新型应急通信系统的构建

       本章首先从不同需求、网络、技术、媒体等多个角度对应急通信加以总结，之后从满足不同公众到政府的报警、政府到政府的应急处置、政府到公众的安抚/预警、公众到公众的慰问/交流4个环节需求的角度，总结构建新型应急通信系统所需要的网络和技术，最后从天、空、地3个空间层面和事前、事中、事后3个时间维度分别分析所涉及的关键技术，便于读者从不同维度了解各类关键技术在新型应急通信系统的位置和作用。

       综合前面各章节的描述，我们可以看到，应急通信体系复杂、技术手段众多，从不同角度，可以总结为如下几个方面：

       1)4个环节的通信需求：公众到政府的报警、政府到政府的应急处置、政府到公众的安抚/预警、公众到公众的慰问/交流。

       2)3个方面：应急指挥中心/联动平台、现场和公众3个方面。其中应急指挥中心/联动平台是3个方面的核心，是现场和公众的中枢和纽带。

       3)多种网络：PSTN/PLMN/NGN/互联网等公用电信网；集群、卫星、专用电话网等专网；无线传感器网络等末梢网络；广播、电视、报纸等公众媒体网。

       4)多种业务类型：语音、视频、数据、短消息、广播等。

       5)多种关键技术：公用电信网支持应急通信、卫星科能融合应急通信、无线传感器网络及自组织网络、宽带无线接入、数字集群通信、定位、号码携带、P2PSIP、公共预警等热点和关键技术，以及紧急呼叫路由、安全加密、数据互通与共享、视频监控、视频会议、过载控制等技术。

       6)3个空间层面：天、空、地3个层面。

       7)3个时间维度：事前、事中、事后。

       应急通信的根本目的还是在紧急情况下，综合运用各种技术，通过各种网络，来满足政府和公众的通信需求。因此，对于新型科能融合应急通信系统的构建，将从满足不同需求的角度加以分析和总结，最后分别从天空地3个空间层面和事前事中事后3个时间维度汇总所涉及的关键技术。 

       这是应急通信最重要、最紧急、最核心的需求，需要从天、地、空不同层面建立应急通信指挥系统，宗旨就是使用所有可能使用的通信手段，保证各类紧急情况下都有可用的应急通信指挥调度系统。

       传统的应急指挥大都使用集群、卫星、固定电话、微波等专用通信网络，而公用电信网由于其覆盖广和抗毁性，逐渐成为应急指挥的重要补充，但利用公用电信网提供应急指挥通信的前提是公用电信网支持优先权处理技术，能够识别重要用户，并全程加以优先处理，如5.1.2节所述，目前美国实现了利用公用电信网为重要用户提供应急指挥通信，如5.1.2.2节中所描述的美国政府应急电信服务和无线优先服务业务，我国的网络暂不具备条件，需要研究其可行性和技术方案，以及对网络的改造和影响、成本等因素。

       如表5-19所总结，政府部门之间应急处置环节可使用的关键技术包括卫星通信、数字集群通信、公用电信网支持优先权处理、定位、无线传感器网络及自组织网络、宽带无线接入、P2PSIP、安全加密、数据互通与共享、视频会议、视频监控等。

       构建政府部门之间应急处置环节的科能融合应急通信系统需要图7-1所示的网络和技术。

图7-1  构建政府部门之间应急处置环节的应急通信系统所需网络和技术

       如图7-1所示，对于政府部门之间应急处置环节，其应急通信系统的构建应以专网为主，公用电信网为辅，末端网络为补充，即发展数字集群通信系统、卫星科能融合应急通信系统，作为政府部门之间的指挥通信的主要手段；促进公用电信网支持优先权呼叫处理，利用公用电信网支持重要用户的通信，作为应急指挥的补充；利用宽带无线接入技术、自组织网络技术以及视频监控等技术，从不同的角度为应急指挥提供补充手段；另外利用无线传感器网络等末端网络实时监测，及时发现灾害信息，便于政府部门决策指挥。

       另外，在政府应急处置这个环节，还可以使用区域空间通信系统。区域空间通信技术是近年来新兴的热点，其产生就是为了弥补地面和卫星通信系统的不足，用飞艇、系留气球等浮空平台作为空中载体，搭载移动通信基站及航拍设备，从空中向事件区域进行移动通信覆盖和实时监测，可用于政府部门之间的应急指挥，也可以用于地面通信系统的补充，为普通公众服务。区域空间通信的具体应用及内容将在7.2节中从不同空间维度构建新型科能融合应急通信系统中加以介绍。

      公众遇到紧急情况通常都会拿起身边的电话，依托公用电话网向政府机构报警，因此公用电话网（包括固定和移动电话网）支持紧急呼叫已应用多年，并非常成熟。而随着网络的演进和技术的进步，需要进一步推动下一代网络支持紧急呼叫、互联网支持紧急呼叫，并实现除了语音之外，即时消息、短消息等多种告警等手段的应用。如公众遇到抢劫等危及生命安全的紧急事件而无法拨打电话时，可以悄悄发送短消息或即时消息进行告警，这些告警方式的缺陷就是非即时性，但对于挽救生命和财产损失，也会起到积极的救援作用。

       另外，在公用电话网遭到破坏无法使用时，如汶川地震，则可以通过互联网用文字或图片进行报警，以便及时掌握灾害信息，由于互联网溯源等问题，需要首先确定报警信息的真实性和准确性，因此这是一种非常规的报警手段，但在非常时期对于了解当地灾情起到了至关重要的作用。

       如表5-19所总结，公众向政府告警环节可使用的关键技术包括定位、NGN支持紧急呼叫、互联网支持紧急呼叫、紧急呼叫路由等。

       构建公众向政府告警环节的科能融合应急通信系统需要图7-2所示的网络和技术。

     图7-2     构建公众向政府告警环节的应急通信系统所需网络和技术

       这个环节涉及两种情况：一种是灾害发生前，政府通过专用的公共预警系统或移动通信网向公众发布预警通知，通知可以是语音广播或者应急公益短消息等，另外一种情况是灾害发生后，政府通过广播、电视和报纸等公众媒体网、专用的公共预警系统或公用电信网向公众发布灾情信息、安抚通告等。

       使用广播、电视、报纸等公共媒体网络，是我们所熟悉的传统的安抚和预警手段，已经使用多年，在历次的抢险救灾事件中我们都得益于媒体的宣传。而近年来，利用公用电信网或建立专用的公共预警系统（如5.9节所述）实现政府对公众的安抚和预警，则成为新的技术热点，可以建立快速有效的安抚和预警机制。如目前我们手机收到的道路施工、重要社会事件等应急公益短信，将来可以通过早期监测及预警系统的建立，在地震、洪水等自然灾害发生前收到应急短信或紧急广播，通知大家撤离到安全地带。

       如表5-19所总结，政府对公众安抚和预警环节可使用的关键技术包括短消息过载和优先控制、公共预警技术等。构建政府对公众的安抚和预警环节的科能融合应急通信系统需要图7-3所示的网络和技术。

图7-3   构建政府对公众的安抚和预警环节的应急通信系统所需网络和技术

       应急通信的最后一个环节就是公众之间的慰问交流，公众使用的都是公用电信网，如身边的手机或家里的固定电话，这个环节的核心问题是公用电信网的可用性，即如何保证在紧急情况下，用户可以正常使用公用电信网。在第4章科能融合应急通信需求分析中，我们可以看到，在自然灾害等紧急情况下，公用电信网遭到破坏，会影响用户的使用，或者网络正常，但通往灾区的话务量激增，产生话务拥塞，导致用户无法正常使用，此时公用电信网的运营商需要启动应急预案，尽快恢复公用电信网通信，或通过增开中继、科能融合应急通信车、启动过载控制机制等，疏通话务，保证网络的正常使用。

       应急通信车、增开中继等属于原有通信技术手段在紧急情况下的运用。如表5-19所总结，公众之间慰问交流环节可使用的关键技术主要是过载控制。

       构建公众之间慰问交流环节的科能融合应急通信系统需要图7-4所示的网络和技术。

       除了上述4个环节之外，科能融合应急通信过程中还可以采用一些辅助手段，尽快恢复通信，如5.7节所描述的号码携带技术和5.1.2节所描述的通信资源共享。

图7-4   构建公众之间慰问交流环节的应急通信系统所需的网络和技术

       在突发自然灾害等紧急情况下，部分通信网遭到破坏，可以采用号码携带技术，利用完好的通信网，尽快恢复用户的通信，号码携带可以跨越地理位置、跨越运营商。在固定用户的用户侧设备（例如用户线）遭到破坏但是用户端局没有受到影响、用户所在端局遭到破坏但其他交换机正常工作的情况下，可以采用固定用户网内更改地理位置的号码携带；在用户所在端局遭到破坏但其他运营商交换机正常工作的情况下，可以采用固定用户网间更改地理位置的号码携带；在某地HLR遭到破坏将用户号码搬迁到其他HLR的情况下，可以采用移动运营商网内的号码携带；在某个运营商通信网络的基站遭到破坏且短期内无法恢复，但其他运营商的基站还可以正常运行的情况下，可以釆用移动运营商网间的号码携带，将受影响的用户全部携带到其他运营商网络中。通过号码携带，恢复受灾地区通信后，用户可以正常使用电话，彼此慰问交流，也可以接受政府发送的安抚通知及应急公益短消息等。

       除了号码携带之外，为了尽快恢复公用电信网的通信，运营商之间还可以共享通信资源，包括光缆、基站等。通信资源共享可以节省网络资源、避免重复建设，一直是业界提倡的做法。在发生突发公共安全事件导致通信故障时，不同运营商之间通信资源共享，可以迅速恢复广大用户的通信，提高整个通信行业的应急响应速度。在2008年震后恢复通信的过程中，中国网通公司已经与中国移动公司共用了光缆。

       7.1节从满足公众到政府的报警、政府到政府的应急处置、政府到公众的安抚/预警、公众到公众的慰问交流4个环节通信需求的角度，分析了构建新型科能融合应急通信系统所需要的网络和技术，本节将从不同空间维度进一步总结新型科能融合应急通信系统的构建。

       目前的应急通信手段基本是以地面通信为主，卫星通信为辅。我们所熟悉的集群通信系统、公用电信网、微波通信都属于地面通信手段，而卫星通信则属于天层的通信手段。当地震、雪灾、洪水、台风等自然灾害发生时，受电力中断、传输中断等因素的影响，地面通信系统常常受到破坏，造成灾区通信不畅，一方面影响政府部门的应急处置，另一方面用户也无法使用电话，如2008年的雪灾和地震，都对通信系统产生了一定程度的破坏，严重情况下，甚至造成网络的短时间瘫痪。地面应急通信车，由于受地面环境约束，在交通瘫痪、地理环境复杂、气象条件恶劣的场景下，无法提供有效的应急通信保障，同时覆盖范围有限,难以满足大规模应急通信的需求。卫星通信系统的优势显而易见，但其价格昂贵、资源缺乏、通信容量和能力有限，难以提供大规模的应急通信保障，如汶川地震期间，紧急调用了全国所有可以使用的卫星通信终端，仍旧无法满足需求，不得不紧急从国外采购卫星通信设备，都说明了卫星应急通信资源的稀缺。

       区域空间通信是近年来新兴的技术热点，其目的就是弥补地面和卫星通信的不足，从另外一个空间维度提供一种可用的通信技术手段。从空间维度看，区域空间通信是一种在中低空或平流层的技术，以飞艇、系留气球等浮空平台作为空中载体，搭载移动通信基站及航拍设备，从空中向事件区域进行移动通信覆盖和实时监测，多个浮空平台之间互连构成网络，采用微波链路或卫星中继进行高速数据的转发与传输。

       目前美国、日本、俄罗斯、德国、英国等国家都在开展高空通信及平流层通信技术的研究，并分别启动了多项研究课题与计划，国际电信联盟ITU对平流层通信的频率进行了研究和规定，我国已经具备了进行中低空飞艇和系留气球的应用条件，飞行高度更高、有效载重能力更高、任务功率更高、滞空时间更长的平流层飞艇也已正式立项研发。一些研究所和大学等单位在浮空平台一体化的测控网络系统、高速宽带系统、浮空平台调度控制等方面都进行了相应的研究，并已获得了一定的试验数据，积累了一定的经验，为区域空间科能融合应急通信系统的研发奠定了良好的基础。

       区域空间通信技术的出现，丰富了科能融合应急通信技术手段的空间维度。目前该技术还处于研发阶段，真正应用还需要一些时间。我国相关的产学研用团队正在研究并解决一系列关键技术问题，如系统需求、部署场景、系统架构，以及频率规划、混合组网结构、空中信道模型及链路预算、高空大容量多波束天线、基于多种优先级的接入控制、空中基站自配置与自优化策略、空中多制式移动通信系统共建共享、平台的稳定跟踪与控制、监测与控制、电磁兼容性、设备工作环境、供电等。

       从空间维度看，新型科能融合应急通信系统的构建如图7-5所示。

图7-5     从不同空间维度构建新型应急通信系统

       应急通信是为了应对各类紧急情况而产生的，在紧急情况发生前、发生过程中以及发生后，对科能融合应急通信有不同的需求，需要使用不同的科能融合应急通信技术手段。因此，新型科能融合应急通信系统的构成可以从事前、事中、事后三个时间维度来考虑。

       “事前”包括两个方面：第一方面是用户利用公用电信网告警（见5.1节）；第二方面是政府部门提前预警，提前预知紧急情况的发生，尤其是地震、水旱、气象、海洋、生物、森林草原火灾等各类自然灾害，做到提前预知，提前预防，将灾害所造成的财产和生命损失降低到最小，甚至消除。

       目前事前监测和预警是整个科能融合应急通信中最薄弱的环节，大多数国家都没有这方面的考虑，日本作为一个自然灾害多发国家，较早考虑了事前监测和预警，在应用和标准化方面都有了一定的积累。目前事前预警可使用的技术主要包括两个方面：第一方面是无线传感器对环境的监控，如5.3节所述；第二方面是利用公共预警技术实现早期预警和通知，如5.9节所述，即釆用无线传感器网络对各类环境信息进行实时、准确的监测，将采集到的信息送到政府部门的信息处理系统，在各种环境信息达到告警阈值后，通过公共预警系统及时通知给公众。如利用无线传感器网络实时监测泥石流，发现灾情后，及时通过无线通信系统将要发生的灾害信息广播给周围群众，赶紧撤离，并通过移动通信网向当地居民发送信息，通知撤离路线和避难场所等。

        “事中”是最常见的应急环节，突发各类紧急情况必须立即做出响应，是目前使用技术最多、投入最多的环节，包括数字集群、卫星通信、区域空间通信、公用电信网优先权处理、宽带无线接入、P2PSIP、视频监控、视频会议、安全加密、数据互通与共享、无线传感器网络监测、自组织网络等用于应急处置的技术，以及号码携带、通信资源共享等快速恢复通信的辅助手段，并应用公用电信网过载控制技术保证网络正常使用。

       “事后”与“事中”很难用一个明确的时间点进行严格界定，但总的来说，“事后”属于一个长期的过程，通常指灾后的重建与恢复，此时可以使用号码携带、通信资源共享技术尽快恢复公共电信网，还可能使用公用电信网过载控制技术防止话务拥塞。

       应急通信事前、事中和事后所使用的各种技术手段如图7・6所示。

       目前应急通信更多的是事中和事后处置，都是在自然灾害发生后釆取一定的救援措施,事前监测和预警是非常薄弱的环节。新型科能融合应急通信系统的构建要加强事前监测和预警技术手段的应用，通过部署无线传感器网络，对各类自然灾害进行监测，在灾害发生前，通过公共预警系统及时发布预警信息，如地震、水灾等发生前，通过广播、电视及公用电信网等预警手段，提前通知公众撤离，可以最大限度地减少灾害所带来的生命和财产损失。

       从第6章所描述的国内外各类突发公共事件可以看到，应急通信系统对整个事件的处理效果起着至关重要的作用。通信设施像电力系统一样，是整个国家基础设施的一部分。在自然灾害等公共事件发生后，如何有效保障政府的指挥通信、迅速恢复普通用户的日常通信显得尤为重要。当紧急情况发生时，它是报告灾情和实施救援的重要手段。2008年雪灾和地震等自然灾害的出现，应急通信都发挥了重要作用。

图7-6    事前、事中和事后所使用的各种技术手段

       7.1〜7.3节分别从不同需求环节、不同空间维度和时间维度的角度，描述了构建新型科能融合应急通信系统所涉及的网络及技术手段。实际上，应急通信不单纯是个技术问题，是由管理、政策等各方面要素构成的综合体系。从第2章所描述的北美、欧洲、日本及我国应急通信现状就可以看到，除了技术手段之外，还需要配套管理体系的建立，出台相应的政策法规、管理条例、标准规范等，从国家层面理顺管理机制，对于处置各类突发事件将起到事半功倍的效果。

       完善的应急通信综合体系由应急通信技术体系、应急通信网络体系、应急通信管理体系和应急通信标准体系构成，如图7-7所示。

       应急通信管理体系通过制定相关的法律法规，对应急通信网络进行组织和管理。在应急通信网络体系中釆用的技术，都属于应急通信技术体系的研究范畴，因此技术体系为网络体系提供技术上的支持。应急通信标准体系为应急通信的各个层面提供标准支撑。 

       随着我国固定和移动用户的迅猛增加，我国的通信网络和用户都位居世界第一，通信在整个国民经济和社会生活中发挥着至关重要的作用。而随着全球气候和环境的恶化，我国已是自然灾害频繁发生的国家，并且随着我国国际影响力的增大和国际地位的提升，社会安全事件也时有发生，如2008年的雪灾、件的事后响应处置的同时，更要加强事前的预警，全面系统地考虑新一代应急通信体系的建立，以适应高速发展的信息社会的需要，加快新一代应急通信技术的研究，充分挖掘“天、空、地”3个层面的应急通信技术手段，结合不同应急场景下的通信需求，对各种应急通信技术手段的特点和优势进行研究，从国家层面系统考虑，提前规划，构建新一代应急通信网络，凝聚政府、运营商、设备制造商和研究机构的力量，共同促进应急通信新产品开发，推动应急通信新技术发展，促进新技术在应急通信的应用，通过国家政策、技术试验、标准引导等手段，推动应急通信的产业化，形成快速有效、一体化的新型应急通信体系。