抢险救灾中TD-SCDMA移动通信系统的快速部署研究

【摘要】文章分析了抢险救灾和处突维稳行动中通信保障的特点,阐述了一种在固定通信设施被毁的盲区或热点地区,借助GIS进行容量分析和覆盖规划,快速部署TD-SCDMA移动通信系统,构建应急移动通信网络的方法,并且进行了计算机仿真和验证。

【关键词】机动式TD-SCDMA移动通信系统 抢险救灾 GIS 业务密度图

在抢险救灾行动中,往往会面临电力、交通等基础设施损毁严重,特别是通信实施被毁坏的严峻情况。通信是了解灾情敌情、指挥救灾和实施维稳任务的重要保障,研究在抢险救灾和处突维稳行动中的移动通信快速部署策略,实现机动通信和应急通信,达成军警民的协同通信,对处理新时期的各类突发事件、遂行多样化任务而言具有重要意义。

1抢险救灾和处突维稳对通信保障的要求

特大自然灾害往往事发突然,救援和处突条件艰巨,空间广阔,参与力量多元,对通信保障提出了前所未有的挑战和要求。

(1)事发突然,时间紧迫,要求通信保障具有快速反应能力

从98年特大洪涝到“5•12”汶川特大地震等重大自然灾害看,自然灾害都有突发性强,发生时间、地点、类型、规模不确定的特点。这要求通信保障必须准备充分,要具备快速反应能力,确保在任何情况下都能遂行应急通信保障任务。

(2)任务分队机动性强,要求通信保障具有“动中通”能力

救援分队在执行任务过程中常常需要在相距数公里甚至数十公里的空间穿梭救援或实施抓捕行动,具有很强的机动性。因此,必须采取有效通信手段确保任务分队通信联络“动中通”和通信指挥不间断。

(3)情况多变,垂直指挥频繁,要求通信保障具有“越级通”能力

自然灾害往往事发突然、情况多变,需要指挥部门及时掌握维稳和救援前线的第一手情况。同时,抢险救灾的很多环节专业性比较强,很多情况需要专业分队进行处置,使得在任务过程中对这些专业分队的垂直和越级指挥频繁。

(4)参与力量多元,联合组织,要求通信保障具有“协同通”能力

参与执行处抢险救灾的队伍通常由部队、武警、公安等多种力量组成,他们的行动通常联合组织、统一指挥。为确保各方力量能够协调一致,发挥整体效能,通信必须具备整体协同保障能力,建立军、警、民一体化通信保障网。

(5)环境恶劣,情况复杂,要求通信保障具有“抗扰通、抗毁通、保密通”能力

抢险救灾行动面临着参与救援力量多元、通信手段多样、电磁重叠、环境复杂等问题,这就要求通信保障具备较强的抗扰、抗毁和保密通能力,能够克服自然和人为因素造成的各种不利影响,确保通信指挥的稳定可靠。

2机动式TD-SCDMA移动通信系统

目前TD-SCDMA移动通信网络已形成了覆盖国土范围的公众网,在人们的日常通信中发挥了重要的作用。但由于自然灾害的影响,部分地区将会形成无线覆盖的热点和盲区,导致原有TD-SCDMA移动通信网络不能满足这些地区处理突发事件的通信需求。为了保障任务分队的指挥通信,需要用到机动式TD-SCDMA移动通信系统,作为移动通信网的应急支撑体系[1]。

机动式TD-SCDMA移动通信系统由基站、交换控制器、电源及其附属设备组成,实现了移动通信系统的小型化、车载化。每个单系统可单独提供无线网络服务,也可通过多种中继手段互联组成多系统移动通信网络。机动式TD-SCDMA移动通信系统具有集成度高、设备体积小、接口多样、机动性强、组网灵活、保密性好等特点,这些优势使其有能力担负起救援保障任务。同时由于抢险救灾活动受领任务紧急,时效性要求高,准备时间短,这又要求机动式TD-SCDMA通信系统具有快速部署能力,以便能更加迅速地建立顺畅有效的指挥网,提高通信保障的快速反应能力。这对及时处理突发事件遏制事态进一步恶化具有十分重要的作用。机动式TD-SCDMA移动通信系统的快速部署的内容主要包括容量分析、系统站址选择、系统基站覆盖范围计算、号码分配、中继链路选择、频率分配等。

3机动式TD-SCDMA移动通信系统的快速部署

3.1系统快速部署的总体思想

首先借助电子地图在具体救援涉及到的地理区域进行业务预测,生成业务密度图。并依据系统基站尽量位于业务区重心的原则,为系统部署地点提供参考依据。然后根据任务的规模估算出所需业务量,再用业务量除以系统的业务容量,得到区域所需的系统数量。接下来根据GIS提供的地理信息结合所得的业务密度图初步确定系统的部署位置。再依据保障任务提出的建网目标,通过计算机编程仿真,利用适当的电磁波传播模型进行链路预算,得到各系统的覆盖范围图,并把该结果与最初设计目标进行比较。这是一个循环往复的过程,反复调整各系统所在的地理位置,直至达到规划者满意的覆盖效果,这时就最终确定任务所需的系统数量和部署位置。最后根据具体行动任务和相关原则进行资源分配,对各系统中继链路的选择以及号码、频率进行分配,从而形成系统的快速部署方案。总体思想框图如图1所示:

3.2 容量分析

容量分析包括业务预测和容量估算两部分,主要目的是根据抢险救灾任务的规模估计出所需业务总量或等效总业务量,然后除以机动式TD-SCDMA移动通信系统的业务容量得到所需的系统数量[2]。同时利用业务密度预测方法,确定规划区的业务重心点,为系统站址位置的确定提供参考。

(1)业务密度预测及业务密度图的生成方法

容量分析首先涉及到的是业务密度的预测,通过业务预测可以生成直观的业务密度图。业务密度预测的目的是得出目标规划区内每个地理点上的业务量密度,有了这一数据就可以确定在任一保障区域内的业务量,也就可以知道所需系统数量、位置以及信道配置是否合理。对于保障抢险救灾这样时效要求严格的任务而搭建的临时通信网,就应该采用最简单有效的方法来生成业务密度图,具体方法简述如下:

导入三维电子地图;

在数字地图上为各地理点赋予不同的业务权重值。救援与灾情动态密切相关,可以根据任务方案在数字地图上对各地理点赋予不同的通信业务权重值,如图2所示:

根据业务权重设置值,进行业务模拟分析,统计出数据指标,生成业务密度图。

从原则上讲,为了避免频繁的切换,充分利用系统资源,系统站址应当选择在业务密度图标识的业务区域的重心位置,从而初步确定系统的部署位置。

(2)容量估算

所需的总的业务量可以根据具体救援行动需要的通信人数,按使用的业务类型(如语音和数据)分别统计出来,然后利用等效方法把所有业务等效成语音业务,求出总的等效业务量。

TD-SCDMA移动通信系统是自干扰系统,系统容量计算涉及的因素和假设的条件比较多,计算相对复杂。系统的容量是由上行链路和下行链路的容量共同决定的,在上行链路指移动台没有足够的功率克服别的移动台干扰,在下行链路则指基站发给各移动台的功率总和达到基站功率限制。理论上说,该系统容量是下行受限的,这是因为系统相对于移动台有较好的接收技术,包括天线分集与多用户检测。所以在实际应用中一般用的是下行链路的系统容量,具体数值可根据系统参数计算得到。

3.3系统覆盖范围

机动式TD-SCDMA移动通信系统站址应尽量部署在靠近区域业务重心点且交通便利易于系统机动转移的地理点,照此原则,可在电子地图中初步确定出系统部署的数量和站址。然后就可以通过链路预算得出最大路径损耗,再借助修正过的电波传播模型计算出各系统的覆盖范围。本文依据此原理,结合TD-SCDMA移动通信系统的技术指标,利用校正过的Lee电波传播模型,对系统覆盖范围进行了编程设计,并对仿真结果作了验证分析。

3.4 链路预算

链路预算是机动式TD-SCDMA移动通信系统快速部署中的必不可少的一步,是进行通信资源分配的有效工具,通过它能够指导规划区内小区半径的设置、所需系统的数目和位置的分布。链路预算从根本上来说是一个计算无线覆盖范围的等式,该等式是一些影响无线链路的增益和损耗的代数和。链路预算要做的工作就是在保证通话质量的前提下,确定系统和移动台之间的无线链路所能允许的最大路径损耗[3]。再结合修正过的电波传播模型,将最大路径损耗映射为传播距离,就可以得到系统的覆盖范围。

链路预算分为上行和下行两种。由于TD-SCDMA移动通信系统的前向链路采用正交的Walsh码进行扩频,具有较强的干扰抑制;而反向链路很难进行同步,同时由于受到体积、重量和电池容量的制约,手机的发射功率不可能做得很大。因此,反向链路预算通常决定系统的覆盖范围,反向链路预算模型如图3所示:

由图3可以得出反向链路允许的最大路径损耗为:

最大允许路径损耗=业务信道有效发射功率-基站天线接收端所需最小信号功率-预留余量

3.5 仿真

根据覆盖区内95%的通信概率、覆盖边缘75%的通信概率得到最大的路径损耗值,然后选用经过校正的电波传播模型,在规划区的电子地图上依据地理点的地形特征、高程等因素,借助GIS提供的数据即可计算出各系统的覆盖范围。经反复调整系统位置并仿真后,最终可以得到满足任务所需的通信效果。图4为编程仿真所得的重庆市某区域的三个系统的覆盖范围图:

载波频率分配

机动式TD-SCDMA移动通信系统采用单载波单扇区体制,相邻系统(即相邻小区)之间载波不能相同,以避免相互干扰,因此必须进行载波规划。当多系统组网开设时,各系统应分别使用不同频点;当开设系统多于3套时,可重复使用频点,但会因同频干扰缩小覆盖范围。机动式系统只有三个频点可供载波使用,规划策略相对简单,如图5所示,其中A、B、C分别代表系统的三个不同的频点。

结论

机动式TD-SCDMA移动通信系统快速部署方案可以在TD-SCDMA网络的固定设施被毁坏时或网络信号覆盖盲区迅速选择最优站点进行多系统自组网,提供快捷、安全、可靠的通信保障,满足抢险救灾时的通信保障要求,为救援分队提供一种快速有效的组网通信的方法,发挥TD-SCDMA移动通信系统的最大效能。

参考文献

[1]李文峰,韩晓冰. 现代应急通信技术[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社,2007.

[2]张传福. CDMA移动通信网络规划设计与优化[M]. 北京: 人民邮电出版社,2006.

[3]刘永重. 基站覆盖距离的计算方法[J]. 电子技术,2004,23(9): 13-15.★

【作者简介】

余刚:硕士,重庆通信学院移动通信教研室讲师,主要研究方向为移动通信在军事领域的运用。

张伟光:重庆通信学院在读硕士研究生,主要研究领域为移动通信。

施志勇:硕士,重庆通信学院移动通信教研室讲师,研究方向为移动通信技术与理论。