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7 月 20 日開始降落在河南的暴雨,給人們習以為常的城市基礎設施帶來了極大的挑戰。今年的極端暴雨天氣不只鄭州。德國也在暴雨後的網路癱瘓中。14、15 日德國才遭遇了有 75 年記載以來最大的暴雨。

7 月 21 日,鄭州市西邊 40 公里的米河鎮斷電、斷網、斷路,完全成了資訊孤島。

即便在行動通訊尚未完全斷絕的鄭州市內,人們也發現網路「不靈」:刷二維碼付款、開單車失效,地圖導航也用不了。在鄭州前線的一位記者告訴極客公園(ID:geekpark),穩定的只有 2G 網路,打電話,發簡訊不受影響。為什麼 2G 訊號穩定?

北京郵電大學網路技術研究院的李昕副教授解釋,這是由於 2G 基站的覆蓋半徑比 4G 和 5G 大很多。2G 基站的覆蓋半徑為 5-10 公里,4G 基站為 1-3 公里,5G 則只有 100-300 米。

很多基站都遭受到了直接破壞或斷電故障,導致 4G 和 5G 的覆蓋出現很多盲區。而 2G 的覆蓋半徑足夠大,因此即便大部分基站無法工作,剩餘基站的 2G 訊號所能覆蓋的區域仍然能夠為大量使用者提供基本的通話和簡訊服務。

遇到這種極端災害,如何搶通通訊?答案在「空中飄」。

21 日晚上 23 點,翼龍-2H 無人機在從貴州安順機場起飛後 9 小時,為米河鎮帶來了 4G 訊號。手機簡訊上寫著「受翼龍無人機滯空時間限制,公網恢復時間只有五個小時。」

空中基站

調動無人機充當臨時空中基站,是救災應急通訊的方案之一。這次翼龍無人機載基站提供的就是有限時段、有限範圍的有限通訊服務。


地面搶修和空中搶通是同時在進行的。在翼龍飛往米河鎮通訊中斷區的同時,地面也在搶修基站。21 晚上 20 點左右,移動公司搶通一條傳輸線路,恢復了 7 個基站通訊。不過之後又受到暴雨沖刷全部退服。

在這種時候,地面基站雖然能夠提供強大的通訊服務能力,但不具備恢復條件,而無人機則可以藉助通訊衛星通道,將機載行動通訊基站連線到未受自然災害影響的移動核心網,從而在最短的時間內恢復通訊服務。

無人機在米河鎮上空盤旋,能夠提供 50 平方公里範圍的 4G 網路服務。半小時後,地面通訊設施陸續恢復:23:30 聯通公司搶通了 1 個基站;兩個多小時後中國移動公司的衛星通訊車也到達現場開通網路服務。

李昕介紹,無人機載基站是一種對現有技術的創新性組合運用,雖然能夠突破地面基站面臨的諸多制約條件,但也受到無人機運載能力、續航時間、供電能力以及衛星通訊所能提供頻寬的限制。因此,無論是服務時間還是能夠提供的網路資源、連線質量、服務使用者數量,都和地面基站存在差距。

50 平方公里的覆蓋範圍,也是綜合考慮各種因素和應急通訊目標需求之後選擇的一個平衡點。比如,在此次應急通訊任務中,由於時間緊迫,要求快速恢復災區手機終端的通訊服務,因此無人機的飛行高度不能超出手機訊號發射的有效距離。

與此同時,固定翼飛機必須保持最低巡航速度才能滯空,但機載基站和地面手機終端之間的相對運動速度又要保持在能夠為使用者提供連續服務的水平,因此也不可能讓無人機飛得太低來增強訊號強度。

這些制約因素都決定了無人機必須在移動性、網路質量、覆蓋區域、使用者密度之間尋求恰如其分的平衡,不太可能為了優化某一個目標而打破這種平衡。

根據中國移動的統計,截至 21 晚上 23:20,也就是空中基站執行後 20 分鐘,中國移動基站累計接通使用者 3572 個,產生流量 2089.89M,單次最大接入使用者 648 個。也就是說,在這 20 分鐘裡,每個使用者使用了 0.59M 的流量,大概可以發 30 分鐘時長的微信語音資訊。

作為一種應急通訊手段,在地面通訊基礎設施沒有出現大面積癱瘓的情況下,無人機載基站可以快速恢復小範圍區域內少量使用者的最低限度通訊。例如在這次米河鎮的救災場景下,一架無人機就可以應對。但若要為鄭州市中心 50 平方公里範圍內的數百萬人口提供通訊服務,就遠不是一架無人機能夠承擔的任務了。

基礎通訊的「替補」

這次鄭州的通訊設施癱瘓除了基站進水損壞,也很大程度上受到電力癱瘓的影響。如果地震,光纜直接受到拉扯斷裂,大面積的基礎設施癱瘓,恢復的難度就更大,必須挖出斷裂的光纜再接上。

2008 年汶川地震面臨的就是這種情況。當時的搶修方案是:有通往災區的道路,就用應急通訊車;無法開車的地方,組織突擊隊,攜帶應急通訊裝置徒步前往;沒有地面通道,就使用陸軍的直升機空投人員和裝置。

李昕強調,「應急通訊手段並不能替代通訊基礎設施,甚至應急通訊手段能夠發揮多大的作用,也取決於網路基礎設施本身的規模體量、資源儲備、技術水平、組織結構以及抗毀生存能力。」

2001 年 911 事件之後紐約通訊癱瘓,美國電信運營商使用的方案是車載基站。這相當於地面基站的一份完整備份,車隊到達現場後先恢復網路,同時搶修光纜。這與此次翼龍無人機進行應急通訊的思路有類似之處:先用替代方案恢復通訊,再搶修地面裝置。

翼龍最早是用於軍事的偵察打擊一體無人機。翼龍-2H 則是一款多用途的無人機,此前中國移動曾進行過翼龍無人機的應急通訊演練,這是第一次被正式用於搶險救災。

這次無人機搶險救災,並不是一次心血來潮的炫技或靈光一現的創意,而要歸功於中國移動多年前就開展的研發、測試、驗證等一系列紮實的工作,以及成熟的預案、訓練有素的隊伍、常態化的戰備措施。

熱氣球和衛星

如果附近地面核心網也受損,那怎麼辦呢?2017 年美國波多黎各島遭遇颶風襲擊,地面的通訊設施大面積損害,災害過去兩週後通訊依舊無法恢復,谷歌的熱氣球專案 Project Loon 此時派上了用場。

由於島上的通訊設施整體癱瘓,因此必須依靠由多個氣球攜帶的基站組成的網路向地面使用者提供通訊服務,氣球上的基站則通過通訊衛星線路,與未受颶風影響的地面網路保持連線。

多個熱氣球穿越對流層,抵達平流層後停留,在空中組成網路。平流層大氣平穩,極少垂直流動,充分利用風能和太陽能可以讓熱氣球長時間停留。

但與此同時也帶來另外兩個問題,一是平流層距離地面 10Km,不支援手機直接連 WiFi,需要在地面安裝電線。二是要通過演算法隨時保證熱氣球群徘徊在特定的上空。

這一專案的首席工程師 Salvatore Candido 接受 IEEE Spectrum 採訪時形容:這在很大程度上是一個電腦科學專案。根據大氣情況,先後放飛的熱情球路線需要一個一個按順序計算。



Project Loon 的初衷是向偏遠和基礎設施缺乏的地區提供網際網路服務。不過在今年年初,這一已有 9 年的專案宣佈關閉。這是因為沒有辦法降低成本、形成有效的商業模式。

熱氣球做不了的事情,馬斯克的星鏈或許可以。6 月時德國政府宣佈將補貼每戶 500 歐元,幫助基礎設施薄弱的鄉村地區搭建天線裝置,讓居民使用無線網路服務。與鋪設遠端光纜相比,接入衛星寬頻顯然成本更低。

趕上德國遭遇洪水,星鏈的寬頻網路系統就顯示出了優勢。7 月 20 日,萊茵蘭-普法爾茨州監管和服務局表示已經搭建 12 個衛星天線,幫助居民使用網際網路。衛星天線將繼續搭建到 35 個。

馬斯克的星鏈本身就具備為全球各地使用者提供網路服務的能力,在災害場景下,星鏈也是一種有效的應急通訊解決方案。

不過谷歌氣球和星鏈方案,其飛行高度都已經超過手機終端訊號發射距離的極限,因此都要依靠專用的地面裝置發揮類似於基站的功能,使用者才可以獲得網路服務。

在災害條件下,對於普通居民,臨時空投地面裝置並指導其安裝使用並不是一個高時效性的解決方案,地面裝置也會受到災區電力供應的限制。

無人機、星鏈衛星、熱氣球都有各自的特點。無人機高效及時,但提供服務的範圍有限;星鏈和熱情球可以覆蓋更大範圍,也更穩定,但需要地面裝置配合。在自然災害面前,除了有充分的技術儲備,也在於如何使用已有的技術。


除了移動用無人機聯通衛星保搶通通訊,中國電信則使用了天通衛星電話。河南公司在鄭大一附院河醫院區,緊急開通天通衛星業務,保證了醫院轉移排程衛星通話暢通,為及時安全轉移 11350 名患者發揮了重要作用。

*感謝宋旭、吳夢騑對此文提供的幫助

圖片來源:視覺中國等



原文連結:https://inewsdb.com/數碼/暴雨後的無人機和衛星網

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