任 靜姚遠(yuǎn)程秦明偉朱 悅

（西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，綿陽621010）

1 引 言

無線電臺應(yīng)急通信在面對緊急公共事件、大型的機(jī)構(gòu)活動以及救助自然災(zāi)害等突發(fā)狀況，在原有的通信設(shè)備電路被阻塞、故障，甚至是發(fā)生了摧毀的時候能發(fā)揮其應(yīng)有的作用，它為政府部門、人民群眾臨時提供無線應(yīng)急指揮平臺，實(shí)現(xiàn)指揮機(jī)關(guān)對其相關(guān)區(qū)域?qū)崟r不間斷和移動中的通信聯(lián)絡(luò)和指揮，對所覆蓋區(qū)域內(nèi)通信聯(lián)系提供通信信道支持。 作為地區(qū)性的中繼節(jié)點(diǎn)，其建設(shè)的位置很重要，中繼節(jié)點(diǎn)信號的覆蓋范圍，直接關(guān)系無線通信的效果。

對于無線應(yīng)急通信中繼網(wǎng)絡(luò)來說，傳統(tǒng)的中繼節(jié)點(diǎn)選址需要利用現(xiàn)場實(shí)地調(diào)查和測量等方式，即依賴于經(jīng)驗(yàn)選址。 若通信受損發(fā)生在復(fù)雜環(huán)境中，此時中繼節(jié)點(diǎn)的選址必然受到地理環(huán)境和通信設(shè)備的限制，主要包含兩方面：其一是由于復(fù)雜環(huán)境無線信道參數(shù)難以預(yù)測，地形、植被、大氣等都會影響無線電波傳播，因此常常會出現(xiàn)中繼節(jié)點(diǎn)選址理論分析可行，但是在實(shí)際應(yīng)用場景中卻無法達(dá)到預(yù)期覆蓋范圍的問題；其二是在憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行中繼節(jié)點(diǎn)選址的過程中，難以將通信設(shè)備的天線場型、發(fā)射機(jī)／接收機(jī)位置高度、調(diào)制解調(diào)特性、傳輸損耗、載波頻率等因素考慮全面。 由于復(fù)雜環(huán)境中多重影響因素的存在，使得傳統(tǒng)的中繼網(wǎng)絡(luò)部署不可避免地存在選址速度慢、中繼節(jié)點(diǎn)冗余和通信鏈路質(zhì)量差等問題，并出現(xiàn)仿真計(jì)算結(jié)果難以精確地對應(yīng)到實(shí)際場景中的情況。

射線跟蹤方法通過模擬射線在實(shí)際傳播環(huán)境中的直射、反射、散射和繞射等方式來獲取收發(fā)端天線之間所有可能的傳播路徑，在得到該傳播路徑后，再根據(jù)電磁傳播理論來計(jì)算每條射線的幅度、相位、延遲和極化等信息，最后結(jié)合天線方向圖等信息就可得到接收天線處所有射線的有效合成結(jié)果。 射線跟蹤方法作為一種確定性建模方法，其優(yōu)勢在于精確度較高并且能獲得接收端射線電磁參數(shù)的詳細(xì)信息，此外其計(jì)算量大、耗時的缺點(diǎn)逐漸被克服，因此在移動通信領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 因此本文提出了基于射線跟蹤方法Wireless Insite（WI）建模及仿真的無線應(yīng)急通信中繼節(jié)點(diǎn)快速布點(diǎn)方法。

2 中繼網(wǎng)絡(luò)建模

REMCOM 公司的射線跟蹤仿真軟件WI 采用先進(jìn)的高頻電磁處理方法，即射線跟蹤方法，并基于UTD（一致性繞射理論）／GTD（幾何繞射理論）理論，使其可以在50MHz ～100GHz 頻段內(nèi)提供精確的計(jì)算結(jié)果。

射線跟蹤方法是一種被廣泛用于移動通信和個人通信環(huán)境街道微小區(qū)和室內(nèi)微小區(qū)中的預(yù)測無線電波傳播特性的技術(shù)。 文獻(xiàn)［10］使用射線跟蹤方法在高達(dá)60GHz 頻率上對室內(nèi)外通信環(huán)境進(jìn)行仿真，從而驗(yàn)證了該目標(biāo)場景下進(jìn)行5G 通信的可行性。 文獻(xiàn)［11］使用射線跟蹤方法對室外最佳發(fā)射機(jī)位置進(jìn)行了定位。 文獻(xiàn)［12］在2GHz 頻率下對某城市中心的寬帶無線信道進(jìn)行實(shí)測和射線跟蹤仿真，并對比二者的路徑損耗和延遲擴(kuò)展。 文獻(xiàn)［13］［14］對山區(qū)環(huán)境的甚高頻無線信道進(jìn)行了射線跟蹤建模仿真，并與實(shí)測結(jié)果對比以驗(yàn)證了射線跟蹤方法的有效性。

考慮將串行多中繼方法應(yīng)用于如圖1 所示的目標(biāo)場景。 當(dāng)E 區(qū)域大面積通信受損導(dǎo)致無法與外部通信時，S 區(qū)域的骨干網(wǎng)無法延伸至通信受損區(qū)，此時就需要建立中繼網(wǎng)絡(luò)與E 區(qū)進(jìn)行通信。 考慮個中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行放大轉(zhuǎn)發(fā)的方式，這種中繼方式只是將接收到的信號放大后轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)，因此實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較低，這對于應(yīng)急救災(zāi)通信是十分適合的。 文獻(xiàn)［15］提出使用RTS 和CTS 包獲取信道質(zhì)量瞬時測量值的方法來選擇中繼節(jié)點(diǎn)，該方法雖然能夠保證最佳的鏈路質(zhì)量，但由于信道狀態(tài)是時變的，實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度較高。 射線跟蹤方法實(shí)質(zhì)上是獲取了中繼節(jié)點(diǎn)的前、后向信道質(zhì)量仿真值。 在射線跟蹤方法中，使用式（1）和式（2）篩選中繼節(jié)點(diǎn)備選點(diǎn)

圖1 目標(biāo)場景示意圖Fig.1 Schematic diagram of target scene

式中：P——上一節(jié)點(diǎn)-1 的發(fā)射功率；PL——兩相鄰節(jié)點(diǎn)和-1 之間的路徑損耗；P——節(jié)點(diǎn)的接收功率，當(dāng)P滿足式（2）時，認(rèn)為，-1 兩節(jié)點(diǎn)能夠進(jìn)行通信；——接收機(jī)靈敏度閾值。

2.1 環(huán)境建模

采用的環(huán)境建模方法，主要針對地形環(huán)境、植被覆蓋進(jìn)行建模。 對于地形環(huán)境的建模，采用從現(xiàn)有地理信息系統(tǒng)導(dǎo)入的方式。 在WI 軟件中支持導(dǎo)入數(shù)字高程模型（DEM）對地形進(jìn)行建模。 地形來源于日本宇宙航空研究所在2016年提出的AW3D的30m 分辨率DEM，使用如ENVI、QGIS 等GIS 軟件剪切感興趣區(qū)（ROI）。 導(dǎo)入后的地形如圖2 所示。

圖2 WI 地形圖Fig.2 WI topographic map

2.2 無線通信設(shè)備建模

為使通信設(shè)備更加接近實(shí)際設(shè)備的性能，我們對通信設(shè)備建模時考慮以下幾個參數(shù)。

1）發(fā)射頻段；2）發(fā)射功率；3）天線增益及極化方式；4）接發(fā)器類型。

根據(jù)“CRSA 推薦的業(yè)余無線電頻率使用規(guī)劃”，全國業(yè)余無線電統(tǒng)一應(yīng)急救援通信U／V 頻段直頻頻率為：U 段433.000MHz，V 段145.000MHz，這兩個頻段都屬于超短波的范疇。 超短波傳播具有視距傳播、繞射能力有限、直線傳播和傳播不受電離層影響等特性。 與平原環(huán)境相比，復(fù)雜的山地環(huán)境中電磁波由于植被的吸收效應(yīng)和地形環(huán)境的反射、散射路徑復(fù)雜，導(dǎo)致應(yīng)急頻段無線電波傳播距離更短、路徑損耗更大。 因此超短波頻段下應(yīng)急通信更需要一種有效的精確的中繼網(wǎng)絡(luò)尋址方法。

為實(shí)現(xiàn)中繼節(jié)點(diǎn)的選址，需要了解場景中每個位置相對于其他位置的信道特性。 因此在WI 中發(fā)射器和接收器類型都使用TRX（Transceiver）類型，即每個點(diǎn)既是發(fā)射器又是接收器，這與中繼節(jié)點(diǎn)的功能一致。 接發(fā)器的天線為全向天線，考慮到垂直極化電磁波更加易于穿過起伏不平的地貌，因此極化方式選擇垂直極化，通信頻段為433.00MHz，具體的射線參數(shù)如表1 所示。

表1 仿真相關(guān)參數(shù)Tab.1 Simulation related parameters

3 中繼節(jié)點(diǎn)尋址算法

使用WI 對上一章構(gòu)建的模型進(jìn)行仿真后，其仿真結(jié)果意味著當(dāng)前場景下每個TRX 掌握了相對于其他TRX 的鏈路費(fèi)用和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?將中繼網(wǎng)絡(luò)布點(diǎn)尋址問題等效為一個多中繼串行網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型進(jìn)行研究。 多中繼串行網(wǎng)絡(luò)是單中繼網(wǎng)絡(luò)模型的串行組合，數(shù)據(jù)由源節(jié)點(diǎn)逐跳經(jīng)過中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并且每個中繼節(jié)點(diǎn)僅接收前一跳中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)。

3.1 路徑選擇策略

按照無線中繼處對接收信號的處理方式，多跳中繼應(yīng)用中的基本中繼策略可以分為重復(fù)碼形式的譯碼前傳（Decode-and-Forward，DF）和放大轉(zhuǎn)發(fā)（Amplify and Forward，AF）。 將基于WI 的中繼網(wǎng)絡(luò)尋址問題等效為一個單向多跳放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼傳輸尋址模型進(jìn)行研究。

對于兩跳中繼節(jié)點(diǎn)選擇問題，Sreng V等人分別提出了兩類路徑選擇策略。

1）基于距離準(zhǔn)則，包括最長距離最短準(zhǔn)則（Least Longest Hop Selection，LLH）、接入距離最短準(zhǔn)則（Shortest Relaying Hop Distance Selection）和總距離最短準(zhǔn)則（Shortest Total Distance Selection，STD）；

2）基于路徑損耗準(zhǔn)則，包括兩跳路徑路損之和最?。∕inimum Total Pathloss Selection，MTP），兩跳路損最大最小準(zhǔn)則（Least Maximum Pathloss Selection，LMP）和最小接入鏈路路損準(zhǔn)則（Minimum Relaying Hop Pathloss Selection，MRP）。

經(jīng)過多年的發(fā)展，中繼選擇策略除以上列舉之外，還提出基于最大SINR 準(zhǔn)則的路徑選擇策略；本方法在兩跳網(wǎng)絡(luò)路徑選擇策略的基礎(chǔ)上進(jìn)行推廣，針對兩跳路損之和最小準(zhǔn)則（MTP）進(jìn)行中繼網(wǎng)絡(luò)的尋址。

3.2 MTP 路徑選擇策略

首先考慮二跳中繼網(wǎng)絡(luò)，如圖3 所示。 R是所選擇的路徑，源節(jié)點(diǎn)S，終端節(jié)點(diǎn)E，設(shè)S 到E 共有條路徑。為第條路徑的第一跳路徑損耗，為第跳路徑的第二跳的路徑損耗。 對于MTP路徑選擇策略，相應(yīng)的判別公式如下

圖3 二跳中繼網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.3 Sketch map of two hop relay network

而對于一個多中繼串行網(wǎng)絡(luò)，為第條路徑的跳數(shù)，PL為第條路徑的第條，相應(yīng)的判別公式如式（4）所示

3.3 基于WI 的MTP 算法實(shí)現(xiàn)

使用Dijsktra 算法在WI 軟件的路徑損耗仿真結(jié)果上選擇中繼節(jié)點(diǎn)，即對中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行尋址。Dijsktra 算法是典型最短路徑算法，用于計(jì)算有權(quán)圖中一個節(jié)點(diǎn)到其他節(jié)點(diǎn)的最短路徑，Dijsktra 算法流程如圖4 所示。 在應(yīng)用Dijsktra 算法之前，需將WI的路徑損耗仿真計(jì)算以鄰接矩陣的形式進(jìn)行存儲。鄰接矩陣的頂點(diǎn)以WI 中TRX 的序號定義，邊為任意兩TRX 之間的路徑損耗值。

圖4 Dijsktra 算法流程圖Fig.4 Flow chart of Dijsktra algorithm

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 尋址方法仿真結(jié)果分析

為便于分析，同時使當(dāng)前的仿真場景能夠體現(xiàn)實(shí)際場景下地形和植被覆蓋類型多變的特點(diǎn)，本文的仿真場景大小在原有的（93×110）km 的AW3D 的DEM數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上使用ENVI 軟件裁剪為（9.638 ×6.923）km，并按照實(shí)地植被勘探情況設(shè)定植被類型。 相應(yīng)的接發(fā)器部署如圖5 所示，共850 個TRX，地形圖參數(shù)如表2 所示。

表2 地形圖參數(shù)Tab.2 Topographic map parameters

圖5 接發(fā)器部署及傳播路徑示意圖Fig.5 Schematic diagram of transceiver deployment and propagation path

圖5 中，對每個TRX 進(jìn)行了編號，TRX＃1-850依次排列，左下為850 號，右上角為1 號，地形中心對應(yīng)的經(jīng)緯度值為（31°33′54.500009259″，104°41′27.500000186″）。 另外，每個TRX 都夠查找出其對應(yīng)的經(jīng)緯度值，這樣能夠?qū)⑦x址結(jié)果與實(shí)際場景的定位對應(yīng)起來。

按照表1 和表2 所述參數(shù)進(jìn)行WI 建模仿真，并以不同位置的源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)對中繼節(jié)點(diǎn)的選址結(jié)果進(jìn)行分析。 隨機(jī)選取10 組（S，E），以對應(yīng)于不同地理位置下的應(yīng)急通信情況，相應(yīng)的中繼節(jié)點(diǎn)選址結(jié)果如表3 所示。 基于射線跟蹤方法的TRX＃1 對于其他TRX 的路徑損耗如圖6 所示。

圖6 TRX ＃1 的相對路徑損耗圖Fig.6 Relative path loss of TRX＃1

表3 部分中繼節(jié)點(diǎn)選址結(jié)果Tab.3 Location results of some relay nodes

表3 中，當(dāng)前選擇源、目的節(jié)點(diǎn)之間存在的直傳鏈路有第4、10 組，二跳中繼鏈路有第2、3、8 組，其余的為三跳中繼鏈路。 若兩節(jié)點(diǎn)的直傳路徑損耗小于中繼鏈路的總路徑損耗，則使用直傳鏈路，否則使用中繼鏈路。 從第6、9 組中能夠看出即使源、目的節(jié)點(diǎn)距離很近，但由于山體對電磁信號的阻擋和吸收作用，導(dǎo)致需要2 個中繼節(jié)點(diǎn)才能實(shí)現(xiàn)通信。 表3 中的每個中繼節(jié)點(diǎn)都有唯一的經(jīng)緯度值與之對應(yīng)，實(shí)現(xiàn)仿真結(jié)果與實(shí)際地形的映射，從而實(shí)現(xiàn)中繼節(jié)點(diǎn)的精確選址。

4.2 對比實(shí)驗(yàn)分析

將本文提出的中繼節(jié)點(diǎn)選址布點(diǎn)方法與傳統(tǒng)的中繼節(jié)點(diǎn)選址方法進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)的中繼節(jié)點(diǎn)選址方法依賴于工程師的經(jīng)驗(yàn)，即經(jīng)驗(yàn)選址?？偟膩碚f，經(jīng)驗(yàn)選址方法中，為減小鏈路損耗，增大節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍，應(yīng)使相鄰兩中繼節(jié)點(diǎn)盡可能地以視距傳播的方式進(jìn)行通信，因此需將中繼節(jié)點(diǎn)部署到地理位置較高、無大型遮擋物的位置。 由于經(jīng)驗(yàn)選址依賴于選址前大量的現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，因此在本次對比實(shí)驗(yàn)中，將WI 中的信道建模仿真數(shù)據(jù)作為現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，在此數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上結(jié)合地形進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)選址。

從表3 選取了3 例源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。 對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。 射線的傳播路徑在圖5 中進(jìn)行展示。 從表4 中能夠直觀地看出，相比于經(jīng)驗(yàn)選址方法，本文所提方法有兩點(diǎn)優(yōu)勢。 第一點(diǎn)體現(xiàn)在中繼節(jié)點(diǎn)個數(shù)上。 對于序號1和序號2 兩個實(shí)驗(yàn)例子，本文所提方法所選取的中繼節(jié)點(diǎn)個數(shù)均比經(jīng)驗(yàn)選址少，這有利于節(jié)省應(yīng)急通信中繼節(jié)點(diǎn)的部署時間和成本。 第二點(diǎn)體現(xiàn)在總路徑損耗指標(biāo)上。 3 個實(shí)驗(yàn)例子中，本文所提方法較經(jīng)驗(yàn)選址分別減少了20.95%，15.64%和12.90%的總路徑損耗，從而提升了鏈路的通信質(zhì)量。

表4 選址對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Site selection comparison experimental results

5 結(jié)束語

本文提出一種復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)急通信中繼節(jié)點(diǎn)選址的方法，首先分析了復(fù)雜環(huán)境下環(huán)境建模及通信設(shè)備建模需要考慮的因素，然后使用射線跟蹤方法對復(fù)雜山地環(huán)境進(jìn)行建模，并對此類無線信道的路徑損耗參數(shù)進(jìn)行仿真，最后使用最短路徑算法完成了中繼節(jié)點(diǎn)的布點(diǎn)尋址，并與經(jīng)驗(yàn)選址方法進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。 尋址方法仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于射線跟蹤方法的中繼節(jié)點(diǎn)選址方法能夠?qū)崿F(xiàn)仿真結(jié)果到實(shí)際地形的映射，從而實(shí)現(xiàn)了中繼節(jié)點(diǎn)的精確選址布點(diǎn)。 對比實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明，相對于傳統(tǒng)應(yīng)急通信中繼網(wǎng)絡(luò)選址，本文所提方法能夠明顯地減少中繼節(jié)點(diǎn)部署的各種成本，并能有效地提高鏈路通信質(zhì)量。