暴雨后的无人机和卫星网

摘要:

7 月 20 日开始降落在河南的暴雨,给人们习以为常的城市基础设施带来了极大的挑战。今年的极端暴雨天气不止郑州。德国也在暴雨后的网络瘫痪中。14、15 日德国才遭遇了有 75 年记载以来最大的暴雨。

7 月 21 日,郑州市西边 40 公里的米河镇断电、断网、断路,完全成了信息孤岛。

即便在移动通信尚未完全断绝的郑州市内,人们也发现网络“不灵”:刷二维码付款、开单车失效,地图导航也用不了。在郑州前线的一位记者告诉极客公园(ID:geekpark),稳定的只有 2G 网络,打电话,发短信不受影响。为什么 2G 信号稳定?

北京邮电大学网络技术研究院的李昕副教授解释,这是由于 2G 基站的覆盖半径比 4G 和 5G 大很多。2G 基站的覆盖半径为 5-10 公里,4G 基站为 1-3 公里,5G 则只有 100-300 米。

很多基站都遭受到了直接破坏或断电故障,导致 4G 和 5G 的覆盖出现很多盲区。而 2G 的覆盖半径足够大,因此即便大部分基站无法工作,剩余基站的 2G 信号所能覆盖的区域仍然能够为大量用户提供基本的通话和短信服务。

遇到这种极端灾害,如何抢通通讯?答案在“空中飘”。

21 日晚上 23 点,翼龙-2H 无人机在从贵州安顺机场起飞后 9 小时,为米河镇带来了 4G 信号。手机短信上写着“受翼龙无人机滞空时间限制,公网恢复时间只有五个小时。”

德国莱茵兰-普法尔茨州则利用 SpaceX 的星链卫星网,搭建天线恢复信号。

空中基站

调动无人机充当临时空中基站,是救灾应急通信的方案之一。这次翼龙无人机载基站提供的就是有限时段、有限范围的有限通信服务。

搭载基站设施的翼龙-2H

搭载基站设施的翼龙-2H

地面抢修和空中抢通是同时在进行的。在翼龙飞往米河镇通信中断区的同时,地面也在抢修基站。21 晚上 20 点左右,移动公司抢通一条传输线路,恢复了 7 个基站通信。不过之后又受到暴雨冲刷全部退服。

在这种时候,地面基站虽然能够提供强大的通信服务能力,但不具备恢复条件,而无人机则可以借助通信卫星信道,将机载移动通信基站连接到未受自然灾害影响的移动核心网,从而在最短的时间内恢复通信服务。

无人机在米河镇上空盘旋,能够提供 50 平方公里范围的 4G 网络服务。半小时后,地面通信设施陆续恢复:23:30 联通公司抢通了 1 个基站;两个多小时后中国移动公司的卫星通信车也到达现场开通网络服务。

李昕介绍,无人机载基站是一种对现有技术的创新性组合运用,虽然能够突破地面基站面临的诸多制约条件,但也受到无人机运载能力、续航时间、供电能力以及卫星通信所能提供带宽的限制。因此,无论是服务时间还是能够提供的网络资源、连接质量、服务用户数量,都和地面基站存在差距。

50 平方公里的覆盖范围,也是综合考虑各种因素和应急通信目标需求之后选择的一个平衡点。比如,在此次应急通信任务中,由于时间紧迫,要求快速恢复灾区手机终端的通信服务,因此无人机的飞行高度不能超出手机信号发射的有效距离。

与此同时,固定翼飞机必须保持最低巡航速度才能滞空,但机载基站和地面手机终端之间的相对运动速度又要保持在能够为用户提供连续服务的水平,因此也不可能让无人机飞得太低来增强信号强度。

这些制约因素都决定了无人机必须在移动性、网络质量、覆盖区域、用户密度之间寻求恰如其分的平衡,不太可能为了优化某一个目标而打破这种平衡。

根据中国移动的统计,截至 21 晚上 23:20,也就是空中基站运行后 20 分钟,中国移动基站累计接通用户 3572 个,产生流量 2089.89M,单次最大接入用户 648 个。也就是说,在这 20 分钟里,每个用户使用了 0.59M 的流量,大概可以发 30 分钟时长的微信语音信息。

作为一种应急通信手段,在地面通信基础设施没有出现大面积瘫痪的情况下,无人机载基站可以快速恢复小范围区域内少量用户的最低限度通信。例如在这次米河镇的救灾场景下,一架无人机就可以应对。但若要为郑州市中心 50 平方公里范围内的数百万人口提供通信服务,就远不是一架无人机能够承担的任务了。

基础通信的“替补”

这次郑州的通信设施瘫痪除了基站进水损坏,也很大程度上受到电力瘫痪的影响。如果地震,光缆直接受到拉扯断裂,大面积的基础设施瘫痪,恢复的难度就更大,必须挖出断裂的光缆再接上。

2008 年汶川地震面临的就是这种情况。当时的抢修方案是:有通往灾区的道路,就用应急通信车;无法开车的地方,组织突击队,携带应急通信设备徒步前往;没有地面通道,就使用陆军的直升机空投人员和设备。

李昕强调,“应急通信手段并不能替代通信基础设施,甚至应急通信手段能够发挥多大的作用,也取决于网络基础设施本身的规模体量、资源储备、技术水平、组织结构以及抗毁生存能力。”

2001 年 911 事件之后纽约通讯瘫痪,美国电信运营商使用的方案是车载基站。这相当于地面基站的一份完整备份,车队到达现场后先恢复网络,同时抢修光缆。这与此次翼龙无人机进行应急通信的思路有类似之处:先用替代方案恢复通信,再抢修地面设备。

翼龙最早是用于军事的侦察打击一体无人机。翼龙-2H 则是一款多用途的无人机,此前中国移动曾进行过翼龙无人机的应急通信演练,这是第一次被正式用于抢险救灾。

这次无人机抢险救灾,并不是一次心血来潮的炫技或灵光一现的创意,而要归功于中国移动多年前就开展的研发、测试、验证等一系列扎实的工作,以及成熟的预案、训练有素的队伍、常态化的战备措施。

热气球和卫星

如果附近地面核心网也受损,那怎么办呢?2017 年美国波多黎各岛遭遇飓风袭击,地面的通信设施大面积损害,灾害过去两周后通讯依旧无法恢复,Google的热气球项目 Project Loon 此时派上了用场。

由于岛上的通信设施整体瘫痪,因此必须依靠由多个气球携带的基站组成的网络向地面用户提供通信服务,气球上的基站则通过通信卫星线路,与未受飓风影响的地面网络保持连接。

多个热气球穿越对流层,抵达平流层后停留,在空中组成网络。平流层大气平稳,极少垂直流动,充分利用风能和太阳能可以让热气球长时间停留。

但与此同时也带来另外两个问题,一是平流层距离地面 10Km,不支持手机直接连 WiFi,需要在地面安装电线。二是要通过算法随时保证热气球群徘徊在特定的上空。

这一项目的首席工程师 Salvatore Candido 接受 IEEE Spectrum 采访时形容:这在很大程度上是一个计算机科学项目。根据大气情况,先后放飞的热情球路线需要一个一个按顺序计算。

Google热气球

Google热气球

Google气球工作原理

Google气球工作原理

Project Loon 的初衷是向偏远和基础设施缺乏的地区提供互联网服务。不过在今年年初,这一已有 9 年的项目宣布关闭。这是因为没有办法降低成本、形成有效的商业模式。

热气球做不了的事情,马斯克的星链或许可以。6 月时德国政府宣布将补贴每户 500 欧元,帮助基础设施薄弱的乡村地区搭建天线设备,让居民使用无线网络服务。与铺设远程光缆相比,接入卫星宽带显然成本更低。

赶上德国遭遇洪水,星链的宽带网络系统就显示出了优势。7 月 20 日,莱茵兰-普法尔茨州监管和服务局表示已经搭建 12 个卫星天线,帮助居民使用互联网。卫星天线将继续搭建到 35 个。

马斯克的星链本身就具备为全球各地用户提供网络服务的能力,在灾害场景下,星链也是一种有效的应急通信解决方案。

不过Google气球和星链方案,其飞行高度都已经超过手机终端信号发射距离的极限,因此都要依靠专用的地面设备发挥类似于基站的功能,用户才可以获得网络服务。

在灾害条件下,对于普通居民,临时空投地面设备并指导其安装使用并不是一个高时效性的解决方案,地面设备也会受到灾区电力供应的限制。

无人机、星链卫星、热气球都有各自的特点。无人机高效及时,但提供服务的范围有限;星链和热情球可以覆盖更大范围,也更稳定,但需要地面设备配合。在自然灾害面前,除了有充分的技术储备,也在于如何使用已有的技术。

天通卫星系统车载天线

天通卫星系统车载天线

除了移动用无人机联通卫星保抢通通信,中国电信则使用了天通卫星电话。河南公司在郑大一附院河医院区,紧急开通天通卫星业务,保证了医院转移调度卫星通话畅通,为及时安全转移 11350 名患者发挥了重要作用。

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