任 静姚远程秦明伟朱 悦

（西南科技大学信息工程学院，绵阳621010）

1 引 言

无线电台应急通信在面对紧急公共事件、大型的机构活动以及救助自然灾害等突发状况，在原有的通信设备电路被阻塞、故障，甚至是发生了摧毁的时候能发挥其应有的作用，它为政府部门、人民群众临时提供无线应急指挥平台，实现指挥机关对其相关区域实时不间断和移动中的通信联络和指挥，对所覆盖区域内通信联系提供通信信道支持。 作为地区性的中继节点，其建设的位置很重要，中继节点信号的覆盖范围，直接关系无线通信的效果。

对于无线应急通信中继网络来说，传统的中继节点选址需要利用现场实地调查和测量等方式，即依赖于经验选址。 若通信受损发生在复杂环境中，此时中继节点的选址必然受到地理环境和通信设备的限制，主要包含两方面：其一是由于复杂环境无线信道参数难以预测，地形、植被、大气等都会影响无线电波传播，因此常常会出现中继节点选址理论分析可行，但是在实际应用场景中却无法达到预期覆盖范围的问题；其二是在凭借经验进行中继节点选址的过程中，难以将通信设备的天线场型、发射机／接收机位置高度、调制解调特性、传输损耗、载波频率等因素考虑全面。 由于复杂环境中多重影响因素的存在，使得传统的中继网络部署不可避免地存在选址速度慢、中继节点冗余和通信链路质量差等问题，并出现仿真计算结果难以精确地对应到实际场景中的情况。

射线跟踪方法通过模拟射线在实际传播环境中的直射、反射、散射和绕射等方式来获取收发端天线之间所有可能的传播路径，在得到该传播路径后，再根据电磁传播理论来计算每条射线的幅度、相位、延迟和极化等信息，最后结合天线方向图等信息就可得到接收天线处所有射线的有效合成结果。 射线跟踪方法作为一种确定性建模方法，其优势在于精确度较高并且能获得接收端射线电磁参数的详细信息，此外其计算量大、耗时的缺点逐渐被克服，因此在移动通信领域得到了广泛应用。 因此本文提出了基于射线跟踪方法Wireless Insite（WI）建模及仿真的无线应急通信中继节点快速布点方法。

2 中继网络建模

REMCOM 公司的射线跟踪仿真软件WI 采用先进的高频电磁处理方法，即射线跟踪方法，并基于UTD（一致性绕射理论）／GTD（几何绕射理论）理论，使其可以在50MHz ～100GHz 频段内提供精确的计算结果。

射线跟踪方法是一种被广泛用于移动通信和个人通信环境街道微小区和室内微小区中的预测无线电波传播特性的技术。 文献［10］使用射线跟踪方法在高达60GHz 频率上对室内外通信环境进行仿真，从而验证了该目标场景下进行5G 通信的可行性。 文献［11］使用射线跟踪方法对室外最佳发射机位置进行了定位。 文献［12］在2GHz 频率下对某城市中心的宽带无线信道进行实测和射线跟踪仿真，并对比二者的路径损耗和延迟扩展。 文献［13］［14］对山区环境的甚高频无线信道进行了射线跟踪建模仿真，并与实测结果对比以验证了射线跟踪方法的有效性。

考虑将串行多中继方法应用于如图1 所示的目标场景。 当E 区域大面积通信受损导致无法与外部通信时，S 区域的骨干网无法延伸至通信受损区，此时就需要建立中继网络与E 区进行通信。 考虑个中继节点进行放大转发的方式，这种中继方式只是将接收到的信号放大后转发给目的节点，因此实现复杂度较低，这对于应急救灾通信是十分适合的。 文献［15］提出使用RTS 和CTS 包获取信道质量瞬时测量值的方法来选择中继节点，该方法虽然能够保证最佳的链路质量，但由于信道状态是时变的，实现的复杂度较高。 射线跟踪方法实质上是获取了中继节点的前、后向信道质量仿真值。 在射线跟踪方法中，使用式（1）和式（2）筛选中继节点备选点

图1 目标场景示意图Fig.1 Schematic diagram of target scene

式中：P——上一节点-1 的发射功率；PL——两相邻节点和-1 之间的路径损耗；P——节点的接收功率，当P满足式（2）时，认为，-1 两节点能够进行通信；——接收机灵敏度阈值。

2.1 环境建模

采用的环境建模方法，主要针对地形环境、植被覆盖进行建模。 对于地形环境的建模，采用从现有地理信息系统导入的方式。 在WI 软件中支持导入数字高程模型（DEM）对地形进行建模。 地形来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 软件剪切感兴趣区（ROI）。 导入后的地形如图2 所示。

图2 WI 地形图Fig.2 WI topographic map

2.2 无线通信设备建模

为使通信设备更加接近实际设备的性能，我们对通信设备建模时考虑以下几个参数。

1）发射频段；2）发射功率；3）天线增益及极化方式；4）接发器类型。

根据“CRSA 推荐的业余无线电频率使用规划”，全国业余无线电统一应急救援通信U／V 频段直频频率为：U 段433.000MHz，V 段145.000MHz，这两个频段都属于超短波的范畴。 超短波传播具有视距传播、绕射能力有限、直线传播和传播不受电离层影响等特性。 与平原环境相比，复杂的山地环境中电磁波由于植被的吸收效应和地形环境的反射、散射路径复杂，导致应急频段无线电波传播距离更短、路径损耗更大。 因此超短波频段下应急通信更需要一种有效的精确的中继网络寻址方法。

为实现中继节点的选址，需要了解场景中每个位置相对于其他位置的信道特性。 因此在WI 中发射器和接收器类型都使用TRX（Transceiver）类型，即每个点既是发射器又是接收器，这与中继节点的功能一致。 接发器的天线为全向天线，考虑到垂直极化电磁波更加易于穿过起伏不平的地貌，因此极化方式选择垂直极化，通信频段为433.00MHz，具体的射线参数如表1 所示。

表1 仿真相关参数Tab.1 Simulation related parameters

3 中继节点寻址算法

使用WI 对上一章构建的模型进行仿真后，其仿真结果意味着当前场景下每个TRX 掌握了相对于其他TRX 的链路费用和网络拓扑。 将中继网络布点寻址问题等效为一个多中继串行网络架构模型进行研究。 多中继串行网络是单中继网络模型的串行组合，数据由源节点逐跳经过中继节点进行转发，并且每个中继节点仅接收前一跳中继节点发送的数据。

3.1 路径选择策略

按照无线中继处对接收信号的处理方式，多跳中继应用中的基本中继策略可以分为重复码形式的译码前传（Decode-and-Forward，DF）和放大转发（Amplify and Forward，AF）。 将基于WI 的中继网络寻址问题等效为一个单向多跳放大转发中继传输寻址模型进行研究。

对于两跳中继节点选择问题，Sreng V等人分别提出了两类路径选择策略。

1）基于距离准则，包括最长距离最短准则（Least Longest Hop Selection，LLH）、接入距离最短准则（Shortest Relaying Hop Distance Selection）和总距离最短准则（Shortest Total Distance Selection，STD）；

2）基于路径损耗准则，包括两跳路径路损之和最小（Minimum Total Pathloss Selection，MTP），两跳路损最大最小准则（Least Maximum Pathloss Selection，LMP）和最小接入链路路损准则（Minimum Relaying Hop Pathloss Selection，MRP）。

经过多年的发展，中继选择策略除以上列举之外，还提出基于最大SINR 准则的路径选择策略；本方法在两跳网络路径选择策略的基础上进行推广，针对两跳路损之和最小准则（MTP）进行中继网络的寻址。

3.2 MTP 路径选择策略

首先考虑二跳中继网络，如图3 所示。 R是所选择的路径，源节点S，终端节点E，设S 到E 共有条路径。为第条路径的第一跳路径损耗，为第跳路径的第二跳的路径损耗。 对于MTP路径选择策略，相应的判别公式如下

图3 二跳中继网络示意图Fig.3 Sketch map of two hop relay network

而对于一个多中继串行网络，为第条路径的跳数，PL为第条路径的第条，相应的判别公式如式（4）所示

3.3 基于WI 的MTP 算法实现

使用Dijsktra 算法在WI 软件的路径损耗仿真结果上选择中继节点，即对中继节点进行寻址。Dijsktra 算法是典型最短路径算法，用于计算有权图中一个节点到其他节点的最短路径，Dijsktra 算法流程如图4 所示。 在应用Dijsktra 算法之前，需将WI的路径损耗仿真计算以邻接矩阵的形式进行存储。邻接矩阵的顶点以WI 中TRX 的序号定义，边为任意两TRX 之间的路径损耗值。

图4 Dijsktra 算法流程图Fig.4 Flow chart of Dijsktra algorithm

4 实验结果与分析

4.1 寻址方法仿真结果分析

为便于分析，同时使当前的仿真场景能够体现实际场景下地形和植被覆盖类型多变的特点，本文的仿真场景大小在原有的（93×110）km 的AW3D 的DEM数据基础上使用ENVI 软件裁剪为（9.638 ×6.923）km，并按照实地植被勘探情况设定植被类型。 相应的接发器部署如图5 所示，共850 个TRX，地形图参数如表2 所示。

表2 地形图参数Tab.2 Topographic map parameters

图5 接发器部署及传播路径示意图Fig.5 Schematic diagram of transceiver deployment and propagation path

图5 中，对每个TRX 进行了编号，TRX＃1-850依次排列，左下为850 号，右上角为1 号，地形中心对应的经纬度值为（31°33′54.500009259″，104°41′27.500000186″）。 另外，每个TRX 都够查找出其对应的经纬度值，这样能够将选址结果与实际场景的定位对应起来。

按照表1 和表2 所述参数进行WI 建模仿真，并以不同位置的源节点和目的节点对中继节点的选址结果进行分析。 随机选取10 组（S，E），以对应于不同地理位置下的应急通信情况，相应的中继节点选址结果如表3 所示。 基于射线跟踪方法的TRX＃1 对于其他TRX 的路径损耗如图6 所示。

图6 TRX ＃1 的相对路径损耗图Fig.6 Relative path loss of TRX＃1

表3 部分中继节点选址结果Tab.3 Location results of some relay nodes

表3 中，当前选择源、目的节点之间存在的直传链路有第4、10 组，二跳中继链路有第2、3、8 组，其余的为三跳中继链路。 若两节点的直传路径损耗小于中继链路的总路径损耗，则使用直传链路，否则使用中继链路。 从第6、9 组中能够看出即使源、目的节点距离很近，但由于山体对电磁信号的阻挡和吸收作用，导致需要2 个中继节点才能实现通信。 表3 中的每个中继节点都有唯一的经纬度值与之对应，实现仿真结果与实际地形的映射，从而实现中继节点的精确选址。

4.2 对比实验分析

将本文提出的中继节点选址布点方法与传统的中继节点选址方法进行对比实验，传统的中继节点选址方法依赖于工程师的经验，即经验选址。总的来说，经验选址方法中，为减小链路损耗，增大节点覆盖范围，应使相邻两中继节点尽可能地以视距传播的方式进行通信，因此需将中继节点部署到地理位置较高、无大型遮挡物的位置。 由于经验选址依赖于选址前大量的现场测量数据，因此在本次对比实验中，将WI 中的信道建模仿真数据作为现场测量数据，在此数据基础上结合地形进行经验选址。

从表3 选取了3 例源节点与目的节点位置进行对比实验。 对比实验结果如表4 所示。 射线的传播路径在图5 中进行展示。 从表4 中能够直观地看出，相比于经验选址方法，本文所提方法有两点优势。 第一点体现在中继节点个数上。 对于序号1和序号2 两个实验例子，本文所提方法所选取的中继节点个数均比经验选址少，这有利于节省应急通信中继节点的部署时间和成本。 第二点体现在总路径损耗指标上。 3 个实验例子中，本文所提方法较经验选址分别减少了20.95%，15.64%和12.90%的总路径损耗，从而提升了链路的通信质量。

表4 选址对比实验结果Tab.4 Site selection comparison experimental results

5 结束语

本文提出一种复杂环境下应急通信中继节点选址的方法，首先分析了复杂环境下环境建模及通信设备建模需要考虑的因素，然后使用射线跟踪方法对复杂山地环境进行建模，并对此类无线信道的路径损耗参数进行仿真，最后使用最短路径算法完成了中继节点的布点寻址，并与经验选址方法进行对比实验。 寻址方法仿真实验结果表明，基于射线跟踪方法的中继节点选址方法能够实现仿真结果到实际地形的映射，从而实现了中继节点的精确选址布点。 对比实验进一步表明，相对于传统应急通信中继网络选址，本文所提方法能够明显地减少中继节点部署的各种成本，并能有效地提高链路通信质量。