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)對自然或人為緊急情況而提供的特殊通信機制，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。 這是因為在一個未知地域，要出色的完成通信保障任務(wù)就需要進行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃調(diào)查、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃分析、實地勘察、規(guī)劃仿真等步驟來對網(wǎng)絡(luò)進行規(guī)劃分析。特別是實地勘察中的電波傳播測量的工作量大、 周期長，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)，采用計算機仿真技術(shù)推算電波傳播性能， 將會極大的節(jié)省人力、財力和時間，使得快速進行移動通信系統(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

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)急通信的時間和地點具有不確定性。

大多數(shù)緊急事件都是突發(fā)的， 地點和時間不可預(yù)知，或者只可在有限時間內(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的通信網(wǎng)絡(luò)來實現(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)測的。 緊急事件發(fā)生期間，局部出現(xiàn)的大通信流量會造成通信網(wǎng)絡(luò)暫時擁塞。 同時，通信流向往往是匯聚式的，大量的通信流會指向幾個有限的地點，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。 這個容量的需求發(fā)生往往是隨機的，不可能預(yù)測的到。

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

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

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計思想

結(jié)合應(yīng)急通信的特點， 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)計流程如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)的設(shè)計框圖

在系統(tǒng)中， 利用VC++的ADO 和0DBC 技術(shù)對屬性數(shù)據(jù)庫進行管理，同時結(jié)合MapX 的功能，在系統(tǒng)中實現(xiàn)了相應(yīng)的圖形編輯功能，從而實現(xiàn)對屬性數(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應(yīng)的關(guān)系，這就把圖形和屬性數(shù)據(jù)分開，更好的進行數(shù)據(jù)管理，同時也方便空間數(shù)據(jù)查詢和分析。 主要研究覆蓋范圍的計算策略，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算地圖中從基站天線到移動臺位置的路徑損耗， 根據(jù)所得的結(jié)果判斷通信鏈路的可通性，生成信號覆蓋圖。

3 系統(tǒng)實現(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)劃需要進行準(zhǔn)確的場強覆蓋預(yù)測，由于無線信號傳播對地理環(huán)境有著極強的依賴性，地勢的起伏、山體的阻擋，以及城區(qū)內(nèi)樓房等建筑物的遮擋，都會影響信號的傳播強度，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)在進行場強覆蓋時，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)字地圖進行覆蓋規(guī)劃，但是購買的地圖價格卻相對比較昂貴，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的集合，si為地圖上的任意一點，定義Lsi為點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），同時輸入移動臺發(fā)射功率Pmtx，基站和移動臺高度，移動臺發(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c1，使其滿足Lc1=L0，然后以基站位置為原心按逆時針方向旋轉(zhuǎn)θ，在此角度上確定點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 各點連接起來，所圍區(qū)域即為基站的覆蓋地域，。 算法具體實現(xiàn)方法分為三個步驟。

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，并會根據(jù)規(guī)劃者所選用的傳播模型計算出平坦地形條件下移動臺信號達到最大路徑損耗值時所傳播的距離值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S1，然后在兩點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，并從數(shù)據(jù)庫中讀取這些點的高程Hi以及地貌情況信息Wi，即可生成兩點間的地形圖剖面圖，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的地物地貌類型，確定相鄰兩點間地物地貌類型，最終可得到各種類型地貌的相應(yīng)位置信息。 系統(tǒng)還要算出每點對應(yīng)的移動臺與基站連線的那條直線上（如圖2 曲線2 所示）點的高程值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s1間的路徑損耗Ls1。 然后系統(tǒng)將Ls1與L0進行比較，若大于，點s2取遠于s1的點，若小于，則點s2取比s1近的點。 按照上述方法最終確定出點sk，使得Lsk=L0，則認(rèn)為點sk為覆蓋邊緣上的一點，即sk∈C，系統(tǒng)記錄該點為c1。

步驟3：確定完水平方向右側(cè)的點c1后，以基站為原點，逆時針旋轉(zhuǎn)θ 度（具體數(shù)值視精度而定），如圖4 所示，此時系統(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 各點連接起來， 所圍區(qū)域即為此基站的覆蓋地域。對于此算法只要設(shè)置適當(dāng)?shù)摩?和θ 的值就可以達到用戶所要求的精度。

圖4 為系統(tǒng)生成一幅信號覆蓋圖：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、及時開設(shè)使用和展開網(wǎng)絡(luò)實行應(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.

［4］肖征榮.應(yīng)急通信及其發(fā)展策略[J].電信網(wǎng)技術(shù)，2007.