基于McWiLL的災(zāi)害救援無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周 瑋，邱慧麗，吳孝銀

(宿州學(xué)院，安徽 宿州 234000)

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基于McWiLL的災(zāi)害救援無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周 瑋，邱慧麗，吳孝銀

(宿州學(xué)院，安徽 宿州 234000)

為了解決災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)通信中斷,救災(zāi)工作無(wú)法通過(guò)網(wǎng)絡(luò)開展的問(wèn)題,通過(guò)分析McWiLL無(wú)線通信系統(tǒng)的特點(diǎn)和災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)通信的需要,設(shè)計(jì)了基于McWiLL的災(zāi)害救援無(wú)線通信系統(tǒng).首先設(shè)計(jì)了災(zāi)害救援無(wú)線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),然后分析了基于該架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍,最后給出了通信系統(tǒng)程序總體流程和現(xiàn)場(chǎng)互聯(lián)互通系統(tǒng)實(shí)現(xiàn).基于McWiLL的災(zāi)害救援無(wú)線通信系統(tǒng)能提供靈活、覆蓋率廣的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)滿足災(zāi)害救援需求,為災(zāi)害救援通信提供良好的解決方法.

McWiLL;救災(zāi)系統(tǒng);網(wǎng)絡(luò)覆蓋

地震、洪水等自然災(zāi)害對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的損害，會(huì)造成受災(zāi)地區(qū)移動(dòng)通信故障，因此需要建設(shè)災(zāi)害救援無(wú)線通信系統(tǒng)保障災(zāi)害救援的正常進(jìn)行.傳統(tǒng)的救援通信系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，速度慢、網(wǎng)絡(luò)覆蓋低，通信容量小，很難滿足現(xiàn)場(chǎng)救援的網(wǎng)絡(luò)通信需求，搭建高速率的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)對(duì)災(zāi)害救援十分重要[1].

McWiLL無(wú)線通信系統(tǒng)是新一代的無(wú)線移動(dòng)接入系統(tǒng)[2]，系統(tǒng)容量高，支持終端類型豐富，提供多種媒體業(yè)務(wù).將McWiLL作為現(xiàn)場(chǎng)組網(wǎng)技術(shù)，對(duì)災(zāi)害救援無(wú)線通信系統(tǒng)的研究非常重要.

本文主要研究了基于McWiLL的災(zāi)害救援無(wú)線通信系統(tǒng)，能夠?yàn)閷?shí)際環(huán)境中的災(zāi)害救援提供現(xiàn)場(chǎng)通信.

1 McWiLL系統(tǒng)

McWiLL是由SCDMA[3]演化而來(lái)的BWA系統(tǒng)[4]，結(jié)合智能多輸入多輸出技術(shù)碼擴(kuò)正交頻分多址技術(shù)、DCA等無(wú)線通信技術(shù)構(gòu)建行業(yè)專用網(wǎng)，用戶可以通過(guò)語(yǔ)音、視頻和無(wú)線寬帶等方式接入[5].

如圖1是McWiLL系統(tǒng)框架，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分為基于802.16的接入層、中間網(wǎng)絡(luò)組匯聚和上層核心網(wǎng)絡(luò)服務(wù)三個(gè)模塊.

圖1 McWiLL系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

無(wú)線接入底層使用IEEE 802.16無(wú)線寬帶技術(shù)，使用2GHz到66GHz的工作頻率范圍，方便用戶調(diào)整訪問(wèn).

McWiLL網(wǎng)絡(luò)組配置CS協(xié)議承擔(dān)無(wú)線接入底層和網(wǎng)絡(luò)組的接口，IP STACK承接IP交換、路由，重用IP等功能，為核心網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供IP支撐，McWiLL系統(tǒng)采用全I(xiàn)P架構(gòu)，使用MobileAgent作為中間代理.

核心網(wǎng)絡(luò)服務(wù)使用3G核心網(wǎng)設(shè)備，完成移動(dòng)用戶授權(quán)、認(rèn)證、IP數(shù)據(jù)、語(yǔ)音話務(wù)等功能.McWiLL可根據(jù)用戶的選擇提供CBR、BE和CIR帶寬業(yè)務(wù)[6-7]，保證QoS質(zhì)量.

2 災(zāi)害救援無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)模型

2.1 無(wú)線通信架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于McWiLL的災(zāi)害救援無(wú)線通信系統(tǒng)結(jié)合災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)通信需求，采用McWiLL組網(wǎng)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可分為三層，現(xiàn)場(chǎng)救災(zāi)人員通過(guò)數(shù)據(jù)采集和終端通信設(shè)備將獲取到的信息發(fā)送到BTS匯聚，傳送到網(wǎng)絡(luò)核心層供指揮中心分析數(shù)據(jù)，下達(dá)指示，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.

無(wú)線接入層：它由一系列移動(dòng)終端設(shè)備，如車載通信設(shè)備、智能手機(jī)、CPE客戶終端設(shè)備和PCMCIA無(wú)線網(wǎng)卡等設(shè)備構(gòu)成，終端設(shè)備和McWiLL基站在此接入.終端設(shè)備也可由車載終端、數(shù)據(jù)采集等救援設(shè)備組成.

McWiLL BTS匯聚層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)由接入層向核心層的接入.單基站采用全向天線覆蓋，能容納300個(gè)并發(fā)語(yǔ)言信道，支持1001Mbps以太網(wǎng)接口，采用冗余設(shè)計(jì)均衡負(fù)載.

網(wǎng)絡(luò)核心層：采用全I(xiàn)P扁平化設(shè)計(jì)，NGN網(wǎng)關(guān)提供McWiLL網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音處理，網(wǎng)元管理負(fù)責(zé)對(duì)全網(wǎng)的用戶網(wǎng)絡(luò)管理和集群調(diào)度、營(yíng)帳管理和視頻設(shè)備監(jiān)控等應(yīng)用控制和監(jiān)管.

圖2 McWiLL災(zāi)害救援通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

終端用戶無(wú)線接入McWiLL BTS采用Mesh組網(wǎng)模式，BTS作為匯聚中心，周圍部署用戶站點(diǎn)，BTS相互連接組成網(wǎng)狀Mesh網(wǎng)絡(luò).

2.2 網(wǎng)絡(luò)覆蓋模型

為了保證無(wú)線McWiLL現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)QoS要求，組網(wǎng)時(shí)需要分析無(wú)線網(wǎng)絡(luò)鏈路信號(hào)衰減、天線增益等參數(shù)，計(jì)算McWiLL BTS覆蓋半徑.無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)衰減模型基于Erceg-Greensein模型[8]，該模型適用于城市周邊和山區(qū)地帶，信號(hào)損耗值考慮到不同的城鄉(xiāng)環(huán)境和天線收發(fā)情況，Erceg-Greensein模型如下：

L(db)=26.16lgf-13.85lgAh-AHre+

(44.9-6.55)lgAh+C

(1)

其中f為天線載波頻率，Ah為天線高度，Ahre為天線有效修正因子，C為系統(tǒng)校正因子，l(db)為路徑損耗可由鏈路預(yù)算傳播模型得：

L(db)=GAH+BAH

(2)

整個(gè)系統(tǒng)路徑損耗由信號(hào)增益GAH和鏈路冗余量BAH組成.其中GAH信號(hào)增益包括上行信號(hào)增益和下行信號(hào)增益，具體計(jì)算如下：

GAH1=P+Gt-Fr+Gr-Pr-AAH

(3)

信號(hào)上行增益GAH1為用戶發(fā)射信號(hào)的增益，由發(fā)射功率P、終端天線增益Gt和基站接收天線增益作為鏈路增益減去終端饋線損耗Fr、基站天線損耗Pr和基站接收靈敏度AAH得到.

GAH2=P+Gt-Fb+Gr-Ft-At

(4)

信號(hào)上行增益GAH2計(jì)算過(guò)程相似，如公式(4)所示.Ft為基站饋線損耗，At為終端接收靈敏度.由公式(3)和(4)可知，McWiLL現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)鏈路上行增益和下行增益存在不同，不同業(yè)務(wù)對(duì)速率有不同要求，McWiLL網(wǎng)絡(luò)覆蓋需要結(jié)合上下行鏈路增益和業(yè)務(wù)需求分析.

本系統(tǒng)研究的無(wú)線場(chǎng)景基于2GHZ通信頻段，基站高度40m，收發(fā)天線水平距離設(shè)置為10m，有效頻譜2000MHZ，結(jié)合Erceg-Greensein模型和鏈路預(yù)算傳播模型計(jì)算出McWiLL現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)BTS在該場(chǎng)景地區(qū)覆蓋范圍達(dá)到3公里以上，能夠滿足災(zāi)害救援現(xiàn)場(chǎng)通信的要求.

3 詳細(xì)功能設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

McWiLL災(zāi)害救援無(wú)線通信系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用LINUX平臺(tái)，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行.數(shù)據(jù)庫(kù)以oracle作為平臺(tái)，采用靜態(tài)大容量設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)災(zāi)害數(shù)據(jù)查詢、檢索等功能.信息共享結(jié)合云計(jì)算技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)救災(zāi)和指揮臺(tái)人員可共享現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)信息.McWiLL通信系統(tǒng)總體流程如圖3所示，包括：

(1)系統(tǒng)上電初始化，配置IP地址信息，初始數(shù)據(jù)采集參數(shù)值.配置驅(qū)動(dòng)程序，當(dāng)有終端設(shè)備啟動(dòng)接入PCMCIA無(wú)線網(wǎng)卡，同步基站獲取IP地址信息接入McWiLL網(wǎng)絡(luò).

(2)無(wú)線救災(zāi)設(shè)備采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，包括地理數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)用來(lái)獲取救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)水文、地質(zhì)等地理環(huán)境數(shù)據(jù)；集群移動(dòng)臺(tái)采用無(wú)線中繼動(dòng)態(tài)調(diào)度，完成現(xiàn)場(chǎng)IP話務(wù)和數(shù)據(jù)通信的調(diào)度、群呼、虛擬專用網(wǎng)等功能；通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和對(duì)講中斷實(shí)現(xiàn)視頻、音頻數(shù)據(jù)采集調(diào)度.

(3)將上一步獲取到的信息通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)部署自適應(yīng)McWiLL網(wǎng)絡(luò)匯聚到應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)核心交換中心集中分析處理，并通過(guò)3G廣域網(wǎng)傳輸?shù)胶蠓街笓]臺(tái).

(4)指揮臺(tái)接收到現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)后可以啟動(dòng)監(jiān)控中心監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)救災(zāi)，分析現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)做出救援指示集群調(diào)度救災(zāi)人員.

圖3 McWiLL通信系統(tǒng)總流程

3.2 現(xiàn)場(chǎng)通信設(shè)計(jì)

為了保證救援現(xiàn)場(chǎng)終端設(shè)備無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信互聯(lián)互通，設(shè)計(jì)車載通信平臺(tái)作為網(wǎng)絡(luò)接入，車載通信單元由主控設(shè)備控制信號(hào)采集，由網(wǎng)絡(luò)接入現(xiàn)場(chǎng)終端設(shè)備并將經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)生成語(yǔ)言、圖像信息，轉(zhuǎn)交McWiLL BTS匯聚到遠(yuǎn)程控制臺(tái).車載通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，具體實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1)3G移動(dòng)單兵、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、智能手機(jī)等移動(dòng)終端設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接入將采集到的現(xiàn)場(chǎng)信息傳送到應(yīng)急通信車，進(jìn)行匯總處理.

(2)應(yīng)急通信車接收到各無(wú)線終端設(shè)備的數(shù)據(jù)后進(jìn)行信號(hào)濾波去干擾，分析和識(shí)別生成音頻、視頻信息提交主控模塊處理.

(3)主控模塊處理整個(gè)車載通信單元的命令控制，發(fā)出信息發(fā)送、接收和處理指令，是通信總控單元.

(4)監(jiān)控設(shè)備負(fù)責(zé)整個(gè)車載通信系統(tǒng)的監(jiān)控，方便工作人員采集、分析、管理并提交數(shù)據(jù).

(5)車載無(wú)線終端模塊負(fù)責(zé)將生成的音頻、視頻信息通過(guò)McWiLL BTS匯聚到工作站.

圖4 車載通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)災(zāi)害救援通信系統(tǒng)，部署現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，可以解決災(zāi)區(qū)通信中斷問(wèn)題，幫助救援人員收集到更多現(xiàn)場(chǎng)信息，接受遠(yuǎn)程指揮中心部署.由于McWiLL BWA系統(tǒng)組網(wǎng)靈活，業(yè)務(wù)多樣，網(wǎng)絡(luò)覆蓋率廣的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于McWiLL的災(zāi)害救援無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)并給出了通體通信系統(tǒng)流程.分析了McWiLL BTS覆蓋半徑，該系統(tǒng)支持現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線通信覆蓋要求，通過(guò)抗震救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)通信系統(tǒng)，救災(zāi)人員可以更好完成災(zāi)害救援.

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[4]程史靚.災(zāi)害救援應(yīng)急通信系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2013.

[5]許琦.自組織網(wǎng)絡(luò)支持應(yīng)急通信標(biāo)準(zhǔn)中的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2013.

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(責(zé)任編輯:王前)

2016-08-15

2016安徽高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目“基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)改進(jìn)及在井下人員定位中的應(yīng)用研究”(KJ2016A777)；2014年宿州學(xué)院自然科學(xué)研究一般項(xiàng)目“無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)跨層協(xié)同優(yōu)化研究”(2014yyb05)

周瑋，女，湖南永順人，教師.

TP393.2

A

1008-7974(2016)05-0004-03

10.13877/j.cnki.cn22-1284.2016.10.002