基于浮空器的復雜多山環境應急通信及覆蓋預測

郭 蓉，李華福，景艷梅，解東杰，何文學*

(1.云南師范大學 物理與電子信息學院，云南 昆明650500；2.哈爾濱工業大學 電子與信息工程學院，黑龍江 哈爾濱150001)

0 引言

近年來，應急通信事件發生的頻率和影響程度都在增加，應急通信保障體系對于維護社會秩序穩定和保障人民生命財產安全具有重要的意義。

2021年11月13日，4名地質勘探調查專家進入云南哀牢山開展森林資源調查，11月22日找到失聯的4人時，已全部遇難。失聯人員位處的區域是哀牢山國家級自然保護區，無通信信號，在惡劣的自然條件下，提前設計好的路線和應急預案不能實施，加之天氣突變、大霧彌漫、磁力紊亂，羅盤產生錯誤指引，無法正確分辨方向。4人最后殉職的位置離他們的出發點路程僅3 862 m，殉職時身邊遺留的作業裝備齊全。在類似“哀牢山地質人員失聯”這樣的場景下，應急通信的重要性不言而喻。

應急通信解決方案的傳統是建設應急通信站來恢復通信，但是一般來說，應急通信站覆蓋的范圍較小、設備大、建設成本高、耗時長，且易受地形、植被和地球曲率的影響，應用場景存在一定的局限性，缺乏在陌生或無信號區域快速和大范圍部署的能力[1]。我國將無人機應用于應急通信領域的研究和探索起步較早，由無人機攜帶的通信中繼裝備(如基站、無線電臺等)在提高網絡容量、擴大網絡覆蓋范圍方面具有巨大的潛力，然而，由于攜帶電源的能量限制，它可飛行時間較短、難以與地面站之間建立可靠通信鏈路[2]。

此外，特定傳播環境下的無線電波傳播模型直接關系到工程設計中通信設備的能力、天線高度的確定以及通信距離的估計等。劉建光等人[3]對云南省邊境山地、丘陵地區超短波無線電波傳播特性與傳播損耗的分析，結合邊境口岸實際測試數據，研究云南邊境區域無線電波傳播特性，對比了多種傳播模型的適用性，提出采用Egli模型進行分析。李華福等人[4]提出了一種計算基站有效天線高度和傳播距離的方法，并基于云南某高海拔山區的實測數據采用線性最小二乘法對SPM模型進行了校正和優化。在傳播路徑上有多個障礙物且厚度不可忽略時，黃凱麗[5]提出了連續障礙物等效的方法，結合多峰繞射模型，使用Deygout模型遞歸地查找主峰并使用單圓峰模型計算主峰的損耗值。

與平原地區場景相比，高海拔多山復雜環境下的應急通信網絡建設面臨如下挑戰：① 地形的影響，哀牢山地區地形地貌復雜，山體起伏不均，使得無線信號傳播雜亂無章，相互疊加，極難預測，常常存在覆蓋良好和覆蓋盲區的交替出現；② 植被的影響，由于哀牢山垂直落差大，植被覆蓋率高，植被的分布密度以及植被種類對信號接收強度也有較大影響；③ 由于特殊的極端傳播環境，該場景中的移動通信系統測試、部署以及優化十分困難，給移動用戶的可靠聯網帶來了巨大的挑戰。

本文基于搭載移動基站的浮空器對極端崎嶇地形區域進行網絡覆蓋預測，進一步給出滿足特定覆蓋指標的系統設計參數。

1 浮空器選擇

浮空器相對于固定翼無人機和四旋翼無人機等一些常規的飛行平臺，續航時間更長或飛行高度更高，比如高空超壓氣球和低空系留氣球。兩種浮空器各有其優缺點，可根據不同的應用場景和需求進行選擇。

1.1 高空超壓氣球

高空超壓氣球是一種無動力自由飄飛的飛行器，結構如圖 1所示。高空超壓氣球將無線網絡信號收發器攜帶到高空，和地面接收裝置交換數據，從而使地面的移動用戶能夠實現網絡連接[6]。采用太陽能電池板進行供電，從而實現長時間滯空，并且飛行高度變化很小[7]。

圖1 高空超壓氣球

球體由主氣囊和副氣囊兩部分組成，通過調節副氣囊中空氣的多少來調節高度，但在工程上不易于實現。此外，主要依靠尋找不同的風層來控制航向，因此單個高空超壓氣球的定點控制精度較低[8]。

1.2 系留氣球

系留氣球是一種無動力浮空飛行器，一般由球體、系纜、錨泊設施、供電系統等組成[8]，具體結構如圖 2所示。球體攜帶基站至高空；系纜包括主纜和分系索，主纜用于連接球體和錨泊車，內部有導線與光纖；分系索將力分散在球體側面。主纜連接在球體的主節點上，因此，在載荷重量發生改變時，系留氣球仰角可以不變[9]。錨泊設施包括絞盤、球箱、系留塔、錨泊車等；絞盤用于釋放系留氣球的張力；球箱用于回收球體和系纜；系留塔主要用于系留氣球的系留，系留氣球升空工作時，系留塔負責系留系統的固定，并承受系留氣球系留時的載荷[10]；錨泊車用于承載各種設施。因為采用了系纜傳輸供電，其續航時間不受能源制約，比其他飛行器具有更顯著的優勢。

憑借不受地形限制、響應能力強、覆蓋面廣等諸多優勢，系留氣球在應急通信上有重要的應用，如應急救援等[11]。另外，系留氣球還具有維護成本低和載重能力強等優點[12]。

綜合考慮，由于單個高空超壓氣球定點控制精度較低，且高度控制在工程上不易于實現，加之其主要靠太陽能電池供電，容易受到能源和天氣狀況的制約，加之地質人員勘測時間具有不確定性，系留氣球更適合用于此類場景下，用系纜與地面設施連接，續航時間不受電源限制，氣球高度也易于控制。所以本研究采用系留氣球進行應急通信網絡部署，如圖2所示。

圖2 基于系留氣球的應急通信系統示意圖

2 傳播模型

2.1 自由空間傳播模型

自由空間中電磁波的傳播可以忽略傳播路徑上的環境、介質等因素引起的損耗，自由空間傳播模型描述了收發機在完全無阻擋的視距環境下的傳播損耗情況，用PL(dB)表示特定頻率的損耗值，其定義為有效發射功率與接收功率之間的差值[13]：

(1)

式中，Pt為發射功率，Pr為接收功率，Gt為發射天線增益，Gr為接收天線增益，λ為無線電波波長(m)，d為收發機間距離(m)。注：λ=c/f，c為光速(m/s)，f為頻率(Hz)；功率與增益的單位都為W，換算單位為mW時，PL(dB)表示為：

PL(dB)=10(2lgf+2lgd-lgGt-lgGr)-147.56。

(2)

綜上，自由空間傳播損耗只與收發機增益、頻率和傳播距離相關。

2.2 雙線地面反射模型

多數情況下，基站和移動用戶之間的直射傳播都不是唯一的傳輸路徑，雙線反射模型是同時考慮了直接路徑以及發射機和接收機之間的地面反射路徑的基于幾何光學的反射模型[13]。

當發射機和接收機之間的距離d滿足d>4hthr/λ時，接收機的傳播損耗可表示為：

(3)

式中，ht為發射機相對與地面的高度(m)，hr為接收機相對于地面的高度(m)，Pt為發射功率，Gt未來發射天線增益，Gr為接收天線增益。

Pr，Pt，Gt，Gr以W為單位時可演算為：

10lgPr=10lgPt+10lgGt+10lgGr+

20lght+20lghr-40lgd。

(4)

Pr，Pt，Gt，Gr以mW為單位時可推導出：

10lgPr=10lgPt+10lgGt+10lgGr+

20lght+20lghr-40lgd+60，

(5)

路徑損耗為：

PL(dB)=10lgPt-10lgPr=

10lgd-(10lgGt+10lgGr+20lght+20lghr)。

(6)

2.3 刃形繞射模型

刃形繞射模型常常被用于評估障礙物(山體)對無線電波的衰減，當阻擋是由單個物體引起時，把阻擋體看作繞射刃形邊緣來估計繞射損耗。這種情況下的繞射損耗可用針對刃形后面(稱為半平面)場強的經典費涅爾方法來估計[13]。

由于Huygen’s原理，衍射波前上的所有點可作為產生次級波的點源，這些次級波組合起來形成傳播方向上新的波前，所以當收發機間存在障礙物時，繞射現象使得陰影區的接收機依然能夠接收到繞射信號。

刃形繞射模型場強是刃形上所有二次Huygen’s源的場強矢量和，其繞射增益G可由Fresnel積分給出：

(7)

式中，E0為沒有地面和刃形的自由空間場強，Ed為刃形繞射波場強。對比于自由空間場強，由刃形引起的繞射增益為：

Gd(dB)=20lg|F(v)|。

(8)

上式的近似解由Lee給出：

(9)

2.4 Longley-Rice模型

能實現工程應用的考慮地形因素的傳播模型及測量數據最早由Longley-Rice等人給出，后由國家電信和信息化管理局(NTIA)的研究和電信科學研究所(ITS)實現，稱為ITM-LongleyRice模型[11-12]。

Longley-Rice模型引入了電磁波頻率f，收發天線有效高度ht、hr及位置、極化方向、地形不規則度Δh、地球表面折射率Ns、地面電導率σ和相對介電常數ε等因素，不同路徑長度的傳播損耗參考中值Lref的計算如下：

(10)

式中，d為傳播距離(km),dLS為光滑地面距離,dx處的繞射損耗等于散射損耗,Lbe、Lbed、Lbes分別表示自由空間下視距、繞射和散射時的傳播損耗值,k1和k2為傳播損耗系數,md和ms分別表示繞射和散射損耗系數。dmin≤d

2.5 uRTA模型

隨著個人無線通信系統的發展，許多傳統的傳播模型并不能準確地預測所有場景的路徑損耗，尤其是針對于高海拔山區的無線網絡，該環境中路徑損耗的主要影響因素是海拔高、山脈多、植被茂密、空氣濕度大[4]。在之前的研究成果中[14]，提出了uRTA模型來預測極端崎嶇環境中無線電波的傳播損耗，其中考慮將山體建模為錐形模型，并研究了多山體對傳播損耗的影響。本文在鏈路預算時使用了該計算方法，詳見第4節。

3 環境描述及地形精細化剖分

3.1 環境

哀牢山位于云南中部，是古哀牢國東界界山，是云貴高原和橫斷山脈的分界線，也是元江和阿墨江的分水嶺，印度板塊向亞歐板塊碰撞和俯沖的產物。這里山高坡陡，溝壑縱橫，地形起伏強烈，氣候復雜，容易遭遇天氣突變。哀牢山國家級自然保護區是森林生態系統類型自然保護區，以保護亞熱帶中山濕性常綠闊葉林生態系統和黑長臂猿、綠孔雀、灰葉猴等珍貴野生動物為目的，地跨云南省楚雄、雙柏、景東、鎮沅、新平五個州縣。地理坐標為東經100°44′～101°30′，北緯23°36′～24°56′，保護區南北長約130 km，南部東西寬約4～9 km，北部南華片東西寬則達20多km，總面積677 km2，主峰稱哀牢山，海拔3 166 m。

3.2 DEM數據

DEM是地形表面形態的數字化表達，通過等高線或相似立體模型進行數據采集(包括采樣和量測)，然后進行數據內插而形成，描述的是高程在地理坐標上的分布。

分辨率是DEM刻畫地形精確程度的一個重要指標，可根據實際應用情況選擇不同精度的DEM數據以及對數據集進行采樣，采樣點越密集，計算精度越高，但是計算速度越慢。綜合考慮，本文采用12.5 m精度的DEM數據進行仿真。

3.3 泰森多邊形剖分

泰森多邊形又叫馮洛諾伊圖(Voronoi diagram)，它是一組由兩個相鄰點所連接線段的垂直平分線組成的連續多邊形，如圖 3所示[15]。

圖3 Voronoi圖的垂直平分線屬性

對于平面區域S上的離散點集合P={p1,p2,…,pn},其點i的Voronoi分區可表示為：V(pi)={p∈S|‖p-pi‖≤‖p-pj‖,?j≠i}，其中，pi為Voronoi分區的生成元，集合V(p)={V(p1),V(p2),…,V(pn)}為P的Voronoi圖。根據上述定義可知，Voronoi圖是由連續多邊形組成，如圖 3所示，紅色實線為Voronoi圖劃分控制點連線的垂直平分線[15]。

圖4給出了傳統四邊形網絡、三角形網絡以及泰森多邊形網絡對目標區域地形的精細化剖分結果，其中，文獻[16]利用了三角剖分。從圖 4可以看出，本文采用的泰森多邊形網絡精細化剖分使得山峰和山谷區域更加平滑，在相同的DEM精度下能更準確地反映地形信息。

(a) 傳統四邊形剖分網絡

4 鏈路預算

鏈路預算一方面可以獲得基站的可用最大發射功率，避免無效的下行覆蓋，減小干擾和系統噪聲；另一方面可以評估上/下鏈路所允許的最大路徑損耗。

鏈路預算中有兩類因素：確定因素和不確定因素，確定因素是指一旦產品形態及場景確定，相應的參數隨之確定，如：功率、天線增益、噪聲系數、解調門限和穿透損耗。不確定因素包括慢衰落余量、雨雪影響和干擾余量。這些因素當作鏈路余量考慮[16]。路徑損耗公式為[16]：

PL=Pt-10×lg 10Nsu+Gt-Lf-Lv-Lb-

Mdis-Mrain-Mslow+GUE-Pn-NFUE-SINR，

(11)

式中，PL表示路徑損耗(dB)，Pt表示基站發射功率，Nsu表示子載波數，Gt表示基站天線增益(dBi)，Lf表示基站饋線損耗(dB)，Lv表示植被損耗(dB)，Lb表示人體遮擋損耗(dB)，Mdis表示干擾余量(dB)，Mrain表示雨/冰雪余量(dB)，Mslow表示慢衰落余量(dB)，GUE表示UE天線增益(dBi)，Pn表示熱噪聲功率(dBm)，NFUE表示UE噪聲系數(dB)，SINR表示解調門限，即接收機靈敏度(dBm)。

本研究中應急通信場景下的接收機為智能手機，假定其接收功率閾值(接收機靈敏度)為-106 dBm，當信號強度高于閾值時稱為有效覆蓋。基站發射機天線增益為15 dBi，UE天線增益為0 dBi。本文主要考慮路徑損耗、饋線損耗和植被損耗，其他余量暫不考慮，由于雨水衰落對于在10 GHz以下的個人通信業務影響較小[17]，不予考慮。本文選取的頻率為700 MHz，根據饋線選擇理論，采用LDP6 5/4饋線，饋線損耗約為2.285 dB/100 m，設置饋線長度為20 m。植被損耗根據文獻[18-19]選定為160 dB/km，假設植被高度為30 m。

4.1 計算基站發射功率值

本文選取了200，500，1 000，2 000，3 000，5 000 m六個基站高度值進行計算，得到研究區域內所有10 000個剖分網格的傳播損耗值，將該值前80%對應的網絡視作有效覆蓋的區域，并計算出對應基站高度下的發射功率，如表 1所示。

表1 基站發射功率值

由圖5可以發現，隨著基站高度的增加，所需基站功率反而減小，說明山體對電波的損耗遠大于自由空間傳播損耗。

圖5 不同基站高度設置下的發射功率值

此外，當基站高度小于2 km時，隨著基站高度的增加，所需基站發射功率隨之顯著減少；當基站高度大于2 km時，基站功率沒有表現出顯著改變。因此，為了滿足目標區域覆蓋指標且節約成本，基站發射功率需要被仔細地設置。

4.2 接收功率仿真

接下來考慮基站發射功率固定，不同基站高度對移動端接收功率的影響。圖 6～圖 7仿真了基站發射功率為160 W，即52.04 dBm，基站高度為1 000 m和2 000 m時的有效接收功率。其中，玫紅色部分表示未能實現有效覆蓋(接收功率低于設定的閾值)的區域，其余區域表示有效覆蓋區域，右側顏色欄表示接收功率值(dBm)。圖 6結果表明，當基站發射功率為52.04 dBm，基站高度為1 000 m時，有效覆蓋率為69.86%。圖 7結果表明，當基站發射功率為52.04 dBm，基站高度為2 000 m時，有效覆蓋率為94.90%。

圖6 基站高1 000 m時的接收功率覆蓋仿真

圖7 基站高2 000 m時的接收功率覆蓋仿真

5 結束語

本文針對中國云南哀牢山國家自然保護區的某極端崎嶇地形區域，選擇系留氣球攜帶移動基站載荷來解決該地區在應急情況下的無網絡覆蓋預測問題。在復雜地形環境中，基于DEM數據，首先利用泰森多邊形剖分技術對哀牢山地形進行準確、精細的網格化；然后利用開發的uRTA模型計算該區域的無線電波傳播損耗；最后通過鏈路預算評估了基站高度、基站發射功率和覆蓋率之間的關系。結果表明，本文方法可以根據不同業務需求、成本以及工程能力來評估極端復雜地形環境下無線網絡的覆蓋效果。比如，當設置接收機靈敏度、有效覆蓋率和基站高度分別為-106 dBm、80%和2 000 m時，基站接收功率約為39 dBm；當設置基站發射功率、接收機靈敏度分別為52.04 dBm、-106 dBm時，建議基站高度設置為1 500 m左右，此時的有效覆蓋率可達約82%。未來將對該系統進行實地測量，以矯正傳播模型,本研究有望為復雜地形場景下應急通信網絡部署以及優化提供建議。