5G 通信技术在消防通信体系中的应用

张 煜

（海西州消防救援支队，青海 德令哈 817000）

0 引 言

5G 通信技术在消防通信体系中具有巨大的应用潜力。5G 通信技术的高速率和低延迟特性为消防员提供了实时、高清晰度的视频图像，使其能够快速了解火灾现场情况并做出准确决策。5G 通信技术的大容量特点使消防系统可以处理大量的数据，从而实现对火警预警、火灾扩展的快速响应和准确判断。此外，5G 通信技术可提供广域覆盖和高密度连接，确保消防系统能够实现实时的远程监测和控制。5G 通信技术在消防通信体系中的应用为消防工作带来重要支撑，提高了火灾救援的效率和质量，实现了消防信息化的深度建设。

1 消防信息化相关内容与技术应用现状

消防信息化指将信息技术应用于消防工作，以提高消防救援效率，增强指挥决策能力。目前，消防通信系统基本实现了火灾监测与预警，通过传感器、监控摄像头等设备实时监测火灾风险，通过数据分析算法预测火灾可能发生的区域和时间，提供预警信息，减少火灾事故的发生。同时，利用信息化技术建立消防指挥中心，对消防队伍、资源和装备进行实时调度和管理，提高指挥决策的准确性和效率[1]。在信息技术的辅助下，可以对消防工作中产生的大量数据进行管理和分析，提取有益信息，为指挥决策和火灾防控提供科学依据。

目前，消防信息化已经在一些地区得到应用。各地消防部门不断推进信息化建设，加强数据共享与交换，提高消防救援能力和反应速度。虽然消防通信体系中已经实现了信息技术的全面应用，但是尚未实现万物互联，仍存在信息孤岛等问题，因此需要继续加强技术研发和规范管理，确保消防信息化的顺利推进和可持续发展。

2 5G 通信技术在消防通信体系中的应用需求

5G 通信技术在消防通信体系中有多个应用需求，其中网络切片和移动边缘计算（Mobile Edge Computing，MEC）是2 个重要的方向。

2.1 网络切片

网络切片是将物理网络划分为多个逻辑网络，以满足不同应用场景的需求。在消防通信体系中，不同的应用场景对网络的要求有所不同，因此需要采用网络切片技术来满足这些特定需求。消防现场的视频监控需要实时高清的视频传输，利用网络切片技术可以确保视频传输具有低延迟和高带宽等特性。消防人员需要及时与指挥中心、救援人员进行沟通和协作，因此需要为紧急通信应用提供高优先级的带宽和资源分配[2]。消防指挥中心通过网络远程监控和控制火灾现场，而网络切片为远程指挥和控制应用提供稳定可靠的连接和低延迟的交互。根据不同的消防应用场景和需求，对5G 网络进行灵活配置，以满足消防通信体系的多样化需求。

2.2 MEC

MEC 技术是将计算和存储资源移至网络边缘，使数据处理和应用服务更加接近用户和设备。消防现场通常会产生大量的数据，需要进行即时分析和处理，利用MEC 技术可以将数据处理功能放置在接近火灾现场的边缘节点上，减少数据传输延迟和带宽占用，提高消防通信的效率和可靠性，提升消防工作的质量[3]。此外，利用MEC技术可以将消防相关的视频、图像和文档等数据在边缘节点进行存储和备份，保证数据的安全性和可靠性。通过在边缘节点部署人工智能算法，可以实现对火灾监测数据的实时分析和火灾预测，为消防人员的指挥决策提供支持。

3 5G 通信技术在消防通信体系中的应用

3.1 整体架构

文章以广电运营商的700 MHz 频段为基础，结合公网和专网通信，设计实现公专网融合的通信网络。

3.1.1 频段划分

国内原有3 大通信运营商分别分布在2.5～2.6GHz、3.4～3.6GHz、4.8～4.9 GHz频段，而新入网的广电运营商的5G频段为700 MHz。广电运营商的700 MHz 频段具有较好的穿透力，能够实现更远的覆盖距离，最远可达5 km。

3.1.2 公网广域通信

基于广电运营商基站建设公网广域通信，利用700 MHz 频段的优势，可以提供全时段、全天候的信息收集汇聚、准确的信号覆盖以及终端及时响应等应急通信保障。

3.1.3 专网通信

当基站断网并脱离公网核心网络时，广电运营商的基站仍能提供2～5 km范围内的局域专网自通信。这种专网能够在通信中断、电力中断和道路中断（以下简称三断）环境下，构建更安全稳定、反应更快速的消防救援通信体系。

3.1.4 系统架构

该网络架构共享了广电公网中的5G 基站、用户平面功能（User Plane Function，UPF）、MEC、5G核心网控制面（5G Core Control Plane，5GC CP）以及用户数据管理（User Data Management，UDM）等设备，同时在5G 基站中增加了一套UPF 和UDM 控制面功能，以实现更高效的数据处理和存储。当5G基站接收到终端通报信息时，基站中的UPF 和MEC进行数据计算和存储。5GC CP 通过UDM 将数据同步到另一套UPF，从而实现负荷分担和容灾能力。这种架构可以能够满足多样化的通信需求，确保在紧急情况下，即使基站断网脱离公网核心网络，仍能提供局域专网通信，提高消防救援工作的持续性和有效性。

3.2 关键技术分析

考虑到消防救援需求，消防通信体系需具备通信中断保存、数据实时同步和业务溯源等功能，最大限度地提高响应效率。

通信中断保存是在网络出现中断时，保证通信链路不中断或尽快恢复的技术。在消防通信体系中，消防救援工作通常发生在灾难或紧急情况下，通信中断将会对救援行动产生严重影响[4]。因此，利用5G 技术实现多路径传输，依托MEC 和虚拟化网络等技术手段，提高网络的可靠性和健壮性，减少网络中断的可能性。当基站检测到故障后，可继续保持连接状态并连接到另一个会话通道，此时不会释放用户连接。

数据同步是在中断恢复后，将数据从临时备份源恢复到主源的过程。当通信链路中断时，为了确保通信和信息传输的连续性，系统需要快速地将数据从备份源同步至主源。在此过程中，公网UDM 负责将数据通过安全文件传送协议（SSH File Transfer Protocol，SFTP）的安全通道进行传输。SFTP 是一种加密的文件传输协议，可以确保数据在传输过程中的安全性。通过这个安全通道，公网UDM 将备份源中的数据上传至文件服务器。一旦数据被上传至文件服务器，专网UDM 便可以将这些数据下载至本地，并加载生效。专网UDM 是负责处理专网用户数据的管理系统，能够在网络连接中断的灾情现场为专网用户提供5G 鉴权、注册、接入等基本业务功能。加载生效后，这些数据就会被应用到主源中，从而实现数据的同步。在数据同步过程中，不能对数据进行修改，以确保数据的完整性和一致性，避免因修改数据而引入错误或冲突。因此，数据同步主要是将备份源中的数据重新传输到主源，确保主源的数据与中断前的状态保持一致[5]。

在消防通信体系中，业务溯源是在网络中断恢复后，将之前暂时中断的业务重新切换回主源的过程。该过程涉及删除用户会话、将连接状态的用户置于空闲状态、触发服务请求消息或周期性跟踪区域更新（Tracking Area Update，TAU）信令等操作，以便将用户信令传送给5GC CP。当通信网络发生中断时，正在运行的业务会被中断保存，意味着这些业务在中断期间不会受到回迁的影响。一旦网络中断恢复，就需要将这些业务重新切换回主源，继续进行正常的通信和数据传输。具体而言，就需要删除用户会话，即清除与中断相关的用户会话，确保重新切换后的通信是基于最新的会话信息进行的。此时，连接状态的用户将进入空闲状态。在这个状态下，用户设备会发送服务请求消息或周期性TAU 信令，通知5G 基站，使其处于活动状态。5G 基站会将这些用户信令传送给5GC CP，控制面负责处理用户的请求并重新建立与主源的连接。通过这个过程，暂时中断的业务将重新恢复并切换回主源，使消防通信体系能够继续进行正常的通信和数据传输操作。

3.3 适用场景

在5G 通信技术支持下，可以进一步增强消防通信系统的功能。

5G 消防通信体系适用于三断场景，可满足应急保障需求。5G 通信技术可以利用多路径传输和MEC等技术手段，提高网络的可靠性和健壮性，在三断环境下也能保持通信连接，为消防救援提供强大的支持[6]。

在灾难或紧急情况下，通信设备和网络基础设施会受到严重破坏，需要进行快速的网络重建。5G通信技术可以利用虚拟化网络和软件定义网络等技术手段，实现本地化的网络快速重建，从而更快速、更可靠地实现救援通信。

在消防救援行动中，需要在现场快速构建应急通信系统，保障指挥、调度和救援工作的安全。5G通信技术可以利用5G 新空口（New Radio，NR）私有网络和5G 边缘计算等技术手段，快速构建现场应急通信系统，实现高速、可靠的通信和数据传输，提高消防救援的效率和准确性，为消防部门提供强大的技术支持，助力救援工作的顺利进行。

4 5G 通信技术在消防通信体系中应用的优势

4.1 实现高效的信息传播

在消防救援行动中，关键信息的及时传递对于指挥决策和行动的准确性至关重要。5G 通信技术的高速和低延迟能够确保指挥中心与现场指挥人员之间的实时沟通，及时上传现场传感器数据，提高救援行动的响应速度和效率。在5G 通信技术的支持下，可以实现大规模的设备和物联网连接。在消防救援中，各种传感器、监控设备、救援装备等可以通过5G 网络进行连接，实现实时数据的采集、传输和共享。消防人员可以获取更多的现场信息，包括火势、人员状况、设备状态等，从而做出更精确的指挥决策。此外，5G 通信技术的高可靠性和健壮性能够保持通信连接，维持与指挥中心的通信，确保救援行动的持续进行，提升救援战斗力。

4.2 实现救援资源的合理分配

5G 通信技术可以通过高精度的定位服务，实时获取救援队伍成员的位置信息，有助于指挥中心对队伍进行准确的定位和追踪，更好地分配任务、调度资源并协调行动。5G 通信技术通过快速的数据传输和高带宽支持，可以实现救援队伍之间的实时协同办公和信息共享。在消防救援行动中，队员、指挥员和专家可以通过5G 网络实时共享信息、交流意见、制定计划，并实时传输文件、图像、文档等多媒体信息，提高了队伍之间的协同能力和决策效率，提升了救援行动的整体管理水平[7]。

此外，5G 通信技术支持大规模数据的传输和处理，为救援队伍提供了更多的数据支持。通过5G 网络，可以实时汇总并分析现场传感器、监测设备等收集的大量数据，为指挥中心提供更准确的态势感知和预测，为决策提供科学依据，提高救援队伍的整体管理水平。

4.3 提升救援的有效性

5G 通信技术支持高清视频传输，可以实时传输火灾现场的图像和视频。消防指挥中心可以远程查看火场情况，对火势进行实时评估，为灭火行动提供准确的信息。同时，现场指挥人员可以通过视频传输实时指导灭火人员的工作，提高灭火行动的效率和准确性[8]。

5G 通信技术支持多连接，可以实现救援队伍、消防车辆、消防装备等节点之间的实时互联。通过5G 网络，不仅可以实现队伍内部的实时通信和信息共享，还可以更好地协调不同消防单位之间的合作，提升灭火救援行动的协同能力和效果。通过5G 网络可以将火情数据快速上传至指挥中心进行实时分析，帮助消防指挥员更准确地了解火场情况，制定有效的灭火救援策略，提高救援效率。此外，5G 通信技术的高速和低延迟特性支持消防指挥中心与各个资源点之间的即时通信和指令下达。指挥中心可以根据灭火救援的需要，快速调度并指导消防车辆、人员和装备的部署，从而优化资源利用，提高灭火救援的响应速度。

5 结 论

利用5G 通信技术的高速率、低延迟和大容量特点，消防部门可以实现实时高清晰度的视频图像传输和音频传输，实时监控火灾现场并做出准确决策。同时，5G 通信技术的广域覆盖和高密度连接有助于实现消防系统的远程控制，提高指挥中心的响应能力和效率。随着5G 通信技术的快速发展，需要考虑安全与隐私等方面的问题，相关部门应制定严格的安全规范和保护措施，确保数据的安全传输和隐私保护。充分利用5G 通信技术，从而更有效地进行火灾预警、现场监控和指挥调度，提高火灾救援能力，从而实现火灾救援的高效、智能化发展。