森林消防超短波自组网通信系统应用研究

李 攀， 郭文刚， 凌 勇， 孙 乐

(1. 应急管理部森林消防局，北京 100097；2. 中国电子科学研究院，北京 100041；3. 北京中兴高达通信技术有限公司，北京 100044)

0 引 言

森林消防队伍作为国家综合性消防救援队伍的重要组成力量，担负着我国森林草原火灾扑救、地震地质灾害救援和洪涝灾害抢险救援等“一主两辅”职能任务，面对“跨区域应急救援力量”的全新定位和使命要求，森林消防队伍始终坚持“两个至上”，聚焦任务核心，高度重视信息化建设和遂行任务通信保障。从“十一五”到“十三五”，森林消防队伍信息化建设取得了长足发展，先后建成了模拟超短波通信、数字短波通信、宽带卫星通信等无线通信系统，满足了各类任务指挥通信基本需求，特别是模拟超短波通信系统的建设，实现了我国东北、西南重点林区超短波无线通信覆盖，成为森林消防队伍遂行任务期间使用最主要、最频繁的通信保障手段。

目前森林消防队伍超短波通信系统主要以数模常规制式直通/转信对讲为主，业务功能单一、通信效果一般、抗干扰和组网覆盖能力有限、抗灾应变能力较弱，多层级指挥调度和用户管理能力有待提高。因此，为强化森林消防队伍应急救援能力建设，提高遂行任务指挥效率，经过深入对比各种无线通信组网方案，选择采用超短波自组网作为基础组网方案，通过建设数字化、网络化、可视化的超短波自组网通信系统，拓展超短波通信网络覆盖范围，推动超短波通信系统数字化升级，全面提升森林消防队伍无线通信保障能力，为圆满完成“一主两辅”应急救援任务提供技术手段支撑。

1 超短波自组网技术概述1.1 超短波自组网技术特点

超短波自组网技术特点主要有抗毁性、自组织性、机动性、可拓展性，其主要业务包括语音、短信、定位、传感器数据等[1]。

超短波自组网通常没有路由概念，以广播的形式在网内传输数据，特别是基于语音通信的超短波自组网技术，其实现原理是通过不断接收和转发，来实现网内所有节点对信息的获取[2]，超短波自组网固定台设备工作流程见图1。

图1 超短波自组网固定台设备工作流程框图

超短波自组网固定台节点，采用高性能恒温晶体，通过同步时钟校准后，实现高精度的射频对齐和多径干扰消除技术，确保各自组网节点间在任意拓扑组网下信号不相互干扰，可满足链型、星型、树型、网型、混合型等多种拓扑传输[3]。

1.2 超短波自组网实现方式

国内的主流超短波通信技术走在了实用化、小型化的前列，近年来相继推出的超短波自组网产品多以PDT或DMR数字通信标准为核心，在具体空口和链路实现上进行了差异化改造[4]，通常分为以下两种实现方式。

第一种实现方式是将本地覆盖和无线链路分开，采用两对不同频段的频点，一对频点用于本地覆盖，采用标准中转台的方式，可以接入普通的超短波终端；另一对频点则用于构建自组网多跳的链路连接，实现多个超短波自组网中继设备互联。这种实现方式实质上是将覆盖的终端设备与链路中继设备通过背靠背的方式连接起来。优点是对于超短波终端设备要求较低，标准超短波终端即可接入，且链路独立工作比较容易实现。缺点则是需要集成两套基带射频，硬件设计复杂，功耗较高，不同频点间干扰较大[5]。

第二种方案则是将本地覆盖和无线自组网链路相融合，其无线信号既承载了语音、短数据等信息，同时也构建了不同设备之间的转发链路，这种实现方式技术难度较大，也遵循PDT或DMR的标准数字通信空口标准，在具体组网链接策略上针对自组网进行了局部调整，以确保超短波终端只需要通过少量的修改和设置，就可以接入到自组网网络中，具备低功耗、抗干扰、传输远等优点[6]。

2 森林消防超短波自组网特点

森林消防队伍结合任务实际，所采用的超短波自组网方案属于上述第二种方案。其在通信标准上遵循PDT/DMR协议，采用12.5 kHz的信道带宽，通过“频分+时分”的方式，在使用少量频率的情况下，即可达成各种拓扑组网下的无线多跳接力，实现广域超短波无线自组网覆盖；在射频上采用经典超外差接收方式，配合高发射功率，满足林区远距离传输和覆盖的需求，同时提高接收灵敏度和抗干扰能力；在算法上通过数字信号处理和逻辑处理相结合的方式，主动感知自组网链路关键节点异常，达到更强的抗干扰和抗毁能力。森林消防超短波自组网具备以下四个实用特点。

(1)快速组网

传统的自组网技术通常采用广播的形式传递路由，让相邻节点发现自己并形成路由表，但当节点较多时，这种方式需要大量的广播，容易造成无线信号的冲突，组网的时间也随着节点的增多而成倍数增加。为了解决上述问题，森林消防超短波自组网方案提出一种广播式的转发方式，即收到信号立即转发，通过各个节点高精度射频对齐技术，只需要开机后发送几条同步信号，以监听冲突消除的方式，即可解决快速组网中无线信号冲突的问题，提高组网和使用效率[7]。

(2)网络抗毁性

超短波自组网固定台设备采用广播式的转发方式，尽可能地利用每个节点进行转发，当某个中转设备因供电或自身故障等其他原因转发中断时，如果该设备节点不是唯一的关键节点，也不会影响其他节点正常转发，这种情况是无需额外操作的；如果该设备是下一个节点唯一的或关键的接收源，会导致下一个节点接收和转发中断。此时的解决办法是当下一个节点接收中断的时候，重新扫描信号，重新选择当前最好的信号或者解码校验通过的信号转发[8]。

(3)林区灵活组网

森林消防队伍任务区域主要在林区，然而在林区部署超短波自组网设备，其通信效果受林区树木、山体等地理环境影响较大，与空旷地区或城区通信有较大差别。因此在林区内依托高地部署超短波自组网固定台，实现大面积组网，在遂行任务期间配合超短波自组网背负台实现网络接入和区域补盲，从而有效解决森林消防队伍在林区腹地遂行任务通信指挥难题。

(4)自给供电能力

林区腹地通常无电力供应，因此在林区建设超短波自组网固定台必须充分考虑自给供电能力。一般情况下，采用太阳能或风能等形式实现自给供电，配合电源管理系统、保温防护系统、电池储能系统等，实现长时间无人值守自动续航。

综上所述，基于高精度的射频对齐技术、快速转发技术和断链重连技术，辅助实施监听冲突消除策略，使得森林消防超短波自组网具备强大的快速组网和抗毁性能，配合自给供电系统，能够在基础设施匮乏的原始林区实现大范围的超短波无线自组网覆盖，从而满足在复杂恶劣环境中应急救援的实际需求。

3 森林消防超短波自组网架构

3.1 系统组成

森林消防超短波自组网通信系统由超短波自组网背负台、车载台、固定台、调度系统和网管系统等组成,如图2所示。

图2 森林消防超短波无线自组网

3.2 网络架构

结合森林消防队伍遂行任务期间的指挥模式，森林消防超短波自组网规划了林区超短波无线组网与营区IP互联组网的组合架构，从而实现自上而下的垂直通连,如图3所示。

图3 森林消防超短波无线自组网基础组网架构

3.3 林区空口组网

在缺乏光纤、公网等基础设施的重点林区，以超短波自组网空口通信方式为主，通过在林区防火瞭望塔上建设大功率自组网固定台，通过链型、星型、树型、网型或混合型超短波无线链路进行组网覆盖，实现自组网信号的远距离多跳中转和互联互通，逐步接力向外扩展，从而提供林区自组网骨干链路，实现大范围的林区广域覆盖。

同时考虑到林区复杂环境对于无线电波存在阻挡吸收，因此在队伍遂行任务时，通过自组网车载固定台和背负式自组网固定台实现并网和补盲，确保盲区通信与骨干网络互通，实现超短波自组网纵深覆盖，确保任务一线与指挥所信息互通。

3.4 跨区IP互联

森林消防队伍在遂行跨区域应急救援任务时，通常由多支队伍协同救援，超短波自组网跨区协同指挥通信尤为重要。在超短波自组网空口通信的基础上，利用基于4G公网的超短波自组网车载固定台、背负固定台IP互联功能，可以快速实现多支队伍之间的协同指挥，从而实现小网组成大网，融合互联、统一指挥。

3.5 调度系统

调度系统是提升整个数字超短波自组网系统能力的重要组成部分，调度员可以可视化的方式直接与终端进行通话或短信业务，实时获取终端和自组网节点的地理位置，实现高效指挥调度。调度系统通过IP连接，由调度服务器负责对接、处理多调度系统间的互联互通业务[9]，如图4所示。

图4 超短波自组网整体调度系统网络拓扑图

3.6 网管系统

网管系统是提升整个数字超短波自组网系统能力的重要组成部分。运维管理人员可以在网管界面直观的了解系统内自组网设备的运行状态，并根据实际情况，实时调整设备的运行参数，实现对自组网设备的运维掌控。网管系统通过IP连接，可提供远程配置及控制，告警管理，邮件通知，设备状态管理及日志管理等功能[10]，如图4所示。

4 森林消防超短波自组网实用性能分析

4.1 路损预算

森林消防超短波自组网网络路损模型简化示意如图5所示。

图5 网络路损模型

森林消防超短波自组网的空间最大允许路径损耗(Max Allowable Path Loss，MAPL)预算公式为

LMAPL=PNBTP+GNBAG+GUAG-LNBCCL-

MSFM-MFFM-LOLM-RURR

式中：LMAPL为最大允许路径损耗；PNBTP为固定台单载波发射功率，按照25 W配置，约44 dBm；GNBAG为固定台天线增益，10.2 dBi；GUAG为终端天线增益，0 dBi；LNBCCL为馈线、接头等损耗与超短波自组网固定台设备的馈线长度及单位长度损耗指标相关，不失一般性，取2 dB；MSFM为慢衰落余量与地形地势及山体或建筑物等大型阻挡物特征相关，本链路预算按照准平坦区域取值4 dB，对于山区或其他场景，由于地形地貌复杂，本链路预算的取值需要根据实际场景估算；MFFM为快速衰落余量，取3 dB；LOLM为其他损耗主要考虑的是树木等植被的穿透损耗，根据树木疏密情况依次取样本值3 dB～15 dB。当取值为3 dB时，最大允许损耗=44+10.2-2+0-4-3-3-(-95)=137.2 dB，当取值为6 dB、10 dB和15 dB时，最大允许损耗分别为134.2 dB、130.2 dB和125.2 dB；RURR终端接收信号强度一般取-95 dBm。在链路覆盖计算中，该值将作为定义覆盖边缘的条件。

4.2 覆盖半径仿真预算

对于森林消防使用的370 MHz频段，终端天线高度1.5 m，在准平坦场景下，应用如下传播模型公式[11]：

L=69.55+26.16lgf-13.82lghb-a(hm)+(44.9-6.55lghb)(lgd)+Ru

其中，

式中：f为工作频率；hb是固定台高度；hm是背负台高度；Ru为准平坦场景的校正因子；d为覆盖半径;a(hm)为高度修正因子。

将Max Allowable Path Loss代入传播模型公式(L值)，根据固定台不同的高度，可以分别估算得到不同的覆盖半径(边缘RRSI定义为-95 dBm)。

表1 固定台天线高度25 m(对应平地瞭望塔相对高度)

表2 固定台天线高度150 m(对应常见丘陵相对高度)

从以上对覆盖半径的仿真计算可以看出，固定台架设高度，以及树林茂密程度是影响超短波自组网的无线覆盖半径的重要因素。在实际部署中，需尽可能提升固定台架设的高度，以获得更大的无线覆盖半径。

表3 固定台天线高度400 m(对应常见低山相对高度)

上述结果主要应用于准平坦场景(含植被穿透损耗)。林区场景下的覆盖半径，与地形地貌及山体阻挡情况密切相关，覆盖半径与准平坦场景链路计算结果存在差异。此外，传播模型本身也有一定的适用条件，当固定台天线高度超过200 m，覆盖半径超过35 km时，链路预算结果与实际覆盖半径的偏差会越来越大。所以，链路预算仅为一定条件下典型场景的预估参考值，可以给网络规划提供参考依据，但网络的实际覆盖情况与具体的环境相关，应以实测数据为准。

4.3 自组网无线覆盖实测

为了解超短波自组网真实的极限覆盖半径，进行了拉距测试。在北京海拔约500 m的山上架设了超短波自组网固定台，采用全向天线，25 W发射功率进行覆盖；接收端是一台超短波自组网背负台，具备25 W发射功率和-124 dBm高接收灵敏度。由于平原地势平坦，无密植遮挡，最终测试的可用通话距离，可超过100 km。测试证明，超短波自组网的覆盖距离较远，能够满足森林消防队伍广域覆盖的需求。

4.4 供电能力分析

通过对超短波自组网固定台整机功耗进行了针对性的深度优化，发射功率为25 W，呼叫∶空闲=3∶7的任务模型下整机功耗小于28 W。在极端情况下，仅靠电池储能系统供电，仍能连续工作96 h，按照4 d/96 h计算，需要耗电2 688 Wh。

采用胶体电池电压为12 V，放电深度为75%，则所需电池容量为：2 688 Wh/75%/12 V=298.7 Ah，因此，使用300 Ah的胶体电池独立供电能够满足在阴雨天气独立供电4d/96h的能力。

如果太阳能板的功率是300 W，每天有效日照时间是3 h，电池从25%容量开始充电至充满300 Ah 电量需要时间的计算步骤为：1)太阳能板每天能够生成的电能是300 W×3 h=900 Wh；2)超短波自组网固定台每天耗电为28 W×24 h=672 Wh；3)每天能够存储的电能为900 Wh-672 Wh=228 Wh；4)每天能够存储的电量为228 Wh/12 V=19 Ah；5)需要的天数为300 Ah×75%/19 Ah=11.8 d。

5 结 语

森林消防队伍在北京周边进行了超短波自组网试点，完成了370 MHz超短波自组网环境测试和10个台站的搭建组网，以空口通信为主，IP互联为辅，采用市电、太阳能热备份供电系统，实现了北京市辖区以及周边重点林区的大范围通信覆盖，达到了语音通信清晰、人员定位精准、行动轨迹连续、分级指挥顺畅的通信保障要求，验证了超短波自组网系统的功能和性能，为今后在全国重点林区开展超短波自组网建设提供了实践支撑和经验积累。随着森林消防超短波自组网系统的建设和应用，将有效提高森林消防通信容量、质量和效率，为我国森林消防事业提供技术支撑。