数字无线通信技术在森林防火中的应用

摘 要： 森林防火数字无线通信包括超短波通信网、短波通信网、卫星通信系统和应急通信保障车等几个方面；在日常预防及扑火应急通信中超短波通信网的作用是最为重要的，同时超短波通信网为用户实现了专用链路资源，为扑火应急通信提供了数据远程传输的手段；超短波通信基站的建设依托于林场资源及地理环境等条件，所以在基站的基础设施建设方面也提出了很多挑战。重点介绍数字超短波通信网的建设和火场应急情况下的结合便携通信设备、卫星设备和应急通信保障车的无线语音、数据和视频的传输方案及应用。

关键词： 无线通信网； 数字超短波通信网； 卫星通信； 应急通信保障车

中图分类号： TN92?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）13?0017?05

Application of digital wireless communication in prevention of forest fires

CAO Xuan

（Forestry Department of Guizhou Province， Guiyang 550001， China）

Abstract： Forest fire prevention communication includes ultrashort wave communication system， shortwave communication system， satellite communication system and emergency communication vehicle. In daily work， ultrashort wave communication system plays the most important role， in which a dedicated link is built for users， and a means of remote data transmission is provided. The construction of ultrashort wave base?station depends on forest resources and geographical conditions， therefore it gives us more challenges in infrastructure construction of the base?station. The constrcution of digital ultrashort communication system， and the data and video transmission solutions of portablecommunication device， satellite equipment， emergency communication vehicle are introduced emphatically.

Keywords： wireless communication net； digital ultrashort communication net； satellite communication； emergency communication vehicle

0 引 言

林业森林火灾是林业的重大灾害，会给森林资源造成巨大的危害，给人民生命财产带来不可估量的损失，对陆地生态系统造成破坏。而森林防火的工作就是保护森林资源、维护生态安全、保障林业可持续发展、促进社会和谐稳定的一项重要性公益事业和基础事业，因此，森林防火在林业可持续发展中尤为重要。由于林区内地广人稀，有线通信、移动电话等通信方式有局限性，为了保障林区防火工作的需要，需要建设森林防火的专业通信系统。无线通信系统是保障森林防火指挥部门组织指挥和管理的基本手段，也是确保森林防火指挥部门完成防火扑火任务的重要条件[1]。

无线通信系统传输距离远、抗毁性强以及可快速部署等特点，在突发事件发生时可提供强有力的通信保障。例如2008年5月12日，四川汶川发生8级地震，汶川等多个县级重灾区公网通信系统全面阻断，抢险救援人员通过无线通信设备实现人员调度指挥[2]。随着技术的不断发展，国家也确定了无线通信的数字化进程。

森林防火数字无线通信系统建设的整体思路如下：

构建超短波、短波、卫星通信等多种系统相互补充的无线音视频通信平台；构建统一调度指挥平台――统一规划、统一建设、统一调度指挥，保障日常防火需要；构建应急通信指挥平台――在扑火现场以应急通信车和便携式通信设备快速搭建前方指挥中心，即可建立与后方指挥中心的信息通道，又可同前方通信盲区以便携通信设备组成的临时通信网进行互联互通[3]。

1 系统组成

林业数字无线通信网主要包括超短波通信网、短波通信网、卫星通信系统和应急通信保障车几个方面，为森林防火提供了多种通信手段。超短波通信网为日常预防工作提供可靠的通信保障；在扑火应急方面超短波通信网结合便携通信设备、卫星设备和应急通信保障车可迅速在火场组建起以火场前指为中心的应急通信网络。系统应用框图如图1所示。

图1 超短波无线通信网

2 超短波通信网建设

2.1 数字同播系统

2.1.1 数字同播系统介绍

随着无线通信专网技术的不断发展，为解决日益增长的着专业无线通信用户的需求和日益枯竭的频谱资源之间的矛盾，新一代数字标准应运而生。基于数字技术标准的同播系统实现了模拟向数字的平滑过渡，从根本上解决互联互通及数字加密的困扰问题；尽可能保持了模拟系统原有的特色及使用习惯，发挥数字产品的优势，更能满足用户的需求[4]。

（1） 数字同播系统采用12.5 kHz TDMA双时隙，相对模拟大大提高了频谱利用率，缓解了频率资源紧张的局面；

（2） 数字同播系统采用大区制，建网成本低；

（3） 数字话音，抗干扰能力强，语音质量更好；

（4） GPS功能，终端有GPS定位功能，数字同播系统可实现GPS调度管理功能，对林业用户特别是扑火队员在紧急情况下更能保障其重大生命财产安全。

数字同播系统是为满足森林防火对专网通信的需要，解决用户从模拟向数字过渡的一种很好的专网通信解决方案。为了更好的切合林区应用，数字同播系统将充分利用并沿着集中式系统和分布式系统的混合组网，有线链路和无线链路的混合组网以及模拟模式和数字模式的混合组网方向发展。

2.1.2 林业数字同播系统解决方案

林区日常预防工作是林区为单位开展工作，需独立运行的通信网络；火场应急无线通信强调统一指挥、步调一致，要求具有调度指挥功能的多级通信网络。所以适合森林防火的应急无线通信网应该是在日常预防工作以县（林场）级为单位能独立通信，在有扑火任务时能立刻根据实际需要组建从火场到火场分前指、火场总前指的多级通信网络。

本方案设计了以县（林场）为单位组建数字同播系统网络，并在县林业局设置调度指挥中心，这是森林防火应急无线通信系统的骨干网络；在省、地市到县分别组建省?地市级、地市?县级的数字同播网络。省?地市级数字同播网通过调度管理平台分别同各地市?县级数字同播网络互联；各地市?县级数字同播网同样通过调度管理平台同各县（林场级）数字同播网络互联，实现了省、地市到县（林场）的行政级调度指挥网络。根据省、地市、县（林场）等地的自然条件不同，在省?地市、地市?县级的数字同播网络采用有线链路（比如E1、光纤等）；在县（林场）级的数字同播网络采用无线链路（比如网络电台、网桥、微波等）。

数字同播网组网示意图如图2所示。

图2 省、市、县三级数字同播组网图

在火场应急通信保障上以县（林场）级数字同播网络为骨干构建火场分级调度指挥无线通信网络。一般分为三级通信网络，一级通信网为以背负式中转台、背负式电台和对讲机等组成的扑火队专用通信网络；二级通信网为以火场分前指便携基站与临时中继站、应急通信保障车和背负式中转台组成的火场前指同扑火队进行联络组成的火场通信网；三级通信网是火场总前指通过县（林场）级数字同播网络与各火场分前指便携基站组成的调度指挥网。一、二级通信网络通过背负式中转台与前指便携基站与临时中继站、应急通信保障车等实现组网联通；二、三级网络通过便携基站同数字同播基站实现组网联通；三级网络通过数字同播网可实现与后方指挥中心的组网互联。

2.2 无线链路系统

2.2.1 无线链路种类

数字同播系统基站互联可通过有线IP（专线、E1、光纤等）和无线IP链路解决，满足数字超短波数字同播系统需要的无线IP链路包括网络电台、网桥、微波和卫星。

2.2.2 无线链路比较

无线链路比较见表1。

上述表格仅列举一般情况下的技术参数，不完全概括所有设备和情况。

2.3 数字超短波便携通信设备

2.3.1 便携式设备介绍

背负式中转台主要应用于应急火场组建火场一级通信网络，可快速方便的在火场以扑火队为单位组建临时通信网。

（1） 支持数字和模拟两种模式，能兼容现有常规模拟系统，保证模拟产品向数字产品平滑过渡；

（2） 支持多种呼叫方式，包括个呼、组呼、全呼、紧急呼叫；

（3） 具备北斗/GPS定位功能；

（4） 灵活组网，支持数字与模拟系统互联互通，能与固定基站组网中继，也能单独组网中继；

（5） 适应野外作业，防尘、防潮、防震、防雨淋等特性；

（6） 具备良好的便携性。

便携基站主要应用于应急火场组建火场二级通信网络，在火场分前指非常适用此设备，可围绕各火场分前指组建应急通信网，即可方便的实现一、二级网的联通，也可实现与火场三级通信网（火场总前指）的接入。

支持数字和模拟两种模式，能兼容现有常规模拟系统，保证模拟产品向数字产品平滑过渡；支持多种呼叫方式，包括个呼、组呼、全呼、紧急呼叫；具备GPS定位功能；灵活组网，支持数字与模拟常规互联互通，能与固定基站组网中继，也能单独组网中继；适应野外作业，防尘、防潮、防震、防雨淋等特性；具备良好的便携性。

2.3.2 便携式设备组网应用

便携式设备应用示意图如图3所示。

图3 便携式设备组网图

背负式设备应用示意图如图4所示。

图4 背负式设备组网图

3 无线视频传输系统

3.1 系统介绍

视频技术应用到森林防火工作中是提升森林防火工作水平的重要手段，对扩大监控范围、及时发现、及时扑救和提高指挥保障能力具有重大意义。

林业视频应用主要在几个方面：

森林防火指挥中心视频会议指挥调度；火场实时无线视频传输；遥控摄像监测林火。

下面重点介绍依靠超短波通信网络实现的火场实时无线视频传输系统。

无线视频图传系统采用的是COFDM调制技术，是目前世界上最先进的和最具发展潜力的调制技术，可在非视距条件下进行有效传输，COFDM技术对噪声和干扰有着很好的免疫力，绕射和穿透遮挡物是其核心技术；在无线视频传输领域有着广泛的应用[5]。

采用COFDM技术的无线视频传输系统，具有良好的非视距传输和高速移动传输性能，能提供高质量的实时图像和声音。通过车载或便携式设备可灵活、迅速地将现场实况声像直接传输或通过转发台，经有线（光纤、网络）或无线（卫星、微波、网桥等）链路回传至指挥中心。

3.2 无线视频传输解决方案

本文介绍的无线视频传输系统采用先进的COFDM调制技术，非常适合在森林防火中应用。传输系统包括三部分设备，分别是视频采集设备、车载接收/发射设备或便携综合监控指挥平台设备、基站接收/发射设备。

视频采集设备一般是背负式的便携设备，由单兵背负进行火场视频实时采集，是前方的音视频采集发射设备，将采集的图像发送到车载接收设备活便携综合监控指挥平台；

车载接收/发射设备是配备在应急通信保障车上设备，火场视频可经过车载接收设备接收，并通过发射设备或卫星、无线链路等设备发送到后方；便携综合监控指挥平台是适合于部署在前指或火场前方的便携式设备，可在火场前方实现视频监控指挥，也可以配置在应急通信保障车上；

基站接收/发射设备用于建设转发台，组建专用的视频传输网络。

便携综合监控指挥平台设备是一款可与视频采集设备一起配备的便携设备，可单独携带也可配备到应急通信车上，使用方便。

本文提出的视频解决方案是依靠超短波基站建设视频传输网络，即利用超短波基站覆盖，在基站加设基站接收机，通过超短波网络无线链路将视频图像回传至后方指挥中心。

4 应急通信保障车

4.1 应急通信保障车建设目标

应急通信车即应急通信系统示意图如图5所示，其必须满足以下几个基本要求：

小型化，这里的小型化并不是针对常规状态下的应急通信系统。常规情况下，系统是大区制的、广泛覆盖的，基站设备复杂，功能完善，可以满足工作要求。在特殊情况下，诸如地震、洪水、雪灾等破坏性的自然灾害面前，基础设施部分或全部受损，这时的应急通信设备需要具有小型化的特点，以便迅速运输、快速布设、节约能源；

快速布设，作为专用专网应急通信系统，应该具有能够快速布设的特点。

图5 应急通信系统示意图

节能型，由于某些应急场合电力供应不健全，完全依靠电池供电会带来诸多问题。因此，应急系统应该尽可能地节省电源，满足系统长时间、稳定的工作；

移动性，指挥调度中心可以随时接入到应急系统中。指挥调度中心可以达到指挥调度车辆、飞机，小到笔记本电脑、PDA等移动设备，利用无线链路远程监控整个系统；

简单易操作，应急通信系统要求设备简单、易操作、易维护，能够快速的建立、部署、组网。操作界面友好、直观，硬件系统连接端口越少越好。所有接口标准化、模块化，并能兼容现有的各种通信系统[6]。

同时，据GA/T528?2005《公安车载应急通信系统技术规范 》要求，省市级应急通信车除包含语音、视频、供电等子系统外，还应包含卫星通信、公网通信等系统，实现现场的音视频指挥调度以及与后方指挥中心的信息共享。

4.2 林业应急通信保障车

综合通信指挥车如图6所示。

5 无线通信技术在贵州林业的应用

根据贵州省地理环境和林区分布，结合现有的网络资源，贵州省的数字无线通信系统采取三级网络结构。在贵州省9个市（州、地）、89个县（市、区、特区）、10个省厅直属单位及省森林防火办公室共109个单位建设数字基站123个，以满足贵州省林业森林防火无线通信的需求。

图6 综合通信指挥车

数字无线通信网络的建设以省市县三级调度管理中心为系统架构：建成了从贵州省林业厅到各市州林业局的数字超短波通信网；建成了从市州林业局到其所属县林业局的数字超短波通信网；建成了从县林业局到下属林场、林区的数字超短波通信网。

平时各个县林业局独立管理自己的人员，实现人员的到岗查询、巡护联络以及信息的及时汇报，在发生火情的时候，可联动各个县或是各个市州单位进行统一的调度指挥。由于贵州省林业范围广，环境复杂，通过补充的移动中继台、背负式中继台、应急通信包、车载台等设备解决了基础通信网络存在的信号盲区问题。项目建成后，贵州省森林火灾预防、监测和扑救指挥综合能力将得到了显著提高。

6 结 论

随着无线通信技术的发展，专网通信解决了森林防火“听得清、看得见”问题，在森林防火上应用集音视频为一体的综合调度指挥应急无线通信网是必然趋势，合理的应用解决方案可为森林防火工作的预防、监控和扑火提供可靠的通信保障。

参考文献

[1] 周俊亮，张连生，肖非.我国森林防火无线通信的现状及今后的工作思考[J].森林防火，2004（3）：35?36.

[2] 孙玉.应急通信技术总体框架讨论[M].北京：人民邮电出版社，2009.

[3] 张伟，赵建伟，崔晓菲.如何搞好森林防火应急通信保障[J].森林防火，2011（1）：53?56.

[4] 国家森林防火指挥部办公室.国家森林防火指挥部办公室关于做好超短波对讲机专用频率落实工作的通知[M].北京：国家森林防火指挥部办公室，2012.

[5] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局GB20815?2006视频安防监控数字录像设备[S].北京：中国标准出版社，2006.

[6] 中华人民共和国公安部.GA/T528?2005公安车载应急通信系统技术规范[S].北京：中国标准出版社，2005.

[7] 杨宏，孔耀晖，茹晨光.基于GNU Radio和USRP的无线通信系统建模仿真[J].现代电子技术，2013，36（18）：73?77.

[8] 朱士群，牛伟，耿淑琴，等.基于nRF905无线通信系统的设计[J].现代电子技术，2013，36（5）：33?36.