（2019年度“嘉環杯”獲獎論文三等獎）認知應急通信網絡的架構與目標優化設計

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.南通大學信息科學技術學院

0 引言

我國幅員遼闊，地理、氣候條件復雜，是全球遭受自然災害最嚴重的國家之一。一旦發生重大自然災害（如地震、洪水）或人為災害（如恐怖襲擊、重大事故），現場緊急營救人員之間穩定可靠的高速數據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調各種救援工作是至關重要的。在救援現場，往往聚集了來自不同國家或地區的救援人員。不同國家、不同國際機構的救援人員使用各種不同的非互操作的通信設備，使得營救小組、醫院以及災區管理機構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通信系統，如移動通信網絡，往往因其基礎設施在重大災害時遭到破壞，很容易陷入網絡癱瘓或網絡過載，無法滿足應急場景下呈指數級增長的突發通信業務需求。而一些專用網絡在緊急通信期間業務容易過載，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。

一個有效的應急通信網絡應該在正常情況下不影響現有授權網絡的正常運行，在發生重大災害等緊急情況下有足夠的頻譜資源可供應急通信使用，確保應急通信的暢通無阻，滿足應急通信大容量、高密度、低時延的突發要求。認知無線電（Cognitive Radio，CR）具有對自身環境的感知能力、對環境變化的學習能力、對頻譜資源的挖掘能力和系統功能的可重構能力，在5G、D2D、e2e等無線通信領域受到青睞。緊急場景下應急通信系統的高度可重構性、業務突發性、傳輸可靠性、范圍覆蓋性等要求，激發人們研究基于認知的應急通信網絡。但是，基于認知的應急通信網絡工作在復雜多變的環境中，節點眾多，Overlay和Underlay頻譜共享策略混用，頻譜感知不僅要檢測相關頻段內有無信號，還要區分是授權用戶信號還是應急網絡用戶信號。

目前，有關認知應急通信網絡的系統框架設計與動態頻譜接入（Dynamic Spectrum Access，DSA）研究主要集中在介質接入控制（Medium Access Control，MAC）和路由解決方案。本文主要研究未來認知應急通信網絡的架構及其目標優化設計，給出認知應急通信網絡的系統模型，設計了網絡的任務策略，提出了網絡的優化目標，并對全文進行了總結。

1 系統模型與任務策略

在一個有N個子信道的認知應急通信網絡中有L個授權用戶（Licensed User，LU）和K個應急用戶（Emergency User，EU），第k（k= 1，2，…，K）個EU有數據業務幀要傳送到目的地d，如圖1所示。假設系統信道噪聲是均值為0、方差為的高斯噪聲，子信道帶寬為Bn（n= 1，2，…，N）。

當發生重大災害時，災區不同地域的危險程度不同，救援工作人員的任務性質也不相同。認知應急通信網絡應該在不同地點、不同時間對不同的通信業務賦予不同的優先級別。事實上，認知應急通信網絡的優先級別有時要比授權網絡更高，而且這種優先級別在空間上（從災難現場到外圍地區）和時間上（從任務調度到救援、恢復和撤出）根據任務性質的不同而不同。因此，認知應急通信網絡的解決方案不應遵循已有的固定主-次網絡模式，而是應該根據救援動態任務策略及時調整網絡的主-次角色。為此，認知應急通信網絡任務策略主要從發生災害區域、應急網絡節點容量、可用授權頻譜量以及應急網絡業務性質等方面綜合考慮，將任務性質分成特急、緊急和普通3個等級。執行特急任務的應急用戶具有絕對的頻譜接入優先權，無論信道中是否存在授權用戶，應急用戶都將根據自身數據傳輸的需求接入網絡；執行緊急任務的應急用戶在不對授權用戶產生有害干擾的情況下享有一定的頻譜接入優先權；執行普通任務的應急用戶只能在授權用戶入空閑的時候接入網絡。

圖1 認知應急通信網絡系統模型

同時，認知應急通信網絡任務策略釋義是一個應急通信網絡用戶線上和線下相結合的動態過程。在這個動態過程的釋義過程中，我們采用一種“推拉戰略”。在推動策略中，應急通信網絡采用地域群播方式將適量在線任務策略廣播到各個不同群體的應急網絡用戶，并通過群體內部網絡傳播，以確保每個用戶知曉任務策略。在拉引策略中，應急網絡用戶基于他們當前的位置信息和他們執行的任務，通過互聯網訪問中心數據庫獲得任務策略信息。這樣，可以有效實現基于災害區域地理位置、應急網絡節點容量、可用授權頻譜量以及緊急任務性質的業務感知策略與算法，使得我們所設計的認知應急通信網的任務策略嵌入到網絡跨層目標設計中。

2 優化目標

認知應急通信網絡的優化目標是在考慮應急通信網絡任務策略和授權用戶信干噪比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）的同時，綜合考慮本地干擾約束以及應急網絡和現有網絡端對端業務QoS要求，最大化應急網絡用戶e2e比特率。即從第k個EU出發，在所有鏈路中聯合優化網絡路由、MAC和物理層，選擇最佳發射功率、最佳傳輸頻段（子信道）、最佳調制方式和最佳糾錯編碼，在考慮授權用戶信干噪比的同時，最大化應急網絡第k個EU到目的地d的e2e比特率，實現認知應急通信網絡效用的最大化。

2.1 EU執行特急任務

當EU執行特急任務時，EU具有絕對的優先權接入頻譜，即無論LU是否存在，EU都將接入信道而無需考慮EU數據傳輸對LU產生的干擾。假設子信道n空閑的概率為p0，忙的概率為p1。

當EU占用子信道n執行特急任務時，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，則對于執行特急任務的EU來說，LU的存在是一個

干擾。此時，干擾PnPS大小只與LU的發射功率PPn和信道干擾增益有關，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：

假設第k個EU最大發射功Qk，則系統的優化設計目標是在保證認知應急通信網絡EU e2e業務QoS要求的前提下最大化EU的傳輸速率，即：

2.2 EU執行緊急任務

當EU執行緊急任務時，EU享有一定的接入頻譜優先權。即在不影響LU數據傳輸的前提下，EU采用underlay方式接入信道。此時，執行緊急任務的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的發射功率Pk，nS和信道干擾增益有關，即：

式（5）中，hSPn為子信道n中EU到LU之間的干擾增益。

系統的優化目標就是在保證不對LU數據傳輸產生干擾的前提下最大化EU的數據傳輸速率，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的發射功率門限約束。

2.3 EU執行普通任務

當EU執行普通任務時，EU只能在頻譜空閑時接入信道，即EU采用overlay方式接入信道。考慮到認知應急通信網絡中的大多數移動EU節點電源是以可充電電池為主的，在災害現場充電比較困難，因此應急通信網絡的能量效率是網絡優化的主要目標。

為了提高認知應急通信網絡的能效和譜效，考慮在EU節點數據傳輸方式上采用信能同傳的方式，應用能量采集技術，使得EU在進行頻譜感知、數據傳輸時同時收集能量，以延長EU節點的生命周期。考慮有一個LU和n個EU（EU1，EU2，…，EUn）的能量采集系統，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傳輸數據并采集EU發送信號和鄰近節點的能量；LU忙時，EU不傳輸數據，采集LU和鄰近節點信號能量。

認知應急通信網絡的能量效率η定義為單位能耗所傳輸的數據量，即：

假設在子信道n中EU的能耗為En，則系統優化設計的目標是在保證認知應急通信網絡EU e2e業務QoS要求的前提下最大化網絡的能量效率，即：

其中，Eth為EU節點的能量消耗上限，c1為EU的能耗約束，c2為EU發射功率門限約束。

圖2 能量采集系統模型

3 結束語

本文根據未來認知應急通信網絡架構特征，結合應急網絡數據業務需求，設計了應急通信網絡的特急、應急和普通任務策略，同時采用“推拉戰略”對認知應急通信網絡任務策略進行線上和線下相結合的釋義。在此基礎上，提出了網絡在執行不同任務策略時的優化目標，以實現認知應急通信網絡效用最大化，為進一步研究新一代智慧應急通信網絡設計方案提供參考。