疫情防控通信技术研究

陈 亮

（南京科技职业学院，江苏 南京 210048）

0 引 言

新型冠状病毒肺炎（Corona Virus Disease 2019,COVID-19），简称“新冠肺炎”，世界卫生组织将其命名为“2019冠状病毒病”，是指2019新型冠状病毒感染导致的肺炎。截至2021年2月，全球已有上亿人感染新冠肺炎，且有数百万人死亡。为了控制新冠肺炎疫情的传播，在卫生防疫部门的专业指导下，社会各界都发动起来群策群力，发挥自身专业特长，为疫情防控做出贡献，其中通信业为此次疫情防控做出了突出贡献。

1 基于通信技术的疫情防控技术调研

目前比较成熟和大规模使用的方案主要是运营商提供的通信大数据行程卡、各地基于大数据分析的健康码和苹果/谷歌公司发布的暴露通知系统（Exposure Notifications System）。下面分别对三种方案做技术分析。

1.1 通信大数据行程卡

通信大数据行程卡，是由中国信通院联合中国电信、中国移动、中国联通三家基础电信企业，利用手机“信令数据”，为全国16亿手机用户免费提供的查询服务。手机用户可通过此服务，查询本人前14天到过的所有地市信息。“通信大数据行程卡”分析的是“手机信令数据”，通过用户手机所处的基站位置获取，信令数据的采集、传输和处理过程自动化，有严格的安全隐私保障机制，查询结果实时可得、方便快捷。“通信大数据行程卡”的数据全国通用，真正做到全国一张网全面覆盖，还可以查询到本人国内手机号的国际行程。这些都是在确保用户信息安全的前提下进行的，可为疫情防控、复工复产、道路通行、出入境等方面提供科学精准的技术支撑。

通信大数据行程卡涉及的通信相关的技术主要是基站定位，其原理如下：移动通信网络由许多按照一定规则布局的基站构成，每个基站不仅具体位置不变，且有固定编号。手机开启后会自动搜索周边基站，并选取信号最优的接入，还会随着位置变换自动切换基站。移动通信网络有一个位置登记器，手机与基站建立通信后，移动网络会将该手机号码连接的基站编号传回手机属地的位置登记器并记录下来。因此，移动网络可以通过用户接入的基站编号知道用户的大致位置，即连接的基站位置以及一定的误差范围，其精确度取决于该基站的覆盖范围，一般精确度从几百米到几千米。如果需要更准确的位置信息，例如精确到米及以下，运营商可以通过多点定位方案来确定手机的精确位置，各个基站检测接收到的信号参数包括信号到达时间（时间差）、信号到达方位角、到达信号的强度等。

此方案存在的问题：为确保通信连续、实现覆盖无盲区，进而提供更好的通信服务质量，行政区划交界处的两地基站信号可能会交叉覆盖，造成结果的偏差。如果用户居住在靠近城市边界的位置，或者长途自驾、乘坐火车等就有可能出现这种情况。

1.2 健康码

健康码主要是基于手机号码的定位以及身份证号码下的消费记录、乘车和飞机记录、填报行程信息或者扫描场景位置登记等，结合疫情进行大数据分析后的结果展示。

各种健康码基本都是对接的“通信大数据行程卡”，同时还通过其他渠道获取个人14天内的一些行程和行为数据，例如：过往14天的GPS定位位置、WiFi定位数据、线下扫码商家位置、购买火车票的信息等。如果某人买了一张去往疫情严重城市的火车票，健康码很可能就会变色。健康码不是单一的存在，也不是通常所理解的仅仅依据个人填写的数据。所有人通过末端填写并提交数据，后台对大量的数据库进行分析，首要查看近期访地记录、医院就诊记录、个人申报地周边的疫情情况等，最终才能给出相应的结果。

健康码涉及的通信技术包括卫星定位和WiFi定位，其原理分别如下：

（1）卫星定位

卫星在太空不停向地面发射导航电文信号，等于实时标注自身位置。一旦手机接收到多颗卫星信号，就可以通过手机与每颗卫星的距离、角度等推算出手机的位置。常见的卫星定位系统有中国的北斗、美国的GPS、俄罗斯的GLONASS等。GPS芯片会接收太空中多颗卫星的同步信号，然后根据信号的相位差，计算出具体的经纬度。卫星定位系统的优点在于：精度高和室外覆盖良好，误差一般在15 m以内；其缺点在于：在室内和城市建筑密集场所可能会由于没有卫星信号，无法测量位置。

（2）WiFi定位

每个WiFi接入点（Access Point, AP）都有全球唯一的MAC地址，且会不停发射SSID广播，其中包含MAC地址。如果手机开启无线功能，WiFi天线就会时刻侦测周围的无线热点信号和MAC地址，并将其提供给专门的位置服务商。一般情况下，用户周边会有多个WiFi AP信号源，此时手机会默默地解析出所有WiFi AP的MAC地址。如果某些WiFi AP的信息在数据库中已经存在，则可以根据信号强度，推导出未知WiFi AP的经纬度。如果没有已知WiFi AP，而手机碰巧打开卫星定位，则也能根据卫星定位的数据完成对WiFi AP位置的关联和数据采集。这样，服务商就能基于WiFi AP的位置获取个人的具体定位。该方案的缺点在于：手机不一定会始终开着WiFi，当关闭WiFi的时候则无法实现定位。

1.3 暴露通知

苹果iOS 13.7 系统加入了COVID-19“暴露通知”系统，允许用户在当地公共卫生机构的支持下，直接从系统内通过该功能来快速获取暴露风险提醒，并获取就医指引。根据苹果公司宣传，“暴露通知”能够在不侵犯隐私的前提下，使用轮替的随机蓝牙标识符来确定用户是否可能曾暴露于声明已感染COVID-19的患者，其具体技术工作原理如下：

（1）iPhone使用蓝牙来保存全天的日志。iPhone会查找已打开“暴露通知”的iOS和安卓手机，并将其共享标识符的日志滚动保存14天。

（2）如果有人确诊COVID-19，系统可进行报告并匿名通知密接者。

（3）如果公共卫生管理机构通知某人已暴露，此人的iPhone将检查日志以确定其是否已暴露于COVID-19确诊者。如果暴露超出公共卫生管理机构的标准，此人会收到相应通知。

虽然iOS 13.7允许用户直接从系统内使用“暴露通知”，但前提是当地的公共卫生机构要提供一定支持。对于国内用户而言，目前可以通过由工信部指导，中国信通院、中国电信、中国移动、中国联通共同推出的iOS应用“通信行程卡”来激活“暴露通知”。“通信行程卡”2.0 版本，在提供行程查询的基础上，加入了基于蓝牙低功耗（BLE）协议的近距离接触提醒功能。当用户在开启蓝牙时打开行程卡 APP，应用就会在手机本地记录下同样开启行程卡服务的蓝牙设备近距离接触信息（包括接触时间），接触记录将在各自的手机中加密存储，如 14 天之内接触双方并未感染新冠肺炎，数据将自动清除。而如果与近距离接触过的人被诊断为新冠肺炎确诊/疑似患者，用户便可以在第一时间收到行程卡发来的提醒，及时进行健康观察。iOS 13.7 的“暴露通知”功能获取的数据也支持共享至“通信行程卡”APP。

此方案需要用户终端打开蓝牙，而某些情况下终端用户会关闭蓝牙，使得该方案无法发挥作用。

2 基于移动通信技术的疫情防控创新方案

2.1 方案背景

在通信大数据行程卡和健康码等方案中，移动通信网络根据用户手机的历史轨迹（基站小区或者省市级别的范围）来确定用户是否有可能接触到疫情确诊病例。这样的方法会因基站小区覆盖范围广（可达几百米到几千米）、定位精度差，而存在误报和漏报的可能，精准度较差，需要再结合公共卫生流行病学调查等其他方式缩小密切接触者范围。

由于手机终端的普及使用以及手机的移动通信功能（如2G/3G/4G/5G等）基本上处于始终打开的状态，本文通过深入研究提出一种使用移动通信网络支持疫情防护的创新方案。基于移动通信网络下手机与手机之间直接通信的功能，通过相对位置定位以及身份识别来完成对COVID-19密切接触者的识别和暴露通知。

移动通信网络由终端、基站和核心网组成。其中：终端主要有个人使用的手机和其他物联网设备；基站主要负责将终端通过无线方式接入移动通信网络，并连接到核心网；核心网主要负责用户的接入认证、授权和计费以及提供接入互联网或者其他数据网络的通道。移动网络架构如图1所示。

图1 移动网络架构图

移动网络中手机具有如下三类身份：

（1）手机号码：手机用户公开使用的编号，是用户被叫时，主叫用户需要拨的号码。

（2）国际移动用户识别码（International Mobile Subscriber Identity, IMSI）：用于区分蜂窝网络中不同用户、在所有蜂窝网络中不重复的识别码。该身份存储在手机SIM卡和核心网中，可以通过网络对用户做接入授权、认证和计费，可以唯一标识用户。IMSI对手机用户来说是不可见的。

（3）临时移动用户识别码：为了避免监听者识别并追踪特定的用户，大部分情形下手机和网络之间的通信会使用随机产生的临时移动用户识别码（Temporary Mobile Subscriber Identity, TMSI）代替 IMSI。

随着社会手机普及率提高，手机都已具有上述身份信息，通过5G环境下设备到设备（Device to Device, D2D）和长期演进（Long Term Evolution，LTE，即4G）D2D技术能够实现手机之间直接通信的技术方案。

2.2 创新方案

本文提出利用D2D技术来实现对新冠肺炎感染者的近距离接触人群的识别和预警。由于手机和移动通信网络有用户的身份和位置信息，当以确诊患者使用的手机作为追踪对象时，根据该确诊患者的活动轨迹，找到近距离接触人员作为密切接触者并发出预警。创新方案架构如图2所示。

图2 创新方案架构

假设终端2是确诊病例，终端1是密切接触者，具体方案功能流程步骤（如图3所示）如下：

图3 创新方案功能流程

（1）终端1通过无线信号发送自己的临时身份（TMSI-1）给基站，该信号是无线发送，在附近的终端2可以接收到该无线信号。

（2）终端2通过无线信号发送自己的临时身份（TMSI-2）给基站，该信号是无线发送，在附近的终端1可以接收到该无线信号。

（3）终端2接收终端1的无线信号并且记录终端1的临时身份。信号接收范围可以选择性地通过手动或者由移动通信网络/公共防疫中心设定（例如1 m）。

（4）终端2将终端1的临时身份发送给基站。

（5）基站将终端2的临时身份和终端2发来的终端1的临时身份信息发给网管，将两者关联作为密切接触者，可选的包括收到上述信息的时间和位置（基站小区编号）。

（6）网管将上述信息发送给数据分析平台。

（7）数据分析平台将搜集的终端2和1的临时身份信息发给核心网网络设备，通过网络设备查询该临时身份对应的用户真实身份信息（身份证号码、手机号码）；数据分析平台将保存从网络设备收集到的用户真实身份信息、位置信息和时间信息。

（8）公共防疫中心收集确诊患者（终端2）的手机号码或者身份证号码、感染时间，发送给数据分析平台；数据分析平台根据终端2的手机号码或身份证信息、感染时间以及收集的其他数据，生成数据分析报告发送给公共防疫中心，该报告包括终端2用户以及附近的其他用户（如终端1）的信息。根据报告，公共防疫中心将终端1作为密切接触者，进行后续防疫处理。

3 结 语

个人所处的位置、行踪记录等属于高级别的个人隐私，受到法律保护。新冠疫情是威胁人民生命安全和国家经济发展的重大公共卫生事件，国家相关机构在职权范围内提取和利用公民的行动轨迹等隐私信息，是借助隐私信息对全体公民的一种保护，符合相关法律规定，也符合全民的整体利益。

本文提出了一种基于移动通信D2D技术的疫情防控技术方案。该方案定位和识别准确度高、可靠性好，且不依赖于卫星、蓝牙和WiFi等其他通信技术，具有较广泛的适用性。移动通信技术不是全能的，必然在某些情况下有其局限性，后续将继续深入研究优化提升的方案；除进一步挖掘通信技术的潜力，还将考虑与其他技术（如视频和图像识别、大数据分析和人工智能等）结合，在疫情防控的准确、高效、便利和实时等方面开展研究，为更好地控制疫情传播做出贡献。