周 瑋，邱慧麗，吳孝銀

(宿州學院，安徽 宿州 234000)

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基于McWiLL的災害救援無線通信系統(tǒng)設計

周 瑋，邱慧麗，吳孝銀

(宿州學院，安徽 宿州 234000)

為了解決災害現(xiàn)場網(wǎng)絡通信中斷,救災工作無法通過網(wǎng)絡開展的問題,通過分析McWiLL無線通信系統(tǒng)的特點和災害現(xiàn)場通信的需要,設計了基于McWiLL的災害救援無線通信系統(tǒng).首先設計了災害救援無線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡架構,然后分析了基于該架構的網(wǎng)絡覆蓋范圍,最后給出了通信系統(tǒng)程序總體流程和現(xiàn)場互聯(lián)互通系統(tǒng)實現(xiàn).基于McWiLL的災害救援無線通信系統(tǒng)能提供靈活、覆蓋率廣的現(xiàn)場網(wǎng)絡滿足災害救援需求,為災害救援通信提供良好的解決方法.

McWiLL;救災系統(tǒng);網(wǎng)絡覆蓋

地震、洪水等自然災害對通信網(wǎng)絡基礎設施的損害，會造成受災地區(qū)移動通信故障，因此需要建設災害救援無線通信系統(tǒng)保障災害救援的正常進行.傳統(tǒng)的救援通信系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一標準，速度慢、網(wǎng)絡覆蓋低，通信容量小，很難滿足現(xiàn)場救援的網(wǎng)絡通信需求，搭建高速率的網(wǎng)絡通信系統(tǒng)對災害救援十分重要[1].

McWiLL無線通信系統(tǒng)是新一代的無線移動接入系統(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.將McWiLL作為現(xiàn)場組網(wǎng)技術，對災害救援無線通信系統(tǒng)的研究非常重要.

本文主要研究了基于McWiLL的災害救援無線通信系統(tǒng)，能夠為實際環(huán)境中的災害救援提供現(xiàn)場通信.

1 McWiLL系統(tǒng)

McWiLL是由SCDMA[3]演化而來的BWA系統(tǒng)[4]，結(jié)合智能多輸入多輸出技術碼擴正交頻分多址技術、DCA等無線通信技術構建行業(yè)專用網(wǎng)，用戶可以通過語音、視頻和無線寬帶等方式接入[5].

如圖1是McWiLL系統(tǒng)框架，整個網(wǎng)絡分為基于802.16的接入層、中間網(wǎng)絡組匯聚和上層核心網(wǎng)絡服務三個模塊.

圖1 McWiLL系統(tǒng)結(jié)構圖

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

McWiLL網(wǎng)絡組配置CS協(xié)議承擔無線接入底層和網(wǎng)絡組的接口，IP STACK承接IP交換、路由，重用IP等功能，為核心網(wǎng)絡服務提供IP支撐，McWiLL系統(tǒng)采用全IP架構，使用MobileAgent作為中間代理.

核心網(wǎng)絡服務使用3G核心網(wǎng)設備，完成移動用戶授權、認證、IP數(shù)據(jù)、語音話務等功能.McWiLL可根據(jù)用戶的選擇提供CBR、BE和CIR帶寬業(yè)務[6-7]，保證QoS質(zhì)量.

2 災害救援無線通信網(wǎng)絡模型

2.1 無線通信架構設計

基于McWiLL的災害救援無線通信系統(tǒng)結(jié)合災害現(xiàn)場通信需求，采用McWiLL組網(wǎng)，整個網(wǎng)絡可分為三層，現(xiàn)場救災人員通過數(shù)據(jù)采集和終端通信設備將獲取到的信息發(fā)送到BTS匯聚，傳送到網(wǎng)絡核心層供指揮中心分析數(shù)據(jù)，下達指示，其網(wǎng)絡結(jié)構圖如圖2所示.

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

McWiLL BTS匯聚層：負責數(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個并發(fā)語言信道，支持1001Mbps以太網(wǎng)接口，采用冗余設計均衡負載.

網(wǎng)絡核心層：采用全IP扁平化設計，NGN網(wǎng)關提供McWiLL網(wǎng)絡語音處理，網(wǎng)元管理負責對全網(wǎng)的用戶網(wǎng)絡管理和集群調(diào)度、營帳管理和視頻設備監(jiān)控等應用控制和監(jiān)管.

圖2 McWiLL災害救援通信系統(tǒng)結(jié)構圖

終端用戶無線接入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，BTS相互連接組成網(wǎng)狀Mesh網(wǎng)絡.

2.2 網(wǎng)絡覆蓋模型

為了保證無線McWiLL現(xiàn)場網(wǎng)絡QoS要求，組網(wǎng)時需要分析無線網(wǎng)絡鏈路信號衰減、天線增益等參數(shù)，計算McWiLL BTS覆蓋半徑.無線網(wǎng)絡信號衰減模型基于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算傳播模型得：

L(db)=GAH+BAH

(2)

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

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

(3)

信號上行增益GAH1為用戶發(fā)射信號的增益，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)

信號上行增益GAH2計算過程相似，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)場網(wǎng)絡鏈路上行增益和下行增益存在不同，不同業(yè)務對速率有不同要求，McWiLL網(wǎng)絡覆蓋需要結(jié)合上下行鏈路增益和業(yè)務需求分析.

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

3 詳細功能設計

3.1 系統(tǒng)軟件設計

McWiLL災害救援無線通信系統(tǒng)軟件設計采用LINUX平臺，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行.數(shù)據(jù)庫以oracle作為平臺，采用靜態(tài)大容量設計，可實現(xiàn)災害數(shù)據(jù)查詢、檢索等功能.信息共享結(jié)合云計算技術，現(xiàn)場救災和指揮臺人員可共享現(xiàn)場采集到的數(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)動程序，當有終端設備啟動接入PCMCIA無線網(wǎng)卡，同步基站獲取IP地址信息接入McWiLL網(wǎng)絡.

(2)無線救災設備采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，包括地理數(shù)據(jù)監(jiān)測用來獲取救災現(xiàn)場水文、地質(zhì)等地理環(huán)境數(shù)據(jù)；集群移動臺采用無線中繼動態(tài)調(diào)度，完成現(xiàn)場IP話務和數(shù)據(jù)通信的調(diào)度、群呼、虛擬專用網(wǎng)等功能；通過無線網(wǎng)絡攝像機和對講中斷實現(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現(xiàn)場部署自適應McWiLL網(wǎng)絡匯聚到應急現(xiàn)場核心交換中心集中分析處理，并通過3G廣域網(wǎng)傳輸?shù)胶蠓街笓]臺.

(4)指揮臺接收到現(xiàn)場數(shù)據(jù)后可以啟動監(jiān)控中心監(jiān)控現(xiàn)場救災，分析現(xiàn)場數(shù)據(jù)做出救援指示集群調(diào)度救災人員.

圖3 McWiLL通信系統(tǒng)總流程

3.2 現(xiàn)場通信設計

為了保證救援現(xiàn)場終端設備無線網(wǎng)絡通信互聯(lián)互通，設計車載通信平臺作為網(wǎng)絡接入，車載通信單元由主控設備控制信號采集，由網(wǎng)絡接入現(xiàn)場終端設備并將經(jīng)過處理的信號生成語言、圖像信息，轉(zhuǎn)交McWiLL BTS匯聚到遠程控制臺.車載通信系統(tǒng)結(jié)構如圖4所示，具體實現(xiàn)以下功能：

(1)3G移動單兵、無線網(wǎng)絡攝像機、智能手機等移動終端設備通過網(wǎng)絡接入將采集到的現(xiàn)場信息傳送到應急通信車，進行匯總處理.

(2)應急通信車接收到各無線終端設備的數(shù)據(jù)后進行信號濾波去干擾，分析和識別生成音頻、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)控設備負責整個車載通信系統(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)車載無線終端模塊負責將生成的音頻、視頻信息通過McWiLL BTS匯聚到工作站.

圖4 車載通信系統(tǒng)設計

4 結(jié)束語

通過設計災害救援通信系統(tǒng)，部署現(xiàn)場通信網(wǎng)絡，可以解決災區(qū)通信中斷問題，幫助救援人員收集到更多現(xiàn)場信息，接受遠程指揮中心部署.由于McWiLL BWA系統(tǒng)組網(wǎng)靈活，業(yè)務多樣，網(wǎng)絡覆蓋率廣的特點，設計了基于McWiLL的災害救援無線通信網(wǎng)絡系統(tǒng)模型，設計了現(xiàn)場互聯(lián)互通網(wǎng)絡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)場無線通信覆蓋要求，通過抗震救災現(xiàn)場通信系統(tǒng)，救災人員可以更好完成災害救援.

[1]趙欣.基于McWiLL的軟交換技術在專網(wǎng)中的應用研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2013.

[2]張仕平.基于McWiLL技術的無線數(shù)字城市設計與應用[D].長沙：湖南大學，2011.

[3]徐清林.McWiLL系統(tǒng)網(wǎng)絡規(guī)劃方法的研究[D].北京：北京郵電大學，2010.

[4]程史靚.災害救援應急通信系統(tǒng)方案設計[D].西安：西安電子科技大學，2013.

[5]許琦.自組織網(wǎng)絡支持應急通信標準中的關鍵技術研究[D].北京：北京郵電大學，2013.

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[7]Minn H.,ZengM.,BhargavaV.KOn timing offset estimation for OFDM systems[J]. IEEE Communications Letters. 2010.

[8]Bernard Sklar.Digital Communications[M]:Fundamentals and Applications.2013.

(責任編輯:王前)

2016-08-15

2016安徽高校自然科學研究重點項目“基于無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點定位技術改進及在井下人員定位中的應用研究”(KJ2016A777)；2014年宿州學院自然科學研究一般項目“無線多跳網(wǎng)絡跨層協(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