基于浮空器的复杂多山环境应急通信及覆盖预测

郭 蓉，李华福，景艳梅，解东杰，何文学*

(1.云南师范大学 物理与电子信息学院，云南 昆明650500；2.哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院，黑龙江 哈尔滨150001)

0 引言

近年来，应急通信事件发生的频率和影响程度都在增加，应急通信保障体系对于维护社会秩序稳定和保障人民生命财产安全具有重要的意义。

2021年11月13日，4名地质勘探调查专家进入云南哀牢山开展森林资源调查，11月22日找到失联的4人时，已全部遇难。失联人员位处的区域是哀牢山国家级自然保护区，无通信信号，在恶劣的自然条件下，提前设计好的路线和应急预案不能实施，加之天气突变、大雾弥漫、磁力紊乱，罗盘产生错误指引，无法正确分辨方向。4人最后殉职的位置离他们的出发点路程仅3 862 m，殉职时身边遗留的作业装备齐全。在类似“哀牢山地质人员失联”这样的场景下，应急通信的重要性不言而喻。

应急通信解决方案的传统是建设应急通信站来恢复通信，但是一般来说，应急通信站覆盖的范围较小、设备大、建设成本高、耗时长，且易受地形、植被和地球曲率的影响，应用场景存在一定的局限性，缺乏在陌生或无信号区域快速和大范围部署的能力[1]。我国将无人机应用于应急通信领域的研究和探索起步较早，由无人机携带的通信中继装备(如基站、无线电台等)在提高网络容量、扩大网络覆盖范围方面具有巨大的潜力，然而，由于携带电源的能量限制，它可飞行时间较短、难以与地面站之间建立可靠通信链路[2]。

此外，特定传播环境下的无线电波传播模型直接关系到工程设计中通信设备的能力、天线高度的确定以及通信距离的估计等。刘建光等人[3]对云南省边境山地、丘陵地区超短波无线电波传播特性与传播损耗的分析，结合边境口岸实际测试数据，研究云南边境区域无线电波传播特性，对比了多种传播模型的适用性，提出采用Egli模型进行分析。李华福等人[4]提出了一种计算基站有效天线高度和传播距离的方法，并基于云南某高海拔山区的实测数据采用线性最小二乘法对SPM模型进行了校正和优化。在传播路径上有多个障碍物且厚度不可忽略时，黄凯丽[5]提出了连续障碍物等效的方法，结合多峰绕射模型，使用Deygout模型递归地查找主峰并使用单圆峰模型计算主峰的损耗值。

与平原地区场景相比，高海拔多山复杂环境下的应急通信网络建设面临如下挑战：① 地形的影响，哀牢山地区地形地貌复杂，山体起伏不均，使得无线信号传播杂乱无章，相互叠加，极难预测，常常存在覆盖良好和覆盖盲区的交替出现；② 植被的影响，由于哀牢山垂直落差大，植被覆盖率高，植被的分布密度以及植被种类对信号接收强度也有较大影响；③ 由于特殊的极端传播环境，该场景中的移动通信系统测试、部署以及优化十分困难，给移动用户的可靠联网带来了巨大的挑战。

本文基于搭载移动基站的浮空器对极端崎岖地形区域进行网络覆盖预测，进一步给出满足特定覆盖指标的系统设计参数。

1 浮空器选择

浮空器相对于固定翼无人机和四旋翼无人机等一些常规的飞行平台，续航时间更长或飞行高度更高，比如高空超压气球和低空系留气球。两种浮空器各有其优缺点，可根据不同的应用场景和需求进行选择。

1.1 高空超压气球

高空超压气球是一种无动力自由飘飞的飞行器，结构如图 1所示。高空超压气球将无线网络信号收发器携带到高空，和地面接收装置交换数据，从而使地面的移动用户能够实现网络连接[6]。采用太阳能电池板进行供电，从而实现长时间滞空，并且飞行高度变化很小[7]。

图1 高空超压气球

球体由主气囊和副气囊两部分组成，通过调节副气囊中空气的多少来调节高度，但在工程上不易于实现。此外，主要依靠寻找不同的风层来控制航向，因此单个高空超压气球的定点控制精度较低[8]。

1.2 系留气球

系留气球是一种无动力浮空飞行器，一般由球体、系缆、锚泊设施、供电系统等组成[8]，具体结构如图 2所示。球体携带基站至高空；系缆包括主缆和分系索，主缆用于连接球体和锚泊车，内部有导线与光纤；分系索将力分散在球体侧面。主缆连接在球体的主节点上，因此，在载荷重量发生改变时，系留气球仰角可以不变[9]。锚泊设施包括绞盘、球箱、系留塔、锚泊车等；绞盘用于释放系留气球的张力；球箱用于回收球体和系缆；系留塔主要用于系留气球的系留，系留气球升空工作时，系留塔负责系留系统的固定，并承受系留气球系留时的载荷[10]；锚泊车用于承载各种设施。因为采用了系缆传输供电，其续航时间不受能源制约，比其他飞行器具有更显著的优势。

凭借不受地形限制、响应能力强、覆盖面广等诸多优势，系留气球在应急通信上有重要的应用，如应急救援等[11]。另外，系留气球还具有维护成本低和载重能力强等优点[12]。

综合考虑，由于单个高空超压气球定点控制精度较低，且高度控制在工程上不易于实现，加之其主要靠太阳能电池供电，容易受到能源和天气状况的制约，加之地质人员勘测时间具有不确定性，系留气球更适合用于此类场景下，用系缆与地面设施连接，续航时间不受电源限制，气球高度也易于控制。所以本研究采用系留气球进行应急通信网络部署，如图2所示。

图2 基于系留气球的应急通信系统示意图

2 传播模型

2.1 自由空间传播模型

自由空间中电磁波的传播可以忽略传播路径上的环境、介质等因素引起的损耗，自由空间传播模型描述了收发机在完全无阻挡的视距环境下的传播损耗情况，用PL(dB)表示特定频率的损耗值，其定义为有效发射功率与接收功率之间的差值[13]：

(1)

式中，Pt为发射功率，Pr为接收功率，Gt为发射天线增益，Gr为接收天线增益，λ为无线电波波长(m)，d为收发机间距离(m)。注：λ=c/f，c为光速(m/s)，f为频率(Hz)；功率与增益的单位都为W，换算单位为mW时，PL(dB)表示为：

PL(dB)=10(2lgf+2lgd-lgGt-lgGr)-147.56。

(2)

综上，自由空间传播损耗只与收发机增益、频率和传播距离相关。

2.2 双线地面反射模型

多数情况下，基站和移动用户之间的直射传播都不是唯一的传输路径，双线反射模型是同时考虑了直接路径以及发射机和接收机之间的地面反射路径的基于几何光学的反射模型[13]。

当发射机和接收机之间的距离d满足d>4hthr/λ时，接收机的传播损耗可表示为：

(3)

式中，ht为发射机相对与地面的高度(m)，hr为接收机相对于地面的高度(m)，Pt为发射功率，Gt未来发射天线增益，Gr为接收天线增益。

Pr，Pt，Gt，Gr以W为单位时可演算为：

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

20lght+20lghr-40lgd。

(4)

Pr，Pt，Gt，Gr以mW为单位时可推导出：

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

20lght+20lghr-40lgd+60，

(5)

路径损耗为：

PL(dB)=10lgPt-10lgPr=

10lgd-(10lgGt+10lgGr+20lght+20lghr)。

(6)

2.3 刃形绕射模型

刃形绕射模型常常被用于评估障碍物(山体)对无线电波的衰减，当阻挡是由单个物体引起时，把阻挡体看作绕射刃形边缘来估计绕射损耗。这种情况下的绕射损耗可用针对刃形后面(称为半平面)场强的经典费涅尔方法来估计[13]。

由于Huygen’s原理，衍射波前上的所有点可作为产生次级波的点源，这些次级波组合起来形成传播方向上新的波前，所以当收发机间存在障碍物时，绕射现象使得阴影区的接收机依然能够接收到绕射信号。

刃形绕射模型场强是刃形上所有二次Huygen’s源的场强矢量和，其绕射增益G可由Fresnel积分给出：

(7)

式中，E0为没有地面和刃形的自由空间场强，Ed为刃形绕射波场强。对比于自由空间场强，由刃形引起的绕射增益为：

Gd(dB)=20lg|F(v)|。

(8)

上式的近似解由Lee给出：

(9)

2.4 Longley-Rice模型

能实现工程应用的考虑地形因素的传播模型及测量数据最早由Longley-Rice等人给出，后由国家电信和信息化管理局(NTIA)的研究和电信科学研究所(ITS)实现，称为ITM-LongleyRice模型[11-12]。

Longley-Rice模型引入了电磁波频率f，收发天线有效高度ht、hr及位置、极化方向、地形不规则度Δh、地球表面折射率Ns、地面电导率σ和相对介电常数ε等因素，不同路径长度的传播损耗参考中值Lref的计算如下：

(10)

式中，d为传播距离(km),dLS为光滑地面距离,dx处的绕射损耗等于散射损耗,Lbe、Lbed、Lbes分别表示自由空间下视距、绕射和散射时的传播损耗值,k1和k2为传播损耗系数,md和ms分别表示绕射和散射损耗系数。dmin≤d

2.5 uRTA模型

随着个人无线通信系统的发展，许多传统的传播模型并不能准确地预测所有场景的路径损耗，尤其是针对于高海拔山区的无线网络，该环境中路径损耗的主要影响因素是海拔高、山脉多、植被茂密、空气湿度大[4]。在之前的研究成果中[14]，提出了uRTA模型来预测极端崎岖环境中无线电波的传播损耗，其中考虑将山体建模为锥形模型，并研究了多山体对传播损耗的影响。本文在链路预算时使用了该计算方法，详见第4节。

3 环境描述及地形精细化剖分

3.1 环境

哀牢山位于云南中部，是古哀牢国东界界山，是云贵高原和横断山脉的分界线，也是元江和阿墨江的分水岭，印度板块向亚欧板块碰撞和俯冲的产物。这里山高坡陡，沟壑纵横，地形起伏强烈，气候复杂，容易遭遇天气突变。哀牢山国家级自然保护区是森林生态系统类型自然保护区，以保护亚热带中山湿性常绿阔叶林生态系统和黑长臂猿、绿孔雀、灰叶猴等珍贵野生动物为目的，地跨云南省楚雄、双柏、景东、镇沅、新平五个州县。地理坐标为东经100°44′～101°30′，北纬23°36′～24°56′，保护区南北长约130 km，南部东西宽约4～9 km，北部南华片东西宽则达20多km，总面积677 km2，主峰称哀牢山，海拔3 166 m。

3.2 DEM数据

DEM是地形表面形态的数字化表达，通过等高线或相似立体模型进行数据采集(包括采样和量测)，然后进行数据内插而形成，描述的是高程在地理坐标上的分布。

分辨率是DEM刻画地形精确程度的一个重要指标，可根据实际应用情况选择不同精度的DEM数据以及对数据集进行采样，采样点越密集，计算精度越高，但是计算速度越慢。综合考虑，本文采用12.5 m精度的DEM数据进行仿真。

3.3 泰森多边形剖分

泰森多边形又叫冯洛诺伊图(Voronoi diagram)，它是一组由两个相邻点所连接线段的垂直平分线组成的连续多边形，如图 3所示[15]。

图3 Voronoi图的垂直平分线属性

对于平面区域S上的离散点集合P={p1,p2,…,pn},其点i的Voronoi分区可表示为：V(pi)={p∈S|‖p-pi‖≤‖p-pj‖,∀j≠i}，其中，pi为Voronoi分区的生成元，集合V(p)={V(p1),V(p2),…,V(pn)}为P的Voronoi图。根据上述定义可知，Voronoi图是由连续多边形组成，如图 3所示，红色实线为Voronoi图划分控制点连线的垂直平分线[15]。

图4给出了传统四边形网络、三角形网络以及泰森多边形网络对目标区域地形的精细化剖分结果，其中，文献[16]利用了三角剖分。从图 4可以看出，本文采用的泰森多边形网络精细化剖分使得山峰和山谷区域更加平滑，在相同的DEM精度下能更准确地反映地形信息。

(a) 传统四边形剖分网络

4 链路预算

链路预算一方面可以获得基站的可用最大发射功率，避免无效的下行覆盖，减小干扰和系统噪声；另一方面可以评估上/下链路所允许的最大路径损耗。

链路预算中有两类因素：确定因素和不确定因素，确定因素是指一旦产品形态及场景确定，相应的参数随之确定，如：功率、天线增益、噪声系数、解调门限和穿透损耗。不确定因素包括慢衰落余量、雨雪影响和干扰余量。这些因素当作链路余量考虑[16]。路径损耗公式为[16]：

PL=Pt-10×lg 10Nsu+Gt-Lf-Lv-Lb-

Mdis-Mrain-Mslow+GUE-Pn-NFUE-SINR，

(11)

式中，PL表示路径损耗(dB)，Pt表示基站发射功率，Nsu表示子载波数，Gt表示基站天线增益(dBi)，Lf表示基站馈线损耗(dB)，Lv表示植被损耗(dB)，Lb表示人体遮挡损耗(dB)，Mdis表示干扰余量(dB)，Mrain表示雨/冰雪余量(dB)，Mslow表示慢衰落余量(dB)，GUE表示UE天线增益(dBi)，Pn表示热噪声功率(dBm)，NFUE表示UE噪声系数(dB)，SINR表示解调门限，即接收机灵敏度(dBm)。

本研究中应急通信场景下的接收机为智能手机，假定其接收功率阈值(接收机灵敏度)为-106 dBm，当信号强度高于阈值时称为有效覆盖。基站发射机天线增益为15 dBi，UE天线增益为0 dBi。本文主要考虑路径损耗、馈线损耗和植被损耗，其他余量暂不考虑，由于雨水衰落对于在10 GHz以下的个人通信业务影响较小[17]，不予考虑。本文选取的频率为700 MHz，根据馈线选择理论，采用LDP6 5/4馈线，馈线损耗约为2.285 dB/100 m，设置馈线长度为20 m。植被损耗根据文献[18-19]选定为160 dB/km，假设植被高度为30 m。

4.1 计算基站发射功率值

本文选取了200，500，1 000，2 000，3 000，5 000 m六个基站高度值进行计算，得到研究区域内所有10 000个剖分网格的传播损耗值，将该值前80%对应的网络视作有效覆盖的区域，并计算出对应基站高度下的发射功率，如表 1所示。

表1 基站发射功率值

由图5可以发现，随着基站高度的增加，所需基站功率反而减小，说明山体对电波的损耗远大于自由空间传播损耗。

图5 不同基站高度设置下的发射功率值

此外，当基站高度小于2 km时，随着基站高度的增加，所需基站发射功率随之显著减少；当基站高度大于2 km时，基站功率没有表现出显著改变。因此，为了满足目标区域覆盖指标且节约成本，基站发射功率需要被仔细地设置。

4.2 接收功率仿真

接下来考虑基站发射功率固定，不同基站高度对移动端接收功率的影响。图 6～图 7仿真了基站发射功率为160 W，即52.04 dBm，基站高度为1 000 m和2 000 m时的有效接收功率。其中，玫红色部分表示未能实现有效覆盖(接收功率低于设定的阈值)的区域，其余区域表示有效覆盖区域，右侧颜色栏表示接收功率值(dBm)。图 6结果表明，当基站发射功率为52.04 dBm，基站高度为1 000 m时，有效覆盖率为69.86%。图 7结果表明，当基站发射功率为52.04 dBm，基站高度为2 000 m时，有效覆盖率为94.90%。

图6 基站高1 000 m时的接收功率覆盖仿真

图7 基站高2 000 m时的接收功率覆盖仿真

5 结束语

本文针对中国云南哀牢山国家自然保护区的某极端崎岖地形区域，选择系留气球携带移动基站载荷来解决该地区在应急情况下的无网络覆盖预测问题。在复杂地形环境中，基于DEM数据，首先利用泰森多边形剖分技术对哀牢山地形进行准确、精细的网格化；然后利用开发的uRTA模型计算该区域的无线电波传播损耗；最后通过链路预算评估了基站高度、基站发射功率和覆盖率之间的关系。结果表明，本文方法可以根据不同业务需求、成本以及工程能力来评估极端复杂地形环境下无线网络的覆盖效果。比如，当设置接收机灵敏度、有效覆盖率和基站高度分别为-106 dBm、80%和2 000 m时，基站接收功率约为39 dBm；当设置基站发射功率、接收机灵敏度分别为52.04 dBm、-106 dBm时，建议基站高度设置为1 500 m左右，此时的有效覆盖率可达约82%。未来将对该系统进行实地测量，以矫正传播模型,本研究有望为复杂地形场景下应急通信网络部署以及优化提供建议。