（2019年度“嘉環(huán)杯”獲獎?wù)撐娜泉劊┱J知應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)與目標優(yōu)化設(shè)計

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

0 引言

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)。

1 系統(tǒng)模型與任務(wù)策略

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。

2 優(yōu)化目標

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。

2.1 EU執(zhí)行特急任務(wù)

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：

2.2 EU執(zhí)行緊急任務(wù)

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。

2.3 EU執(zhí)行普通任務(wù)

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

3 結(jié)束語

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。