應急通信網絡中能量有效的協作多播方案范文
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摘要：提出一種應用于現場應急通信系統的協作多播方法。該方法應用于由臨時基站、手機終端設備和協作中繼點組成的應急通信網絡，由基站到用戶的信息過程分為兩個階段：第一階段臨時基站采用自適應功率控制方法廣播數據，保證所有中繼點都能正確接收；第二階段臨時基站停發數據，所有中繼同時在相同的信道上廣播第一階段成功接收的數據；手機終端設備對一階段和第二階段接收的數據進行合并譯碼。該方案實施簡單，且能夠滿足應急通信場合對節約能耗和可靠多播的通信需求。
關鍵詞：應急通信；協作多播；合并譯碼
0引言
移動蜂窩網憑借其無縫覆蓋能力和良好的通信服務質量，已經成為當前社會生活不可或缺的重要的通信基礎設施。但是，在大的自然災害場景下，移動蜂窩網基站容易受到損壞，造成受災地區通信服務的中斷，人們無法再通過便攜的手機設備跟外界進行聯系，形成信息孤島，對搶險救災工作的實施帶來不利影響。應急通信指當通信基礎設施受到損壞時，能夠快速建立并穩定使用的通信系統。我國屬于自然災害多發頻發的國家，尤其汶川地震、玉樹地震等重大自然災害的相繼發生，使應急通信系統建設尤為迫切。當前的應急通信系統一般是針對現場救援人員和后方指揮人員提供通信服務，應急通信系統架構包括現場應急通信網絡，應急通信車和遠程應急通信網絡。將中繼節點引入蜂窩網，能夠解決災害發生情況下的蜂窩網通信盲區問題，代表性研究成果包括：文獻[1]研究了基于中繼的蜂窩網絡應急通信系統中的中繼節點部署問題，給出了滿足系統性能情況下節點數最少和節點位置最優的算法。文獻[2]著重研究了應急通信網絡中的信道接入技術、路由協議和功率控制問題。文獻[3]探討了移動AdHoc網絡和蜂窩網絡相結合的應急通信網絡快速部署問題。文獻[4]分析了盲區環境下在移動蜂窩網絡中引入中繼節點后會話丟棄概率問題。文獻[5]研究了基于中繼的蜂窩網絡中的頻譜效率和能效的折中問題。文獻[6-7]探討了OFDMA中繼網絡中高能效的傳輸問題。上述研究均從基站受損時蜂窩網絡的修復方面，給出了應急通信的技術方案。在災害情況下，救災部門需要告知幸存者庇護所地點、災害詳情、如何應對災難、救援中心和緊急醫療服務部的位置信息等等。上述救災信息可能通過文本、音頻或視頻的形式多播或廣播給受災民眾。因此，多播或廣播是應急通信中非常重要的信息傳輸模式。本文主要考慮災后移動基站受損情況下災害現場民眾獲取信息不暢的問題，提出一種應用于現場應急通信系統的協作多播方法，以幫助受災民眾在移動通信基礎設施損壞情況下，能夠利用手持移動電話接收急需的救災信息和自救互救知識，有利于提高搶險救災和災后重建的效率。
1系統模型
為提高遠離臨時基站端手機用戶的性能，引入協作中繼點進行多播傳輸。基于中繼點的兩階段協作多播的傳輸過程如圖1所示。圖1中臨時基站的覆蓋范圍設為r，多個中繼點部署在半徑為r的圓內，中繼點的位置可依據人群密集地靈活部署。多播服務的每個時隙T劃分為兩部分時間間隔：t1和t2。首先，臨時基站在第一階段t1時間內傳輸多播或廣播數據，由于基站的功率限制，此時只有一部分手機用戶能夠正確接收，與基站的距離大于r的用戶由于信噪比低于門限值而無法正確解碼，但通過合理部署中繼點的位置，能夠保證所有中繼點在第一階段均可正確接收。然后，在第二階段t2時間內，基站保持靜默，中繼點以廣播或多播的形式重發第一階段接收到的數據，此時第一階段沒有正確接收的用戶，對一階段和二階段收到的數據進行合并譯碼，提高數據譯碼的可靠性。
本文提出一種基于中繼的協作多播方法，用于現場應急通信場合，如圖1所示的系統包括一個臨時基站、若干分布在臨時基站和手機用戶之間的中繼，臨時基站根據需要周期性廣播包含救災信息的多媒體業務內容。其中，中繼點的具體要求包括：中繼點采用太陽能電池，不依賴電力供應；中繼點應布置在基站的最大覆蓋范圍內；中繼點放置的位置依人群聚集情況而定，應放置在人群聚集區；中繼點的數量由中繼點的最大覆蓋范圍和人群分布情況決定。系統初始化階段，臨時基站選擇應急廣播使用的頻段，并通過公共信道周期性廣播該頻段信息；手機終端轉換到應急廣播接收模式，并調諧到應急廣播頻段準備接收。具體的多播傳輸步驟如下：（1）臨時基站把傳統的一個多播幀平均分成兩段：階段一和階段二，臨時基站僅在每一幀的第一階段以自適應功率控制方法發送待傳輸的多媒體數據，在每一幀的第二階段保持靜默；（2）中繼點和手機用戶在每一幀的第一階段接收來自臨時基站的數據；（3）中繼點在每一幀的第二階段廣播其第一階段接收的數據，在第一階段已經正確譯碼的用戶在第二階段進入休眠模式，在第一階段沒能正確譯碼的用戶在第二階段接收來自中繼點的數據，并與第一階段接收的數據進行合并譯碼。
步驟（1）中，臨時基站采用自適應功率控制方法決定階段一的多播發射功率，同時實現基站節能和可靠多播目的。自適應功率控制的步驟為：中繼點i測量自己的信道狀態信息SINRi，并把測量結果反饋給基站；基站接收來自所有中繼點的信道狀態信息，為保證最差鏈路的中繼點正確解碼，由最差鏈路的信噪比SINRmin計算基站傳輸多播數據的發射功率。所述功率控制方法能保證最差鏈路的基站能正確接收多播數據，并保證可靠多播前提下臨時基站的發射功率最小。中繼點和手機用戶在每一幀的第一階段接收來自臨時基站的數據，基站的自適應功率控制算法能保證所有中繼點正確接收數據，但不能保證所有手機用戶在第一階段正確接收。在第一階段已經正確譯碼的用戶在第二階段進入休眠模式，可以節約手機用戶的能量。在第一階段沒能正確譯碼的用戶在第二階段接收來自中繼點的重發數據，并與第一階段接收的數據進行合并譯碼，能夠提高基站覆蓋邊緣用戶的正確接收概率。
3結語
本文的目的在于提供一種應用于現場應急通信系統的協作多播方法，以解決受災民眾在移動通信基礎設施損壞情況下獲取救災信息和知識的渠道不暢問題，本文提出的兩階段協作多播方法執行簡單，且能夠實現應急通信場合臨時基站和手機終端節約能耗的目的，滿足可靠多播的通信需求。
參考文獻：
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[2]李旭.面向應急通信的中繼網絡部署問題研究[D].中國科學技術大學,2015:7-9.
[3]王金花.基于應急通信的AdHoc網絡分層結構與路由算法改進研究[D].寧夏大學,2015:5-7.
[4]魯蔚鋒,吳蒙.盲區環境下集成移動蜂窩和adhoc網絡的系統性能分析.通信學報,2007,28(7):70-79.
作者：李紅巖 單位：河南工業大學
