借鉴美国FirstNet 建议统筹全国5G应急专网

原创文章 发布:思齐 日期:2019-11-05 06:38 5G应急专网

作者简介
李进良教授,1952年毕业于清华大学电机系电信组,教授级高级工程师,中国移动通信领域的奠基人之一,享受政府特殊津贴专家,中国移动通信联合会常务理事,中国通信学会会士。长期关注移动通信产业的发展,从事战术通信与移动通信系统的科研生产工作长达50多年,力推TD在我国的发展。

今年6月6日工信部提前半年多时间发放5G牌照,吹响了中国誓赢5G进军号,振奋了神州大地,随着5G的正式商用,基于5G的突出优势,将在5G创新业务应用上出现全面爆发。5G和4G时代相比,不仅仅是通信行业的进步和生活方式的变化,更是社会发展方式的深刻变革,国际上普遍认为这将导致应急通信的革命。在此面临变革的关键时刻,专业应急移动通信该如何发展?这就需要业界高瞻远瞩,深入思考。

 

 

美国应急通信的发展启示


就中国与美国应急管理和应急通信而言,美国的幅员、人口与中国相当,天灾人祸发生的种类和频次,政府机构的管理层次和模式都有很多的相似度和可比性。而且美国科技先进也必然促进其防灾减灾救灾能力不断提升,在应急管理和事件响应方面的实践历史最长,各类事件案例最多,经验总结最全,事件管理、指挥、培训和演练体系也与时俱进,因此,其应急通信的技术与组织管理方面的经验教训值得我国学习,对建立和完善符合我们国家具体情况和事件响应的客观需要有很大的借鉴作用。下面重点放在考察美国在这方面的发展历史、现状和未来发展趋势。
 
1.21世纪FirstNet的规划与建设
2004年,911独立委员会关于2001年911恐怖事件的调查报告中针对当时政府应急通信存在的各自为政、互不相通、频率和标准不统一等问题,提出了建议“国会应该支持为加快和提高公共安全目的的无线电频谱分配提供的立法,此外,对于像纽约和华盛顿那样的高风险城市地区,应该建立通信保障单位保证在所有民事部门、地方第一响应人员和国民卫队之间的通信连接。这样的保障单位的联邦拨款资金,国会应该给予高度重视,优先考虑。”
 
2005年,卡特尼娜飓风报告关于应急通信的经验教训提到:“首要考虑的应该是通信。一次又一次地表明缺乏有效的通信被认为对事件响应和恢复行动产生负面影响。来自当地的第一响应人员、地方、州和联邦官员和军事人员,通信的中断妨碍了协调和恢复行动。在响应中的长期拖延可以直接归因于官员无法与其他人以及那些有能力帮助他们的上层官员沟通。”
 
2006年,布什总统签署一项要求电视台在2008年2月前腾空电视频道52—69的法律。
 
2007年,美国在国土安全部专门新设立了应急通信办公室。美国联邦通信委员会在电视台腾空的700MHz频段中划出了10MHz(5X5),然后指定了称为D模块的另外10MHz 作为拍卖来投标。投标获胜者将要求和公共安全合作形成一个私营/公共伙伴关系来建设一个全国的公共安全宽带专用网络。
 
2010年,当D模块频谱在拍卖中流标后,公共安全是否需要多于10MHz的频谱来满足它的宽带需要产生分歧,摩托罗拉公司在加州的阿拉米达郡部署了一个由3个蜂窝站点组成的公共安全LTE网络,开展了模拟真实能力要求的测试。大多数的本地事件都发生在一个相当小的地理区域,但要求大量的公共安全人员,通常包括法律、消防和紧急医疗救护等。这就意味着网络的能力需要以一个蜂窝扇区为基础来计算而不是在一个广域网络计算。还要记住LTE宽带提供从蜂窝站点下行到现场设备比上行方向更快的数据速率。在一个事件期间,数据和视频业务的需要将是双方向的,因此网络上下行的能力和速度需要纳入考虑范围。这些测试和随后的报告给联邦通信委员会和国会议员提供了表明公共安全业界需要获得一个完整的20MHz(10X10MHz)而不是已经分配的只有10MHz频谱的结论。
 
2012年,美国国会通过立法分配公共安全20MHz专用频率,并由新成立的第一响应人员网络管理部门(FIRSTNET)来规划、建设、运营和管理全国公共安全宽带网络。
 
2017年3月30日美国商务部和其属下的权威机构FIRSTNET正式宣布由美国AT&T主导的联合体中标来建设专门为美国的第一响应人员的第一个全国公共安全无线宽带网络FirstNet(FirstResponders Network)。签订了长达25年的合同,将提供20MHz的高价值频谱和未来五年里支付65亿美元来支持该网络的建设;AT&T将在合同期内花费约400亿美元来建设、部署、运行和维护基于700MHz频段4GLTE网络,并专注保证公共的可靠覆盖。截至2018年6月,美国52个州/地区全部加入FirstNet,共有超过1000家的公共安全机构成为FirstNet的客户。另外AT&T还将为FIRSTNET的用户接入公司的所有电信网络资产。AT&T还决定对确定加入全国部署计划的各州的公共安全用户将在FirstNet的 700 MHz 频段B14和所有AT&T的150MHz 频谱的商业网络享有优先权和根据应急业务各部门的要求设置业务优先等级。虽然全国公共安全宽带网络的主要目的是给公共安全用户提供任务关键通信,系统多余带宽容量可以作为第二用途卖给AT&T的商业客户。计划花五年的时间建成公共安全宽带专用频率网络覆盖城市和郊区的95%,实现100%最终公共安全设备连接的目标。这样全球第一个具有全新创新模式的,为所有各级政府及政府所有各应急响应部门服务的全国公共安全宽带网络就诞生了。
 
AT&T还计划在700MHz频段建设5G网络,将共网模式进行到底,将创新和演进这个网络来保持公共安全业界在基础先进的前沿。例如随着5G能力在未来几年的开发,在FirstNet网络上将提供视频和数据传输速度指数增加。它将能扩展警察官员和其他第一响应人员在现场接收信息的质量和种类。这将增强情景感知、决策和公众和官员们的安全。在全国范围,协同互通的语音和数据网络还可以支持在一个联合事件或联合响应行动中所有参与的机构和部门之间更好的通信和合作。当有重大事件或重大活动会导致大量使用蜂窝通信时,FirstNet将保证公共安全机构给予优先业务,所以他们能够即使在蜂窝业务临时对其他用户暂停时保持通信。进一步发展以公共安全为重点的物联网和智慧城市解决方案,如提供附近的交通状况的实时信息来确定到达一个应急现场的最快路径。启用比如警察和消防员的可穿戴传感器和摄像头和可以提供接近实时的事件(例如火灾、洪水或犯罪等)图像的配备摄像机的无人驾驶飞机和机器人等高级功能。
 
2.FirstNet的创新性
(1)技术体制创新是基于4GLTE并向5G演进,建立完整、可靠和高效的应急通信网。同时解决公共安全通信市场规模不大,生态系统较难维持,经济规模小,价格高昂,多厂家供货和持续技术和产品保障问题。
 
(2)组织管理创新是国家主控下的政府与社会资本PPP合作模式,国家统一规划协调;运营商为所有各级政府(省、市、县)的所有公共安全和灾难救援各部门和机构提供日常和应急响应的通信保障。
 
(3)网络规模创新是全国性建设、运营、维护、升级统管,解决应急响应各部门、各地区第一响应人员统一指挥和协同互通的问题。
 
(4)频谱应用创新是专用的700MHz的20MHz带宽,并将公共商业频谱和公共安全频谱两个资源整合统一调剂,解决公共安全平时频率使用不足,事件应急响应时又不够用的矛盾。
 
一举就将之前应急通信的技术落后、组织分散、地区分割、频谱零碎、各自为政种种弊端一扫而光,无疑这是专业应急通信的革命。
 
2017年11月美国警察行政研究论坛发布了一份《应急通信的革命》的研究报告,明确地提到“应急通信领域即将进入一个重大变化和转型时期。”虽然该报告是针对美国的政府应急通信系统或网络的背景、现状和未来发展趋势进行的研究。无疑对我国是具有他山之石可资借鉴的作用。

 

 

 

 

我国专业应急通信的现状

 

 

 

1.技术上的差距
我国公众移动通信产业经过三十多年的高速增长,实现了从“2G跟随”“3G突破”到“4G同步”以至“5G领跑”的跨越。4G迅猛发展,建成了全球规模最大的4G网络。为了应对未来不断涌现的各类新业务和应用场景,5G应运而生,正在建网即将运营。
 
遗憾专业应急移动通信在这期间虽然技术上也在缓慢进步;但是相对公众移动通信无论系统标准、技术专利、网络规模、产品性能,以至所用芯片元器件、成本都已远远落后。
 
(1)系统标准
公众移动通信已经制定了1G/2G/3G/4G/5G等5代标准。
 
而专业移动通信只制定了数字无中心通信系统与APCO25、iDEN和TETRA等不同制式数字集群通信系统标准。而最早的模拟对讲机却迟至2005年欧洲才制定数字对讲机标准,大体上相差2代。
 
我国从1974年开始划分专业移动通信频率,制定74系列、80系列、90系列等模拟体制标准,2000年才参照TETRA和iDEN制定了数字集群标准,在21世纪对讲机才参照欧标制定了中国数字对讲机标准以及专用于公安的PDT标准。近几年开始移植4G的LTE研发生产宽带高速专业移动通信系统。
 
(2)技术专利
对于3G,TD-SCDMA在华专利申请共6634件,其中89%来自国内。
 
对于4G,由于TD-LTE被确定为TD-SCDMA的后续演进标准,受到了中国政府和企业的高度重视,到2009年占到总量的72.5%。
 
对于5G,截止2019年6月,华为2160件名列第一,诺基亚1516件第二,中兴1424件第三,超越了高通、三星。
 
而专业移动通信的技术专利屈指可数。数字集群虽有国家标准,但专利核心技术仍掌握在国外厂商手中,如空口加密技术不予公开,我方无法自行加密,造成诸多安全隐患和使用不便;2014年公安部门决定推广自主制定的PDT标准,有了创新专利,才克服了上述缺陷。
 
(3)网络规模
当前中国4G有全球最大的全国性网络,4G用户规模为12.4亿户。
 
而专业移动通信的数字集群只有北京、上海、广州、深圳等几个城市网,用户也超不过20万,加上模拟对讲机也不过两千多万。
 
(4)产品性能
公众移动通信的终端产品无论是体积、重量、功耗,适应各种恶劣气候、不同环境、各种移动体的安装、运动以及恶劣移动传播变参条件等方面丝毫不亚于战术通信电台;而数据速率、容量等性能则大大优于专业移动通信。
 
(5)芯片与成本
当前的4G手机多是28纳米芯片;5G已是7纳米芯片,系统单片集成。这就是上述产品性能得以保证的根本原因。也因此成本大大降低。
 
而专业移动通信由于规模小,技术落后,仍然使用中小规模集成电路,成本难以降低。
 
2017年4月7日我在环球专网通信的深圳会议上做了《专业移动通信应移植公众移动通信技术》的报告。随着公网对讲(PoC)的发展,9月27日泉州会议又发表了《拥抱公网对讲的春天专业移动通信还应利用公众移动通信网络》
 
2.组织管理上的问题
除了技术上的差距之外,专业应急移动通信领域的组织管理,我国显得异常分散薄弱。
 
就国务院来说原有安全生产、消防管理、地质灾害、水旱灾害、森林防火、草原防火,防汛抗旱等13个部门,机构重迭、政出多门。就不能形成统一指挥的应急管理体制。就一个城市来说除了120急救电话之外,还有公安110、火警119、交警122和12345市长公开电话等特服号码;此外,水、电、气和热等等公共事业还有诸多服务号码,许多社会活动需要各部门的协同工作。如果各个部门都建立独立的指挥调度通信,一方面分散投资,造成建设资金、频率资源及各种物力的匮乏与浪费,从而影响了其建设进度、规模及水平。另一方面多头分散建设,必然造成防灾应急体系各自为政,网络规模不大,覆盖地区有限,设备七国八制,信令不一,无法兼容,无法进行配合和协调,必要的联合行动难以迅速有效的实施,彼此的数据库信息资源及人力、物力不能共享,就有可能在应对突发事件时延误战机。此外,频谱效率低下,如防汛应急网,汛期不够用,平时又闲置;缺乏专业队伍进行维护,往往新建时好使用,多年后设备老化无法更新,技术体制也不能与时俱进升级,质量逐渐降低,甚至瘫痪。
 
灾害的多发性、广泛性诸如洪水泛滥涉及上下游多个省市地区,雪灾遍布北方广大地区,没有全国性应急通信保障体系是无能为力的。
 
以2003年爆发非典突发公共卫生事件为例,初期各地区医院分属市、区、县,各部、军警和各行业,医院彼此之间缺乏有效联系。没有及时对全国的疫情制订统一的报告、收集、汇总制度,各地信息互不沟通,以致非典疫情很快蔓延全国。
 
相反作为全球人流物流最频繁的美国却能够遏制这场席卷全球的“非典”灾难,仅报告了十几个“非典”病例。主要是建立了一个全国性可监测瘟疫传播和生物袭击的电脑信息通信系统。正反两方面的经验教训充分说明全国一盘棋的必要性。
 
灾害的突发性往往瞬刻就造成无可挽回的巨大损失,全国必须争分夺秒及时灵敏反应才能化解特大安全风险。从2001年911美国恐怖袭击事件来看,美国的防灾体系仍然比较脆弱,当时起飞拦截的空军飞机不知劫机的准确位置,就不能制止世贸二号楼与五角大楼的灾难。“9.11”事件告戒我们:常规的有线通信和蜂窝移动通信在灾难发生时都不足以保证信息的畅通,说明建立一个反应灵敏的具有抗毁性的全国指挥调度通信网对于事前的防范、事后的抢救是多么的必要!
 
21世纪初我曾在《通信机世界》等媒体发表《发展全国数字集群共用网是专业移动通信的必然方向》,对必要性、可行性、基本条件、国际上的成功案例等作了论述。然而历史的局限性,这一超前的倡议没有取得各界的共识,也就没有向这个方向发展。
 
2017年全国人大对国务院机构作了重大改革,组建了应急管理部,重提发展全国数字集群共用网的倡议是时候了。我结合当下的情况发表了《发展全国数字集群共用网是应急通信保障体系的必然方向》作为抛砖引玉,期望引起业界共同探讨,集思广益,取得共识。遗憾又是两年过去了,并没有引起主管部门的重视。

 

 

四点建议


为了适应当前应急通信革命的潮流,探索5G条件下我国如何发展这一命题,建议:

1.建立基于5G的专业应急移动通信论坛
参照美国国家公共安全通信联合会(NPSTC)由一切相关政府机构参与、包括所有公共安全通信相关单位、业内同行组织建立基于5G的专业应急移动通信论坛,这是跨专业、跨地区的一个协调机制,连接政府立法、行政管理、学术研究、产业和各级政府公共安全通信用户的一个论坛。可以在网上发扬技术民主,集中技术思路,进行业务调研、技术讨论、分析利用5G技术与网络开展专业应急移动通信业务的可行性,以求得对我国专网发展的共识。同时对专业应急移动通信未来的发展趋势如何?中国究竟应该怎样发展?国家应该怎样立项组织其基础应用研究,提出合理的先进的体系和技术体制,为我国未来专业应急移动通信的健康发展提出建设性意见。
 
2.制定基于5G的专业移动通信国家标准
针对业界当前“各自为政”的严重现象,平台之间(包括公网对讲和B-TrunC、PDT等专网集群系统之间)互联、互通、兼容等存在困难,不利于保护最终用户利益的情况。应对5G标准深入分析消化,探讨如何利用5G的技术与网络来更好满足专业移动通信的6大特点和要求。对现有各种公网对讲的运用情况进行调查研究,总结经验教训,进行客观公正的试验评审,取长补短,促进融合,可以在此基础上吸收其精华到统一的未来公网对讲国家标准中。国家需要及早设置5G公专结合的研究子项,制定基于5G的专业移动通信国家标准。
 
3.划分应急专用频段
参照美国从电视频段中划分与之相同频率的20MHz带宽,确保公共安全在灾情下可靠通信不受干扰的频谱,专用于5G应急专网,给予承担建立、运营全国5G应急专网的运营商。
 
4.建立统筹全国5G应急专网权威机构
参照美国新成立的第一响应人员网络管理部门(FIRSTNET)来规划、建设、运营和管理全国公共安全宽带网络。
 
期望国家主管部门为实现应急通信的革命,贯彻国家公共安全战略及时牵头组织,统筹全国5G应急专网,给予频率与资金支持,业内同行能同心合力,全面深刻消化5G技术,脚踏实地促进公专结合,全国5G应急专网就可能乘5G东风早日部署运营,全面提高我国防灾减灾救灾能力!

 

 

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