應急通信技術(shù)的分析與研究

應急通信技術(shù)的分析與研究

1應急通信的內(nèi)涵面對如此嚴重的自然災害和公共緊急情況，傳統(tǒng)的通信手段往往無法滿足通信需求。應急通信正是為應對自然或人為緊急情況而提供的特殊通信機制,目的是在通信網(wǎng)設施遭受破壞、性能降級、異常高話務量或特殊通信保障任務情況下,采用非常規(guī)的、多種通信方式組合的技術(shù)手段(有線、無線、衛(wèi)星、集群通信等),來恢復國際、國家、地區(qū)或本地的通信能力,以便使應急人員無論何時何地、采用何種接入方式,盡可能利用殘存和臨時部署的通信資源建立通信連接,在應急情況下最大限度地保障通信暢通,從而達到及時報告災情、實施緊急救援、降低災害損失和保障災后重建的目的。顯而易見,應急通信為各類緊急情況提供及時有效的通信保障,是綜合應急保障體系的重要組成部分,是搶險救災的生命線。應急通信具有時間和地點不確定性、通信需求不可預測性、業(yè)務緊急性、網(wǎng)絡構(gòu)建快速性和存在過程短暫性等特點。應急通信是與社會和技術(shù)的發(fā)展息息相關的,并且不同機構(gòu)對于應急通信可能會有不同的理解。應急通信的內(nèi)涵將隨著通信行業(yè)和技術(shù)的發(fā)展不斷發(fā)展變化。首先,必須要明確應急通信是公用通信網(wǎng)的重要組成部分,可以視為公網(wǎng)的延伸和補充,而不應將應急通信與公網(wǎng)隔離開來;另外,應急通信既包括應急通信技術(shù)手段,也包括應急組織管理的方式和方法,是技術(shù)和組織管理的統(tǒng)一。應急通信系統(tǒng)承擔的任務,總體包含三個方面:一是平時為公用通信網(wǎng)提供補充服務;二是為突發(fā)事件提供通信保障,這也是應急通信主要承擔的任務職責;三是戰(zhàn)時為作戰(zhàn)提供支持。從應急任務的性質(zhì)來分,應急通信活動可以分為應急服務和應急保障。應急服務主要是指為預定的重大社會、經(jīng)濟和外交活動提供業(yè)務支撐,而應急保障主要是為重大通信事故、突發(fā)公共事件和自然災害提供通信保障。2國內(nèi)應急通信保障研究長期以來,世界上許多國家高度重視應急通信網(wǎng)絡的研究和開發(fā)工作,尤其是歐美發(fā)達國家和亞洲的日本。美國從20世紀70年代就開始建設最低限度應急通信網(wǎng),用于確保美國當局應對緊急事件的指揮調(diào)度。9.11事件之后,美國投入巨資建設與因特網(wǎng)物理隔離的政府專網(wǎng),推行通信優(yōu)先服務計劃并利用自由空間光通信(FSO,Freeu2005Spaceu2005Optics)、微波接入全球互操作(WiMAX,Worldwideu2005Interoperabilityforu2005Microwaveu2005Access)和無線保真(WiFi,WirelessFidelity)等通信新技術(shù)來提高應急通信保障能力。深受震災之苦的日本目前已建立起較為完善的防災通信網(wǎng)絡體系,如中央防災無線網(wǎng)、防災互連通信網(wǎng)等。中央防災無線網(wǎng)是日本防災通信網(wǎng)的骨架網(wǎng)絡,由固定通信線路、衛(wèi)星通信線路和移動通信線路構(gòu)成。防災互連通信網(wǎng)可以在現(xiàn)場迅速連通多個防災救援機構(gòu)以交換各種現(xiàn)場救災信息,從而有效進行指揮調(diào)度和搶險救災。與此同時,國際上許多標準化組織都在積極從事應急通信相關標準的研究,如ITU-R、ITU-T、ETSI和IETF等。ITU-R主要從預警和減災的角度對應急通信展開研究,包括利用固定衛(wèi)星、無線電廣播、移動定位等向公眾提供應急業(yè)務、預警信息和減災服務;ITU-T從開展國際緊急呼叫以及增強網(wǎng)絡支持能力等方面進行研究,主要包括緊急通信業(yè)務(ETS,Emergencyu2005Telecommunicationsu2005Service)和減災通信業(yè)務(TDR,Telecommunicationu2005foru2005Disasteru2005Relief)兩大領域;ETSI主要關注緊急情況下政府/組織之間以及政府/組織和個人之間的通信需求;IETF對應急通信的研究涵蓋通信服務需求、網(wǎng)絡架構(gòu)和協(xié)議等多個方面。我國應急通信的發(fā)展大致可以分成三個階段,第一個階段是1998年以前,第二個階段是1998年到2003年,第三個階段是2003年到2008年。其中有三個標志性的事件,第一是1998年的抗洪和信息產(chǎn)業(yè)部的改革;第二是2004年的抗擊非典;第三是2008年的抗震搶險。另外,我國從2004年開始正式啟動應急通信相關標準的研究,內(nèi)容涉及應急通信綜合體系和標準、公眾通信網(wǎng)支持應急通信的要求、緊急特種業(yè)務呼叫等。與此同時,國內(nèi)許多企業(yè)也在積極研發(fā)應急通信相關產(chǎn)品,如中興的GT800、華為的GOTA和中科院浩瀚迅無線技術(shù)公司的MiWAVE等?？偟膩碚f,當前我國的應急通信保障方面的研究工作可以歸納為以下幾類。1)充分挖掘現(xiàn)有通信和網(wǎng)絡基礎設施(包括電信網(wǎng)、蜂窩網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)等)的潛能,通過增強網(wǎng)絡自愈和故障恢復能力來提升其應急通信保障能力。2)針對現(xiàn)有應急通信系統(tǒng)缺乏有效的統(tǒng)一調(diào)度和指揮,考慮如何實現(xiàn)跨部門、跨系統(tǒng)的統(tǒng)一指揮調(diào)度平臺,使各個專網(wǎng)之間以及專網(wǎng)與公網(wǎng)之間實現(xiàn)有效互聯(lián)互通(中興的GT800就屬于此類產(chǎn)品)。3)針對一些部門的應急通信系統(tǒng)帶寬過窄,不足以支持視頻圖像等寬帶多媒體業(yè)務的問題,考慮采用各種寬帶無線接入技術(shù)(如WiMAX)來支持業(yè)務的高速率傳輸。4)針對各專用應急通信系統(tǒng)缺少統(tǒng)一規(guī)劃和互通標準,著手啟動應急通信相關標準的制定。5)研究應急通信資源的有效布局和調(diào)配問題,如優(yōu)化通信基站的選址和頻道分配來滿足應急區(qū)域的通信覆蓋要求。近年來我國應急通信研究重點圍繞公眾電信網(wǎng)支持應急通信開展工作,對于現(xiàn)有的固定和移動通信網(wǎng),主要研究公眾到政府/機構(gòu)、政府/機構(gòu)到公眾的的應急通信業(yè)務要求和網(wǎng)絡能力要求,包括定位、就近接入、電力供應、基站協(xié)同、消息源標識以及緊急特種業(yè)務呼叫的路由和緊急業(yè)務的定位等。另外也考慮在互聯(lián)網(wǎng)上如何支持緊急呼叫,包括用戶終端位置上報、用戶終端位置獲取、路由尋址等關鍵問題。上述研究工作有效推動了國內(nèi)應急通信系統(tǒng)和相關平臺的建設和發(fā)展,增強了各種突發(fā)情況下的通信保障能力。不難發(fā)現(xiàn),有關應急通信保障的研究工作大都沒有充分關注和利用已在通信領域展露頭腳的無線自組網(wǎng)技術(shù),也沒有考慮融合多種通信技術(shù)手段提供全方位、可靠的應急通信保障,而是過多強調(diào)發(fā)展集群通信、無線短波通信和衛(wèi)星通信系統(tǒng)。此外,不同情況下不同的用戶群體對應急通信的需求有很大區(qū)別,必須有針對性地選取適當?shù)膽本W(wǎng)絡組織方式和通信技術(shù)手段。拿集群通信系統(tǒng)來說,目前的專用集群通信系統(tǒng)(如TETRA)具備資源調(diào)度和組呼功能,在應急通信系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用。但是,集群通信系統(tǒng)依賴于固定的基站,主要提供語音和短消息服務,通信速率較低,難以勝任在應急突發(fā)情況下快速部署網(wǎng)絡并提供可靠健壯通信服務的要求。最后,需要指出的是,雖然我國的應急通信保障體系建設有了很大發(fā)展,但是存在技術(shù)和體制落后、應急物資供給和資金投入不足等問題,與實際需求還有很大差距。3應急通信網(wǎng)絡的組成和技術(shù)分析3.1應急通信網(wǎng)絡架構(gòu)在應急通信過程中,會使用現(xiàn)有的固定有線網(wǎng)、蜂窩移動網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等公眾通信網(wǎng)絡,也會用到集群、衛(wèi)星、短波等專用通信網(wǎng)絡,廣播、電視、報紙等公眾傳媒網(wǎng)絡以及傳感網(wǎng)、Adu2005Hoc網(wǎng)絡等現(xiàn)場監(jiān)控和救援網(wǎng)絡。專網(wǎng)在應急通信中基本用于指揮調(diào)度,而公網(wǎng)基本用于公眾報警、公眾之間的慰問與交流以及政府對公眾的安撫與通知等。也就是說,應急通信網(wǎng)絡是一種涉及多種通信技術(shù)手段的異構(gòu)網(wǎng)絡,根據(jù)事發(fā)的時間、地點和基礎設施網(wǎng)絡的受損程度,其網(wǎng)絡構(gòu)成是不確定的、多樣的和動態(tài)變化的,需要解決異構(gòu)網(wǎng)絡融合互通和通信技術(shù)手段協(xié)調(diào)配合等技術(shù)問題。在設計應急通信網(wǎng)絡時,很難有一個統(tǒng)一的、通用的體系架構(gòu),需要根據(jù)實際需求進行全盤考慮,選擇合理的應急通信技術(shù)手段,并進行有效整合]。一般情況下,首選緊急突發(fā)事件發(fā)生后殘存的基礎設施網(wǎng)絡,而后根據(jù)需要部署其他網(wǎng)絡。1)固定有線通信網(wǎng)能夠提供高速和穩(wěn)定的通信信道,通話費用較低,適用于大數(shù)據(jù)量的實時傳輸,但是受到線纜的限制,并不是任何時間、任何地點都可以使用。2)移動通信支持動中通,靈活方便,更適合應急通信需求,但其覆蓋范圍和所能承載的業(yè)務有限。3)衛(wèi)星網(wǎng)絡通信距離遠,且不受地面條件的限制,能夠迅速實現(xiàn)在地面?zhèn)鬏斒侄螣o法滿足的地域之間的通信,特別在面積大、地面通信線路不發(fā)達的地區(qū)。但是衛(wèi)星通信網(wǎng)絡建設投入大、傳輸速率相對較低、通話費用高,適用于極端情況下的應急通信。4)數(shù)字集群系統(tǒng)實現(xiàn)組呼、單呼、廣播以及短消息和分組數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務,適用于應急指揮調(diào)度。5)隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷普及,其應急通信能力逐漸得到人們的認可,發(fā)揮著日益重要的作用。互聯(lián)網(wǎng)可以提供包括E-mail、即時通信、文件傳輸、流媒體在內(nèi)的多種通信服務,具有網(wǎng)絡覆蓋范圍廣、信息傳遞量大、費用低廉的優(yōu)點,但是存在緊急突發(fā)事件下容易發(fā)生網(wǎng)絡擁塞而不能快速響應的問題。6)無線自組網(wǎng)是移動通信技術(shù)和計算機網(wǎng)絡技術(shù)融合的產(chǎn)物,具有網(wǎng)絡自組織和協(xié)同合作的特征,非常適合在事發(fā)現(xiàn)場組建應急通信網(wǎng)絡來協(xié)調(diào)各類人員展開救援行動和應對突發(fā)事件。例如,可以通過在應急現(xiàn)場構(gòu)建結(jié)合Adu2005hoc和蜂窩網(wǎng)絡的混合式網(wǎng)絡來提高通信系統(tǒng)的容量、擴大覆蓋范圍和改善業(yè)務服務質(zhì)量。再者,可以部署無線傳感網(wǎng)來實時監(jiān)控事發(fā)區(qū)域的各種情況并把相關信息及時通知現(xiàn)場人員和上報指揮中心。同時應當指出的是,在實際應用中,無線自組網(wǎng)亦有其網(wǎng)絡動態(tài)性強、網(wǎng)絡規(guī)模受限和服務質(zhì)量難以保證等先天不足,必須與其他手段配合使用,取長補短。3.2災后恐懼引發(fā)的網(wǎng)絡阻塞如上所述,應急通信技術(shù)并不是獨立存在的新技術(shù),而是很多技術(shù)在應急方面的應用,各類技術(shù)通過不同組合滿足不同應急通信需求。目前與應急通信相關的技術(shù)包括公眾通信網(wǎng)、數(shù)字集群、無線傳感器、Adu2005Hoc自組織、短波、超短波、微波、視頻會議和視頻監(jiān)控、安全和加密、定位、衛(wèi)星通信、地理信息系統(tǒng)等多個技術(shù)領域。選擇什么樣的技術(shù)手段與緊急突發(fā)事件的性質(zhì)緊密相關,并且要考慮通信中斷的原因。一般來說,通信中斷(或阻塞)的原因主要有以下4點。1)通信基礎設施(如光纜、銅纜、無線基站、交換設備、機房)的損壞,使事發(fā)地區(qū)的通信網(wǎng)絡特別是與外界的主要通信干線被切斷;2)供電中斷,進而導致通信設施癱瘓;3)交通中斷,使預先準備的應急通信設備和人員難以進入現(xiàn)場;4)事發(fā)地區(qū)人們的恐慌和其他地區(qū)人們的關注,即使當?shù)赝ㄐ啪W(wǎng)絡沒有受到損壞,也會由于出現(xiàn)遠超過當?shù)赝ㄐ啪W(wǎng)絡設計負荷的呼叫和話務量而導致網(wǎng)絡癱瘓,使得緊急的信息難以有效傳遞。從應急突發(fā)事件的實際情況來看,以上4種原因雖然造成的破壞程度不同,但往往同時發(fā)生,從而不僅使得事發(fā)地區(qū)原有的通信網(wǎng)絡癱瘓,同時使得采用應急通信手段緊急恢復通信也變得相當困難,其結(jié)果就是事發(fā)地區(qū)在相當長的時間內(nèi)無法恢復正常通信從而與外界隔絕。根據(jù)上面的分析,在進行應急通信和災害備份通信的設計或制定相關預案時,必須慎重考慮中繼、電力、交通以及超負荷業(yè)務量等4個因素的影響。1)在長途中繼方面,地面光纜和銅纜優(yōu)勢是容量大,性價比高,但易遭地震、水災等自然災害的破壞。因此在災害情況下,采用微波和衛(wèi)星通信作為中繼電路備份是比較好的選擇,也可以考慮利用無線自組網(wǎng)技術(shù)進行多跳中繼。2)在電力方面,當災害導致大規(guī)模停電發(fā)生時,根據(jù)國內(nèi)外的實際經(jīng)驗來看,由于規(guī)模導致的成本問題,很難為所有的無線基站、微波中繼塔提供備份供電;而衛(wèi)星通信由于自成體系,對電力的要求最低,只需要事先為相關衛(wèi)星終端配備一臺小型便攜發(fā)電機,就可以在災難發(fā)生時為相關地區(qū)或單位提供基本的對外聯(lián)絡。無線自組網(wǎng)可以由多部電臺臨時構(gòu)成,對電力供應的要求也較低。3)在解決交通阻斷對通信的影響方面,一旦災害發(fā)生,無論多么輕便靈活的應急通信手段(如衛(wèi)星手持終端)也都需要在交通恢復后(包括采用非常規(guī)的運輸手段,如地震災害中動用直升機)才可以運進災區(qū),為了避免通信的恢復依賴交通恢復的尷尬局面,只有在災難發(fā)生前未雨綢繆,建立災害備份通信系統(tǒng),才可以在災后確保通信不致中斷。4)關于災后恐慌引起的網(wǎng)絡阻塞對關鍵通信的影響,目前通常采用兩種辦法,一是建立政府部門或企業(yè)專門的應急指揮通信系統(tǒng),不和民用網(wǎng)絡有任何關聯(lián),目前多采用數(shù)字集群系統(tǒng);另外就是建立政府或企業(yè)的衛(wèi)星災害備份通信系統(tǒng),這是因為當衛(wèi)星通信作為接入網(wǎng)時,由于和當?shù)氐慕尤刖W(wǎng)沒有任何關聯(lián),電話或數(shù)據(jù)上星后直接到達設在異地或本地與長話局相連的衛(wèi)星通信關口站,因此可以避免災后恐慌引起的當?shù)鼐W(wǎng)絡阻塞。無線自組網(wǎng)同樣能夠發(fā)揮傳遞關鍵通信的作用,而且組網(wǎng)快速、靈活,健壯性強。在應急突發(fā)事件發(fā)生后,為了保證國家指揮當局和重要部門做出快速有效的反應并順利完成指揮控制任務,應根據(jù)應急突發(fā)事件的級別優(yōu)先保證重要部門和重要人員在危急時刻的通信聯(lián)絡。作為參考,針對不同級別的應急事件,表1列出了不同級別下應急通信保障服務對象的通信要求和技術(shù)手段。4應急通信技術(shù)的熱點和難點4.1應急通信的關鍵技術(shù)傳統(tǒng)的應急通信保障通常以衛(wèi)星通信、集群通信、微波接力等技術(shù)為主。移動寬帶通信、無線自組網(wǎng)和異構(gòu)互聯(lián)等新技術(shù)的出現(xiàn),為應急通信帶來了更快速、更方便、功能更強大的解決方案,產(chǎn)生了很多技術(shù)熱點,可以提供高效快捷、形式多樣的應急通信系統(tǒng)。一個完整的應急通信系統(tǒng)通常包括應急指揮中心、公眾通信網(wǎng)/專用通信網(wǎng)和應急現(xiàn)場三個關鍵環(huán)節(jié),技術(shù)熱點也集中在這三個方面,具體說明如下。1)u2005公眾通信網(wǎng)包括現(xiàn)有的PSTN/ISDN、PLMN、互聯(lián)網(wǎng)以及下一代網(wǎng)絡等,是應急通信的支撐網(wǎng)絡,用于緊急情況報警、應急指揮中心與現(xiàn)場的通信連接等,涉及的技術(shù)熱點包括基于IMS的下一代網(wǎng)絡對應急通信能力的支持、優(yōu)先路由、過載控制、對用戶的定位等。2)u2005對于應急通信現(xiàn)場,首先要保障指揮通信順暢并支持動中通,通常以無線方式為主,使用集群、衛(wèi)星、WiMAX、Adu2005Hoc網(wǎng)絡、P2P和車載通信等技術(shù)手段,快速部署通信網(wǎng)絡,提供通信保障;其次,要滿足監(jiān)測與預警的需求,尤其是出現(xiàn)重大災害事故時,現(xiàn)場的監(jiān)測與預警顯得尤為重要,可以采用無線傳感器、圖像監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)挖掘和移動定位等關鍵技術(shù),加強對現(xiàn)場的監(jiān)控以及各種災害事故的實時信息智能處理。3)u2005應急指揮中心是應急通信的指揮決策中心,必須保證不同職能部門的應急指揮系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通和信息共享,確保指揮系統(tǒng)的高可靠性和穩(wěn)定性,并能將各種信息圖文并茂地展現(xiàn)給指揮人員。采用的技術(shù)包括容災備份、數(shù)據(jù)復制、數(shù)據(jù)統(tǒng)計評估、GIS、專家系統(tǒng)、信息加密、視頻會議和多媒體技術(shù)等。4.2應急通信網(wǎng)絡的特點為了實現(xiàn)快速、靈活地組建異構(gòu)應急通信網(wǎng)絡,方便、安全、可靠地在應急指揮中心和現(xiàn)場之間傳遞指揮控制信息和現(xiàn)場監(jiān)視的數(shù)據(jù),并且支持應急現(xiàn)場救援機構(gòu)之間的協(xié)同通信,應急通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)仍需要解決如下技術(shù)難點。1)u2005快速可部署性:應急通信對反應時間有很高的要求,因此應急系統(tǒng)和網(wǎng)絡應該可以方便快捷地規(guī)劃和部署。2)u2005自配置和自管理:與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡相比,應急網(wǎng)絡系統(tǒng)應該減少人為干預和管理,應該可以自我識別、自我配置并提供盡量好的連通性,包括分配IP地址和分配信息。3)電源便捷性和功率控制:網(wǎng)絡設備和終端應該能夠利用本地可用的各類電源,支持即插即用。采用各種機制來控制功耗,通過功率控制來控制網(wǎng)絡拓撲、提高資源使用率和數(shù)據(jù)傳輸可靠性。4)網(wǎng)絡的異構(gòu)性:應急網(wǎng)絡是一種可以根據(jù)需要合理整合多種網(wǎng)絡類型和技術(shù)手段的混合式異構(gòu)網(wǎng)絡,網(wǎng)絡中包括各種通信設備和終端,如衛(wèi)星設備、通信車、便攜式電臺、電腦、PDA、微波接力設備、無線傳感器等,必須解決異構(gòu)網(wǎng)絡的互聯(lián)和互操作問題。5)可靠性和頑存性:應急通信網(wǎng)絡必須足夠健壯、系統(tǒng)必須高度可靠、提供冗余、保障最低限度通信。6)安全性:應急突發(fā)環(huán)境多樣,可能處于敏感的地理環(huán)境和政治氛圍中,傳遞的信息要視情況提供特定的安全保護,并考慮采用基于角色的訪問控制和基于策略的網(wǎng)絡管理方式。7)可擴展性:應急通信網(wǎng)絡規(guī)?？纱罂尚?大到遍及全球的傳染病疫情的應急監(jiān)控網(wǎng)絡,小到處置交通事故的應急現(xiàn)場網(wǎng)絡,因此網(wǎng)絡必須具有良好的可擴展性和可裁減性,這也對底層的路由、地址分配、資源管理等機制提出了較高的要求。8)跟蹤定位:在應急通信中,各種人員的位置信息至關重要?？梢钥紤]根據(jù)RFID、GPS、信號到達強度、信號到達角度等多種方式來確定各類人員的位置,并提供基于用戶位置和狀態(tài)的服務,也就是所謂