[发明专利]低空气球荷载的中继应急无线数据通信架构

说明书

技术领域

本发明涉及无线应急通信领域，尤其是一种低空中继应急无线数据通信方法。

背景技术

现有的陆地蜂窝通信系统在大型地质灾难后容易陷入瘫痪，进而丧失通信服务功能。目前国内外研究的中继应急通信包括低空中继平台和高空中继平台。低空中继平台相对灵活，开销和延时也较高空平台更小，但是缺点是覆盖范围小，而且容易受到低空气流扰动的影响；高空中继平台覆盖范围大，延时和开销小于卫星通信但是明显大于低空中继平台，经济代价也通常比较大。

目前，高空平台主要使用飞艇承载通信设备与地面基站和终端建立联系。执行长期任务时，飞艇可以3到5年不着陆。短期任务可以考虑无人机承载通信装备。但是现存的技术无论是低空中继平台还是高空中继平台对于频谱的利用率都不是很高，可能引起很多的通信故障，对救灾工作造成很大的影响。本发明的仍然采用低空中继平台，但是应急无线通信设计具有一定的认知无线电的特征。

低空中继平台通常由热气球承载，工作时间由电源供给决定。采用低空中继平台可以快速地恢复灾区的通信。

缩略语和关键术语定义：

发明内容

发明目的：针对部分基站损坏但是还有少量基站（留存基站）依然可以实现物理连接的无线蜂窝网场景，即考虑下一代的蜂窝基站（如基于LTE空中接口的EnodeB1和EnodeB3被称为留存基站）可以向核心网络的网关发射信号，但是因为灾难所导致的物理损害，这些留存基站不能正常与核心网络的网关进行通信。此时，这些留存基站需要与地理位置临近的无线中继平台进行数据通信和Internet连接。

本发明的技术方案：低空无线中继平台由气球承载，载荷的大小决定气球的大小。气球通常情况分为两种：第一种是具有远程控制和自导航系统的气球，但是系统复杂，代价昂贵；另一种是用绳子固定的系统，但是高度受限，通信覆盖范围也就受限。本发明采用第二种，即绳系的低空中继系统，该应急系统可以调整空中中继平台的位置，以保证中继平台与多个地面基站之间链路都具有比较好的信道质量。

系统架构如图1所示。

图1显示了一种单低空中继应急通信架构的设计方案。考虑三个地面基站EnodeB1-3呈线性部署，多个移动台MT均匀地位于各个基站所服务的小区。空中中继主要由五个部分组成：包括频谱感知模块、通信模块、频谱和信道管理、通信网关管理模块以及GPS或者北斗定位模块。

假设自然灾害已经使EnodeB2倒塌，EnodeB1和EnodeB3虽然未倒塌，但是工作状态未知。这使得空中中继部署变得很有必要。

所考虑的蜂窝网络为LTE网络，即地面基站具有LTE接口。因为LTE网络结构是扁平结构，地面基站NodeB节点和RNC节点合并，形成一个EnodeB。该蜂窝基站侧具有独立完成分组交换的功能。若EnodeB1和EnodeB3仍然可以完成信号处理和有限的分组交换功能，则MT1与MT2以及MT5与MT6之间直接通过本地的基站节点就可以实现应急的数据通信。

低空中继平台相当于LTE中的aGW，通过回程链路和外界网络（如卫星通信网络）联系。

中继具有多无线电接口，每个接口最多支持4个频段，从而为地面的多接口智能终端提供数据通信服务。地面LTE终端设备和基站最多支持4个频段，有利于提高蜂窝系统的容量。

低空中继应急无线通信设计具有一定的认知无线电的特征，即中继平台具有高效的信息和知识处理能力。节点架构如图2所示。

其架构功能包括：硬件抽象层是上层功能的封装接口，屏蔽特定的硬件细节实现过程；

频谱和信道管理对频谱和信道相关资源如链路、频率进行分配；

频谱感知模块提供对信号的检测；

通信网关管理模块用来对地面蜂窝基站EnodeB与外界网络的通信进行组织与管理；

数据管理组织高层应用的数据；

信息/规则数据库存储先验知识和规则。

低空中继应急无线数据通信设计的具体实现如下说明。

地面蜂窝基站采用理想线性拓扑结构，并且每一个基站具有有线供电和蓄电池供电两种供电方式。当发生严重灾难导致有线供电中断时，蓄电池供电模式下的蜂窝基站将使用低发射功率模式。

当灾害发生时，基站与地面网关aGW通信中断，并且地面其中一个基站如EnodeB2已倒塌，若其他相邻基站（EnodeB1和EnodeB3）未损坏，则EnodeB1和EnodeB3可以通过自组织特性来组成一个内部网络，但是它不能连接到外部的网络。此时，地面终端之间只能通过本地基站路由，但是不能与本地基站覆盖范围之外的终端通信。