基于地震灾害的分层应急通信保障策略研究*

周 洋，赵旭毅

(1.中国人民武装警察部队工程大学 信息工程学院，西安 710086；2.中国人民武装警察部队工程大学 军事基础教育学院，西安 710086)

0 引言

我国是个幅员辽阔的国家，每年因自然灾害造成的损失是巨大的，地震往往会带来余震、泥石流、堰塞湖等次生灾害，给人们生命财产带来巨大隐患，黄金72小时救援显得至关重要，然而地震往往会造成光缆中断、基站等设备受损导致通信不畅，应急通信旨在突发事件后提供一套灵活稳定的通信系统。文献[1-3]分别介绍了“动中通”、高空应急通信以及无线自组网在不同应急通信场景下的应用。文献[4]提出构造天地一体化应急指挥通信网络，利用卫星、蜂窝移动网络以及无线局域网分别构造广域传输网、现场指挥调度网络以及救援自组织网络，但具体实施办法未进行明确。文献[5]提出一个以地面、小范围、大范围分层分别采取设备到设备、无人机中转、卫星通信方式的空天一体化应急通信系统，该模型能够提供高容量、稳定的通信链路。文献[6]介绍了无人机应急移动通信方案，该方案是利用无人机中继通信平台，通过与地面移动通信网以及卫星网进行通信链接为灾区进行通信保障。文献[7]指出社交媒体受地震影响较小，应用广泛，传播迅速，相关机构可以利用传播知识，应对灾害。

文章在前人研究的基础上，提出分层应急通信保障策略，该策略是基于震后灾区模型进行应急通信保障，依照震后烈度图、人口密度图以及无人机中继通信覆盖直径把灾区模型分成边缘层和核心层，各层之间采取不同的通信保障方式，达到集约高效。

1 灾区通信保障模型构建

地震、海啸、台风、泥石流等自然灾害发生后，灾区道路受损，基站设备损坏，光纤中断，导致灾区成为通信盲区。为了抢占黄金72小时，保障灾区群众通信需求，需要第一时间建立起通信链路。灾区通信保障模型是基于灾区通信环境所建立的模型，该模型受地震烈度、无人机中继通信覆盖直径以及人口密度等因素的影响。地震烈度是测算出模型覆盖范围的快速有效方法，常用来描述地震对人、建筑、自然环境影响的强弱程度，它受震级、距离、地质结构等多方面因素的影响，一般情况下，离震源越近，烈度越大，它的等级越高，基站等通信设备受损越严重。中国对烈度等级进行划分,分成12个等级，从Ⅰ到Ⅻ级，Ⅶ级以上就会导致地表出现裂缝，牌坊，烟囱损坏，通信设备受损导致区域成为通信盲区，具体是Ⅶ级以上通信设备受损严重，蜂窝移动通信中断，需要进行通信保障。烈度评定结果有助于迅速掌握灾情，文献[8]中指出地震烈度快速评估可以通过烈度衰减规律模型进行。依据无人机的覆盖直径d，结合不同的通信保障方式，把灾区划分为边缘层和核心层，其中从通信盲区边界及以内d范围内划分成边缘层，边缘层以内划为核心层，边缘层采取无人机加LTE通信保障模式，核心层利用应急通信指挥车、短波电台通信方式。人口密度越大，话务量需求越大，优先等级就越高，是通信保障的重点区域，在无人机巡航和路线规划需要重点考虑。

2 分层应急通信保障体系实施

依据灾区模型，划分边缘层和核心层，各层采取不同的通信保障方式。具体是卫星通信负责骨干通信及偏远通信，无人机中继通信在边缘层负责灾区通信保障，短波电台及应急通信车在核心层进行补充。卫星通信虽然不受地理环境影响，但带宽受限，时延大，终端设备昂贵[9]，不能满足灾区大量群众通信需求，只能适用于特定通信需求。无人机中继通信是在无人机上搭载空中基站，通过卫星链路或蜂窝移动网链路达到对灾区进行大范围通信覆盖。无人机进行边缘部署的考虑是一方面能够链接蜂窝移动网，为灾区群众提供大范围稳定的通信信号，另一方面是毗邻正常工作区，有利于抢险救援队伍第一时间实施救援，为进入灾区核心部位开展救援创造条件。随着无人机技术的迅速发展，无人机中继通信技术走向成熟，2020年9月25日，翼龙2无人机冒雨从贵州安顺机场起飞，在无信号的四川木里地区构建了空天地一体化应急通信平台。短波电台的通信自主性强、容灾性高、受地震影响较小，适应于最低限度通信。应急通信车开通迅速、运用灵活、调度方便，能够提供语音调度、视频会议以及无线组网等功能。

为了做好分层应急通信保障，需要未雨绸缪，在灾害发生之前，完善地震高危地区通信设施器材的保障，主要是在镇一级政府配备卫星移动手机，在学校、车站、机场等人流量密集的地方配备短波电台和无线自组网，在县以上单位根据辖区规模配备足够的卫星应急通信车，在地震高危地区周边机场部署搭载空中基站的翼龙2无人机作为备用。当发生地震灾害后，应迅速调集各类通信资源，按照分层应急通信保障策略实施保障。具体流程图如图1。

(a)通信器材保障 (b)应急通信保障实施

地震发生后，迅速启动应急通信响应机制，协同地震局通过遥控卫星和实测掌握地震烈度图，估测通信需要覆盖的区域，并对灾区区域进行分层。协调周边可用机场做好无人机通信中继保障任务准备工作。

无人机的部署数量应根据地震烈度Ⅶ度以上地区范围和无人机中继通信覆盖范围计算得出。地震烈度图在近场一般呈椭圆形，远场逐渐成为圆形[10]，不失一般性用椭圆表示，如图2所示，烈度值I越高，地震破坏性越大。椭圆的长、短轴分别用ai和bi(i=1…n)。为方便起见，用相同长度宽度分别为ai和bi的长方形近似代替椭圆，来表示地震受灾区域。

图2 地震烈度模型

无人机中继平台的通信覆盖区域与携带通信设备功率和飞行高度有关。地面接收信号平均功率可以由式(1)表示：

(1)

其中pt表示无人机发射功率，Gt、Gr分别表示发射和接受天线增益，ΔL表示为自由空间损耗，d为通信距离，f为电磁波工作频率。无人机中继通信覆盖半径可由式(2)计算[11]:

(2)

其中R是地球半径，T为接收端等效噪声温度，K是玻尔兹曼常数，γ0是接收端最低信噪比门限，Rb表示信息传输速率。

为了讨论一般情况，假设灾区人口密度是均匀分布，每个地区都需要通信保障，为了确定无人机部署数量，首先需要确定无人机覆盖模型，假设无人机携带是全向天线，则覆盖区域是个圆形，由图3和表1可知，当无人机覆盖区域近似用正六边形覆盖时[12]，同等覆盖区域所需的无人机覆盖数量最少。

图3 无人机覆盖模型等效图

覆盖形状正三角形正方形正六边形领区距离r2r3r辖区面积1.3r22r22.6r2交叠区宽度r0.59r0.27r交叠区面积1.2πr20.73πr20.35πr2

为了精确算出无人机部署数量，首先要根据边缘层区域大小来估算，设烈度Ⅶ级以上区域长度为a，宽度为b，一般情况下，破坏性地震烈度的宽度远远大于无人机的覆盖直径r，即b≥2r，如图4所示。

图4 无人机覆盖模型

则需要覆盖的无人机数量为：

(3)

对于无人机覆盖不了的区域，则利用通信指挥车，通过卫星链路，构成点对点通信，短波电台不依赖于基础通信设施，容灾性强，可以在人口密集的地区作为最低通信保障方式使用，向外界传递信息。整个分层通信保障如图5所示。

图5 分层通信保障示意图

3 分层应急通信保障的优点

1)集约高效，各类通信链路不会受到干扰。分层应急通信是依据灾区不同的通信业务需求，结合空中基站通信技术，对灾区模型划分成核心层以及边缘层，各层之前采取不同的通信保障策略，提升应急通信保障效益。卫星通信因为带宽受限，接入数量受限等因素，不能满足灾区大量群众话务量需求[13]，但其保密性强，适合于救灾通信指挥、定点通信的需求。无人机携带空中基站，通过链接蜂窝移动网络，迅速在灾区边缘构建大规模应急通信网络，能够为灾区群众持续稳定提供高速率的语音、图像、网络等业务需求，又能够为救援分队提供地理位置信息，且覆盖区域广阔，有利于第一时间开展大范围救援活动。短波电台，不依赖于基础通信设备，能够在震中区域第一时间向外界传输信号，具有很强的容灾性。

2)不受复杂地形地貌限制，部署快速便捷[14]。翼龙2无人机，最大飞行高度可达9 km，且最快速度能达370 km/h，在灾区临近机场起飞，1小时内即能够飞抵灾区上空，组建临时移动通信网，且翼龙2无人机续航时间能达到20小时，能够持续为灾区提供通信保障。相对于传统地面无线通信方式，翼龙2无人机携带基站飞入高空，不受地球曲率、建筑物、山脉等障碍物影响，同时可以避免地表障碍物对通信链路的阻挡，降低了地表建筑物、地貌等引起的多径衰落效应[15]，从而建立起稳定的通信链路。

3)机动灵活，操作便捷，能避免次生地质灾害的影响。无人机中继通信能够根据不同的灾区环境情况灵活调整部署范围，另外无人机操作模块化，相对简单，不受灾区交通、电力中断、余震等次生灾害的影响。

4 分层应急通信存在的技术难点

分层应急通信的核心是无人机空中中继通信，主要存在以下难点：

1)固定翼无人机需要在空中盘旋，盘旋时无人机覆盖区域会发生变化，边缘覆盖部位信号不稳定，另外相邻区域无人机覆盖区域会发生叠加，加强无人机群的飞行路线规划也需要研究。

2)固定翼无人机需要从机场起飞，会占用航道资源，自然灾害发生是突然的，此时机场不一定有空闲的航道用于无人机起飞，因此加强与机场管理局的沟通协调机制的研究，确保遇到突发情况能够立即起飞。

3)基于分层应急通信保障涉及到灾区通信模型的建立和通信器材的配备，因此平时要加强演练，完善配备人流量密集场所的电台、卫星通信设备终端，做到一旦出现自然灾害，能够迅速建立起通信链路，快速开展救援。

5 结论

目前无人机中继通信研究已经比较成熟，充分利用各类通信资源，快速建立通信链路对于减灾救灾具有充分意义，文章在前人的研究结果上，提出分层应急通信保障策略，重点对无人机中继通信保障的覆盖模型进行讨论，并对分层应急通信保障策略需要把握的重点进行讨论。分层应急通信的高机动性、超强的抗毁能力、快速部署性、分层保障策略必然能够促进我国应急管理能力的发展。