(重慶通信學(xué)院，重慶 400035)

1 引 言

恐怖活動(dòng)的日益猖獗和自然災(zāi)害的頻發(fā)隨時(shí)可能使人們面臨電力、交通等基礎(chǔ)設(shè)施嚴(yán)重?fù)p毀，軍警民不能及時(shí)達(dá)成協(xié)同通信進(jìn)行維穩(wěn)、救援行動(dòng)的嚴(yán)峻情況。為了確保社會(huì)穩(wěn)定和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，應(yīng)急情況下的通信保障研究顯得尤為重要。目前對(duì)應(yīng)急通信研究已經(jīng)比較全面，但專門針對(duì)移動(dòng)通信在應(yīng)急通信中保障的研究成果并不多。機(jī)動(dòng)式移動(dòng)通信系統(tǒng)快速部署正是移動(dòng)通信應(yīng)用于應(yīng)急通信的重要內(nèi)容。本文首先分析了搶險(xiǎn)救災(zāi)和處突維穩(wěn)等應(yīng)急行動(dòng)的特點(diǎn)以及對(duì)通信保障的要求，然后提出了快速部署的總體思想，并對(duì)其中的容量分析和覆蓋算法進(jìn)行重點(diǎn)闡述，最后介紹系統(tǒng)資源的分配，形成一套完整的系統(tǒng)快速部署方案。

2 應(yīng)急通信對(duì)通信保障的要求

特大自然災(zāi)害與現(xiàn)階段的恐怖活動(dòng)往往事發(fā)突然、救援和處突條件艱巨、空間廣闊、參與力量多元、指揮上聯(lián)合，對(duì)通信保障提出了前所未有的挑戰(zhàn)和要求。

(1)事發(fā)突然，時(shí)間緊迫，要求通信保障具有快速反應(yīng)能力

從美國(guó)“9·11”恐怖襲擊到我國(guó)“3·14”藏獨(dú)分子“打、砸、搶、燒”暴力事件等恐怖活動(dòng)和 “5·12”四川汶川特大地震等重大自然災(zāi)害看，恐怖活動(dòng)和自然災(zāi)害都有突發(fā)性強(qiáng)，發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)、類型、規(guī)模不確定的特點(diǎn)，這要求通信保障必須充分準(zhǔn)備，要具備快速反應(yīng)能力，確保在任何情況下都能遂行各種條件下的應(yīng)急通信保障任務(wù)。

(2)參與力量多元，聯(lián)合組織，要求通信保障具有“協(xié)同通”能力

參與執(zhí)行處突維穩(wěn)和搶險(xiǎn)救災(zāi)等多樣化任務(wù)的隊(duì)伍，通常由部隊(duì)、武警、公安等多種力量組成。它們的行動(dòng)通常聯(lián)合組織，統(tǒng)一指揮。為確保各種力量能夠團(tuán)結(jié)協(xié)作，密切配合，要求對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行合理有效分配，建立軍、警、地一體化通信保障網(wǎng)，以確保各方力量能夠協(xié)調(diào)一致，發(fā)揮整體效能。

(3)環(huán)境惡劣，情況復(fù)雜，要求通信保障具有“抗擾通、抗毀通、保密通”能力

搶險(xiǎn)救災(zāi)和處突維穩(wěn)行動(dòng)都面臨著參與救援力量多元、通信手段多樣、電磁重疊、環(huán)境復(fù)雜等問題，同時(shí)，處突維穩(wěn)還有可能伴有恐怖分子電磁干擾、通信竊密以及打擊破壞我方通信設(shè)備的情況，這就要求通信保障具備較強(qiáng)的抗擾、抗毀和保密通能力，能夠克服自然和人為因素對(duì)其造成的各種不利影響，確保通信指揮的穩(wěn)定可靠。

3 機(jī)動(dòng)式移動(dòng)通信系統(tǒng)

目前，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)已形成了覆蓋國(guó)土范圍的公眾網(wǎng)，在搶險(xiǎn)救災(zāi)和反恐維穩(wěn)中發(fā)揮了重要的作用。但由于自然災(zāi)害和恐怖分子襲擊等影響，部分地區(qū)仍會(huì)形成無線覆蓋的熱點(diǎn)和盲區(qū)，導(dǎo)致原有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)不能滿足這些地區(qū)處理突發(fā)事件的通信需求。為了保障任務(wù)分隊(duì)的指揮通信，需要用到機(jī)動(dòng)式移動(dòng)通信系統(tǒng)作為移動(dòng)通信網(wǎng)的應(yīng)急支撐體系[1]。

機(jī)動(dòng)式移動(dòng)通信系統(tǒng)由基站、交換控制器、電源及其附屬設(shè)備組成，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)通信系統(tǒng)的小型化、車載化。每個(gè)單系統(tǒng)可單獨(dú)提供無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，也可通過多種中繼手段互聯(lián)組成多系統(tǒng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。機(jī)動(dòng)式移動(dòng)通信系統(tǒng)具有集成度高、設(shè)備體積小、接口多樣、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、組網(wǎng)靈活、保密性好等特點(diǎn)。這些優(yōu)勢(shì)使該系統(tǒng)有能力擔(dān)負(fù)起救援、維穩(wěn)行動(dòng)的保障任務(wù)。但由于搶險(xiǎn)救災(zāi)和反恐維穩(wěn)活動(dòng)受領(lǐng)任務(wù)緊急、時(shí)效性要求高、準(zhǔn)備時(shí)間短的實(shí)際情況，又要求機(jī)動(dòng)式通信系統(tǒng)具有快速部署能力，以便能更加迅速地建立順暢有效的指揮網(wǎng)，提高通信保障的快速反應(yīng)能力。機(jī)動(dòng)式移動(dòng)通信系統(tǒng)的快速部署的內(nèi)容主要包括容量分析、系統(tǒng)站址選擇、系統(tǒng)基站覆蓋范圍計(jì)算、號(hào)碼分配、中繼鏈路選擇、頻率分配等。

4 機(jī)動(dòng)式移動(dòng)通信系統(tǒng)快速部署

4.1 系統(tǒng)快速部署的總體思想

根據(jù)應(yīng)急行動(dòng)的具體任務(wù)，明確通信保障的地域范圍和所需業(yè)務(wù)類型及分布情況，借助電子地圖在該區(qū)域生成業(yè)務(wù)密度圖。然后，根據(jù)任務(wù)的規(guī)模估算出所需業(yè)務(wù)量，再用業(yè)務(wù)量除以系統(tǒng)的業(yè)務(wù)容量，即得到區(qū)域所需的系統(tǒng)數(shù)量。接下來，根據(jù)GIS提供的地理信息結(jié)合所得的業(yè)務(wù)密度圖，依據(jù)系統(tǒng)基站盡量位于業(yè)務(wù)區(qū)重心的原則，初步確定系統(tǒng)的部署位置。再依據(jù)保障任務(wù)提出的建網(wǎng)目標(biāo)，通過計(jì)算機(jī)編程仿真利用合適的電磁波傳播模型，進(jìn)行鏈路預(yù)算，得到各系統(tǒng)的覆蓋范圍圖，直接從圖中觀察出系統(tǒng)的一些覆蓋指標(biāo)，與預(yù)期目標(biāo)進(jìn)行比較，符合則站址確定，否則，重新初選基站站址，重復(fù)上述過程。最后，根據(jù)確定的站址，分配網(wǎng)絡(luò)資源，形成系統(tǒng)快速部署方案?？傮w思想框圖如圖1所示。

圖1 總體思想框圖Fig.1 Block diagram of general design

4.2 容量分析

容量分析包括業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)和容量估算兩部分，主要目的是根據(jù)搶險(xiǎn)救災(zāi)和處突維穩(wěn)任務(wù)的規(guī)模估計(jì)出所需業(yè)務(wù)總量或等效總業(yè)務(wù)量，然后除以機(jī)動(dòng)式移動(dòng)通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)容量得到所需的系統(tǒng)數(shù)量[2]。同時(shí)，利用業(yè)務(wù)密度預(yù)測(cè)方法確定規(guī)劃區(qū)的業(yè)務(wù)重心點(diǎn)，為系統(tǒng)部署位置的確定提供參考。

4.2.1業(yè)務(wù)密度預(yù)測(cè)及業(yè)務(wù)密度圖的生成方法

容量分析首先涉及到的是業(yè)務(wù)密度的預(yù)測(cè)，業(yè)務(wù)密度預(yù)測(cè)的目的是得出目標(biāo)規(guī)劃區(qū)內(nèi)每個(gè)地理點(diǎn)上的業(yè)務(wù)量密度，有了這一數(shù)據(jù)就可以確定在保障區(qū)域所需的業(yè)務(wù)量，也就可以知道所需系統(tǒng)數(shù)量、位置以及信道配置是否合理，通過業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)可以生成直觀的業(yè)務(wù)密度圖。對(duì)于保障搶險(xiǎn)救災(zāi)和處突維穩(wěn)這樣時(shí)效要求嚴(yán)格的任務(wù)，應(yīng)該采用最簡(jiǎn)單有效的方法來生成業(yè)務(wù)密度圖來構(gòu)建應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，具體方法簡(jiǎn)述如下：

(1)導(dǎo)入三維電子地圖；

(2)在數(shù)字地圖上為各地理點(diǎn)賦予不同的業(yè)務(wù)權(quán)重值。救援、維穩(wěn)行動(dòng)與災(zāi)情和恐怖分子的動(dòng)態(tài)密切相關(guān)，可以根據(jù)任務(wù)方案在數(shù)字地圖上對(duì)各地理點(diǎn)賦予不同的通信業(yè)務(wù)權(quán)重值，如圖2所示；

圖2 業(yè)務(wù)權(quán)重值設(shè)置圖Fig.2 Business weight setting

(3)根據(jù)業(yè)務(wù)權(quán)重設(shè)置值，進(jìn)行業(yè)務(wù)模擬分析，統(tǒng)計(jì)出數(shù)據(jù)指標(biāo)，生成業(yè)務(wù)密度圖。

4.2.2容量估算

所需的總業(yè)務(wù)量可以根據(jù)具體救援、維穩(wěn)行動(dòng)需要通信人數(shù)按保障人員數(shù)量及使用的業(yè)務(wù)類型(如語音和數(shù)據(jù))分別統(tǒng)計(jì)出來，然后利用等效方法把所有業(yè)務(wù)等效成語音業(yè)務(wù)，求出總的等效業(yè)務(wù)量。機(jī)動(dòng)式移動(dòng)通信系統(tǒng)是自干擾系統(tǒng)，系統(tǒng)容量計(jì)算涉及的因素和假設(shè)的條件比較多，計(jì)算相對(duì)復(fù)雜[3]。系統(tǒng)的容量是由上行鏈路和下行鏈路的容量共同決定的。在上行鏈路指移動(dòng)臺(tái)沒有足夠的功率克服別的移動(dòng)臺(tái)干擾，在下行鏈路則指基站發(fā)給各移動(dòng)臺(tái)的功率總和達(dá)到基站功率限制。理論上，該系統(tǒng)容量是下行受限的，這是因?yàn)橄到y(tǒng)相對(duì)于移動(dòng)臺(tái)有較好接收技術(shù)，包括天線分集與多用戶檢測(cè)。所以在實(shí)際應(yīng)用中一般用的是下行鏈路的系統(tǒng)容量，具體數(shù)值可根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算得到。

4.3 系統(tǒng)覆蓋范圍

依據(jù)系統(tǒng)站址盡量部署在靠近區(qū)域業(yè)務(wù)重心點(diǎn)且交通便利易于機(jī)動(dòng)式移動(dòng)通信系統(tǒng)機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)移的地理點(diǎn)的原則，可在電子地圖中初步確定出系統(tǒng)部署的數(shù)量和站址。通過鏈路預(yù)算可得出最大路徑損耗，并能映射為系統(tǒng)的覆蓋范圍。

4.3.1鏈路預(yù)算

鏈路預(yù)算是機(jī)動(dòng)式移動(dòng)通信系統(tǒng)快速部署中必不可少的一步，是進(jìn)行通信資源分配的有效工具，通過它能夠指導(dǎo)規(guī)劃區(qū)內(nèi)小區(qū)半徑的設(shè)置、所需系統(tǒng)的數(shù)目和位置的分布。鏈路預(yù)算從根本上來說是一個(gè)計(jì)算無線覆蓋范圍的等式，該等式是一些影響無線鏈路的增益和損耗的代數(shù)和。鏈路預(yù)算要做的工作就是在保證通話質(zhì)量的前提下，確定系統(tǒng)和移動(dòng)臺(tái)之間的無線鏈路所能允許的最大路徑損耗[4]。再結(jié)合修正過的電波傳播模型，將最大路徑損耗映射為傳播距離，就可以得到系統(tǒng)的覆蓋范圍。

鏈路預(yù)算分為上行和下行兩種。由于機(jī)動(dòng)式移動(dòng)通信系統(tǒng)的前向鏈路采用正交的Walsh碼進(jìn)行擴(kuò)頻，系統(tǒng)與系統(tǒng)之間通過GPS同步，對(duì)干擾具有較強(qiáng)的抑制作用。而反向鏈路很難進(jìn)行同步，同時(shí)由于受到體積、重量和電池容量的制約，手機(jī)的發(fā)射功率不可能做得很大。因此，反向鏈路預(yù)算通常決定系統(tǒng)的覆蓋范圍，其模型如圖3所示。

圖3 反向鏈路預(yù)算模型Fig.3 Uplink budget model

由圖3可以得出反向鏈路允許的最大路徑損耗為：最大允許路徑損耗=業(yè)務(wù)信道有效發(fā)射功率-基站天線接收端所需最小信號(hào)功率-預(yù)留余量。

4.3.2仿真結(jié)果及驗(yàn)證分析

根據(jù)覆蓋區(qū)內(nèi)95%的通信概率、覆蓋邊緣75%通信概率得到最大的路徑損耗值，然后選用經(jīng)過校正的電波傳播模型(采用Lee模型)，在規(guī)劃區(qū)的電子地圖上依據(jù)地理點(diǎn)的地形特征、高程等因素，借助GIS的數(shù)據(jù)計(jì)算出各系統(tǒng)的覆蓋范圍。經(jīng)反復(fù)調(diào)整系統(tǒng)位置并仿真后，最終可以得到滿足任務(wù)所需的通信效果。圖4為編程仿真所得的重慶市沙坪壩某區(qū)域3個(gè)系統(tǒng)的覆蓋范圍圖。

為驗(yàn)證系統(tǒng)快速部署的效果，曾利用綜合演練時(shí)機(jī)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)。將3套機(jī)動(dòng)式移動(dòng)通信系統(tǒng)開赴圖中地點(diǎn)，然后利用移動(dòng)終端對(duì)系統(tǒng)覆蓋區(qū)域和邊緣進(jìn)行測(cè)試。從電測(cè)情況看，當(dāng)時(shí)同時(shí)開設(shè)的3個(gè)基站覆蓋范圍內(nèi)接通率為95%以上，邊緣地區(qū)接通率也超過了75%，與最初設(shè)計(jì)的覆蓋指標(biāo)相吻合。實(shí)踐證明，仿真結(jié)果基本上達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)，說明了該種系統(tǒng)快速部署方法是行之有效的，可以運(yùn)用于實(shí)際任務(wù)之中。

圖4 覆蓋規(guī)劃圖Fig.4 Coverage planning

4.4 資源分配

機(jī)動(dòng)式移動(dòng)通信系統(tǒng)在快速部署過程中，必須充分重視網(wǎng)絡(luò)資源的規(guī)劃，提高系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)資源利用率，提升系統(tǒng)的整體保障效能，其主要包括電話號(hào)碼分配、載波頻率分配等[5]。

4.4.1電話號(hào)碼分配

機(jī)動(dòng)式移動(dòng)通信系統(tǒng)電話號(hào)碼分配方案要根據(jù)實(shí)際通信保障需求臨時(shí)配置使用，是組織機(jī)動(dòng)式系統(tǒng)遂行應(yīng)急通信保障任務(wù)的重要文書。當(dāng)機(jī)動(dòng)式系統(tǒng)與其它通信網(wǎng)系互聯(lián)互通時(shí)，為便于使用和管理，機(jī)動(dòng)式系統(tǒng)電話號(hào)碼應(yīng)由通信部門與其它通信網(wǎng)系的電話號(hào)碼統(tǒng)一編擬。

4.4.2載波頻率分配

機(jī)動(dòng)式移動(dòng)通信系統(tǒng)采用單載波單扇區(qū)體制，相鄰系統(tǒng)(即相鄰小區(qū))之間載波不能相同，以避免相互干擾，必須進(jìn)行載波規(guī)劃。同時(shí)，該系統(tǒng)載波頻率可使用專用頻段的f1、f2、f3 3個(gè)頻點(diǎn)，這就為系統(tǒng)按頻率復(fù)用進(jìn)行小區(qū)規(guī)劃打下了基礎(chǔ)。當(dāng)多系統(tǒng)組網(wǎng)開設(shè)時(shí)，各機(jī)動(dòng)式系統(tǒng)應(yīng)分別使用不同頻點(diǎn)，當(dāng)開設(shè)系統(tǒng)多于3套時(shí)，可重復(fù)使用頻點(diǎn)，但會(huì)因同頻干擾縮小覆蓋范圍。機(jī)動(dòng)式系統(tǒng)只有3個(gè)頻點(diǎn)可供載波使用，規(guī)劃策略相對(duì)簡(jiǎn)單，如圖5所示，其中A、B、C分別代表系統(tǒng)的3個(gè)頻點(diǎn)f1、f2和f3。

5 結(jié) 論

文中提出的機(jī)動(dòng)式移動(dòng)通信系統(tǒng)快速部署方案可以在移動(dòng)固定基站被毀壞或網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋盲區(qū)迅速選擇最優(yōu)站點(diǎn)進(jìn)行多系統(tǒng)自組網(wǎng)，提供快捷、安全、可靠的通信保障，滿足了搶險(xiǎn)救災(zāi)和處突維穩(wěn)任務(wù)提出的對(duì)通信保障要求，為救援、維穩(wěn)分隊(duì)提供了一種快速有效的組網(wǎng)通信的方法，為發(fā)揮機(jī)動(dòng)式移動(dòng)通信系統(tǒng)最大效能提供參考依據(jù)，對(duì)未來的第三代機(jī)動(dòng)式移動(dòng)通信快速部署也具有重要的借鑒意義。

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