[發明專利]低空氣球荷載的中繼應急無線數據通信架構

有效

• 申請號: 201310189730.6
• 申請日: 2013-05-20
• 公開（公告）號: CN103313259B
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發明（設計）人: 孟慶民;王東明;孫本利;候曉赟;王磊;田峰;鄭寶玉
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學;東南大學
• 主分類號: H04W16/14
• 分類號: H04W16/14;H04W16/26;H04W24/00
• 代理公司: 南京知識律師事務所32207
• 代理人: 汪旭東

技術領域

本發明涉及無線應急通信領域，尤其是一種低空中繼應急無線數據通信方法。

背景技術

現有的陸地蜂窩通信系統在大型地質災難后容易陷入癱瘓，進而喪失通信服務功能。目前國內外研究的中繼應急通信包括低空中繼平臺和高空中繼平臺。低空中繼平臺相對靈活，開銷和延時也較高空平臺更小，但是缺點是覆蓋范圍小，而且容易受到低空氣流擾動的影響；高空中繼平臺覆蓋范圍大，延時和開銷小于衛星通信但是明顯大于低空中繼平臺，經濟代價也通常比較大。

目前，高空平臺主要使用飛艇承載通信設備與地面基站和終端建立聯系。執行長期任務時，飛艇可以3到5年不著陸。短期任務可以考慮無人機承載通信裝備。但是現存的技術無論是低空中繼平臺還是高空中繼平臺對于頻譜的利用率都不是很高，可能引起很多的通信故障，對救災工作造成很大的影響。本發明的仍然采用低空中繼平臺，但是應急無線通信設計具有一定的認知無線電的特征。

低空中繼平臺通常由熱氣球承載，工作時間由電源供給決定。采用低空中繼平臺可以快速地恢復災區的通信。

縮略語和關鍵術語定義：

發明內容

發明目的：針對部分基站損壞但是還有少量基站（留存基站）依然可以實現物理連接的無線蜂窩網場景，即考慮下一代的蜂窩基站（如基于LTE空中接口的EnodeB1和EnodeB3被稱為留存基站）可以向核心網絡的網關發射信號，但是因為災難所導致的物理損害，這些留存基站不能正常與核心網絡的網關進行通信。此時，這些留存基站需要與地理位置臨近的無線中繼平臺進行數據通信和Internet連接。

本發明的技術方案：低空無線中繼平臺由氣球承載，載荷的大小決定氣球的大小。氣球通常情況分為兩種：第一種是具有遠程控制和自導航系統的氣球，但是系統復雜，代價昂貴；另一種是用繩子固定的系統，但是高度受限，通信覆蓋范圍也就受限。本發明采用第二種，即繩系的低空中繼系統，該應急系統可以調整空中中繼平臺的位置，以保證中繼平臺與多個地面基站之間鏈路都具有比較好的信道質量。

系統架構如圖1所示。

圖1顯示了一種單低空中繼應急通信架構的設計方案?？紤]三個地面基站EnodeB1-3呈線性部署，多個移動臺MT均勻地位于各個基站所服務的小區?？罩兄欣^主要由五個部分組成：包括頻譜感知模塊、通信模塊、頻譜和信道管理、通信網關管理模塊以及GPS或者北斗定位模塊。

假設自然災害已經使EnodeB2倒塌，EnodeB1和EnodeB3雖然未倒塌，但是工作狀態未知。這使得空中中繼部署變得很有必要。

所考慮的蜂窩網絡為LTE網絡，即地面基站具有LTE接口。因為LTE網絡結構是扁平結構，地面基站NodeB節點和RNC節點合并，形成一個EnodeB。該蜂窩基站側具有獨立完成分組交換的功能。若EnodeB1和EnodeB3仍然可以完成信號處理和有限的分組交換功能，則MT1與MT2以及MT5與MT6之間直接通過本地的基站節點就可以實現應急的數據通信。

低空中繼平臺相當于LTE中的aGW，通過回程鏈路和外界網絡（如衛星通信網絡）聯系。

中繼具有多無線電接口，每個接口最多支持4個頻段，從而為地面的多接口智能終端提供數據通信服務。地面LTE終端設備和基站最多支持4個頻段，有利于提高蜂窩系統的容量。

低空中繼應急無線通信設計具有一定的認知無線電的特征，即中繼平臺具有高效的信息和知識處理能力。節點架構如圖2所示。

其架構功能包括：硬件抽象層是上層功能的封裝接口，屏蔽特定的硬件細節實現過程；

頻譜和信道管理對頻譜和信道相關資源如鏈路、頻率進行分配；

頻譜感知模塊提供對信號的檢測；

通信網關管理模塊用來對地面蜂窩基站EnodeB與外界網絡的通信進行組織與管理；

數據管理組織高層應用的數據；

信息/規則數據庫存儲先驗知識和規則。

低空中繼應急無線數據通信設計的具體實現如下說明。

地面蜂窩基站采用理想線性拓撲結構，并且每一個基站具有有線供電和蓄電池供電兩種供電方式。當發生嚴重災難導致有線供電中斷時，蓄電池供電模式下的蜂窩基站將使用低發射功率模式。

當災害發生時，基站與地面網關aGW通信中斷，并且地面其中一個基站如EnodeB2已倒塌，若其他相鄰基站（EnodeB1和EnodeB3）未損壞，則EnodeB1和EnodeB3可以通過自組織特性來組成一個內部網絡，但是它不能連接到外部的網絡。此時，地面終端之間只能通過本地基站路由，但是不能與本地基站覆蓋范圍之外的終端通信。