暴雨后的無人機和衛星網

　　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止鄭州。德國也在暴雨后的網絡癱瘓中。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，完全成了信息孤島。

　　即便在移動通信尚未完全斷絕的鄭州市內，人們也發現網絡「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網絡，打電話，發短信不受影響。為什么2G信號穩定？

　　北京郵電大學網絡技術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，剩余基站的2G信號所能覆蓋的區域仍然能夠為大量用戶提供基本的通話和短信服務。

　　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后9小時，為米河鎮帶來了4G信號。手機短信上寫著「受翼龍無人機滯空時間限制，公網恢復時間只有五個小時。」

　　德國萊茵蘭-普法爾茨州則利用SpaceX的星鏈衛星網，搭建天線恢復信號。

空中基站

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

搭載基站設施的翼龍-2H搭載基站設施的翼龍-2H

　　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信中斷區的同時，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個基站通信。不過之后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信服務能力，但不具備恢復條件，而無人機則可以借助通信衛星信道，將機載移動通信基站連接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信服務。

　　無人機在米河鎮上空盤旋，能夠提供50平方公里范圍的4G網絡服務。半小時后，地面通信設施陸續恢復：23:30聯通公司搶通了1個基站；兩個多小時后中國移動公司的衛星通信車也到達現場開通網絡服務。

　　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信所能提供帶寬的限制。因此，無論是服務時間還是能夠提供的網絡資源、連接質量、服務用戶數量，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急通信目標需求之后選擇的一個平衡點。比如，在此次應急通信任務中，由于時間緊迫，要求快速恢復災區手機終端的通信服務，因此無人機的飛行高度不能超出手機信號發射的有效距離。

　　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用戶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信號強度。

　　這些制約因素都決定了無人機必須在移動性、網絡質量、覆蓋區域、用戶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，也就是空中基站運行后20分鐘，中國移動基站累計接通用戶3572個，產生流量2089.89M，單次最大接入用戶648個。也就是說，在這20分鐘里，每個用戶使用了0.59M的流量，大概可以發30分鐘時長的微信語音信息。

　　作為一種應急通信手段，在地面通信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范圍區域內少量用戶的最低限度通信。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平方公里范圍內的數百萬人口提供通信服務，就遠不是一架無人機能夠承擔的任務了。

基礎通信的「替補」

　　這次鄭州的通信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，就用應急通信車；無法開車的地方，組織突擊隊，攜帶應急通信設備徒步前往；沒有地面通道，就使用陸軍的直升機空投人員和設備。

　　李昕強調，「應急通信手段并不能替代通信基礎設施，甚至應急通信手段能夠發揮多大的作用，也取決于網絡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事件之后紐約通訊癱瘓，美國電信運營商使用的方案是車載基站。這相當于地面基站的一份完整備份，車隊到達現場后先恢復網絡，同時搶修光纜。這與此次翼龍無人機進行應急通信的思路有類似之處：先用替代方案恢復通信，再搶修地面設備。

　　翼龍最早是用于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信演練，這是第一次被正式用于搶險救災。

　　這次無人機搶險救災，并不是一次心血來潮的炫技或靈光一現的創意，而要歸功于中國移動多年前就開展的研發、測試、驗證等一系列扎實的工作，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，那怎么辦呢？2017年美國波多黎各島遭遇颶風襲擊，地面的通信設施大面積損害，災害過去兩周后通訊依舊無法恢復，谷歌的熱氣球項目Project Loon此時派上了用場。

　　由于島上的通信設施整體癱瘓，因此必須依靠由多個氣球攜帶的基站組成的網絡向地面用戶提供通信服務，氣球上的基站則通過通信衛星線路，與未受颶風影響的地面網絡保持連接。

　　多個熱氣球穿越對流層，抵達平流層后停留，在空中組成網絡。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，不支持手機直接連WiFi，需要在地面安裝電線。二是要通過算法隨時保證熱氣球群徘徊在特定的上空。

　　這一項目的首席工程師Salvatore Candido接受IEEE Spectrum采訪時形容：這在很大程度上是一個計算機科學項目。根據大氣情況，先后放飛的熱情球路線需要一個一個按順序計算。

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的初衷是向偏遠和基礎設施缺乏的地區提供互聯網服務。不過在今年年初，這一已有9年的項目宣布關閉。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月時德國政府宣布將補貼每戶500歐元，幫助基礎設施薄弱的鄉村地區搭建天線設備，讓居民使用無線網絡服務。與鋪設遠程光纜相比，接入衛星寬帶顯然成本更低。

　　趕上德國遭遇洪水，星鏈的寬帶網絡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，幫助居民使用互聯網。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用戶提供網絡服務的能力，在災害場景下，星鏈也是一種有效的應急通信解決方案。

　　不過谷歌氣球和星鏈方案，其飛行高度都已經超過手機終端信號發射距離的極限，因此都要依靠專用的地面設備發揮類似于基站的功能，用戶才可以獲得網絡服務。

　　在災害條件下，對于普通居民，臨時空投地面設備并指導其安裝使用并不是一個高時效性的解決方案，地面設備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，但提供服務的范圍有限；星鏈和熱情球可以覆蓋更大范圍，也更穩定，但需要地面設備配合。在自然災害面前，除了有充分的技術儲備，也在于如何使用已有的技術。

天通衛星系統車載天線天通衛星系統車載天線

　　除了移動用無人機聯通衛星保搶通通信，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，保證了醫院轉移調度衛星通話暢通，為及時安全轉移11350名患者發揮了重要作用。