消防通信体系中5G 技术的应用

2024-05-23赵君祚

通信电源技术 2024年7期

赵君祚

（北京市消防救援总队，北京 100000）

0 引言

在当前科技迅猛发展的时代背景下，5G 技术以其独特的高速、大容量以及低延迟特性，正逐渐渗透到各个领域，为行业发展带来革命性变革。尤其是在消防通信体系中，5G技术的应用更表现出显著优势[1]。而如何应用此项技术建立消防通信体系，并促进该项技术在各个消防场景的应用是文章要研究的重点内容。

1 5G 技术分析

1.1 5G 通信技术

5G 通信技术具备极高的数据传输速率、低延迟以及大连接能力，能够实现最高20 Gb/s 的传输速度，传输速度远超4G 通信技术。此外，5G 通信覆盖增强型移动宽带、超高可靠与低延迟通信以及广泛的机器通信3 个关键应用领域，为实现全方位的人机物互联奠定了坚实基础。

1.2 5G 专网技术

1.2.1 网络切片技术

网络切片技术的应用，使得网络能够根据不同服务需求提供定制化的处理能力。网络切片技术将单一的物理网络分割成多个独立的虚拟网络，每个网络都可以根据特定应用的要求进行优化[2]。例如，一个网络切片可以专门优化以支持极低延迟的应用，而另一个网络切片则可以优化以支持大量设备连接，从而满足不同场景的需求。通过网络切片技术，可以创建专门的切片来处理消防服务通信，确保在紧急情况下优先进行资源分配，从而保障通信实时性。即使在网络拥塞情况下，专网也能保证高效的数据传输，避免通信延迟。此外，网络切片具有隔离特性，能够确保网络传输的安全稳定，一个切片内的问题不会波及其他切片，从而极大地提升通信的安全性。

1.2.2 MEC 技术

移动边缘计算（Mobile Edge Computing，MEC）技术是5G 网络中的关键组成部分，旨在通过靠近用户地理位置的网络边缘进行数据处理，以提高服务效率和加快响应速度。MEC 技术的实施允许数据在接近用户的地点即时处理，而不是传送回远端的数据中心处理，从而显著加快数据处理速度并降低延迟。在消防等紧急服务领域，MEC 技术使得紧急响应团队能够快速获取和处理实时视频流或传感器数据，从而使决策更加迅速准确。MEC 部署还有助于缓解网络中心的压力，因为大量数据处理可以在网络边缘进行，进而减少网络拥堵并提高整体系统的运行效率[3]。此外，MEC 支持本地数据收集与分析，可以即时收集并利用邻近基站的身份标识号码（Identity Document，ID）和可用带宽，来优化网络性能与资源分配。而这种即时的网络状态感知能力，能够为5G 消防通信专网建设提供强大的技术支持，确保通信网络在紧急情况下高效且可靠。

2 基于5G 技术的消防通信体系架构

2.1 系统架构

基于5G 技术，在消防通信中构建高效和可靠的通信网络体系，功能框架如图1 所示，有助于满足消防救援过程中对于信息的实时传递和处理需求。在此系统中，可利用多个频段以增强网络覆盖和信号穿透力，尤其是700 MHz 频段，由于其低损耗和强穿透力，能够提供广泛覆盖，最远达到5 km。而且，此系统架构融合了公网与专网优势。通常情况下，采用公网进行广域通信，保障消防救援人员在平时能够顺畅地接收和发送信息。而在紧急情况下如网络中断时，该体系能够自动切换至局域专网模式，保证在单个基站覆盖范围内的通信不受影响，从而确保救援行动的连续性[4]。在系统架构内部，下一代基站（the next generation NodeB gNB）、用户面功能（User Plane Function，UPF）、MEC、5G 核心网循环前缀以及统一数据管理（Unified Data Management，UDM）等关键技术组件共享于广电公网，使得gNB 接收电台终端信号时，能够确保数据即时处理，从而支持网络负荷分担并加强灾难恢复能力。在5G 消防通信体系中，MEC 部署还能进一步加强网络的边缘计算能力，使得数据处理更加靠近用户端，降低通信时延，并提升数据处理的实时性，以收集和汇聚消防现场的信息、确保信号准确覆盖以及增强终端设备的即时响应能力。

图1 消防通信体系功能框架

2.2 关键技术

中断保存技术能够在gNB检测到N2网络故障时，保持用户的N3 会话隧道连接状态，即使收到的非接入层（Non-Access Stratum，NAS）或切换信令出现失败或超时情况，用户连接也不会因为网络问题而中断，直到N2 网络恢复并能够正常运行之前的业务。数据同步技术是将数据通过安全文件传输协议（Secure File Transfer Protocol，SFTP）从公网的用户数据管理（User Data Management，UDM）安全传输到专网。在此过程中，能够确保即使网络连接中断，专网用户也能够开展5G 鉴权、注册和接入等基本业务，但不支持修改同步数据。同步机制能够为灾情现场提供必要的通信支持，使得紧急响应团队可以在断网状态下也维持基本通信功能。业务回迁指在通信网络恢复正常运作时，之前因网络中断而暂停的用户业务会自动回迁至网络。在此过程中，原先处于连接状态的用户会转入空闲状态，并通过服务请求消息或周期性跟踪区更新（Tracking Area Update，TAU）信令重新连接到5G 核心网络控制面，从而确保网络恢复后用户能够无缝继续通信服务，而且在网络中断期间已经保存的业务不会受到影响。

3 消防通信体系中5G 技术的具体应用场景

3.1 实战指挥

5G 技术支持高速、大容量以及低延迟的通信需求，使得消防救援指挥中心能够在极短时间内收集分析救援现场的视频、图像及其他关键信息，从而做出快速准确的决策。基于5G技术在救援现场建立指挥部，可以确保指挥官与现场救援人员实时沟通，通信不仅速度快，而且稳定可靠，能够确保救援方案快速传达到每个救援人员。并且，无论是视频通话、地图共享还是任务分配，都能够即时进行，大大缩短指令传达时间。在极端情况下，如断网、断路及断电等，传统的通信设备可能失效，但基于5G 技术搭建的专网设备能够继续提供稳定的通信支持，自主化的5G 网络能够保障通信连续性，即使在外部网络完全中断的情况下，救援指挥部依然可以与前线救援人员保持通信，确保救援行动稳定进行[5]。此外，利用5G 技术，可以实现更加灵活且广泛的设备连接，指挥平台可以关联无人机、穿戴设备及移动救援车辆等多个设备，以实时传输救援现场的视频、音频及其他重要数据回到指挥中心。通过多维度收集分析信息，可以帮助指挥官全面掌握现场情况，制定精确高效的救援计划。

3.2 应急救援

在消防通信体系中，5G 技术通过其高速率和低延迟的特性，能够极大地增强消防救援队伍在面对复杂火灾情况时的应对能力。在火灾现场，基于5G 技术能够帮助消防人员迅速判断火灾类型和等级，通过将现场的实时数据快速传回指挥中心，使得指挥官能够快速做出决策，并制定出针对性的救援方案。在执行救援任务时，5G 技术可以确保救援现场与指挥中心之间的信息流通顺畅无阻，通过实时的音视频传输，指挥中心能够直观了解现场情况，及时提供指导和支持，从而降低救援人员面临的风险，提高救援效率。例如，通过实时视频监控，指挥中心可以指导消防队员避开危险区域，有效规避潜在危险。此外，5G 技术可以促进如无人机和机器人等智能设备的应用。无人机在消防应急通信中的应用如图2 所示。这些设备可以在消防人员无法直接进入的危险区域进行侦察和救援，大大提升救援安全性及有效性，而且设备收集的数据可以为后续的救援操作提供参考。此外，5G技术支持的大数据分析能力，使得救援结束后的复盘分析变得更加高效。分析救援过程中收集的大量数据，消防部门可以更好地理解救援操作中的优点和不足，为后续的救援行动提供改进方向。

图2 无人机在消防应急通信中的应用

3.3 队伍管理

在消防通信体系中，5G 技术的引入能够极大地提高队伍管理效率。基于此项技术，可以实现消防队伍管理信息的全面数字化记录，尤其是日常训练、任务出勤及人员健康状态等信息均能够实时更新和存储，为队伍管理提供全面的数据支持。而利用5G 云计算技术，消防指挥官可以设计出个性化的训练计划，在提高训练效果的同时增强救援紧急响应能力。在消防装备管理方面，5G 技术能够提供实时的设备状态监控和维护指导，通过高速的数据传输，确保所有装备的使用状态和性能都能实时掌握，并及时进行维护更新，以确保救援装备能够在关键时刻发挥最大效能。在消防营区管理方面，5G 技术能提高消防营区的安全管理水平，通过部署高清监控摄像头和无线传感器，实现营区全方位监控，能够有效管理所有进出营区的人员和车辆，从而在提高营区安全水平的同时为救援行动的快速部署提供有力保障[6]。此外，5G 技术在消防通信体系中的应用，还能使信息即时共享。通过5G 网络，消防队伍可以实时接收来自上级或其他相关部门的最新指令和信息，确保所有操作都基于最新的情报进行，进而提高救援效率。

3.4 消防监督

在消防通信体系中，5G 技术为消防监督提供全新的应用场景，能够显著提高监督效率。5G 技术的高速传输能力，能够使消防监督人员实时接入并调取监督信息，从而使紧急情况下的响应更加迅速有效，也使得消防监督部门能够实时视频监控火灾隐患点，提升火灾预防的主动性。监督人员可以通过实时视频监控检查消防设施的运行状态，及时发现问题并采取措施，减少因设备故障导致的火灾风险。5G 技术还能够促进消防监督信息的共享与协同，通过构建统一的消防监督平台，不同区域和不同级别的消防部门可以实时共享监督信息，强化部门间的协作，避免信息孤岛，提升监督决策的科学性。随着5G 技术进一步发展，消防监督逐步结合人工智能、大数据等现代技术手段，推动监督管理向智能化、精细化方向发展。例如，通过分析历史数据预测火灾风险，或使用人工智能算法自动识别监控画面中的异常情况。