郭 蓉，李華福，景艷梅，解東杰，何文學(xué)*

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

0 引言

近年來，應(yīng)急通信事件發(fā)生的頻率和影響程度都在增加，應(yīng)急通信保障體系對(duì)于維護(hù)社會(huì)秩序穩(wěn)定和保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要的意義。

2021年11月13日，4名地質(zhì)勘探調(diào)查專家進(jìn)入云南哀牢山開展森林資源調(diào)查，11月22日找到失聯(lián)的4人時(shí)，已全部遇難。失聯(lián)人員位處的區(qū)域是哀牢山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，無通信信號(hào)，在惡劣的自然條件下，提前設(shè)計(jì)好的路線和應(yīng)急預(yù)案不能實(shí)施，加之天氣突變、大霧彌漫、磁力紊亂，羅盤產(chǎn)生錯(cuò)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(fā)點(diǎn)路程僅3 862 m，殉職時(shí)身邊遺留的作業(yè)裝備齊全。在類似“哀牢山地質(zhì)人員失聯(lián)”這樣的場(chǎng)景下，應(yīng)急通信的重要性不言而喻。

應(yīng)急通信解決方案的傳統(tǒng)是建設(shè)應(yīng)急通信站來恢復(fù)通信，但是一般來說，應(yīng)急通信站覆蓋的范圍較小、設(shè)備大、建設(shè)成本高、耗時(shí)長(zhǎng)，且易受地形、植被和地球曲率的影響，應(yīng)用場(chǎng)景存在一定的局限性，缺乏在陌生或無信號(hào)區(qū)域快速和大范圍部署的能力[1]。我國(guó)將無人機(jī)應(yīng)用于應(yīng)急通信領(lǐng)域的研究和探索起步較早，由無人機(jī)攜帶的通信中繼裝備(如基站、無線電臺(tái)等)在提高網(wǎng)絡(luò)容量、擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)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(shí)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(huán)境下的無線電波傳播模型直接關(guān)系到工程設(shè)計(jì)中通信設(shè)備的能力、天線高度的確定以及通信距離的估計(jì)等。劉建光等人[3]對(duì)云南省邊境山地、丘陵地區(qū)超短波無線電波傳播特性與傳播損耗的分析，結(jié)合邊境口岸實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)，研究云南邊境區(qū)域無線電波傳播特性，對(duì)比了多種傳播模型的適用性，提出采用Egli模型進(jìn)行分析。李華福等人[4]提出了一種計(jì)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(qū)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采用線性最小二乘法對(duì)SPM模型進(jìn)行了校正和優(yōu)化。在傳播路徑上有多個(gè)障礙物且厚度不可忽略時(shí)，黃凱麗[5]提出了連續(xù)障礙物等效的方法，結(jié)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(jì)算主峰的損耗值。

與平原地區(qū)場(chǎng)景相比，高海拔多山復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)面臨如下挑戰(zhàn)：① 地形的影響，哀牢山地區(qū)地形地貌復(fù)雜，山體起伏不均，使得無線信號(hào)傳播雜亂無章，相互疊加，極難預(yù)測(cè)，常常存在覆蓋良好和覆蓋盲區(qū)的交替出現(xiàn)；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(duì)信號(hào)接收強(qiáng)度也有較大影響；③ 由于特殊的極端傳播環(huán)境，該場(chǎng)景中的移動(dòng)通信系統(tǒng)測(cè)試、部署以及優(yōu)化十分困難，給移動(dòng)用戶的可靠聯(lián)網(wǎng)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

本文基于搭載移動(dòng)基站的浮空器對(duì)極端崎嶇地形區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋預(yù)測(cè)，進(jìn)一步給出滿足特定覆蓋指標(biāo)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 浮空器選擇

浮空器相對(duì)于固定翼無人機(jī)和四旋翼無人機(jī)等一些常規(guī)的飛行平臺(tái)，續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)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(yōu)缺點(diǎn)，可根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和需求進(jìn)行選擇。

1.1 高空超壓氣球

高空超壓氣球是一種無動(dòng)力自由飄飛的飛行器，結(jié)構(gòu)如圖 1所示。高空超壓氣球?qū)o線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)收發(fā)器攜帶到高空，和地面接收裝置交換數(shù)據(jù)，從而使地面的移動(dòng)用戶能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接[6]。采用太陽能電池板進(jìn)行供電，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)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(diào)節(jié)副氣囊中空氣的多少來調(diào)節(jié)高度，但在工程上不易于實(shí)現(xiàn)。此外，主要依靠尋找不同的風(fēng)層來控制航向，因此單個(gè)高空超壓氣球的定點(diǎn)控制精度較低[8]。

1.2 系留氣球

系留氣球是一種無動(dòng)力浮空飛行器，一般由球體、系纜、錨泊設(shè)施、供電系統(tǒng)等組成[8]，具體結(jié)構(gòu)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(nèi)部有導(dǎo)線與光纖；分系索將力分散在球體側(cè)面。主纜連接在球體的主節(jié)點(diǎn)上，因此，在載荷重量發(fā)生改變時(shí)，系留氣球仰角可以不變[9]。錨泊設(shè)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(shí)，系留塔負(fù)責(zé)系留系統(tǒng)的固定，并承受系留氣球系留時(shí)的載荷[10]；錨泊車用于承載各種設(shè)施。因?yàn)椴捎昧讼道|傳輸供電，其續(xù)航時(shí)間不受能源制約，比其他飛行器具有更顯著的優(yōu)勢(shì)。

憑借不受地形限制、響應(yīng)能力強(qiáng)、覆蓋面廣等諸多優(yōu)勢(shì)，系留氣球在應(yīng)急通信上有重要的應(yīng)用，如應(yīng)急救援等[11]。另外，系留氣球還具有維護(hù)成本低和載重能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[12]。

綜合考慮，由于單個(gè)高空超壓氣球定點(diǎn)控制精度較低，且高度控制在工程上不易于實(shí)現(xiàn)，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(zhì)人員勘測(cè)時(shí)間具有不確定性，系留氣球更適合用于此類場(chǎng)景下，用系纜與地面設(shè)施連接，續(xù)航時(shí)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(jìn)行應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)部署，如圖2所示。

圖2 基于系留氣球的應(yīng)急通信系統(tǒng)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(huán)境、介質(zhì)等因素引起的損耗，自由空間傳播模型描述了收發(fā)機(jī)在完全無阻擋的視距環(huán)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(fā)射功率與接收功率之間的差值[13]：

(1)

式中，Pt為發(fā)射功率，Pr為接收功率，Gt為發(fā)射天線增益，Gr為接收天線增益，λ為無線電波波長(zhǎng)(m)，d為收發(fā)機(jī)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(shí)，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(fā)機(jī)增益、頻率和傳播距離相關(guān)。

2.2 雙線地面反射模型

多數(shù)情況下，基站和移動(dòng)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(shí)考慮了直接路徑以及發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的地面反射路徑的基于幾何光學(xué)的反射模型[13]。

當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離d滿足d>4hthr/λ時(shí)，接收機(jī)的傳播損耗可表示為：

(3)

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

Pr，Pt，Gt，Gr以W為單位時(shí)可演算為：

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

20lght+20lghr-40lgd。

(4)

Pr，Pt，Gt，Gr以mW為單位時(shí)可推導(dǎo)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(píng)估障礙物(山體)對(duì)無線電波的衰減，當(dāng)阻擋是由單個(gè)物體引起時(shí)，把阻擋體看作繞射刃形邊緣來估計(jì)繞射損耗。這種情況下的繞射損耗可用針對(duì)刃形后面(稱為半平面)場(chǎng)強(qiáng)的經(jīng)典費(fèi)涅爾方法來估計(jì)[13]。

由于Huygen’s原理，衍射波前上的所有點(diǎn)可作為產(chǎn)生次級(jí)波的點(diǎn)源，這些次級(jí)波組合起來形成傳播方向上新的波前，所以當(dāng)收發(fā)機(jī)間存在障礙物時(shí)，繞射現(xiàn)象使得陰影區(qū)的接收機(jī)依然能夠接收到繞射信號(hào)。

刃形繞射模型場(chǎng)強(qiáng)是刃形上所有二次Huygen’s源的場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)，Ed為刃形繞射波場(chǎng)強(qiáng)。對(duì)比于自由空間場(chǎng)強(qiáng)，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(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的考慮地形因素的傳播模型及測(cè)量數(shù)據(jù)最早由Longley-Rice等人給出，后由國(guó)家電信和信息化管理局(NTIA)的研究和電信科學(xué)研究所(ITS)實(shí)現(xiàn)，稱為ITM-LongleyRice模型[11-12]。

Longley-Rice模型引入了電磁波頻率f，收發(fā)天線有效高度ht、hr及位置、極化方向、地形不規(guī)則度Δh、地球表面折射率Ns、地面電導(dǎo)率σ和相對(duì)介電常數(shù)ε等因素，不同路徑長(zhǎng)度的傳播損耗參考中值Lref的計(jì)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(shí)的傳播損耗值,k1和k2為傳播損耗系數(shù),md和ms分別表示繞射和散射損耗系數(shù)。dmin≤d

2.5 uRTA模型

隨著個(gè)人無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，許多傳統(tǒng)的傳播模型并不能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)所有場(chǎng)景的路徑損耗，尤其是針對(duì)于高海拔山區(qū)的無線網(wǎng)絡(luò)，該環(huán)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(yù)測(cè)極端崎嶇環(huán)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(duì)傳播損耗的影響。本文在鏈路預(yù)算時(shí)使用了該計(jì)算方法，詳見第4節(jié)。

3 環(huán)境描述及地形精細(xì)化剖分

3.1 環(huán)境

哀牢山位于云南中部，是古哀牢國(guó)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(chǎn)物。這里山高坡陡，溝壑縱橫，地形起伏強(qiáng)烈，氣候復(fù)雜，容易遭遇天氣突變。哀牢山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)是森林生態(tài)系統(tǒng)類型自然保護(hù)區(qū)，以保護(hù)亞熱帶中山濕性常綠闊葉林生態(tài)系統(tǒng)和黑長(zhǎng)臂猿、綠孔雀、灰葉猴等珍貴野生動(dòng)物為目的，地跨云南省楚雄、雙柏、景東、鎮(zhèn)沅、新平五個(gè)州縣。地理坐標(biāo)為東經(jīng)100°44′～101°30′，北緯23°36′～24°56′，保護(hù)區(qū)南北長(zhǎng)約130 km，南部東西寬約4～9 km，北部南華片東西寬則達(dá)20多km，總面積677 km2，主峰稱哀牢山，海拔3 166 m。

3.2 DEM數(shù)據(jù)

DEM是地形表面形態(tài)的數(shù)字化表達(dá)，通過等高線或相似立體模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(包括采樣和量測(cè))，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)內(nèi)插而形成，描述的是高程在地理坐標(biāo)上的分布。

分辨率是DEM刻畫地形精確程度的一個(gè)重要指標(biāo)，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況選擇不同精度的DEM數(shù)據(jù)以及對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行采樣，采樣點(diǎn)越密集，計(jì)算精度越高，但是計(jì)算速度越慢。綜合考慮，本文采用12.5 m精度的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)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(gè)相鄰點(diǎn)所連接線段的垂直平分線組成的連續(xù)多邊形，如圖 3所示[15]。

圖3 Voronoi圖的垂直平分線屬性

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

圖4給出了傳統(tǒng)四邊形網(wǎng)絡(luò)、三角形網(wǎng)絡(luò)以及泰森多邊形網(wǎng)絡(luò)對(duì)目標(biāo)區(qū)域地形的精細(xì)化剖分結(jié)果，其中，文獻(xiàn)[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(wǎng)絡(luò)精細(xì)化剖分使得山峰和山谷區(qū)域更加平滑，在相同的DEM精度下能更準(zhǔn)確地反映地形信息。

(a) 傳統(tǒng)四邊形剖分網(wǎng)絡(luò)

4 鏈路預(yù)算

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

鏈路預(yù)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(chǎn)品形態(tài)及場(chǎng)景確定，相應(yīng)的參數(shù)隨之確定，如：功率、天線增益、噪聲系數(shù)、解調(diào)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(dāng)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(fā)射功率，Nsu表示子載波數(shù)，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(shù)(dB)，SINR表示解調(diào)門限，即接收機(jī)靈敏度(dBm)。

本研究中應(yīng)急通信場(chǎng)景下的接收機(jī)為智能手機(jī)，假定其接收功率閾值(接收機(jī)靈敏度)為-106 dBm，當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度高于閾值時(shí)稱為有效覆蓋?；景l(fā)射機(jī)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(duì)于在10 GHz以下的個(gè)人通信業(yè)務(wù)影響較小[17]，不予考慮。本文選取的頻率為700 MHz，根據(jù)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(shè)置饋線長(zhǎng)度為20 m。植被損耗根據(jù)文獻(xiàn)[18-19]選定為160 dB/km，假設(shè)植被高度為30 m。

4.1 計(jì)算基站發(fā)射功率值

本文選取了200，500，1 000，2 000，3 000，5 000 m六個(gè)基站高度值進(jìn)行計(jì)算，得到研究區(qū)域內(nèi)所有10 000個(gè)剖分網(wǎng)格的傳播損耗值，將該值前80%對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)視作有效覆蓋的區(qū)域，并計(jì)算出對(duì)應(yīng)基站高度下的發(fā)射功率，如表 1所示。

表1 基站發(fā)射功率值

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，隨著基站高度的增加，所需基站功率反而減小，說明山體對(duì)電波的損耗遠(yuǎn)大于自由空間傳播損耗。

圖5 不同基站高度設(shè)置下的發(fā)射功率值

此外，當(dāng)基站高度小于2 km時(shí)，隨著基站高度的增加，所需基站發(fā)射功率隨之顯著減少；當(dāng)基站高度大于2 km時(shí)，基站功率沒有表現(xiàn)出顯著改變。因此，為了滿足目標(biāo)區(qū)域覆蓋指標(biāo)且節(jié)約成本，基站發(fā)射功率需要被仔細(xì)地設(shè)置。

4.2 接收功率仿真

接下來考慮基站發(fā)射功率固定，不同基站高度對(duì)移動(dòng)端接收功率的影響。圖 6～圖 7仿真了基站發(fā)射功率為160 W，即52.04 dBm，基站高度為1 000 m和2 000 m時(shí)的有效接收功率。其中，玫紅色部分表示未能實(shí)現(xiàn)有效覆蓋(接收功率低于設(shè)定的閾值)的區(qū)域，其余區(qū)域表示有效覆蓋區(qū)域，右側(cè)顏色欄表示接收功率值(dBm)。圖 6結(jié)果表明，當(dāng)基站發(fā)射功率為52.04 dBm，基站高度為1 000 m時(shí)，有效覆蓋率為69.86%。圖 7結(jié)果表明，當(dāng)基站發(fā)射功率為52.04 dBm，基站高度為2 000 m時(shí)，有效覆蓋率為94.90%。

圖6 基站高1 000 m時(shí)的接收功率覆蓋仿真

圖7 基站高2 000 m時(shí)的接收功率覆蓋仿真

5 結(jié)束語

本文針對(duì)中國(guó)云南哀牢山國(guó)家自然保護(hù)區(qū)的某極端崎嶇地形區(qū)域，選擇系留氣球攜帶移動(dòng)基站載荷來解決該地區(qū)在應(yīng)急情況下的無網(wǎng)絡(luò)覆蓋預(yù)測(cè)問題。在復(fù)雜地形環(huán)境中，基于DEM數(shù)據(jù)，首先利用泰森多邊形剖分技術(shù)對(duì)哀牢山地形進(jìn)行準(zhǔn)確、精細(xì)的網(wǎng)格化；然后利用開發(fā)的uRTA模型計(jì)算該區(qū)域的無線電波傳播損耗；最后通過鏈路預(yù)算評(píng)估了基站高度、基站發(fā)射功率和覆蓋率之間的關(guān)系。結(jié)果表明，本文方法可以根據(jù)不同業(yè)務(wù)需求、成本以及工程能力來評(píng)估極端復(fù)雜地形環(huán)境下無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋效果。比如，當(dāng)設(shè)置接收機(jī)靈敏度、有效覆蓋率和基站高度分別為-106 dBm、80%和2 000 m時(shí)，基站接收功率約為39 dBm；當(dāng)設(shè)置基站發(fā)射功率、接收機(jī)靈敏度分別為52.04 dBm、-106 dBm時(shí)，建議基站高度設(shè)置為1 500 m左右，此時(shí)的有效覆蓋率可達(dá)約82%。未來將對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，以矯正傳播模型,本研究有望為復(fù)雜地形場(chǎng)景下應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)部署以及優(yōu)化提供建議。