基于地理信息系統(tǒng)的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃研究

李紅亮 王 雨 李立甫

（重慶通信學(xué)院 中國 重慶 400035）

0 引言

在突如其來的大型自然災(zāi)害和公共突發(fā)事件面前，常規(guī)的通信手段往往無法滿足通信需求。 應(yīng)急通信正是為應(yīng)對(duì)自然或人為緊急情況而提供的特殊通信機(jī)制，在公眾通信網(wǎng)設(shè)施遭受破壞、性能降低、話務(wù)量突增的情況下，采用非常規(guī)的、多種通信手段組合的方式來恢復(fù)通信能力，但是，在多系統(tǒng)的組網(wǎng)運(yùn)用中，由于應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的復(fù)雜性和多變性使得其缺乏快速部署的能力。 這是因?yàn)樵谝粋€(gè)未知地域，要出色的完成通信保障任務(wù)就需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃調(diào)查、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃分析、實(shí)地勘察、規(guī)劃仿真等步驟來對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)劃分析。特別是實(shí)地勘察中的電波傳播測(cè)量的工作量大、 周期長(zhǎng)，這就大大限制了應(yīng)急通信的快速部署能力。 如果能夠獲得保障地域的地理信息，用仿真系統(tǒng)來描述傳播環(huán)境特性，將減輕很大工作量。 因此我們根據(jù)地理信息系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)推算電波傳播性能， 將會(huì)極大的節(jié)省人力、財(cái)力和時(shí)間，使得快速進(jìn)行移動(dòng)通信系統(tǒng)的部署和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃成為可能。

1 應(yīng)急通信的特點(diǎn)

應(yīng)急通信就是要協(xié)同各種通信網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)手段，使應(yīng)急人員無論在何時(shí)何地、采用何種接入方式，都可優(yōu)先利用殘存的通信資源建立呼叫／會(huì)話， 在應(yīng)急情況下保障通信的暢通。

（1）需要應(yīng)急通信的時(shí)間和地點(diǎn)具有不確定性。

大多數(shù)緊急事件都是突發(fā)的， 地點(diǎn)和時(shí)間不可預(yù)知，或者只可在有限時(shí)間內(nèi)預(yù)知但是來不及做準(zhǔn)備， 例如地震、海嘯等。 這就要求應(yīng)急通信對(duì)于公眾網(wǎng)絡(luò)不能覆蓋的區(qū)域，也必須有應(yīng)急的措施可以建立臨時(shí)的通信網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)通信業(yè)務(wù)。

（2）通信網(wǎng)絡(luò)受到突發(fā)事件的破壞程度具有不確定性。在破壞性的緊急事件發(fā)生的情況下，例如泥石流、冰雪災(zāi)害，公共通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施可能受到損壞而使網(wǎng)絡(luò)陷入癱瘓。 而另外一些緊急事件雖然也很嚴(yán)重，但對(duì)于通信網(wǎng)絡(luò)沒有影響，例如SARS 等傳染性疾病的蔓延。

（3）應(yīng)急通信的容量需求是不均衡和不可預(yù)測(cè)的。 緊急事件發(fā)生期間，局部出現(xiàn)的大通信流量會(huì)造成通信網(wǎng)絡(luò)暫時(shí)擁塞。 同時(shí)，通信流向往往是匯聚式的，大量的通信流會(huì)指向幾個(gè)有限的地點(diǎn)，比如應(yīng)急指揮中心、119 火警中心等，這更加重了通信的擁塞。 這個(gè)容量的需求發(fā)生往往是隨機(jī)的，不可能預(yù)測(cè)的到。

（4）對(duì)通信能力的需求也是不確定的。 例如，在一些不發(fā)達(dá)地區(qū)，可能平時(shí)只有語音通信的需求，但是在緊急事件發(fā)生期間，就會(huì)有視頻、數(shù)據(jù)通信的需求。

應(yīng)急通信面對(duì)的情況比較復(fù)雜， 不確定因素也較多，需要靈活、周密地設(shè)計(jì)和部署通信方案。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想

結(jié)合應(yīng)急通信的特點(diǎn)， 其網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃應(yīng)考慮無線資源規(guī)劃、地址規(guī)劃、容量規(guī)劃、覆蓋規(guī)劃等眾多方面，其中容量和覆蓋規(guī)劃是核心，本系統(tǒng)主要考慮覆蓋規(guī)劃，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖

在系統(tǒng)中， 利用VC++的ADO 和0DBC 技術(shù)對(duì)屬性數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理，同時(shí)結(jié)合MapX 的功能，在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的圖形編輯功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)屬性數(shù)據(jù)和圖形的分類管理。 系統(tǒng)中使用的地圖為Geoset 格式，是通過mapinfo 軟件和Mapx自帶的Geoset Manager 軟件生成的。 數(shù)據(jù)庫采用Access2003數(shù)據(jù)庫方式，數(shù)據(jù)庫與載入Geoset 格式的電子地圖存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，這就把圖形和屬性數(shù)據(jù)分開，更好的進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，同時(shí)也方便空間數(shù)據(jù)查詢和分析。 主要研究覆蓋范圍的計(jì)算策略，為得到精確覆蓋區(qū)域，系統(tǒng)將使用已有的地圖和已選擇好的傳播模模型來計(jì)算地圖中從基站天線到移動(dòng)臺(tái)位置的路徑損耗， 根據(jù)所得的結(jié)果判斷通信鏈路的可通性，生成信號(hào)覆蓋圖。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵要素

3.1 電子地圖的使用與制作

網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃需要進(jìn)行準(zhǔn)確的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋預(yù)測(cè)，由于無線信號(hào)傳播對(duì)地理環(huán)境有著極強(qiáng)的依賴性，地勢(shì)的起伏、山體的阻擋，以及城區(qū)內(nèi)樓房等建筑物的遮擋，都會(huì)影響信號(hào)的傳播強(qiáng)度，并且應(yīng)急通信的環(huán)境更是惡劣和難以判斷，所以該系統(tǒng)在進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)覆蓋時(shí)，需要使用一定精度的電子地圖作為參考。

本系統(tǒng)既可以支持購買的mapinfo 格式地圖， 也可以使用掃描平面地圖自制的數(shù)字地圖進(jìn)行覆蓋規(guī)劃，但是購買的地圖價(jià)格卻相對(duì)比較昂貴，因此使用自制數(shù)字地圖可大大降低軟件開發(fā)成本，擴(kuò)展了此軟件的適用范圍。

系統(tǒng)中使用的電子地圖可以借助access、mapinfo 軟件和Geoset Manager 軟件進(jìn)行開發(fā)。 首先在access 中建立所需信息的數(shù)據(jù)庫并準(zhǔn)備好平面地圖的柵格圖像， 然后在mapinfo軟件中將該數(shù)據(jù)庫和柵格圖像生成相應(yīng)的tab 格式的表，最后用Geoset Manager 軟件把生成的tab 格式的表生成系統(tǒng)使用的Geoset 格式的電子地圖。

3.2 覆蓋算法

系統(tǒng)中定義L0為應(yīng)急通信系統(tǒng)允許的最大路徑損耗；通信保障地域可看成是若干點(diǎn)的集合，si為地圖上的任意一點(diǎn)，定義Lsi為點(diǎn)si到基站間的路徑損耗。 則基站覆蓋區(qū)域S 可描述為：S=｛s1，s2，s3，……，sn｝滿足Lsi≤L0（i=1，2，3，……，n），覆蓋小區(qū)邊緣C 可描述為：C=｛c1，c2，c3，……，cm｝滿足Lcj＝L0（j=1，2，3，……，m）。

算法設(shè)計(jì)思路為：首先規(guī)劃者在電子地圖上選取基站的位置（xb，yb），同時(shí)輸入移動(dòng)臺(tái)發(fā)射功率Pmtx，基站和移動(dòng)臺(tái)高度，移動(dòng)臺(tái)發(fā)射頻率，天線增益，電子地圖精度值a，旋轉(zhuǎn)角度θ 等參數(shù)。 系統(tǒng)根據(jù)指定的基站位置（xb，yb），首先在其水平右側(cè)找出一點(diǎn)c1，使其滿足Lc1=L0，然后以基站位置為原心按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)θ，在此角度上確定點(diǎn)c2使其滿足Lc2=L0，按照上述方法以基站位置為原心旋轉(zhuǎn)一周后，確定出小區(qū)邊緣集合C，C=｛c1，c2，c3，……，cm｝，最后將集合C 各點(diǎn)連接起來，所圍區(qū)域即為基站的覆蓋地域，。 算法具體實(shí)現(xiàn)方法分為三個(gè)步驟。

步驟1：系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫中獲取所基站位置（xb，yb）的坐標(biāo)值及其相應(yīng)地理信息，并會(huì)根據(jù)規(guī)劃者所選用的傳播模型計(jì)算出平坦地形條件下移動(dòng)臺(tái)信號(hào)達(dá)到最大路徑損耗值時(shí)所傳播的距離值d1。

圖2 剖面圖

步驟2：系統(tǒng)在基站坐標(biāo)水平方向上（右側(cè)）選取距離值為d1的一點(diǎn)S1，然后在兩點(diǎn)連線上選取一系列間距為Δ（Δ 為a的整數(shù)倍且要求Δ≥a）的點(diǎn)，并從數(shù)據(jù)庫中讀取這些點(diǎn)的高程Hi以及地貌情況信息Wi，即可生成兩點(diǎn)間的地形圖剖面圖，如圖2 曲線1 所示， 根據(jù)數(shù)據(jù)庫信息得到直線上各點(diǎn)的地物地貌類型，確定相鄰兩點(diǎn)間地物地貌類型，最終可得到各種類型地貌的相應(yīng)位置信息。 系統(tǒng)還要算出每點(diǎn)對(duì)應(yīng)的移動(dòng)臺(tái)與基站連線的那條直線上（如圖2 曲線2 所示）點(diǎn)的高程值Hxi，以判斷該傳播鏈路上是否存在障礙， 為繞射損耗的計(jì)算提供依據(jù)。 經(jīng)過以上步驟把該鏈路分成地物地貌類型各異的若干段來求相應(yīng)的路徑損耗，然后把各段損耗值相加，得到基站位置（xb，yb）到點(diǎn)s1間的路徑損耗Ls1。 然后系統(tǒng)將Ls1與L0進(jìn)行比較，若大于，點(diǎn)s2取遠(yuǎn)于s1的點(diǎn)，若小于，則點(diǎn)s2取比s1近的點(diǎn)。 按照上述方法最終確定出點(diǎn)sk，使得Lsk=L0，則認(rèn)為點(diǎn)sk為覆蓋邊緣上的一點(diǎn)，即sk∈C，系統(tǒng)記錄該點(diǎn)為c1。

步驟3：確定完水平方向右側(cè)的點(diǎn)c1后，以基站為原點(diǎn)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ 度（具體數(shù)值視精度而定），如圖4 所示，此時(shí)系統(tǒng)在與水平直線夾角為θ 的那條直線路徑上選取按照步驟2 的算法記錄點(diǎn)c2使得Lc2=L0。

圖3 旋轉(zhuǎn)θ 后連線圖

依上述步驟以基站位置為原心旋轉(zhuǎn)一周后，系統(tǒng)將記錄的集合C 各點(diǎn)連接起來， 所圍區(qū)域即為此基站的覆蓋地域。對(duì)于此算法只要設(shè)置適當(dāng)?shù)摩?和θ 的值就可以達(dá)到用戶所要求的精度。

圖4 為系統(tǒng)生成一幅信號(hào)覆蓋圖：其中Δ=0.1km，θ=0.1。

4 結(jié)論

基于地理信息系統(tǒng)的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃系統(tǒng)可以為通信保障人員迅速選擇最優(yōu)站點(diǎn)、及時(shí)開設(shè)使用和展開網(wǎng)絡(luò)實(shí)行應(yīng)急通信保障， 發(fā)揮該通信系統(tǒng)最大性能提供參考依據(jù)。該系統(tǒng)可以為應(yīng)急通信中的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化提供參考，為應(yīng)急通信保障的成功提供一定的支持。

圖4 信號(hào)覆蓋圖

［1］李文峰.現(xiàn)代應(yīng)急通信技術(shù)[M].北京：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

［2］劉永重.基站覆蓋距離的計(jì)算方法[J].電子技術(shù),2004.

［3］彭木根,王文博.無線資源管理與3G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)[M].人民郵電出版社，2008.

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