基于McWiLL的灾害救援无线通信系统设计

周 玮，邱慧丽，吴孝银

(宿州学院，安徽 宿州 234000)



基于McWiLL的灾害救援无线通信系统设计

周 玮，邱慧丽，吴孝银

(宿州学院，安徽 宿州 234000)

为了解决灾害现场网络通信中断,救灾工作无法通过网络开展的问题,通过分析McWiLL无线通信系统的特点和灾害现场通信的需要,设计了基于McWiLL的灾害救援无线通信系统.首先设计了灾害救援无线通信系统网络架构,然后分析了基于该架构的网络覆盖范围,最后给出了通信系统程序总体流程和现场互联互通系统实现.基于McWiLL的灾害救援无线通信系统能提供灵活、覆盖率广的现场网络满足灾害救援需求,为灾害救援通信提供良好的解决方法.

McWiLL;救灾系统;网络覆盖

地震、洪水等自然灾害对通信网络基础设施的损害，会造成受灾地区移动通信故障，因此需要建设灾害救援无线通信系统保障灾害救援的正常进行.传统的救援通信系统缺乏统一标准，速度慢、网络覆盖低，通信容量小，很难满足现场救援的网络通信需求，搭建高速率的网络通信系统对灾害救援十分重要[1].

McWiLL无线通信系统是新一代的无线移动接入系统[2]，系统容量高，支持终端类型丰富，提供多种媒体业务.将McWiLL作为现场组网技术，对灾害救援无线通信系统的研究非常重要.

本文主要研究了基于McWiLL的灾害救援无线通信系统，能够为实际环境中的灾害救援提供现场通信.

1 McWiLL系统

McWiLL是由SCDMA[3]演化而来的BWA系统[4]，结合智能多输入多输出技术码扩正交频分多址技术、DCA等无线通信技术构建行业专用网，用户可以通过语音、视频和无线宽带等方式接入[5].

如图1是McWiLL系统框架，整个网络分为基于802.16的接入层、中间网络组汇聚和上层核心网络服务三个模块.

图1 McWiLL系统结构图

无线接入底层使用IEEE 802.16无线宽带技术，使用2GHz到66GHz的工作频率范围，方便用户调整访问.

McWiLL网络组配置CS协议承担无线接入底层和网络组的接口，IP STACK承接IP交换、路由，重用IP等功能，为核心网络服务提供IP支撑，McWiLL系统采用全IP架构，使用MobileAgent作为中间代理.

核心网络服务使用3G核心网设备，完成移动用户授权、认证、IP数据、语音话务等功能.McWiLL可根据用户的选择提供CBR、BE和CIR带宽业务[6-7]，保证QoS质量.

2 灾害救援无线通信网络模型

2.1 无线通信架构设计

基于McWiLL的灾害救援无线通信系统结合灾害现场通信需求，采用McWiLL组网，整个网络可分为三层，现场救灾人员通过数据采集和终端通信设备将获取到的信息发送到BTS汇聚，传送到网络核心层供指挥中心分析数据，下达指示，其网络结构图如图2所示.

无线接入层：它由一系列移动终端设备，如车载通信设备、智能手机、CPE客户终端设备和PCMCIA无线网卡等设备构成，终端设备和McWiLL基站在此接入.终端设备也可由车载终端、数据采集等救援设备组成.

McWiLL BTS汇聚层：负责数据由接入层向核心层的接入.单基站采用全向天线覆盖，能容纳300个并发语言信道，支持1001Mbps以太网接口，采用冗余设计均衡负载.

网络核心层：采用全IP扁平化设计，NGN网关提供McWiLL网络语音处理，网元管理负责对全网的用户网络管理和集群调度、营帐管理和视频设备监控等应用控制和监管.

图2 McWiLL灾害救援通信系统结构图

终端用户无线接入McWiLL BTS采用Mesh组网模式，BTS作为汇聚中心，周围部署用户站点，BTS相互连接组成网状Mesh网络.

2.2 网络覆盖模型

为了保证无线McWiLL现场网络QoS要求，组网时需要分析无线网络链路信号衰减、天线增益等参数，计算McWiLL BTS覆盖半径.无线网络信号衰减模型基于Erceg-Greensein模型[8]，该模型适用于城市周边和山区地带，信号损耗值考虑到不同的城乡环境和天线收发情况，Erceg-Greensein模型如下：

L(db)=26.16lgf-13.85lgAh-AHre+

(44.9-6.55)lgAh+C

(1)

其中f为天线载波频率，Ah为天线高度，Ahre为天线有效修正因子，C为系统校正因子，l(db)为路径损耗可由链路预算传播模型得：

L(db)=GAH+BAH

(2)

整个系统路径损耗由信号增益GAH和链路冗余量BAH组成.其中GAH信号增益包括上行信号增益和下行信号增益，具体计算如下：

GAH1=P+Gt-Fr+Gr-Pr-AAH

(3)

信号上行增益GAH1为用户发射信号的增益，由发射功率P、终端天线增益Gt和基站接收天线增益作为链路增益减去终端馈线损耗Fr、基站天线损耗Pr和基站接收灵敏度AAH得到.

GAH2=P+Gt-Fb+Gr-Ft-At

(4)

信号上行增益GAH2计算过程相似，如公式(4)所示.Ft为基站馈线损耗，At为终端接收灵敏度.由公式(3)和(4)可知，McWiLL现场网络链路上行增益和下行增益存在不同，不同业务对速率有不同要求，McWiLL网络覆盖需要结合上下行链路增益和业务需求分析.

本系统研究的无线场景基于2GHZ通信频段，基站高度40m，收发天线水平距离设置为10m，有效频谱2000MHZ，结合Erceg-Greensein模型和链路预算传播模型计算出McWiLL现场网络BTS在该场景地区覆盖范围达到3公里以上，能够满足灾害救援现场通信的要求.

3 详细功能设计

3.1 系统软件设计

McWiLL灾害救援无线通信系统软件设计采用LINUX平台，保障系统稳定运行.数据库以oracle作为平台，采用静态大容量设计，可实现灾害数据查询、检索等功能.信息共享结合云计算技术，现场救灾和指挥台人员可共享现场采集到的数据信息.McWiLL通信系统总体流程如图3所示，包括：

(1)系统上电初始化，配置IP地址信息，初始数据采集参数值.配置驱动程序，当有终端设备启动接入PCMCIA无线网卡，同步基站获取IP地址信息接入McWiLL网络.

(2)无线救灾设备采集现场数据，包括地理数据监测用来获取救灾现场水文、地质等地理环境数据；集群移动台采用无线中继动态调度，完成现场IP话务和数据通信的调度、群呼、虚拟专用网等功能；通过无线网络摄像机和对讲中断实现视频、音频数据采集调度.

(3)将上一步获取到的信息通过现场部署自适应McWiLL网络汇聚到应急现场核心交换中心集中分析处理，并通过3G广域网传输到后方指挥台.

(4)指挥台接收到现场数据后可以启动监控中心监控现场救灾，分析现场数据做出救援指示集群调度救灾人员.

图3 McWiLL通信系统总流程

3.2 现场通信设计

为了保证救援现场终端设备无线网络通信互联互通，设计车载通信平台作为网络接入，车载通信单元由主控设备控制信号采集，由网络接入现场终端设备并将经过处理的信号生成语言、图像信息，转交McWiLL BTS汇聚到远程控制台.车载通信系统结构如图4所示，具体实现以下功能：

(1)3G移动单兵、无线网络摄像机、智能手机等移动终端设备通过网络接入将采集到的现场信息传送到应急通信车，进行汇总处理.

(2)应急通信车接收到各无线终端设备的数据后进行信号滤波去干扰，分析和识别生成音频、视频信息提交主控模块处理.

(3)主控模块处理整个车载通信单元的命令控制，发出信息发送、接收和处理指令，是通信总控单元.

(4)监控设备负责整个车载通信系统的监控，方便工作人员采集、分析、管理并提交数据.

(5)车载无线终端模块负责将生成的音频、视频信息通过McWiLL BTS汇聚到工作站.

图4 车载通信系统设计

4 结束语

通过设计灾害救援通信系统，部署现场通信网络，可以解决灾区通信中断问题，帮助救援人员收集到更多现场信息，接受远程指挥中心部署.由于McWiLL BWA系统组网灵活，业务多样，网络覆盖率广的特点，设计了基于McWiLL的灾害救援无线通信网络系统模型，设计了现场互联互通网络并给出了通体通信系统流程.分析了McWiLL BTS覆盖半径，该系统支持现场无线通信覆盖要求，通过抗震救灾现场通信系统，救灾人员可以更好完成灾害救援.

[1]赵欣.基于McWiLL的软交换技术在专网中的应用研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2013.

[2]张仕平.基于McWiLL技术的无线数字城市设计与应用[D].长沙：湖南大学，2011.

[3]徐清林.McWiLL系统网络规划方法的研究[D].北京：北京邮电大学，2010.

[4]程史靓.灾害救援应急通信系统方案设计[D].西安：西安电子科技大学，2013.

[5]许琦.自组织网络支持应急通信标准中的关键技术研究[D].北京：北京邮电大学，2013.

[6]Luise M,Reggiannini R.Carrier frequency acquisition and tracking for OFDM systems[J]. IEEE Transactions on Communications. 2012.

[7]Minn H.,ZengM.,BhargavaV.KOn timing offset estimation for OFDM systems[J]. IEEE Communications Letters. 2010.

[8]Bernard Sklar.Digital Communications[M]:Fundamentals and Applications.2013.

(责任编辑:王前)

2016-08-15

2016安徽高校自然科学研究重点项目“基于无线传感器网络的节点定位技术改进及在井下人员定位中的应用研究”(KJ2016A777)；2014年宿州学院自然科学研究一般项目“无线多跳网络跨层协同优化研究”(2014yyb05)

周玮，女，湖南永顺人，教师.

TP393.2

A

1008-7974(2016)05-0004-03

10.13877/j.cnki.cn22-1284.2016.10.002