基于地理信息系统的应急通信网络规划研究

李红亮 王 雨 李立甫

（重庆通信学院 中国 重庆 400035）

0 引言

在突如其来的大型自然灾害和公共突发事件面前，常规的通信手段往往无法满足通信需求。 应急通信正是为应对自然或人为紧急情况而提供的特殊通信机制，在公众通信网设施遭受破坏、性能降低、话务量突增的情况下，采用非常规的、多种通信手段组合的方式来恢复通信能力，但是，在多系统的组网运用中，由于应急通信网络环境的复杂性和多变性使得其缺乏快速部署的能力。 这是因为在一个未知地域，要出色的完成通信保障任务就需要进行网络规划调查、网络规划分析、实地勘察、规划仿真等步骤来对网络进行规划分析。特别是实地勘察中的电波传播测量的工作量大、 周期长，这就大大限制了应急通信的快速部署能力。 如果能够获得保障地域的地理信息，用仿真系统来描述传播环境特性，将减轻很大工作量。 因此我们根据地理信息系统提供的数据，采用计算机仿真技术推算电波传播性能， 将会极大的节省人力、财力和时间，使得快速进行移动通信系统的部署和网络规划成为可能。

1 应急通信的特点

应急通信就是要协同各种通信网络和技术手段，使应急人员无论在何时何地、采用何种接入方式，都可优先利用残存的通信资源建立呼叫／会话， 在应急情况下保障通信的畅通。

（1）需要应急通信的时间和地点具有不确定性。

大多数紧急事件都是突发的， 地点和时间不可预知，或者只可在有限时间内预知但是来不及做准备， 例如地震、海啸等。 这就要求应急通信对于公众网络不能覆盖的区域，也必须有应急的措施可以建立临时的通信网络来实现通信业务。

（2）通信网络受到突发事件的破坏程度具有不确定性。在破坏性的紧急事件发生的情况下，例如泥石流、冰雪灾害，公共通信网络设施可能受到损坏而使网络陷入瘫痪。 而另外一些紧急事件虽然也很严重，但对于通信网络没有影响，例如SARS 等传染性疾病的蔓延。

（3）应急通信的容量需求是不均衡和不可预测的。 紧急事件发生期间，局部出现的大通信流量会造成通信网络暂时拥塞。 同时，通信流向往往是汇聚式的，大量的通信流会指向几个有限的地点，比如应急指挥中心、119 火警中心等，这更加重了通信的拥塞。 这个容量的需求发生往往是随机的，不可能预测的到。

（4）对通信能力的需求也是不确定的。 例如，在一些不发达地区，可能平时只有语音通信的需求，但是在紧急事件发生期间，就会有视频、数据通信的需求。

应急通信面对的情况比较复杂， 不确定因素也较多，需要灵活、周密地设计和部署通信方案。

2 系统的总体设计思想

结合应急通信的特点， 其网络规划应考虑无线资源规划、地址规划、容量规划、覆盖规划等众多方面，其中容量和覆盖规划是核心，本系统主要考虑覆盖规划，系统的设计流程如图1 所示。

图1 系统的设计框图

在系统中， 利用VC++的ADO 和0DBC 技术对属性数据库进行管理，同时结合MapX 的功能，在系统中实现了相应的图形编辑功能，从而实现对属性数据和图形的分类管理。 系统中使用的地图为Geoset 格式，是通过mapinfo 软件和Mapx自带的Geoset Manager 软件生成的。 数据库采用Access2003数据库方式，数据库与载入Geoset 格式的电子地图存在一一对应的关系，这就把图形和属性数据分开，更好的进行数据管理，同时也方便空间数据查询和分析。 主要研究覆盖范围的计算策略，为得到精确覆盖区域，系统将使用已有的地图和已选择好的传播模模型来计算地图中从基站天线到移动台位置的路径损耗， 根据所得的结果判断通信链路的可通性，生成信号覆盖图。

3 系统实现的关键要素

3.1 电子地图的使用与制作

网络覆盖规划需要进行准确的场强覆盖预测，由于无线信号传播对地理环境有着极强的依赖性，地势的起伏、山体的阻挡，以及城区内楼房等建筑物的遮挡，都会影响信号的传播强度，并且应急通信的环境更是恶劣和难以判断，所以该系统在进行场强覆盖时，需要使用一定精度的电子地图作为参考。

本系统既可以支持购买的mapinfo 格式地图， 也可以使用扫描平面地图自制的数字地图进行覆盖规划，但是购买的地图价格却相对比较昂贵，因此使用自制数字地图可大大降低软件开发成本，扩展了此软件的适用范围。

系统中使用的电子地图可以借助access、mapinfo 软件和Geoset Manager 软件进行开发。 首先在access 中建立所需信息的数据库并准备好平面地图的栅格图像， 然后在mapinfo软件中将该数据库和栅格图像生成相应的tab 格式的表，最后用Geoset Manager 软件把生成的tab 格式的表生成系统使用的Geoset 格式的电子地图。

3.2 覆盖算法

系统中定义L0为应急通信系统允许的最大路径损耗；通信保障地域可看成是若干点的集合，si为地图上的任意一点，定义Lsi为点si到基站间的路径损耗。 则基站覆盖区域S 可描述为：S=｛s1，s2，s3，……，sn｝满足Lsi≤L0（i=1，2，3，……，n），覆盖小区边缘C 可描述为：C=｛c1，c2，c3，……，cm｝满足Lcj＝L0（j=1，2，3，……，m）。

算法设计思路为：首先规划者在电子地图上选取基站的位置（xb，yb），同时输入移动台发射功率Pmtx，基站和移动台高度，移动台发射频率，天线增益，电子地图精度值a，旋转角度θ 等参数。 系统根据指定的基站位置（xb，yb），首先在其水平右侧找出一点c1，使其满足Lc1=L0，然后以基站位置为原心按逆时针方向旋转θ，在此角度上确定点c2使其满足Lc2=L0，按照上述方法以基站位置为原心旋转一周后，确定出小区边缘集合C，C=｛c1，c2，c3，……，cm｝，最后将集合C 各点连接起来，所围区域即为基站的覆盖地域，。 算法具体实现方法分为三个步骤。

步骤1：系统从数据库中获取所基站位置（xb，yb）的坐标值及其相应地理信息，并会根据规划者所选用的传播模型计算出平坦地形条件下移动台信号达到最大路径损耗值时所传播的距离值d1。

图2 剖面图

步骤2：系统在基站坐标水平方向上（右侧）选取距离值为d1的一点S1，然后在两点连线上选取一系列间距为Δ（Δ 为a的整数倍且要求Δ≥a）的点，并从数据库中读取这些点的高程Hi以及地貌情况信息Wi，即可生成两点间的地形图剖面图，如图2 曲线1 所示， 根据数据库信息得到直线上各点的地物地貌类型，确定相邻两点间地物地貌类型，最终可得到各种类型地貌的相应位置信息。 系统还要算出每点对应的移动台与基站连线的那条直线上（如图2 曲线2 所示）点的高程值Hxi，以判断该传播链路上是否存在障碍， 为绕射损耗的计算提供依据。 经过以上步骤把该链路分成地物地貌类型各异的若干段来求相应的路径损耗，然后把各段损耗值相加，得到基站位置（xb，yb）到点s1间的路径损耗Ls1。 然后系统将Ls1与L0进行比较，若大于，点s2取远于s1的点，若小于，则点s2取比s1近的点。 按照上述方法最终确定出点sk，使得Lsk=L0，则认为点sk为覆盖边缘上的一点，即sk∈C，系统记录该点为c1。

步骤3：确定完水平方向右侧的点c1后，以基站为原点，逆时针旋转θ 度（具体数值视精度而定），如图4 所示，此时系统在与水平直线夹角为θ 的那条直线路径上选取按照步骤2 的算法记录点c2使得Lc2=L0。

图3 旋转θ 后连线图

依上述步骤以基站位置为原心旋转一周后，系统将记录的集合C 各点连接起来， 所围区域即为此基站的覆盖地域。对于此算法只要设置适当的Δ 和θ 的值就可以达到用户所要求的精度。

图4 为系统生成一幅信号覆盖图：其中Δ=0.1km，θ=0.1。

4 结论

基于地理信息系统的应急通信网络规划系统可以为通信保障人员迅速选择最优站点、及时开设使用和展开网络实行应急通信保障， 发挥该通信系统最大性能提供参考依据。该系统可以为应急通信中的网络规划与优化提供参考，为应急通信保障的成功提供一定的支持。

图4 信号覆盖图

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

［2］刘永重.基站覆盖距离的计算方法[J].电子技术,2004.

［3］彭木根,王文博.无线资源管理与3G 网络规划优[M].人民邮电出版社，2008.

［4］肖征荣.应急通信及其发展策略[J].电信网技术，2007.