范围内的4G 公网覆盖。前指指挥人员无需依赖超短波、VoIP 终端等专业通信设备，利用普通手机终端通过4G 公网与后方指挥人员以及其他人员实时通信，通过语音、图片、视频等多种方式实时反馈火场情况，同时后方指挥人员依据火场信息做出指挥决策。

4.卫星+宽带自组网融合通信应用

扑火队员携带单兵数据采集设备采集现场图片、视频等火场数据，经过宽带自组网局域网络传输至卫星通信指挥车。同时，卫星通信指挥车通过卫星通信骨干网络将数据回传至后方指挥中心。后方指挥人员基于回传数据判断现场态势，并基于视频会议单元与前线指挥人员进行视频会商，共同商讨扑火方案（图9）。同时为更加全面掌握火场态势和评价灾后损失，本次扑火行动中结合无人机低空监测手段，以低空、大范围视角对火场开展视频采集，并依托卫星+宽带自组网融合通信网络实现了无人机采集的视频数据实时回传，为指挥人员实施指挥决策和灾后评估提供了有力的数据支撑。

图9 卫星通信指挥车内实时视频会商

四、结论

星地融合通信网络架构打造了以卫星通信网络为骨干，多种通信模式统一接入的融合通信网络。面向森林火灾的突发性特征，在火灾发生时充分发挥卫星通信覆盖的广域性，以及地面通信模式的多样性，快速建立“火场—移动前指—指挥中心”信息传输通道，通过承载多种语音、数据业务，实现火场信息高效交互，协助指挥人员快速掌握火场态势变化，实现面向火场扑救场景的多级联动指挥，可极大地提高森林火灾应急扑救的指挥决策能效。