數位無線電應用於室內空間救災現場通信方式探討
Discussion on the Use of Digital Radios for Communication During Disaster Responses in Indoor Spaces

前言

    戰場上,若通訊受到硬體或其他因素阻撓而受到限制,減損了協調反應能力,再優秀的指揮官、再精良的部隊,也難免因未即時傳達的消息而受到折損。而救災,更是分秒必爭的戰役。我們發現目前救災使用的通訊方式,其實存在更好的選擇。若能進一步使得通訊更加穩定可靠,將能提昇未來各項行動的效率。以下簡述使用中之通訊方式,並提出實際建議。

    On the battlefield, hindrances in communication due to hardware or other issues can result in impaired coordination and responses. Even the best commanders and most elite troops could suffer setbacks if information was not communicated in a timely manner. Similarly, in disaster response work, every second counts. Our team has found that the communication methods currently employed in disaster relief can be further improved upon, and that creating heightened stability and reliability in on-site communication can lead to better efficiency in future operations. The article offers a brief description of the current communication methods and practical suggestions for improvement.

▎無線電的應用

    當今幾乎人手一隻的行動電話,使人與人之間的溝通緊緊相連。即使行動通訊服務已經具有寬頻且價廉的優勢,在關鍵任務的執行上,行動電話仍無法取代無線電對講機。無線電對講機不需透過系統,達到即時一對多廣播的特性,正是消防救災指揮調度的重要工具。

▎通訊模式

    各地區消防局皆設有無線電中繼台(或稱轉播機),任何無線電通訊都會經過轉播機轉發,其目的便是使無線電對講機在轄區範圍內,以中繼轉發方式,隨時與勤務指揮中心保持通話。

    場景來到勤務現場,救災救援現場無線電通訊此時切換到直通模式。直通模式,即無線電對講機不經過中繼台轉發信號的通話模式。無線電波在開放空間傳遞可以達到一定距離,可若受到阻擋或遮蔽,通訊距離則會大幅縮短。一般情況下,負責大區域通訊的中繼台電波信號僅能涵蓋建物外部,或是靠近建築物外牆的小部分區域,一旦深入建築物內部、或受遮蔽物阻隔,使用中繼通話模式的無線電將無法發話。

    在室內,影響無線電對講機通話距離的變數不勝枚舉,例如建築物結構的材質,隔間材料等等。因此,在大型地下購物商場、長隧道等場域,受限於手持無線電對講機本身有限的發射功率、天線長度等因素,在通訊距離上存在諸多挑戰。

    圖1.表示一大型地下室內空間救災現場,現場指揮官為了能與進入室內的隊員通話,通常不會距離建築物出入口太遠。以直通模式通訊,受地形地物影響,指揮官的無線電信號可能只有較接近出入口的隊員 C,與在室外的隊員 D 能收到。此時隊員 C 仍可以用覆誦方式轉發訊息給隊員 A 與 B。

    近年來新建的大型公共場所,皆有設置消防用無線電輔助設備,最常見的方式之一是通訊用洩波電纜。洩波電纜可以視為一個延伸到室內深處的低增益天線。使用洩波電纜做為輔助通訊時,會將一台無線電機(通常為車用無線電對講機)的天線端口,連接到洩波電纜介面箱內的端子,並將該無線電機切換到與隊員手持對講機相同的直通頻道。請參閱圖 2.,現場指揮官或負責通訊的人員,可透過該無線電機與進入建築物內的隊員 A,B,C 通話。因無線電機調整在直通頻道,隊員 A,B,C 之間,不需透過洩波電纜輔助,可相互保持直接通話。但是在建築物外,持相同頻道對講機的隊員 D,有可能因洩波電纜電波輻射距離限制,無法加入通話。

▎行動中繼的應用

    中繼轉播機的功能即轉發無線電波信號,一般都會設置在制高點,搭配高增益天線使電波涵蓋範圍盡可能擴大。行動中繼轉播機,是將機動式的轉播機臨時設置於救災現場,尤其應用在大面積沒有設置洩波電纜的室內空間,利用轉播機較優的發射功率與接收靈敏度,將無線電信號的涵蓋範圍增加,解決室內與室外間的通信障礙。行動中繼轉播機也可搭配洩波電纜使用。透過獨立收發天線工作時,可將轉播機放置於建築物出入口附近。

    行動中繼轉播機可以解決車機連接洩波電纜通訊時,建築物內部與外部人員無法直接通話的限制,故現場指揮官可以於任意位置,以手持對講機進行調度指揮。參閱圖3. 以(圖1)相同的場景為例,使用中繼轉播機時,可將室內無線電通訊範圍更擴大。

    受限於傳統無線電轉播機的電路特性,所有中繼轉播機必須在收發異頻(註(一))的設定下才能使用。故行動中繼轉播機實際應用在救災時有一限制:無線電對講機在中繼模式下離開行動轉播機之信號涵蓋範圍時,若不更改通話頻道,彼此間將無法收 / 發話(註(二))。

    如圖 3. 所示,A,B,C三名隊員進入建築物內,隊員 B 與 C 在行動中繼轉播機通訊涵蓋範圍內。隊員 A 因距離岀入口較遠,脫離了中繼轉播機的信號涵蓋。因無線電機工作在中繼模式時,所有的通話都必須經由中繼轉播機轉發,於是此時隊員 A 的無線電機已經無法收 / 發話,即便距離最近的隊員 B 亦無法透過無線電與 A 通話。

▎數位式同頻中繼技術的應用

    數 位 式 同 頻 中 繼 是 分 時 多 工(TimeDivision Multiple Access) TDMA 調變技術(註(三))應用的一種,可以在單一無線電頻率上,藉由 TDMA 技術切割出的實體無線電通道,使「發射」 與 「接收」信號共用相同的頻率完成傳送。如圖 4. 所示,隊員 A 與隊員 B 之間的通話,可透過轉播機轉發,亦或用點對點方式直接完成,信號的選擇由無線電手機自行判斷。藉由這個技術,我們可以有效的解決上述使用傳統行動轉播機時的限制:

    離開轉播機信號涵蓋範圍的無線電機,可以自動判斷在同一頻率上不同時間槽的信號,即同時可搜尋來自轉播機或是其他手機所發出的信號,故仍可以與附近的無線電保持通話。

    圖 5. 表示數位式同頻中繼應用在(圖 1)場景,使用數位式同頻中繼模式通訊,A,B,C三名隊員皆進入建築物內,隊員 A 已經移動到轉播機信號涵蓋區外,此時指揮官發話,建築物內只有隊員 B 與隊員 C 接收到,隊員 B 或隊員 C 回話,信號透過行動中繼傳送給指揮官與其他隊員的同時,隊員 A 的無線電也可以接收隊員 B 或隊員 C 的回話。反之,隊員 A發起通話,雖然信號無法傳送到行動中繼轉播機,但是在附近的隊員 B 或隊員 C 的無線電機將會自動判斷,接收到隊員 A 的呼叫。

▎結論

    透過洩波電纜的輔助,提供了大型室內空間救災無線電通訊相當大的幫助。但沒有設置任何輔助通訊設施的場所仍不在少數,行動中繼轉播機的應用機將愈來愈常見。

    救災人員執行勤務時,需極度專注在任務上。無線電通訊是輔助設備,是維持人員即時訊息傳遞的重要方式,故使用無線電通訊,不宜有複雜的操作或切換,以降低因操作錯誤造成通信失效。因此,執行勤務中最理想使用無線電對講機的方式是直覺化操作。

    數位式同頻中繼技術正提供了這樣的優點,在原本行動中繼擴大了救災現場通訊涵蓋的優點外,也解決了一旦脫離通訊涵蓋範圍時立刻無法通話的困難。

    無論通訊環境如何改變,只要按下通話鍵,就可以即刻發話,並確保與隊友保持穩定的聯繫,才能成為可靠的裝備。

註(一):

    收發異頻中繼通訊方式:中繼台將「發射」與「接收」二種不同方向的無線電訊號放大並轉發,以增加通訊範圍。如下圖所示,中繼轉播機工作時,是同一時間執行「發射(TX)」與「接收(RX)」的動作,因傳統無線電技術限制,「發射」與「接收」的頻率不得相同,故傳統無線電中繼應用需要使用「 頻率 1(F1)」 與 「頻率 2(F2)」(收發異頻),來完成通訊。

註(二):

    如註(一)說明,傳統中繼模式的無線電手機,「發射」與「接收」頻率需設定不相同,如下圖,二組無線電手機離開了轉播機的信號涵蓋範圍,即使二者距離相近,也無法完成通訊。

註(三):

    TDMA 技術應用在無線電通訊上,是在原 本的無線電載波,以時間方式切割成的不同的 區塊。請參閱下圖,切割出的區塊,我們稱做 時槽(Time Slot),運用該技術,可以提高無 線電頻率的使用效率。