關(guān)鍵詞：應(yīng)急救援；惡劣環(huán)境；自組網(wǎng)；通信裝備

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，應(yīng)急救援保障在消防體系，乃至整個(gè)國(guó)際社會(huì)都是一個(gè)重要話題[1]。應(yīng)急救援通信裝備的應(yīng)用是整個(gè)應(yīng)急救援過程中的核心環(huán)節(jié)，但其面臨諸多難題。首先，在自然災(zāi)害救援時(shí)，救援人員經(jīng)常處于高溫、高寒、高濕、沙塵、煙霧等惡劣環(huán)境，救援過程中會(huì)遇到裝備體積大、易跌落等情況；其次，高帶寬、低時(shí)延、長(zhǎng)距離的高性能通信需求和小型化、低功耗的裝備要求難以同時(shí)兼顧；最后，單一的通信裝備不能滿足應(yīng)急救援場(chǎng)景規(guī)模多樣化需求。針對(duì)以上難題，本文提出了一種適用于差異化惡劣環(huán)境和不同救援規(guī)模的靈活、可配置自組網(wǎng)通信裝備，介紹了其抗惡劣環(huán)境的關(guān)鍵技術(shù)和各種應(yīng)用場(chǎng)景。

1 自組網(wǎng)通信裝備的需求和應(yīng)用

1.1 自組網(wǎng)通信概述

傳統(tǒng)通信方式[2] 是基站加終端的模式，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，每個(gè)入網(wǎng)的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換需經(jīng)過中心站處理。而自組網(wǎng)通信[3] 則不同，其采用基于“無線網(wǎng)格網(wǎng)”理念設(shè)計(jì)的移動(dòng)寬帶多媒體通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)在非視距、快速移動(dòng)條件下，利用無中心自組織分布式的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)多路語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像、視頻等多媒體信息的實(shí)時(shí)交互。自組網(wǎng)通信具有大帶寬、低延時(shí)、遠(yuǎn)距離、組網(wǎng)靈活等特點(diǎn)。

1.2 自組網(wǎng)通信形態(tài)與應(yīng)用場(chǎng)景

常見的應(yīng)急搜救過程可分為行進(jìn)、搜索、搶險(xiǎn)救援等不同階段，每一階段的參與人員、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮匦?、通信關(guān)系和內(nèi)容等均存在差異，任務(wù)過程中搜救人員需要與后方指揮中心保持通信暢通。因此，自組網(wǎng)通信根據(jù)需求分為遠(yuǎn)程接入、行進(jìn)搜索組網(wǎng)、小規(guī)模搶險(xiǎn)救援自組網(wǎng)、大規(guī)模搶險(xiǎn)救援自組網(wǎng)4 種模式。

1.2.1 遠(yuǎn)程接入

偏僻山地林區(qū)的一線搜救隊(duì)伍在行進(jìn)、搜索、救援過程中需要與后方指揮中心、現(xiàn)場(chǎng)指揮車等進(jìn)行情況通報(bào)，接受任務(wù)指揮和調(diào)度等，必要時(shí)還需要與其他搜救力量協(xié)同執(zhí)行任務(wù)。通常，一個(gè)搜救團(tuán)隊(duì)只需要一個(gè)遠(yuǎn)程接入點(diǎn)，由一線指揮調(diào)度人員負(fù)責(zé)對(duì)外通信。因此，一線指揮調(diào)度人員需要一款基于衛(wèi)星通信[4] 的超視距通信終端。遠(yuǎn)程接入如圖1 所示。

1.2.2 行進(jìn)、搜索組網(wǎng)

在小型應(yīng)急搜救過程中，一線搜救團(tuán)隊(duì)人數(shù)較少（≤ 20 人），作業(yè)區(qū)域半徑不超過2 km。在搜索過程中，整個(gè)團(tuán)隊(duì)將會(huì)處于不斷移動(dòng)的狀態(tài)，這對(duì)裝備的便攜性、持續(xù)工作時(shí)間要求較高。其還面臨地勢(shì)復(fù)雜等因素，這導(dǎo)致人員移動(dòng)范圍受限，因此需要無人機(jī)的支持。

1.2.2.1 行進(jìn)、搜索階段移動(dòng)自組網(wǎng)

當(dāng)搜救團(tuán)隊(duì)在行進(jìn)或搜索時(shí)可采用自組網(wǎng)模式，根據(jù)各成員位置分布情況，該模式可以在鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)、星狀組網(wǎng)、網(wǎng)狀組網(wǎng)之間自動(dòng)切換，搜救團(tuán)隊(duì)成員通過自組網(wǎng)手持通信終端進(jìn)行通信。

1.2.2.2 地勢(shì)險(xiǎn)峻環(huán)境搜索移動(dòng)自組網(wǎng)

當(dāng)搜救團(tuán)隊(duì)成員在地勢(shì)險(xiǎn)峻環(huán)境中搜索時(shí)，通過采用小型化便攜式無人機(jī)攜帶小型基站升空的方式，形成蜂窩基站模式，為各成員提供穩(wěn)定、實(shí)時(shí)、高速的搜索服務(wù)。在搜救時(shí)，搜救團(tuán)隊(duì)需要蜂窩手持終端和便于掛載的小型化蜂窩基站，如圖2所示。該模式受限于無人機(jī)續(xù)航時(shí)間，主要用于臨時(shí)性短暫組網(wǎng)。

1.2.3 小規(guī)模搶險(xiǎn)救援自組網(wǎng)

當(dāng)搜救團(tuán)隊(duì)成員位置分布較為集中時(shí)，對(duì)通信的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性要求較高，通過采用蜂窩基站模式，搜救團(tuán)隊(duì)依靠蜂窩手持終端和續(xù)航能力強(qiáng)的小型化蜂窩基站，形成小規(guī)模搶險(xiǎn)救援自組網(wǎng)模式，如圖3 所示。

1.2.4 大規(guī)模搶險(xiǎn)救援自組網(wǎng)

當(dāng)開展重大應(yīng)急救援時(shí)，參加施救人員眾多，團(tuán)隊(duì)組織復(fù)雜，既要保證團(tuán)隊(duì)內(nèi)的成員通信，又要維持團(tuán)隊(duì)間的成員通信，因此需要構(gòu)建大規(guī)模通信網(wǎng)絡(luò)。搜救團(tuán)隊(duì)需要蜂窩手持終端及組網(wǎng)容量大、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)的蜂窩基站，并且支持基站間級(jí)聯(lián)組網(wǎng)，大規(guī)模搶險(xiǎn)救援自組網(wǎng)如圖4所示。

2 通信裝備關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 通信裝備高溫、高寒環(huán)境適應(yīng)性關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)應(yīng)急通信裝備在救援過程中常面臨高溫、高寒、高濕、鹽霧、沙塵等惡劣環(huán)境的問題，重點(diǎn)考慮小型化應(yīng)急通信終端如何實(shí)現(xiàn)在高溫（55℃）及高寒（-40℃）環(huán)境下的正常使用，并采用以下兩種關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)。

2.1.1 抗高溫設(shè)計(jì)

結(jié)合自組網(wǎng)通信裝備在抗高溫方面已有的成熟技術(shù)（材料元器件選型與篩選、加工裝聯(lián)工藝），重點(diǎn)針對(duì)中、大功率器件及模塊抗高溫性能問題，運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)分析應(yīng)急通信裝備各單元的結(jié)構(gòu)、布局，以及中、大功率器件和其他各組成單元的溫度變化。對(duì)設(shè)備內(nèi)部的熱流密度以及溫度場(chǎng)的分布情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到應(yīng)急通信裝備內(nèi)部模塊流場(chǎng)和溫度云圖，建立應(yīng)急通信裝備抗高溫?zé)岱抡婺Ｐ停瑢?shí)現(xiàn)應(yīng)急通信裝備內(nèi)部中、大功率器件及模塊最優(yōu)散熱設(shè)計(jì)，以適應(yīng)55℃ 的高溫工作環(huán)境。

2.1.2 抗高寒設(shè)計(jì)

以自組網(wǎng)通信裝備在抗低溫方面已有的成熟技術(shù)為基礎(chǔ)，開展應(yīng)急通信裝備抗低溫設(shè)計(jì)，包括抗低溫元器件選型與篩選、結(jié)構(gòu)密閉設(shè)計(jì)，并且通過石墨烯[5] 導(dǎo)熱回流設(shè)計(jì)和屏幕加溫、加固等方式保障關(guān)鍵模塊能夠在低溫下正常工作。同時(shí)，本文針對(duì)電池抗低溫的性能問題，研究基于輕量型深度學(xué)習(xí)框架的應(yīng)用場(chǎng)景、電量和溫度三維智能適配算法，結(jié)合應(yīng)急通信裝備內(nèi)部溫控傳感器和加溫電路，實(shí)現(xiàn)電源的動(dòng)態(tài)、智能管理，以適應(yīng)-40℃ 的低溫工作環(huán)境。

2.2 通信裝備小型化低功耗關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 微系統(tǒng)封裝技術(shù)

基于芯片化方面已有的成熟技術(shù)，針對(duì)多通信模式、電磁屏蔽、小型化難兼顧的問題和應(yīng)急通信終端的易攜帶、長(zhǎng)續(xù)航需求，本文基于微系統(tǒng)的天線、基帶芯片、射頻芯片三維立體封裝技術(shù)，以及射頻芯片與基帶處理芯片之間的電磁兼容特性、封裝設(shè)計(jì)及工藝等，構(gòu)建場(chǎng)路聯(lián)合仿真模型、三維電磁仿真模型、電源完整性設(shè)計(jì)和趨于理想的邊界環(huán)境。通過銅核球柵格陣列、硅通孔和硅基共面波導(dǎo)傳輸線，實(shí)現(xiàn)多模通信射頻信號(hào)互聯(lián)和屏蔽。此外，本文研究可重構(gòu)的全向天線與數(shù)字終端相互集成的設(shè)計(jì)方法，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和開發(fā)多模應(yīng)急通信模組。

2.2.2 基于自適應(yīng)功率的低功耗技術(shù)研究

為了降低通信設(shè)備整機(jī)功耗，在不同環(huán)境下選擇不同發(fā)射功率來滿足通信需求，合理分配設(shè)備的功耗，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的長(zhǎng)續(xù)航。在電波傳播中，由于大型遮擋物的阻擋，形成“陰影”效應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生慢衰落，導(dǎo)致通信設(shè)備功率損耗較大；由于附近的散射體或自然障礙物引起的多徑傳播信號(hào)在接收點(diǎn)相互疊加，造成接收信號(hào)快速起伏，即快衰落，導(dǎo)致系統(tǒng)能夠接入的通信終端數(shù)量下降以及實(shí)際通信服務(wù)范圍縮小等。通過自適應(yīng)處理技術(shù)，對(duì)上行功率和下行功率進(jìn)行有效控制，能夠解決上述問題。

2.3 通信裝備多模式通信及頻率自適應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)

在應(yīng)急救援過程中，由于障礙物頻繁遮擋，信道條件較為惡劣，導(dǎo)致鏈路頻繁中斷、鏈路傳輸質(zhì)量差等救援場(chǎng)景下典型通信特征的出現(xiàn)，這給自適應(yīng)路由設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面：一是在路由度量設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮鏈路頻繁中斷、鏈路傳輸質(zhì)量差等因素的影響；二是由于信道質(zhì)量較差，在主被動(dòng)融合自適應(yīng)路由設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該降低路由開銷，這可以通過主被動(dòng)路由聯(lián)合設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)以上挑戰(zhàn)，開展了小型化應(yīng)急通信裝備多模組網(wǎng)、抗干擾通信設(shè)計(jì)，如圖5 所示。其中，針對(duì)現(xiàn)有小型化通信裝備通信模式單一的問題，本文研究了基于軟件無線電和國(guó)產(chǎn)芯片的多模通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)[6] 的強(qiáng)穿透、強(qiáng)越障的自組網(wǎng)通信波形組件，支持根據(jù)信道模型自主配置通信頻率、帶寬、子載波間隔等參數(shù)，提供了開放式的波形擴(kuò)展接口，以實(shí)現(xiàn)多模通信。針對(duì)山地茂密林區(qū)復(fù)雜電磁環(huán)境造成的通信不穩(wěn)定問題，本文提出了低能耗分布式頻譜感知和自適應(yīng)切換技術(shù)，研究了頻率可重構(gòu)天線與射頻饋電網(wǎng)絡(luò)之間的匹配特性及數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)在不中斷通信業(yè)務(wù)的條件下，設(shè)備在不同頻段之間的自適應(yīng)切換。

3 結(jié)語(yǔ)

本文首先介紹了自組網(wǎng)通信裝備在應(yīng)急救援中的必要性和重要性；其次，提出了一種包括語(yǔ)音、視頻、數(shù)據(jù)等一體化的融合通信平臺(tái)，以及自主可控的自組網(wǎng)應(yīng)急通信裝備，以滿足不同的需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)一線作戰(zhàn)現(xiàn)場(chǎng)的音視頻扁平化指揮；再次，面對(duì)應(yīng)急救援需求，結(jié)合實(shí)際場(chǎng)景，提出了遠(yuǎn)程接入、行進(jìn)搜索組網(wǎng)、小規(guī)模搶險(xiǎn)救援自組網(wǎng)、大規(guī)模搶險(xiǎn)救援自組網(wǎng)4 種組網(wǎng)模式；最后，介紹了高溫高寒等惡劣環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)、小型化低功耗設(shè)計(jì)、多模式通信及頻率自適應(yīng)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)際應(yīng)用情況表明，本文研究的通信裝備可以滿足各種惡劣環(huán)境下應(yīng)急救援自組網(wǎng)通信需求。