張昊曄 嵇 雪
1.中國移動通信集團江蘇有限公司南通分公司;2.南通大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院
我國幅員遼闊,地理、氣候條件復(fù)雜,是全球遭受自然災(zāi)害最嚴重的國家之一。一旦發(fā)生重大自然災(zāi)害(如地震、洪水)或人為災(zāi)害(如恐怖襲擊、重大事故),現(xiàn)場緊急營救人員之間穩(wěn)定可靠的高速數(shù)據(jù)傳輸以及無線多媒體通信(如語音、圖像、直播視頻流等),對于有效展開營救和協(xié)調(diào)各種救援工作是至關(guān)重要的。在救援現(xiàn)場,往往聚集了來自不同國家或地區(qū)的救援人員。不同國家、不同國際機構(gòu)的救援人員使用各種不同的非互操作的通信設(shè)備,使得營救小組、醫(yī)院以及災(zāi)區(qū)管理機構(gòu)等之間的無縫信息共享成為難題。而那些具有互操作的常規(guī)通信系統(tǒng),如移動通信網(wǎng)絡(luò),往往因其基礎(chǔ)設(shè)施在重大災(zāi)害時遭到破壞,很容易陷入網(wǎng)絡(luò)癱瘓或網(wǎng)絡(luò)過載,無法滿足應(yīng)急場景下呈指數(shù)級增長的突發(fā)通信業(yè)務(wù)需求。而一些專用網(wǎng)絡(luò)在緊急通信期間業(yè)務(wù)容易過載,非緊急通信期間頻譜資源空閑,并且存在抗干擾攻擊的脆弱性問題。
一個有效的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該在正常情況下不影響現(xiàn)有授權(quán)網(wǎng)絡(luò)的正常運行,在發(fā)生重大災(zāi)害等緊急情況下有足夠的頻譜資源可供應(yīng)急通信使用,確保應(yīng)急通信的暢通無阻,滿足應(yīng)急通信大容量、高密度、低時延的突發(fā)要求。認知無線電(Cognitive Radio,CR)具有對自身環(huán)境的感知能力、對環(huán)境變化的學(xué)習(xí)能力、對頻譜資源的挖掘能力和系統(tǒng)功能的可重構(gòu)能力,在5G、D2D、e2e等無線通信領(lǐng)域受到青睞。緊急場景下應(yīng)急通信系統(tǒng)的高度可重構(gòu)性、業(yè)務(wù)突發(fā)性、傳輸可靠性、范圍覆蓋性等要求,激發(fā)人們研究基于認知的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)。但是,基于認知的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)工作在復(fù)雜多變的環(huán)境中,節(jié)點眾多,Overlay和Underlay頻譜共享策略混用,頻譜感知不僅要檢測相關(guān)頻段內(nèi)有無信號,還要區(qū)分是授權(quán)用戶信號還是應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)用戶信號。
目前,有關(guān)認知應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)框架設(shè)計與動態(tài)頻譜接入(Dynamic Spectrum Access,DSA)研究主要集中在介質(zhì)接入控制(Medium Access Control,MAC)和路由解決方案。本文主要研究未來認知應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)及其目標優(yōu)化設(shè)計,給出認知應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)模型,設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)策略,提出了網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化目標,并對全文進行了總結(jié)。
在一個有N個子信道的認知應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中有L個授權(quán)用戶(Licensed User,LU)和K個應(yīng)急用戶(Emergency User,EU),第k(k= 1,2,…,K)個EU有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)幀要傳送到目的地d,如圖1所示。假設(shè)系統(tǒng)信道噪聲是均值為0、方差為的高斯噪聲,子信道帶寬為Bn(n= 1,2,…,N)。
當(dāng)發(fā)生重大災(zāi)害時,災(zāi)區(qū)不同地域的危險程度不同,救援工作人員的任務(wù)性質(zhì)也不相同。認知應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該在不同地點、不同時間對不同的通信業(yè)務(wù)賦予不同的優(yōu)先級別。事實上,認知應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)先級別有時要比授權(quán)網(wǎng)絡(luò)更高,而且這種優(yōu)先級別在空間上(從災(zāi)難現(xiàn)場到外圍地區(qū))和時間上(從任務(wù)調(diào)度到救援、恢復(fù)和撤出)根據(jù)任務(wù)性質(zhì)的不同而不同。因此,認知應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的解決方案不應(yīng)遵循已有的固定主-次網(wǎng)絡(luò)模式,而是應(yīng)該根據(jù)救援動態(tài)任務(wù)策略及時調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的主-次角色。為此,認知應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)任務(wù)策略主要從發(fā)生災(zāi)害區(qū)域、應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)節(jié)點容量、可用授權(quán)頻譜量以及應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)性質(zhì)等方面綜合考慮,將任務(wù)性質(zhì)分成特急、緊急和普通3個等級。執(zhí)行特急任務(wù)的應(yīng)急用戶具有絕對的頻譜接入優(yōu)先權(quán),無論信道中是否存在授權(quán)用戶,應(yīng)急用戶都將根據(jù)自身數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蠼尤刖W(wǎng)絡(luò);執(zhí)行緊急任務(wù)的應(yīng)急用戶在不對授權(quán)用戶產(chǎn)生有害干擾的情況下享有一定的頻譜接入優(yōu)先權(quán);執(zhí)行普通任務(wù)的應(yīng)急用戶只能在授權(quán)用戶入空閑的時候接入網(wǎng)絡(luò)。
圖1 認知應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型
同時,認知應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)任務(wù)策略釋義是一個應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)用戶線上和線下相結(jié)合的動態(tài)過程。在這個動態(tài)過程的釋義過程中,我們采用一種“推拉戰(zhàn)略”。在推動策略中,應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)采用地域群播方式將適量在線任務(wù)策略廣播到各個不同群體的應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)用戶,并通過群體內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)傳播,以確保每個用戶知曉任務(wù)策略。在拉引策略中,應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)用戶基于他們當(dāng)前的位置信息和他們執(zhí)行的任務(wù),通過互聯(lián)網(wǎng)訪問中心數(shù)據(jù)庫獲得任務(wù)策略信息。這樣,可以有效實現(xiàn)基于災(zāi)害區(qū)域地理位置、應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)節(jié)點容量、可用授權(quán)頻譜量以及緊急任務(wù)性質(zhì)的業(yè)務(wù)感知策略與算法,使得我們所設(shè)計的認知應(yīng)急通信網(wǎng)的任務(wù)策略嵌入到網(wǎng)絡(luò)跨層目標設(shè)計中。
認知應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化目標是在考慮應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)任務(wù)策略和授權(quán)用戶信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR)的同時,綜合考慮本地干擾約束以及應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)端對端業(yè)務(wù)QoS要求,最大化應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)用戶e2e比特率。即從第k個EU出發(fā),在所有鏈路中聯(lián)合優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)路由、MAC和物理層,選擇最佳發(fā)射功率、最佳傳輸頻段(子信道)、最佳調(diào)制方式和最佳糾錯編碼,在考慮授權(quán)用戶信干噪比的同時,最大化應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)第k個EU到目的地d的e2e比特率,實現(xiàn)認知應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)效用的最大化。
當(dāng)EU執(zhí)行特急任務(wù)時,EU具有絕對的優(yōu)先權(quán)接入頻譜,即無論LU是否存在,EU都將接入信道而無需考慮EU數(shù)據(jù)傳輸對LU產(chǎn)生的干擾。假設(shè)子信道n空閑的概率為p0,忙的概率為p1。
當(dāng)EU占用子信道n執(zhí)行特急任務(wù)時,如果信道空閑,則信道最大傳輸速率為:
式(1)中,hSSn為子信道n中EU的e2e功率增益。如果信道忙,則對于執(zhí)行特急任務(wù)的EU來說,LU的存在是一個
干擾。此時,干擾PnPS大小只與LU的發(fā)射功率PPn和信道干擾增益有關(guān),即:
式(2)中,hPSn為子信道n中LU到EU之間的干擾增益。因此,信道最大傳輸速率為:
假設(shè)第k個EU最大發(fā)射功Qk,則系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計目標是在保證認知應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)EU e2e業(yè)務(wù)QoS要求的前提下最大化EU的傳輸速率,即:
當(dāng)EU執(zhí)行緊急任務(wù)時,EU享有一定的接入頻譜優(yōu)先權(quán)。即在不影響LU數(shù)據(jù)傳輸?shù)那疤嵯?,EU采用underlay方式接入信道。此時,執(zhí)行緊急任務(wù)的EU對LU來說就是一種干擾。顯然,在子信道n中EU對LU的干擾功率PnSP只與EU的發(fā)射功率Pk,nS和信道干擾增益有關(guān),即:
式(5)中,hSPn為子信道n中EU到LU之間的干擾增益。
系統(tǒng)的優(yōu)化目標就是在保證不對LU數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生干擾的前提下最大化EU的數(shù)據(jù)傳輸速率,即:
其中,Ith為LU接收機的干擾門限,c1為EU對LU的干擾約束,c2為EU的發(fā)射功率門限約束。
當(dāng)EU執(zhí)行普通任務(wù)時,EU只能在頻譜空閑時接入信道,即EU采用overlay方式接入信道??紤]到認知應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中的大多數(shù)移動EU節(jié)點電源是以可充電電池為主的,在災(zāi)害現(xiàn)場充電比較困難,因此應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的能量效率是網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的主要目標。
為了提高認知應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的能效和譜效,考慮在EU節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸方式上采用信能同傳的方式,應(yīng)用能量采集技術(shù),使得EU在進行頻譜感知、數(shù)據(jù)傳輸時同時收集能量,以延長EU節(jié)點的生命周期??紤]有一個LU和n個EU(EU1,EU2,…,EUn)的能量采集系統(tǒng),如圖2所示。每個EU配有兩根天線,即Ai1、Ai2(i=1,2,…,n),LU空閑時,EU傳輸數(shù)據(jù)并采集EU發(fā)送信號和鄰近節(jié)點的能量;LU忙時,EU不傳輸數(shù)據(jù),采集LU和鄰近節(jié)點信號能量。
認知應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的能量效率η定義為單位能耗所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量,即:
假設(shè)在子信道n中EU的能耗為En,則系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的目標是在保證認知應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)EU e2e業(yè)務(wù)QoS要求的前提下最大化網(wǎng)絡(luò)的能量效率,即:
其中,Eth為EU節(jié)點的能量消耗上限,c1為EU的能耗約束,c2為EU發(fā)射功率門限約束。
圖2 能量采集系統(tǒng)模型
本文根據(jù)未來認知應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)特征,結(jié)合應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求,設(shè)計了應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的特急、應(yīng)急和普通任務(wù)策略,同時采用“推拉戰(zhàn)略”對認知應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)任務(wù)策略進行線上和線下相結(jié)合的釋義。在此基礎(chǔ)上,提出了網(wǎng)絡(luò)在執(zhí)行不同任務(wù)策略時的優(yōu)化目標,以實現(xiàn)認知應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)效用最大化,為進一步研究新一代智慧應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案提供參考。