迪帕克(Deepak)博士 英国金斯顿大学
编者按：本文译自IEEE Wireless Communication杂志2019年第12期上的一篇论文“An Overview of Post-Disaster Emergency Communication Systems in the Future Networks”，作者为英国金斯顿大学迪帕克Deepak博士等人。论文描述应急救援管理中三种典型的网络场景：网络拥塞、部分功能丧失或完全孤立，与战场恶劣环境中的“弱通信系统”类似，后者又称为“DIL网络”，即拓扑割裂(Disconnected)、链路时通时断(Intermittent)、有限带宽 (Limit-bandwidth)。此时战术通信网的信息交换方式主要采用携带-转发(carry-and-forward)机制，用机动性弥补连通性，又称“机会通信”；而灾后应急通信主要依托移动通信网的基站，在基础设施受损或功能下降的情况下，信息交换可采用基于邻近服务(ProSe) 的方式，即使用预先分配的频谱资源，通过邻近的用户设备实施多跳通信。灾后应急通信与战场通信的共同之处是：运用多种通信手段，如无人机自组网、卫星通信等，建立协同通信网络，以满足用户对网络弹性质量QoR、服务质量QoS的需求。
摘要
由于5G通信网络的致密性、超低延迟以及频谱和能量效率的提升，新兴的5G通信正受到移动网络运营商、监管机构和学术界的极大关注。然而，目前灾后应急管理系统(EMS)主要依靠的无线通信基础设施，在创新、标准和投资方面明显落后。由于5G的远景是电信产业的一场变革，期望EMS供应商能有效提供分布式自主网络，对人为以及自然灾害造成的网络脆弱性具有弹性。本文将讨论典型的灾后通信方法4G LTE及其缺点。我们将详细说明三种典型的灾后网络场景，即网络拥塞、部分功能丧失或完全孤立。将讨论灾后场景应对的可能解决方案框架，例如设备到设备通信、无人机辅助通信、移动自主网和物联网等。鉴于频谱分配对EMS是至关重要的，我们将评估专用于EMS的无线资源分配方案，在危急情况下，还要考虑用户的社会责任。
一、前言
第五代(5G)移动通信得到了研究界、监管机构、服务提供商和芯片制造商的极大关注，因为它承诺超低延迟、非常高的频谱效率和能源效率。5G系统的建立将采用网络密集化、高频传输(即毫米波)和赋能物联网的海量机器类通信(mMTC)等关键技术，使5G成为真正的异构网络。然而，无论是物联网还是增强移动宽带(eMBB)，都没有考虑到在自然灾害情况下，EMS设备失效会导致无线网络性能严重下降。
在水灾、飓风和地震等灾害发生后，分布式传感器网络或宏蜂窝网络等都无法最大限度地发挥作用。据美联邦通信委员会披露，在最近的哈维飓风事件中，德克萨斯州阿兰萨斯县的19座基站(BS)只有一座在运行，邻县85%的蜂窝基站都下线了。此外，2011年的9级地震造成日本东海岸海啸，有6000多个基站受损，剩余的基站因无法承受大流量的数据和话音，导致广大地区通信服务缺失，地震后四天内高速话音通信全被堵塞。
最终的解决方案将是针对灾害情景建设无线网络，它独立于现有宽带通信网络。这样的无线网络解决方案可能需要专用的硬件和频段。此外，由于灾后阶段的供电有限，这种网络解决方案应具有很高的能效。然而，由于时间/能源限制和执行费用较高，在灾区部署这样的网络架构极为困难。因此，无线通信的公共安全标准应以商业电信标准为基础，使其具有可靠性、成本高效益和全球可操作性。
灾后无线基础设施的状况可能因灾害类型而不同，如地震、飓风或恐怖活动等。这就引出另一个问题：对所有灾情我们能有单一的解决方案吗？一般来说，不会有这样的方案，但我们肯定需要有一个通用的解决办法，以实现用户设备之间的兼容性和灾后通信技术之间的互操作性。这将鼓励利益攸关方在设计灾后网络方案时，要尽可能多地适应不同类型的灾害。预计新的网络解决方案必须与商业网络平台兼容。在3GPP提出的技术标准中(Rel-12以后的标准)，其中有一项是设备到设备(D2D)通信，它可为公众安全及商用场合提供基于邻近服务(ProSe)（指通过基站预先分配的频谱资源，邻近的用户设备可直接通信，无需基站转发——译者注）。
典型的协同网络场景和灾后信息流如图1所示。蜂窝网络、D2D通信、物联网、无人机(UAV)、移动自组织网络(MANET)和卫星系统，将协同提供具有弹性的灾后通信服务。用户、应急机构和监管机构，通过部分可用的蜂窝网或云状网络，使用话音和数据服务。如图1所示，在无人机和卫星通信可用的情况下，孤立用户也可借此传输信息。
图1 典型的灾后通信框架（FANET：飞行自组网；MNO：移动网络运营商）
紧急通信需要弹性的和可靠的网络，即使网络部分功能失效时也能运作。基本的KPI(关键性能指标)是网络可显现的弹性水平，通常用弹性质量(QoR)来度量。QoR是网络在失效情况下(如软件错误或链路中断)的反应能力，它能快速地将流量从受故障影响的路径重新路由到无差错路径，而用户是无感的。智能EMS的恢复机制必须包含故障检测、故障定位和故障恢复等功能。
已经考虑将认知车联网的机制用于应急通信，因为车辆可以快速部署到受灾区域。此外，无人机辅助的空中转信系统也能更快地在灾区部署。
二、用于EMS的LTE-A方法
据英国通信办公室(Ofcom)称，999紧急服务电话的呼叫60%以上来自移动设备。这是由于近期无线通信技术的发展，为应急服务的有效运行提供了巨大的潜力，并能拯救更多的生命。而无线基础设施易于在有限的时间内以较低成本部署，因此无线通信成为EMS的有吸引力的解决方案。此外，应根据不断演进的电信技术对传统的灾后通信方法进行升级。在3GPP LTE标准中，新技术之一就是增强型多媒体优先服务(eMPS)。
根据3GPP TR 23.854，LTE中的eMPS功能允许授权用户获得和维护无线资源和网络组件。这些资源是在eMPS会话阶段提供的，在网络启用该功能期间，基于端到端原则使用优先级处理程序分配资源。因此，当灾后网络发生拥塞时，eMPS的呼叫/会话优先级依次为：从移动网呼叫LTE网，从移动网呼叫固定网，从固定网呼叫LTE网。eMPS中另一项功能是基于IP多媒体子系统(IMS)服务，其目的是保证灾后的授权用户能优先使用无线网络，更好地支持话音、视频和数据服务。
虽然LTE被认为是灾后通信的候选技术，但其连接模型和网络拓扑无法保证所需的QoR等级。此外，考虑到在紧急情况下系统严重拥塞的网络场景，提出了一些有闪光点的技术。这些技术以独特的方法处理系统中高优先级流量，并有尽可能好的QoS。然而，在灾后的其它情景中，提议的技术可能无法有效工作，如下一节所述。
三、EMS中的网络场景
灾情中用户的移动模式是无法准确预测的。类似地，在部分功能或全功能运作的通信网络中，用户的流量生成模式取决于灾害的性质和受影响的地点。此外，某些用户与其他用户或与网络基础设施还有可能完全隔离。因此，为了推广所提议的EMS解决方案，我们将灾后的网络场景分为三种：拥塞网络、部分网络和孤立网络。
负责处理各种灾后网络场景的EMS方案无法用手工方法管理。因此，电信基础设施应该嵌入自动配置软件和网络上下文感知算法。接下来将简要讨论这些网络场景。
（一）拥塞网络
当移动网络组件在灾后仍能正常运行时，有可能会出现网络拥塞。因话音和数据流量急剧增加导致的网络拥塞，最终使网络进入饱和点，如图2所示。这种情况对接入用户的影响非常大，因为他们不能同时进行话音通信和数据通信，接入用户也不太可能得到所需的QoS。这给应急服务提供商也带来了各种问题，例如无法定位用户并获取他们的实时信息。此外，在地震和洪水等自灾害事件中，国家电网的供电将受到限制，在这些事件中，基站完全靠自己的备用电源。当基站不得不用较少的电源处理更多流量时，基站的寿命会急剧缩短。在2011年日本地震期间，网络流量是正常流量的60倍，由于电网出现问题，大约95%的语音通话被阻塞了。
图2 当用户流量大且邻近基站失效后网络拥塞的场景
当恐怖活动发生时，网络拥塞也很常见，尤其在人口密度较高、用户希望利用话音和数据服务共享信息时。事实上，在设计移动网络基础设施时，不能按最高的网络流量来考虑，因为增加基站和无线资源是昂贵的。在正常的网络条件下，这些资源的利用率会严重不足。因此，确定最迫切需要的数据/话音流量至关重要，为此基站需有低复杂度的资源优化软件和的机器学习算法。以下两项措施有可能缓解拥塞网络场景。
优先群体：鉴于从日本和美国的自然灾害中观察到灾后有大流量话音通信，因此从用户需求角度看，话音通信的优先级要高于数据通信。目前LTE网络和拟议中的5G网络，都是用全IP的基础设施处理大流量数据，其中话音由同一个无线网和核心网承载，采用的技术是VoLTE升级版。在这种情况下，话音优先数据传输是很难实现的。因此，对于未来的蜂窝系统，为改善灾后话音和数据服务的QoS，鲁棒的机器学习技术至关重要，它将基于用户流量的历史数据实现传输网络的优先次序和资源调度。5G提出的网络切片技术，可在一个物理网络中创建多个虚拟网络，有望为用户提供不同等级的QoS。
在应急服务方面，应优先考虑应急服务提供商的成员。例如，自2009年以来，英国有移动通信优先接入计划(MTPAS)，如果确定了与灾害邻近的移动单元，MPTAS就用于这些单元。如果资源被MPTAS用户完全占用，将拒绝其他普通用户的呼叫。同样，美国会向国家安全和应急准备(NS/EP)用户提供无线优先服务(WPS)，这是卡特里娜飓风发生后在国家层级上实施的。
（二）部分网络
在灾后场景中，网络基础设施，例如基站或交换中心可能受到部分损坏。在这种情况下，大量用户可能被断开连接，而一些用户仍能使用通信网络的应急服务，如图3所示。另一种场景是，用户可能被困在建筑物或隧道内，由于无线电信号非常差，无法发送和接收话音或数据。此外，当灾害发生时，基站可能会受能源限制而降低发射功率。因此，需要通信的用户为了能联到最近的全功能运行的基站上，或者直接增加上行链路的发送功率，或者通过附近的用户转接。第一种选择由于受功率约束不是最优的，因此迫切需要D2D和M2M通信来建立多跳通信。此时为了建立多跳的D2D/M2M，低复杂度的控制信号交换协议是绝对需要的。
图3 在灾后通信中用户与网络基础设施部分连接时的网络场景
设备到设备通信：虽然D2D通信是5G框架的一项集成技术，被视为提高网络连通性和系统吞吐量的工具，但其在灾后通信场景中的应用研究相当有限。因此有必要修改D2D通信体系结构，使其不仅适合于商业用途，而且能用于公共保护和灾害救援（PPDR）。
部分可用网络中的D2D通信模式，要求用户终端和网络组件具有大量智能。如果仍有功能完好的基站，用户可访问其中最近的基站，因为D2D模式需要其他用户设备的协同配合，多个设备之间需要交换信道状态信息。因此，用户要不断地向基站和最近的对等D2D设备发送和接收控制信号。注意，当设备处理大量控制信号时，其能量效率会显著降低。因此，需要有一种新的节能信令协议、资源分配和优化技术，实现灾后通信的D2D模式。
大规模MIMO支持的多波束技术，特别适用于高移动性的D2D网络，以建立设备之间动态的点对点链路。由于能高度定向地将信号传输到目标设备，从而提高了能源效率，减少了对D2D链路的干扰。然而，ProSe体系结构需要新的消息交换技术，以简化电路的复杂性和能耗，使用户终端能有效实现支持波束赋形的D2D通信。
（三）孤立网络
这是第三种可能的灾后网络场景，由于骨干网络故障，用户完全孤立，如图4所示。其时丢包率显著升高。当在一段特定时间内没有收到基站控制信号时，用户设备应能够自动切换到孤立模式。此时应该部署新的网络，提供临时无线覆盖。因此，任何建议的解决方案，关键特性是新部署网络中低级信令转接点的优化和节能路由协议，如下所述。
图4 当用户与基站完全脱离时的灾后网络场景
移动自组织网络：在这样的网络场景中，需要在源端和目的端之间创建一条高可靠的多跳路径。最终必须实现鲁棒的节能路由协议，以适应用户终端的电池能力。
建立MANET的主要优点是它增加了源端到目的端的路径冗余，当现有路径被破坏或中间节点无法转信时，可以很容易地选择新路径。另一方面，源端与目的端之间的端到端延迟相对较高。此外，为支援灾后非理想状况下的其他通信用户，中间用户可能需要牺牲一些稀缺的能源。拟议的5G框架在为EMS设计分布式、自主和有弹性的多跳通信时，应考虑到这种情况，以保障和确保用户间的可靠通信。
无人机辅助通信：无人机或UAV是一个飞行的基站，能够显著地协助灾后通信，如图4所示。用无人机取代功能失效的基站的优点之一是，用户和飞行的无人机之间能进行直接的视距通信。由于路径损耗低和阴影小，信道的传播特性得以改善，有助于提高应急通信所需的QoR。此外，可根据预测的流量模式和用户分布，优化无人机的运动轨迹。无人机网络不仅可充当无线台站的接入网络，还可作为D2D通信、MANET和其他孤立用户的回程网络。在典型的灾后场景中，无人机可用作无人机辅助的泛在覆盖，以增强现有的蜂窝通信范围；或用作无人机辅助的中继通信，以连接远距离用户或用户组；或用作无人机辅助的数据采集系统，以辅助分布式物联网终端的定期感知。
在紧急通信中，面对难以到达的广大受灾地域，可用无人机从空中观察和收集数据。此外，在灾后场景中可以将无人机部署为临时的实时中继基站。还可部署成自组织的无人机网络，将用户数据中继到目的地，在技术上它优于地面的移动自组网MANET。部署无人机的主要缺点之一是无线通信时能耗较高和需要航迹引导。然而，太阳能无人机可以显著缓解能源约束问题。
表1简要讨论了三种网络场景的QoR分析结果。
表1 灾后场景的QoR分析和改进技术
四、频谱分配
在灾后和紧急情况下，可快速部署的无线网络应尽快部署，直到现有的无线网络经维修恢复到正常状态。这种可快速部署的系统集成了多项技术，例如蜂窝通信、WiFi、卫星通信和MANET。商业通信网络的频谱分配政策在灾后恢复阶段可能难以实施。因此，必须有一个专用于灾后场景的、灵活而高效的频谱分配政策。
（一）专用频段
近年来在灾害数量不断增加的情况下，必须为PPDR服务和应用分配专用的频段。这种频谱协调有可能增加互操作性，最终有助于降低设备成本。跨国界的频谱协调也同样重要，特别是在欧盟和亚洲国家，因为一个国家可能有多条国际边界。如果PPDR使用不同的频段，已很脆弱的灾后网络的各种跨界服务将会受到严重干扰。显然，如果没有专用频段，下一代PPDR就必须建立在商业网络上，这可能无法充分满足灾后通信系统容量剧增的需求。
欧洲电信标准研究所(ETSI)规定，在许多欧洲国家，400MHz和700MHz的频段统一用于话音通信和宽带PPDR。这两个频段都有很大的覆盖范围，是话音通信和宽带服务的理想频段。此外，他们有足够的室内覆盖，可对因灾情被困在房屋里的用户提供帮助。在欧盟国家，400MHz谱段通常是指380-470MHz，广泛认为可用于宽带PPDR，以直接模式运行或以空--地--空模式运行。
建议上行链路的频谱范围为380-385MHz，下行链路的频谱范围为390-395MHz。然而，三个北欧国家瑞典、挪威和芬兰，出于同样的目的，提出采用700MHz频段，声称400MHz不足以满足PPDR对安全和鲁棒宽带数据日益增长的需求。此外，2015年，国际电联--妇女权利委员会ITU-WRC承认，694-894MHz为全球统一的宽带PPDR。今后，可能会面临频率协调统一问题，例如在欧洲边界。6GHz频率以上PPDR的毫米波通信，目前也受到研究界和工业界的关注。
（二）ISM频段
许可证豁免频段或工业、科学和医疗（ISM）频段，如2.4GHz和5GHz，也可用于共享访问PPDR网络，以减少宝贵的1GHz以下频段的使用。虽然这一频段的传输范围不如1GHz以下的频段，但它极大地帮助PPDR当局能用有限的时间和成本，部署点对点链路和无线接入点。由于IMS频段不受许可证颁发当局的管理，对最终用户来说，主要问题是没有服务等级QoS保证，这对灾后网络中脆弱的用户非常关键。此外，868MHz的ISM频段虽被SigFox和LoRaWAN用于物联网，也可以是PPDR的一种替代方案，能部分缓解2.4GHz和5GHz频段上信号传播的问题。
在ISM频段上运行的WiFi是当今无线生态系统的基本组成部分。它有可能为灾后EMS提供灵活性。得益于大规模MIMO和波束赋形技术，以及最近宣布的802.11ac标准支持2.5Gb/s数据速率，基于WiFi的研发才取得重大进展。由于大多数房屋都有WiFi接入点(AP)，灾后AP子集仍能与功能部分丧失的互联网相联，可以在有限时段内免除WiFi密码来提供入网服务。或者，AP拥有者可以创建访客网络(guest network)，以便需要通信的用户和应急服务提供商能在灾后通过WiFi网络实现连接，如2011年意大利罗马东北部地震所示范的那样（“访客网络”指宾客来主人家后，问WiFi密码，想借用家庭路由器上网，同时不会影响到网络安全——译者注）。
五、频谱共享
在灾后阶段网络基础设施性能严重下降时，又有异常高的流量负荷。即使有新的应急通信系统引入灾区，也需要新的频段来保证PPDR有最低的QoS。专用频段和ISM频段并非无足轻重的解决方案，但备受赞誉的频谱共享系统则是一个合适的选项。
由于灾害的不可预测性，PPDR的综合电信资源分配计划可能无法实现。例如，不能根据灾情提前购买频段，显然的原因是商业频段的高成本。考虑两个移动网络运营商(MNO)的场景，MNO1和MNO2正根据许可的共享访问方法向特定区域的用户提供服务。当灾难发生MNO1的基础设施功能失效时，用户可能根本无法通信。但在同一时间内，MNO2有更大的流量，所需频段可以由MNO2向MNO1租赁或共享，直到MNO1正常工作为止。因此，有必要在政府、监管机构、MNO和制造商之间进行合作，以便在灾后场景中，在拟议的5G框架内至少建立起频谱共享机制。
六、用于EMS的非5G技术
自组织网络(SON)具有自配置、自优化和自愈等特性，正如3GPP所述，自组网非常适用于灾后EMS以及通过启发式学习等手段进行灾害预测。自配置功能通过支持即插即用的自动邻居关系发现功能，减少了在灾区部署eNB(增强型基站)时手工劳动。当D2D通信和MANET部署在上面讨论的部分网络场景时，该功能非常适用。自优化实体有助于优化容量、覆盖范围和相互干扰，以维护在灾害场景中非常重要的指标QoS和QoR。移动性负载平衡和切换功能在发生灾难时，能减小拥塞网络场景中的掉话率。
物联网和大数据的技术演进，为在自然灾害中拯救生命带来了巨大的潜力。警察、消防、救护等应急车辆可配备M2M通讯系统作为物联网的赋能器。这些互联的车辆有助于应急机构间自主协调。此外，可以实施专用于灾后的M2M通信工程，当紧急服务无法到达时非常适用。对分布在多地的传感器自组网收集的数据进行挖掘，并应用机器学习技术预测灾害模式，这些主动分析的结果多播给相关用户，可以拯救灾区内数以百计生命。例如，在欧盟5G框架项目5G-Xcast中，已考虑在灾后通信中将公共预警信息作为点对多点广播服务的内容。物联网的另一项应用是无线体域网，可用于改善救援操作。
最近卫星通信技术的发展和成本的降低，使其作为PPDR的替代通信系统带来了巨大的可能性，因为它增加了覆盖范围、容量、安全性和弹性，并促进用户和PPDR代理间的通信。表2讨论了5G架构内适合灾后EMS的各种无线技术的优缺点。
表2 灾后应急设备各种无线技术概述
七、研究的挑战
由于灾后缺乏电力供应，提议的EMS网络体系结构应是高能效的。此外在部署无人机时，优化轨迹设计、发射功率控制和飞行时间优化同样是具有挑战性的任务。未来网络和5G新的无线空口(NR)规范应尽可能兼容灾后的无线通信系统。由于电力短缺和OFDMA(正交频分多址接入)的能效不高，可能需要进一步研究新的多址技术，例如NOMA (非正交多址接入)，用于灾后通信。毫米波、大规模MIMO和波束赋形技术同样适用于用户跟踪和定位，以便在灾后黄金时段能拯救数百人的生命。
八、用户和政府责任
灾后管理不仅涉及弹性通信技术，而且还涉及用户有效使用这些技术的责任。例如，用户应有保留地访问无线网络，仅供紧急通信之需。这有助于释放网络组件和稀缺的频谱资源的压力，降低能耗。此外，用户不应在人群附近进行话音和数据通信，因为它会增加基站天线阵列的特定扇区或波束的交通拥塞。通过优化呼叫分布，肯定有助于提高话音和其他数据应用的质量。
在自然灾害和人为灾害期间，政府将发挥不可替代的作用，使紧急通信成为可能。我们不能期望从移动网络运营商处得到太多，因为他们需要通过管理CAPEX(资本性支出)和OPEX(运营成本)来创收。公共安全的主要责任属于政府，他们需要为此投资，以实现弹性通信系统。例如，如果PPDR使用专用频谱，特别是700MHz频段，会导致频谱使用效率低下，政府应主动在商业服务提供商与PPDR机构间安排频谱共享机制，为PPDR服务提供最低的QoS保证。向移动网络运营商提供700MHz会产生立即的经济效益，但如果700MHz是PPDR的专用频段，将对社会经济效益产生长远的影响。必须注意的是，频谱不仅是政府宝贵资源，同样也是社会的宝贵财富。
九、结论
5G正吸引业界、政府和学术界的极大关注，因此必须为灾后EMS做好充分的准备。此外，灾后网络场景的确切状态是不可预测的；因此应该构建自主和弹性系统的概念。本文讨论了灾后网络的体系结构，即拥塞网络、部分网络和孤立网络，以及提议的解决方案，如D2D、物联网、MANET、无人机等，或者它们的组合。研究了在5G框架内EMS应用的频谱分配。灾后EMS网络解决方案和无线资源分配策略，预计对监管机构、移动网络运营商和应急服务提供商是有用的。这些概念需进一步开发，以设计统一的灾后EMS框架，并将在异构的5G网络上进行测试。
(《中国指挥与控制学会通讯》编辑部特约译稿)
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