應急行動中機動式移動通信系統(tǒng)快速部署方案

(重慶通信學院，重慶 400035)

1 引 言

恐怖活動的日益猖獗和自然災害的頻發(fā)隨時可能使人們面臨電力、交通等基礎設施嚴重損毀，軍警民不能及時達成協同通信進行維穩(wěn)、救援行動的嚴峻情況。為了確保社會穩(wěn)定和人民的生命財產安全，應急情況下的通信保障研究顯得尤為重要。目前對應急通信研究已經比較全面，但專門針對移動通信在應急通信中保障的研究成果并不多。機動式移動通信系統(tǒng)快速部署正是移動通信應用于應急通信的重要內容。本文首先分析了搶險救災和處突維穩(wěn)等應急行動的特點以及對通信保障的要求，然后提出了快速部署的總體思想，并對其中的容量分析和覆蓋算法進行重點闡述，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 應急通信對通信保障的要求

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

(1)事發(fā)突然，時間緊迫，要求通信保障具有快速反應能力

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

(2)參與力量多元，聯合組織，要求通信保障具有“協同通”能力

參與執(zhí)行處突維穩(wěn)和搶險救災等多樣化任務的隊伍，通常由部隊、武警、公安等多種力量組成。它們的行動通常聯合組織，統(tǒng)一指揮。為確保各種力量能夠團結協作，密切配合，要求對網絡資源進行合理有效分配，建立軍、警、地一體化通信保障網，以確保各方力量能夠協調一致，發(fā)揮整體效能。

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

搶險救災和處突維穩(wěn)行動都面臨著參與救援力量多元、通信手段多樣、電磁重疊、環(huán)境復雜等問題，同時，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備的情況，這就要求通信保障具備較強的抗擾、抗毀和保密通能力，能夠克服自然和人為因素對其造成的各種不利影響，確保通信指揮的穩(wěn)定可靠。

3 機動式移動通信系統(tǒng)

目前，移動通信網絡已形成了覆蓋國土范圍的公眾網，在搶險救災和反恐維穩(wěn)中發(fā)揮了重要的作用。但由于自然災害和恐怖分子襲擊等影響，部分地區(qū)仍會形成無線覆蓋的熱點和盲區(qū)，導致原有移動通信網絡不能滿足這些地區(qū)處理突發(fā)事件的通信需求。為了保障任務分隊的指揮通信，需要用到機動式移動通信系統(tǒng)作為移動通信網的應急支撐體系[1]。

機動式移動通信系統(tǒng)由基站、交換控制器、電源及其附屬設備組成，實現了移動通信系統(tǒng)的小型化、車載化。每個單系統(tǒng)可單獨提供無線網絡服務，也可通過多種中繼手段互聯組成多系統(tǒng)移動通信網絡。機動式移動通信系統(tǒng)具有集成度高、設備體積小、接口多樣、機動性強、組網靈活、保密性好等特點。這些優(yōu)勢使該系統(tǒng)有能力擔負起救援、維穩(wěn)行動的保障任務。但由于搶險救災和反恐維穩(wěn)活動受領任務緊急、時效性要求高、準備時間短的實際情況，又要求機動式通信系統(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，提高通信保障的快速反應能力。機動式移動通信系統(tǒng)的快速部署的內容主要包括容量分析、系統(tǒng)站址選擇、系統(tǒng)基站覆蓋范圍計算、號碼分配、中繼鏈路選擇、頻率分配等。

4 機動式移動通信系統(tǒng)快速部署

4.1 系統(tǒng)快速部署的總體思想

根據應急行動的具體任務，明確通信保障的地域范圍和所需業(yè)務類型及分布情況，借助電子地圖在該區(qū)域生成業(yè)務密度圖。然后，根據任務的規(guī)模估算出所需業(yè)務量，再用業(yè)務量除以系統(tǒng)的業(yè)務容量，即得到區(qū)域所需的系統(tǒng)數量。接下來，根據GIS提供的地理信息結合所得的業(yè)務密度圖，依據系統(tǒng)基站盡量位于業(yè)務區(qū)重心的原則，初步確定系統(tǒng)的部署位置。再依據保障任務提出的建網目標，通過計算機編程仿真利用合適的電磁波傳播模型，進行鏈路預算，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，與預期目標進行比較，符合則站址確定，否則，重新初選基站站址，重復上述過程。最后，根據確定的站址，分配網絡資源，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)務預測和容量估算兩部分，主要目的是根據搶險救災和處突維穩(wěn)任務的規(guī)模估計出所需業(yè)務總量或等效總業(yè)務量，然后除以機動式移動通信系統(tǒng)的業(yè)務容量得到所需的系統(tǒng)數量[2]。同時，利用業(yè)務密度預測方法確定規(guī)劃區(qū)的業(yè)務重心點，為系統(tǒng)部署位置的確定提供參考。

4.2.1業(yè)務密度預測及業(yè)務密度圖的生成方法

容量分析首先涉及到的是業(yè)務密度的預測，業(yè)務密度預測的目的是得出目標規(guī)劃區(qū)內每個地理點上的業(yè)務量密度，有了這一數據就可以確定在保障區(qū)域所需的業(yè)務量，也就可以知道所需系統(tǒng)數量、位置以及信道配置是否合理，通過業(yè)務預測可以生成直觀的業(yè)務密度圖。對于保障搶險救災和處突維穩(wěn)這樣時效要求嚴格的任務，應該采用最簡單有效的方法來生成業(yè)務密度圖來構建應急通信網絡，具體方法簡述如下：

(1)導入三維電子地圖；

(2)在數字地圖上為各地理點賦予不同的業(yè)務權重值。救援、維穩(wěn)行動與災情和恐怖分子的動態(tài)密切相關，可以根據任務方案在數字地圖上對各地理點賦予不同的通信業(yè)務權重值，如圖2所示；

圖2 業(yè)務權重值設置圖Fig.2 Business weight setting

(3)根據業(yè)務權重設置值，進行業(yè)務模擬分析，統(tǒng)計出數據指標，生成業(yè)務密度圖。

4.2.2容量估算

所需的總業(yè)務量可以根據具體救援、維穩(wěn)行動需要通信人數按保障人員數量及使用的業(yè)務類型(如語音和數據)分別統(tǒng)計出來，然后利用等效方法把所有業(yè)務等效成語音業(yè)務，求出總的等效業(yè)務量。機動式移動通信系統(tǒng)是自干擾系統(tǒng)，系統(tǒng)容量計算涉及的因素和假設的條件比較多，計算相對復雜[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。在上行鏈路指移動臺沒有足夠的功率克服別的移動臺干擾，在下行鏈路則指基站發(fā)給各移動臺的功率總和達到基站功率限制。理論上，該系統(tǒng)容量是下行受限的，這是因為系統(tǒng)相對于移動臺有較好接收技術，包括天線分集與多用戶檢測。所以在實際應用中一般用的是下行鏈路的系統(tǒng)容量，具體數值可根據系統(tǒng)參數計算得到。

4.3 系統(tǒng)覆蓋范圍

依據系統(tǒng)站址盡量部署在靠近區(qū)域業(yè)務重心點且交通便利易于機動式移動通信系統(tǒng)機動轉移的地理點的原則，可在電子地圖中初步確定出系統(tǒng)部署的數量和站址。通過鏈路預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鏈路預算

鏈路預算是機動式移動通信系統(tǒng)快速部署中必不可少的一步，是進行通信資源分配的有效工具，通過它能夠指導規(guī)劃區(qū)內小區(qū)半徑的設置、所需系統(tǒng)的數目和位置的分布。鏈路預算從根本上來說是一個計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和。鏈路預算要做的工作就是在保證通話質量的前提下，確定系統(tǒng)和移動臺之間的無線鏈路所能允許的最大路徑損耗[4]。再結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。

鏈路預算分為上行和下行兩種。由于機動式移動通信系統(tǒng)的前向鏈路采用正交的Walsh碼進行擴頻，系統(tǒng)與系統(tǒng)之間通過GPS同步，對干擾具有較強的抑制作用。而反向鏈路很難進行同步，同時由于受到體積、重量和電池容量的制約，手機的發(fā)射功率不可能做得很大。因此，反向鏈路預算通常決定系統(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)務信道有效發(fā)射功率-基站天線接收端所需最小信號功率-預留余量。

4.3.2仿真結果及驗證分析

根據覆蓋區(qū)內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)的電子地圖上依據地理點的地形特征、高程等因素，借助GIS的數據計算出各系統(tǒng)的覆蓋范圍。經反復調整系統(tǒng)位置并仿真后，最終可以得到滿足任務所需的通信效果。圖4為編程仿真所得的重慶市沙坪壩某區(qū)域3個系統(tǒng)的覆蓋范圍圖。

為驗證系統(tǒng)快速部署的效果，曾利用綜合演練時機對仿真結果進行了檢驗。將3套機動式移動通信系統(tǒng)開赴圖中地點，然后利用移動終端對系統(tǒng)覆蓋區(qū)域和邊緣進行測試。從電測情況看，當時同時開設的3個基站覆蓋范圍內接通率為95%以上，邊緣地區(qū)接通率也超過了75%，與最初設計的覆蓋指標相吻合。實踐證明，仿真結果基本上達到了最初的設計目標，說明了該種系統(tǒng)快速部署方法是行之有效的，可以運用于實際任務之中。

圖4 覆蓋規(guī)劃圖Fig.4 Coverage planning

4.4 資源分配

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

4.4.1電話號碼分配

機動式移動通信系統(tǒng)電話號碼分配方案要根據實際通信保障需求臨時配置使用，是組織機動式系統(tǒng)遂行應急通信保障任務的重要文書。當機動式系統(tǒng)與其它通信網系互聯互通時，為便于使用和管理，機動式系統(tǒng)電話號碼應由通信部門與其它通信網系的電話號碼統(tǒng)一編擬。

4.4.2載波頻率分配

機動式移動通信系統(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，必須進行載波規(guī)劃。同時，該系統(tǒng)載波頻率可使用專用頻段的f1、f2、f3 3個頻點，這就為系統(tǒng)按頻率復用進行小區(qū)規(guī)劃打下了基礎。當多系統(tǒng)組網開設時，各機動式系統(tǒng)應分別使用不同頻點，當開設系統(tǒng)多于3套時，可重復使用頻點，但會因同頻干擾縮小覆蓋范圍。機動式系統(tǒng)只有3個頻點可供載波使用，規(guī)劃策略相對簡單，如圖5所示，其中A、B、C分別代表系統(tǒng)的3個頻點f1、f2和f3。

5 結 論

文中提出的機動式移動通信系統(tǒng)快速部署方案可以在移動固定基站被毀壞或網絡信號覆蓋盲區(qū)迅速選擇最優(yōu)站點進行多系統(tǒng)自組網，提供快捷、安全、可靠的通信保障，滿足了搶險救災和處突維穩(wěn)任務提出的對通信保障要求，為救援、維穩(wěn)分隊提供了一種快速有效的組網通信的方法，為發(fā)揮機動式移動通信系統(tǒng)最大效能提供參考依據，對未來的第三代機動式移動通信快速部署也具有重要的借鑒意義。

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