5G在抗灾救灾中的创新优化及应用策略

李致常

（中国电信股份有限公司 三明分公司，福建 三明 365000）

0 引 言

福建等沿海省份不同季节的强台风与暴雨易造成山洪暴发、山体滑坡、泥石流以及内涝等突发自然灾害，对道路、供电及通信网络造成严重破坏，受灾地区通信部分阻断或全阻形成信息孤岛。传统的通信保障方法是抢修中断的传输并更换损坏设备，但此方法通常需要数天才能完成，极其耗费时间[1]。而且通过传统的应急通信车临时恢复灾区的2G语音，无法满足抗灾救灾指挥部的实时画面交互和实时监控等需求，指挥部只能根据有限且滞后的受灾信息指挥抢险救灾，无法高效准确地开展抗灾救灾工作[2]。

5G网络的3大应用场景（超大带宽eMBB、超低时延uRLLC以及超大连接mMTC）都适用于抗灾救灾，具有显著优势[3]。本文对5G网络在抗灾救灾中的特色优化与应用策略进行分析与研究，以达到全面高效恢复抗灾指挥部与灾区的监控与通信、修复重要政企专线线路以及Relay回传恢复中断基站的目的[4]。

1 5G网络应用于抗灾救灾的优势

5G网络在抗灾救灾中的优势主要体现在eMBB增强移动带宽、uRLLC低时延高可靠连接以及mMTC海量物联3个方面，典型应用如图1所示。

图1 5G网络在抗灾救灾中的典型应用

现有5G网络的下行速率最高可达1.7 Gb/s，上行速率可达280 Mb/s，是4G网络的10倍左右，可以满足救灾指挥部的高清视频监控、指挥系统交互、修复政企专线电路以及Relay回传恢复中断基站等通信需求。实际应用中，uRLLC的端到端时延最低可以达到5 ms，远小于4G网络时延30 ms，可以应用于对时延要求较高的场景，如远程VR操作、蓄洪区水闸泄洪、无人机救援以及自动救灾精密仪器操作等。mMTC场景下，每平方千米可以达到1×106个连接，可广泛应用于泛洪区的水位探头监控和疫情地区的门禁探头监控等，这种需求是4G网络无法满足的。

2 5G应急通信快速组网策略

受灾地区存在通信部分阻断或全部阻断的情况，这两种情况下，5G应急通信网络的组网方式有所不同。

2.1 通信部分阻断的创新组网策略

因通信部分阻断，灾区无线监控设备和指挥部无线终端等设备无法连接5G网络，同时政企专线电路中断，无法在短时间内恢复。而CPE具有接收解调性能强大、与5G基站交互性能好、重量轻、易于单人携带且易于摆放在信号较好的高处等特点，可以及时跟随救灾指挥部转换地点，并能与中断的政企专线电路互联，快速组网，从而帮助工作人员有效应对灾情，节省宝贵时间。

灾情现场监控设备通过网线接入CPE1，抗灾指挥部视频播放器接入CPE2，CPE通过5G网络形成组网，实现数据信息交互。通信部分阻断的救灾指挥部组网策略如图2所示。

图2 通信部分阻断的救灾指挥部组网策略图

灾情现场政企专线路由器通过网线接入CPE，CPE通过5G网络形成组网，建立政企专线与政企客户支撑中心LNS之间的连接，保障政企专线的正常使用。通信部分阻断的政企专线电路修复组网策略如图3所示。

图3 通信部分阻断的政企专线电路修复组网策略图

2.2 通信全阻情况下的创新组网策略

在灾区通信全阻的情况下，利用行业领先的Ka技术，用Ka高通量卫星作为传输中继，开通应急通信车上的5G网络及Volte网络，满足抗灾救灾指挥部与政企专线电路的通信需求[5]。

应急通信车与NanoSat Ka卫星便携站具有越野性能强大、出行方便以及易组网等特点，能够及时跟随救灾指挥部转换地点，快速组网，同时兼具恢复政企专线电路的功能[6]。

灾情指挥部相关设备与政企专线路由器通过5G应急通信车、Ka卫星、地面卫星中心、IP RAN以及核心网形成通信全阻情况下的组网策略，具体如图4所示[7]。

图4 通信全阻情况下的组网策略

3 5G应急快速组网下的创新优化策略

救灾指挥部需求的数据业务主要是监控视频和单兵视频等，这些业务对5G上行带宽要求较高。此外，政企专线每日需要传输大量的数据到上级政企数据库，对上行速率需求也较大。因此从3个方面对5G上行速率进行创新优化提升，以满足救灾指挥部和政企用户的需求[8]。一是提高上行时隙配比。5G基站默认的下行上行时隙配比为8:2，将其优化为7:3，通过增加5G基站上行时隙来提升上行速率。理论上上行时隙配置优化为7:3后，上行速率能提升43%。二是PUSCH占用PRACH。由于应急通信网络一般供给特定的人群使用，接入的设备和次数都是有限的，因此可以将5G网络接入信道PRACH的资源让给上行业务信道PUSCH使用，从而提升上行速率[9]。经过试验证实，在理想状态下上行速率提升14%。三是开启上行256QAM自适应开关。使救灾指挥部的5G终端处于最高阶256QAM调制，避免终端处于QPSK或16QAM等低阶调制，以此提升上行编码数据携带能力，进而提升5G上行速率[10]。在实验室理想状态下，此创新优化策略能将上行速率提升12%。

4 5G在抗灾救灾中的创新优化及应用案例

为适应5G新时代，在泰宁大金湖水上抗灾救灾应急演练中采用此抗灾救灾的5G创新优化及应用策略，以验证其先进性。需要用到的易携带设备包括图5所示的两个CPE、一辆装有5G设备的应急通信车以及一套便携式Ka卫星收发机。

图5 易携带设备

通信部分阻断与通信全阻状态下，开通应急通信网络前后上、下行平均速率对比如图6所示。

图6 开通应急通信网络前后上、下行平均速率对比

在通信部分阻断状态下，使用提高上下行时隙配比、PUSCH占用PRACH、开启上行256QAM自适应开关以及双CPE组网等特色应用策略，在灾情命令下达的20 min内成功组网。抗灾救灾演练指挥部的指挥及监控终端的下行平均速率从26.8 Mb/s提升至313.8 Mb/s，上行平均网络速率从4.0 Mb/s提升至95.1 Mb/s。VoLTE业务可以正常起呼，业务正常，前台观察MOS值在3.96左右，测试10次无掉线。

在通信全阻的状态下，通过提高上下行时隙配比、PUSCH占用PRACH或开启上行256QAM自适应开关，并使用应急通信车和便携式Ka卫星收发机等，在灾情命令下达的40 min内，应急车5G基站以Ka卫星通信为中继，从地面卫星站落地后经IP RAN传输后再转到5G核心网，形成组网。抗灾救灾演练指挥部的指挥及监控终端的下行网络速率从26.8 Mb/s提升至59.1 Mb/s，上行网络速率从4.0 Mb/s提升至10.0 Mb/s。VoLTE业务可以正常起呼，业务正常，前台观察MOS值在3.92左右，测试10次无掉线。

5G网络的创新优化与应用策略在此次大金湖水上抗灾救灾应急演练中十分成功，其20 min即可成功组网，具有数据及时、画面高清且交互性强大的特点，给演练指挥部人员带来良好的使用体验。

5 结 论

本文阐述并论证了5G网络在抗灾救灾中的特色优化及组网应用策略，充分利用5G网络的优势，结合行业领先的卫星Ka波段技术快速开通5G应急通信网络，为救灾指挥提供通信保障，并结合实际案例展示了此创新策略在抗灾救灾中的优势，旨在为相关人员提供借鉴。