暴雨后的無人機(jī)和衛(wèi)星網(wǎng)

　　7月20日開始降落在河南的暴雨，給人們習(xí)以為常的城市基礎(chǔ)設(shè)施帶來了極大的挑戰(zhàn)。今年的極端暴雨天氣不止鄭州。德國也在暴雨后的網(wǎng)絡(luò)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(zhèn)斷電、斷網(wǎng)、斷路，完全成了信息孤島。

　　即便在移動(dòng)通信尚未完全斷絕的鄭州市內(nèi)，人們也發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)「不靈」：刷二維碼付款、開單車失效，地圖導(dǎo)航也用不了。在鄭州前線的一位記者告訴極客公園（ID：geekpark），穩(wěn)定的只有2G網(wǎng)絡(luò)，打電話，發(fā)短信不受影響。為什么2G信號(hào)穩(wěn)定？

　　北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院的李昕副教授解釋，這是由于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(dǎo)致4G和5G的覆蓋出現(xiàn)很多盲區(qū)。而2G的覆蓋半徑足夠大，因此即便大部分基站無法工作，剩余基站的2G信號(hào)所能覆蓋的區(qū)域仍然能夠?yàn)榇罅坑脩籼峁┗镜耐ㄔ捄投绦欧?wù)。

　　遇到這種極端災(zāi)害，如何搶通通訊？答案在「空中飄」。

　　21日晚上23點(diǎn)，翼龍-2H無人機(jī)在從貴州安順機(jī)場起飛后9小時(shí)，為米河鎮(zhèn)帶來了4G信號(hào)。手機(jī)短信上寫著「受翼龍無人機(jī)滯空時(shí)間限制，公網(wǎng)恢復(fù)時(shí)間只有五個(gè)小時(shí)?！?/p>

　　德國萊茵蘭-普法爾茨州則利用SpaceX的星鏈衛(wèi)星網(wǎng)，搭建天線恢復(fù)信號(hào)。

空中基站

　　調(diào)動(dòng)無人機(jī)充當(dāng)臨時(shí)空中基站，是救災(zāi)應(yīng)急通信的方案之一。這次翼龍無人機(jī)載基站提供的就是有限時(shí)段、有限范圍的有限通信服務(wù)。

搭載基站設(shè)施的翼龍-2H搭載基站設(shè)施的翼龍-2H

　　地面搶修和空中搶通是同時(shí)在進(jìn)行的。在翼龍飛往米河鎮(zhèn)通信中斷區(qū)的同時(shí)，地面也在搶修基站。21晚上20點(diǎn)左右，移動(dòng)公司搶通一條傳輸線路，恢復(fù)了7個(gè)基站通信。不過之后又受到暴雨沖刷全部退服。

　　在這種時(shí)候，地面基站雖然能夠提供強(qiáng)大的通信服務(wù)能力，但不具備恢復(fù)條件，而無人機(jī)則可以借助通信衛(wèi)星信道，將機(jī)載移動(dòng)通信基站連接到未受自然災(zāi)害影響的移動(dòng)核心網(wǎng)，從而在最短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)通信服務(wù)。

　　無人機(jī)在米河鎮(zhèn)上空盤旋，能夠提供50平方公里范圍的4G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。半小時(shí)后，地面通信設(shè)施陸續(xù)恢復(fù)：23:30聯(lián)通公司搶通了1個(gè)基站；兩個(gè)多小時(shí)后中國移動(dòng)公司的衛(wèi)星通信車也到達(dá)現(xiàn)場開通網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

　　李昕介紹，無人機(jī)載基站是一種對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新性組合運(yùn)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(jī)運(yùn)載能力、續(xù)航時(shí)間、供電能力以及衛(wèi)星通信所能提供帶寬的限制。因此，無論是服務(wù)時(shí)間還是能夠提供的網(wǎng)絡(luò)資源、連接質(zhì)量、服務(wù)用戶數(shù)量，都和地面基站存在差距。

　　50平方公里的覆蓋范圍，也是綜合考慮各種因素和應(yīng)急通信目標(biāo)需求之后選擇的一個(gè)平衡點(diǎn)。比如，在此次應(yīng)急通信任務(wù)中，由于時(shí)間緊迫，要求快速恢復(fù)災(zāi)區(qū)手機(jī)終端的通信服務(wù)，因此無人機(jī)的飛行高度不能超出手機(jī)信號(hào)發(fā)射的有效距離。

　　與此同時(shí)，固定翼飛機(jī)必須保持最低巡航速度才能滯空，但機(jī)載基站和地面手機(jī)終端之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度又要保持在能夠?yàn)橛脩籼峁┻B續(xù)服務(wù)的水平，因此也不可能讓無人機(jī)飛得太低來增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度。

　　這些制約因素都決定了無人機(jī)必須在移動(dòng)性、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、覆蓋區(qū)域、用戶密度之間尋求恰如其分的平衡，不太可能為了優(yōu)化某一個(gè)目標(biāo)而打破這種平衡。

　　根據(jù)中國移動(dòng)的統(tǒng)計(jì)，截至21晚上23：20，也就是空中基站運(yùn)行后20分鐘，中國移動(dòng)基站累計(jì)接通用戶3572個(gè)，產(chǎn)生流量2089.89M，單次最大接入用戶648個(gè)。也就是說，在這20分鐘里，每個(gè)用戶使用了0.59M的流量，大概可以發(fā)30分鐘時(shí)長的微信語音信息。

　　作為一種應(yīng)急通信手段，在地面通信基礎(chǔ)設(shè)施沒有出現(xiàn)大面積癱瘓的情況下，無人機(jī)載基站可以快速恢復(fù)小范圍區(qū)域內(nèi)少量用戶的最低限度通信。例如在這次米河鎮(zhèn)的救災(zāi)場景下，一架無人機(jī)就可以應(yīng)對(duì)。但若要為鄭州市中心50平方公里范圍內(nèi)的數(shù)百萬人口提供通信服務(wù)，就遠(yuǎn)不是一架無人機(jī)能夠承擔(dān)的任務(wù)了。

基礎(chǔ)通信的「替補(bǔ)」

　　這次鄭州的通信設(shè)施癱瘓除了基站進(jìn)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(chǔ)設(shè)施癱瘓，恢復(fù)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(dāng)時(shí)的搶修方案是：有通往災(zāi)區(qū)的道路，就用應(yīng)急通信車；無法開車的地方，組織突擊隊(duì)，攜帶應(yīng)急通信設(shè)備徒步前往；沒有地面通道，就使用陸軍的直升機(jī)空投人員和設(shè)備。

　　李昕強(qiáng)調(diào)，「應(yīng)急通信手段并不能替代通信基礎(chǔ)設(shè)施，甚至應(yīng)急通信手段能夠發(fā)揮多大的作用，也取決于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施本身的規(guī)模體量、資源儲(chǔ)備、技術(shù)水平、組織結(jié)構(gòu)以及抗毀生存能力?！?/p>

　　2001年911事件之后紐約通訊癱瘓，美國電信運(yùn)營商使用的方案是車載基站。這相當(dāng)于地面基站的一份完整備份，車隊(duì)到達(dá)現(xiàn)場后先恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)搶修光纜。這與此次翼龍無人機(jī)進(jìn)行應(yīng)急通信的思路有類似之處：先用替代方案恢復(fù)通信，再搶修地面設(shè)備。

　　翼龍最早是用于軍事的偵察打擊一體無人機(jī)。翼龍-2H則是一款多用途的無人機(jī)，此前中國移動(dòng)曾進(jìn)行過翼龍無人機(jī)的應(yīng)急通信演練，這是第一次被正式用于搶險(xiǎn)救災(zāi)。

　　這次無人機(jī)搶險(xiǎn)救災(zāi)，并不是一次心血來潮的炫技或靈光一現(xiàn)的創(chuàng)意，而要?dú)w功于中國移動(dòng)多年前就開展的研發(fā)、測試、驗(yàn)證等一系列扎實(shí)的工作，以及成熟的預(yù)案、訓(xùn)練有素的隊(duì)伍、常態(tài)化的戰(zhàn)備措施。

熱氣球和衛(wèi)星

　　如果附近地面核心網(wǎng)也受損，那怎么辦呢？2017年美國波多黎各島遭遇颶風(fēng)襲擊，地面的通信設(shè)施大面積損害，災(zāi)害過去兩周后通訊依舊無法恢復(fù)，谷歌的熱氣球項(xiàng)目Project Loon此時(shí)派上了用場。

　　由于島上的通信設(shè)施整體癱瘓，因此必須依靠由多個(gè)氣球攜帶的基站組成的網(wǎng)絡(luò)向地面用戶提供通信服務(wù)，氣球上的基站則通過通信衛(wèi)星線路，與未受颶風(fēng)影響的地面網(wǎng)絡(luò)保持連接。

　　多個(gè)熱氣球穿越對(duì)流層，抵達(dá)平流層后停留，在空中組成網(wǎng)絡(luò)。平流層大氣平穩(wěn)，極少垂直流動(dòng)，充分利用風(fēng)能和太陽能可以讓熱氣球長時(shí)間停留。

　　但與此同時(shí)也帶來另外兩個(gè)問題，一是平流層距離地面10Km，不支持手機(jī)直接連WiFi，需要在地面安裝電線。二是要通過算法隨時(shí)保證熱氣球群徘徊在特定的上空。

　　這一項(xiàng)目的首席工程師Salvatore Candido接受IEEE Spectrum采訪時(shí)形容：這在很大程度上是一個(gè)計(jì)算機(jī)科學(xué)項(xiàng)目。根據(jù)大氣情況，先后放飛的熱情球路線需要一個(gè)一個(gè)按順序計(jì)算。

谷歌熱氣球谷歌熱氣球

谷歌氣球工作原理谷歌氣球工作原理

　　Project Loon的初衷是向偏遠(yuǎn)和基礎(chǔ)設(shè)施缺乏的地區(qū)提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。不過在今年年初，這一已有9年的項(xiàng)目宣布關(guān)閉。這是因?yàn)闆]有辦法降低成本、形成有效的商業(yè)模式。

　　熱氣球做不了的事情，馬斯克的星鏈或許可以。6月時(shí)德國政府宣布將補(bǔ)貼每戶500歐元，幫助基礎(chǔ)設(shè)施薄弱的鄉(xiāng)村地區(qū)搭建天線設(shè)備，讓居民使用無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。與鋪設(shè)遠(yuǎn)程光纜相比，接入衛(wèi)星寬帶顯然成本更低。

　　趕上德國遭遇洪水，星鏈的寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)就顯示出了優(yōu)勢。7月20日，萊茵蘭-普法爾茨州監(jiān)管和服務(wù)局表示已經(jīng)搭建12個(gè)衛(wèi)星天線，幫助居民使用互聯(lián)網(wǎng)。衛(wèi)星天線將繼續(xù)搭建到35個(gè)。

　　馬斯克的星鏈本身就具備為全球各地用戶提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的能力，在災(zāi)害場景下，星鏈也是一種有效的應(yīng)急通信解決方案。

　　不過谷歌氣球和星鏈方案，其飛行高度都已經(jīng)超過手機(jī)終端信號(hào)發(fā)射距離的極限，因此都要依靠專用的地面設(shè)備發(fā)揮類似于基站的功能，用戶才可以獲得網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

　　在災(zāi)害條件下，對(duì)于普通居民，臨時(shí)空投地面設(shè)備并指導(dǎo)其安裝使用并不是一個(gè)高時(shí)效性的解決方案，地面設(shè)備也會(huì)受到災(zāi)區(qū)電力供應(yīng)的限制。

　　無人機(jī)、星鏈衛(wèi)星、熱氣球都有各自的特點(diǎn)。無人機(jī)高效及時(shí)，但提供服務(wù)的范圍有限；星鏈和熱情球可以覆蓋更大范圍，也更穩(wěn)定，但需要地面設(shè)備配合。在自然災(zāi)害面前，除了有充分的技術(shù)儲(chǔ)備，也在于如何使用已有的技術(shù)。

天通衛(wèi)星系統(tǒng)車載天線天通衛(wèi)星系統(tǒng)車載天線

　　除了移動(dòng)用無人機(jī)聯(lián)通衛(wèi)星保搶通通信，中國電信則使用了天通衛(wèi)星電話。河南公司在鄭大一附院河醫(yī)院區(qū)，緊急開通天通衛(wèi)星業(yè)務(wù)，保證了醫(yī)院轉(zhuǎn)移調(diào)度衛(wèi)星通話暢通，為及時(shí)安全轉(zhuǎn)移11350名患者發(fā)揮了重要作用。