基于地理信息系統的應急通信網絡規劃研究

李紅亮 王 雨 李立甫

（重慶通信學院 中國 重慶 400035）

0 引言

在突如其來的大型自然災害和公共突發事件面前，常規的通信手段往往無法滿足通信需求。 應急通信正是為應對自然或人為緊急情況而提供的特殊通信機制，在公眾通信網設施遭受破壞、性能降低、話務量突增的情況下，采用非常規的、多種通信手段組合的方式來恢復通信能力，但是，在多系統的組網運用中，由于應急通信網絡環境的復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就需要進行網絡規劃調查、網絡規劃分析、實地勘察、規劃仿真等步驟來對網絡進行規劃分析。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，用仿真系統來描述傳播環境特性，將減輕很大工作量。 因此我們根據地理信息系統提供的數據，采用計算機仿真技術推算電波傳播性能， 將會極大的節省人力、財力和時間，使得快速進行移動通信系統的部署和網絡規劃成為可能。

1 應急通信的特點

應急通信就是要協同各種通信網絡和技術手段，使應急人員無論在何時何地、采用何種接入方式，都可優先利用殘存的通信資源建立呼叫／會話， 在應急情況下保障通信的暢通。

（1）需要應急通信的時間和地點具有不確定性。

大多數緊急事件都是突發的， 地點和時間不可預知，或者只可在有限時間內預知但是來不及做準備， 例如地震、海嘯等。 這就要求應急通信對于公眾網絡不能覆蓋的區域，也必須有應急的措施可以建立臨時的通信網絡來實現通信業務。

（2）通信網絡受到突發事件的破壞程度具有不確定性。在破壞性的緊急事件發生的情況下，例如泥石流、冰雪災害，公共通信網絡設施可能受到損壞而使網絡陷入癱瘓。 而另外一些緊急事件雖然也很嚴重，但對于通信網絡沒有影響，例如SARS 等傳染性疾病的蔓延。

（3）應急通信的容量需求是不均衡和不可預測的。 緊急事件發生期間，局部出現的大通信流量會造成通信網絡暫時擁塞。 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。 這個容量的需求發生往往是隨機的，不可能預測的到。

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

應急通信面對的情況比較復雜， 不確定因素也較多，需要靈活、周密地設計和部署通信方案。

2 系統的總體設計思想

結合應急通信的特點， 其網絡規劃應考慮無線資源規劃、地址規劃、容量規劃、覆蓋規劃等眾多方面，其中容量和覆蓋規劃是核心，本系統主要考慮覆蓋規劃，系統的設計流程如圖1 所示。

圖1 系統的設計框圖

在系統中， 利用VC++的ADO 和0DBC 技術對屬性數據庫進行管理，同時結合MapX 的功能，在系統中實現了相應的圖形編輯功能，從而實現對屬性數據和圖形的分類管理。 系統中使用的地圖為Geoset 格式，是通過mapinfo 軟件和Mapx自帶的Geoset Manager 軟件生成的。 數據庫采用Access2003數據庫方式，數據庫與載入Geoset 格式的電子地圖存在一一對應的關系，這就把圖形和屬性數據分開，更好的進行數據管理，同時也方便空間數據查詢和分析。 主要研究覆蓋范圍的計算策略，為得到精確覆蓋區域，系統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， 根據所得的結果判斷通信鏈路的可通性，生成信號覆蓋圖。

3 系統實現的關鍵要素

3.1 電子地圖的使用與制作

網絡覆蓋規劃需要進行準確的場強覆蓋預測，由于無線信號傳播對地理環境有著極強的依賴性，地勢的起伏、山體的阻擋，以及城區內樓房等建筑物的遮擋，都會影響信號的傳播強度，并且應急通信的環境更是惡劣和難以判斷，所以該系統在進行場強覆蓋時，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字地圖進行覆蓋規劃，但是購買的地圖價格卻相對比較昂貴，因此使用自制數字地圖可大大降低軟件開發成本，擴展了此軟件的適用范圍。

系統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。 首先在access 中建立所需信息的數據庫并準備好平面地圖的柵格圖像， 然后在mapinfo軟件中將該數據庫和柵格圖像生成相應的tab 格式的表，最后用Geoset Manager 軟件把生成的tab 格式的表生成系統使用的Geoset 格式的電子地圖。

3.2 覆蓋算法

系統中定義L0為應急通信系統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。 則基站覆蓋區域S 可描述為：S=｛s1，s2，s3，……，sn｝滿足Lsi≤L0（i=1，2，3，……，n），覆蓋小區邊緣C 可描述為：C=｛c1，c2，c3，……，cm｝滿足Lcj＝L0（j=1，2，3，……，m）。

算法設計思路為：首先規劃者在電子地圖上選取基站的位置（xb，yb），同時輸入移動臺發射功率Pmtx，基站和移動臺高度，移動臺發射頻率，天線增益，電子地圖精度值a，旋轉角度θ 等參數。 系統根據指定的基站位置（xb，yb），首先在其水平右側找出一點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一周后，確定出小區邊緣集合C，C=｛c1，c2，c3，……，cm｝，最后將集合C 各點連接起來，所圍區域即為基站的覆蓋地域，。 算法具體實現方法分為三個步驟。

步驟1：系統從數據庫中獲取所基站位置（xb，yb）的坐標值及其相應地理信息，并會根據規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：系統在基站坐標水平方向上（右側）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的整數倍且要求Δ≥a）的點，并從數據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， 根據數據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位置信息。 系統還要算出每點對應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。 經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，則認為點sk為覆蓋邊緣上的一點，即sk∈C，系統記錄該點為c1。

步驟3：確定完水平方向右側的點c1后，以基站為原點，逆時針旋轉θ 度（具體數值視精度而定），如圖4 所示，此時系統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θ 后連線圖

依上述步驟以基站位置為原心旋轉一周后，系統將記錄的集合C 各點連接起來， 所圍區域即為此基站的覆蓋地域。對于此算法只要設置適當的Δ 和θ 的值就可以達到用戶所要求的精度。

圖4 為系統生成一幅信號覆蓋圖：其中Δ=0.1km，θ=0.1。

4 結論

基于地理信息系統的應急通信網絡規劃系統可以為通信保障人員迅速選擇最優站點、及時開設使用和展開網絡實行應急通信保障， 發揮該通信系統最大性能提供參考依據。該系統可以為應急通信中的網絡規劃與優化提供參考，為應急通信保障的成功提供一定的支持。

圖4 信號覆蓋圖

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［2］劉永重.基站覆蓋距離的計算方法[J].電子技術,2004.

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