应急通信网络中能量有效的协作多播方案范文

摘要：提出一种应用于现场应急通信系统的协作多播方法。该方法应用于由临时基站、手机终端设备和协作中继点组成的应急通信网络，由基站到用户的信息过程分为两个阶段：第一阶段临时基站采用自适应功率控制方法广播数据，保证所有中继点都能正确接收；第二阶段临时基站停发数据，所有中继同时在相同的信道上广播第一阶段成功接收的数据；手机终端设备对一阶段和第二阶段接收的数据进行合并译码。该方案实施简单，且能够满足应急通信场合对节约能耗和可靠多播的通信需求。

关键词：应急通信；协作多播；合并译码

0引言

移动蜂窝网凭借其无缝覆盖能力和良好的通信服务质量，已经成为当前社会生活不可或缺的重要的通信基础设施。但是，在大的自然灾害场景下，移动蜂窝网基站容易受到损坏，造成受灾地区通信服务的中断，人们无法再通过便携的手机设备跟外界进行联系，形成信息孤岛，对抢险救灾工作的实施带来不利影响。应急通信指当通信基础设施受到损坏时，能够快速建立并稳定使用的通信系统。我国属于自然灾害多发频发的国家，尤其汶川地震、玉树地震等重大自然灾害的相继发生，使应急通信系统建设尤为迫切。当前的应急通信系统一般是针对现场救援人员和后方指挥人员提供通信服务，应急通信系统架构包括现场应急通信网络，应急通信车和远程应急通信网络。将中继节点引入蜂窝网，能够解决灾害发生情况下的蜂窝网通信盲区问题，代表性研究成果包括：文献[1]研究了基于中继的蜂窝网络应急通信系统中的中继节点部署问题，给出了满足系统性能情况下节点数最少和节点位置最优的算法。文献[2]着重研究了应急通信网络中的信道接入技术、路由协议和功率控制问题。文献[3]探讨了移动AdHoc网络和蜂窝网络相结合的应急通信网络快速部署问题。文献[4]分析了盲区环境下在移动蜂窝网络中引入中继节点后会话丢弃概率问题。文献[5]研究了基于中继的蜂窝网络中的频谱效率和能效的折中问题。文献[6-7]探讨了OFDMA中继网络中高能效的传输问题。上述研究均从基站受损时蜂窝网络的修复方面，给出了应急通信的技术方案。在灾害情况下，救灾部门需要告知幸存者庇护所地点、灾害详情、如何应对灾难、救援中心和紧急医疗服务部的位置信息等等。上述救灾信息可能通过文本、音频或视频的形式多播或广播给受灾民众。因此，多播或广播是应急通信中非常重要的信息传输模式。本文主要考虑灾后移动基站受损情况下灾害现场民众获取信息不畅的问题，提出一种应用于现场应急通信系统的协作多播方法，以帮助受灾民众在移动通信基础设施损坏情况下，能够利用手持移动电话接收急需的救灾信息和自救互救知识，有利于提高抢险救灾和灾后重建的效率。

1系统模型

为提高远离临时基站端手机用户的性能，引入协作中继点进行多播传输。基于中继点的两阶段协作多播的传输过程如图1所示。图1中临时基站的覆盖范围设为r，多个中继点部署在半径为r的圆内，中继点的位置可依据人群密集地灵活部署。多播服务的每个时隙T划分为两部分时间间隔：t1和t2。首先，临时基站在第一阶段t1时间内传输多播或广播数据，由于基站的功率限制，此时只有一部分手机用户能够正确接收，与基站的距离大于r的用户由于信噪比低于门限值而无法正确解码，但通过合理部署中继点的位置，能够保证所有中继点在第一阶段均可正确接收。然后，在第二阶段t2时间内，基站保持静默，中继点以广播或多播的形式重发第一阶段接收到的数据，此时第一阶段没有正确接收的用户，对一阶段和二阶段收到的数据进行合并译码，提高数据译码的可靠性。

2能量有效的两阶段协作多播方法

本文提出一种基于中继的协作多播方法，用于现场应急通信场合，如图1所示的系统包括一个临时基站、若干分布在临时基站和手机用户之间的中继，临时基站根据需要周期性广播包含救灾信息的多媒体业务内容。其中，中继点的具体要求包括：中继点采用太阳能电池，不依赖电力供应；中继点应布置在基站的最大覆盖范围內；中继点放置的位置依人群聚集情况而定，应放置在人群聚集区；中继点的数量由中继点的最大覆盖范围和人群分布情况决定。系统初始化阶段，临时基站选择应急广播使用的频段，并通过公共信道周期性广播该频段信息；手机终端转换到应急广播接收模式，并调谐到应急广播频段准备接收。具体的多播传输步骤如下：（1）临时基站把传统的一个多播帧平均分成两段：阶段一和阶段二，临时基站仅在每一帧的第一阶段以自适应功率控制方法发送待传输的多媒体数据，在每一帧的第二阶段保持静默；（2）中继点和手机用户在每一帧的第一阶段接收来自临时基站的数据；（3）中继点在每一帧的第二阶段广播其第一阶段接收的数据，在第一阶段已经正确译码的用户在第二阶段进入休眠模式，在第一阶段没能正确译码的用户在第二阶段接收来自中继点的数据，并与第一阶段接收的数据进行合并译码。

步骤（1）中，临时基站采用自适应功率控制方法决定阶段一的多播发射功率，同时实现基站节能和可靠多播目的。自适应功率控制的步骤为：中继点i测量自己的信道状态信息SINRi，并把测量结果反馈给基站；基站接收来自所有中继点的信道状态信息，为保证最差链路的中继点正确解码，由最差链路的信噪比SINRmin计算基站传输多播数据的发射功率。所述功率控制方法能保证最差链路的基站能正确接收多播数据，并保证可靠多播前提下临时基站的发射功率最小。中继点和手机用户在每一帧的第一阶段接收来自临时基站的数据，基站的自适应功率控制算法能保证所有中继点正确接收数据，但不能保证所有手机用户在第一阶段正确接收。在第一阶段已经正确译码的用户在第二阶段进入休眠模式，可以节约手机用户的能量。在第一阶段没能正确译码的用户在第二阶段接收来自中继点的重发数据，并与第一阶段接收的数据进行合并译码，能够提高基站覆盖边缘用户的正确接收概率。

3结语

本文的目的在于提供一种应用于现场应急通信系统的协作多播方法，以解决受灾民众在移动通信基础设施损坏情况下获取救灾信息和知识的渠道不畅问题，本文提出的两阶段协作多播方法执行简单，且能够实现应急通信场合临时基站和手机终端节约能耗的目的，满足可靠多播的通信需求。

参考文献：

[1]钟石.结合蜂窝通信的Adhoc应急通信模型设计[D].江南大学,2007:9-10.

[2]李旭.面向应急通信的中继网络部署问题研究[D].中国科学技术大学,2015:7-9.

[3]王金花.基于应急通信的AdHoc网络分层结构与路由算法改进研究[D].宁夏大学,2015:5-7.

[4]鲁蔚锋,吴蒙.盲区环境下集成移动蜂窝和adhoc网络的系统性能分析.通信学报,2007,28(7):70-79.

作者：李红岩 单位：河南工业大学