针对乡村及野外环境的电力保障移动应急通信系统研究

2018-03-28 21:57:04 《电力信息与通信技术》微信公众号　点击量：评论 (0)

突发事件的不确定性及巨大破坏性,会对指挥中心与现场救援之间的通信造成极大影响。野外巡线、高空架线等电力作业工作常在乡村或野外环境下进行,危险性较高,容易发生突发事件,但乡村及野外环境下通信设施不完善,搭建有效的移动应急通信系统具有非常重要的意义。文章研究并设计了

0 引言

甘肃地形复杂,地广人稀,电力作业常需在人烟稀少的乡村及野外环境下进行。野外巡线、高空架线等电力作业工作环境恶劣、危险性较高,容易发生突发事件,而此类突发事件往往会对电力工人的生命安全带来威胁,必须得到快速的协调处理。由于突发事件本身具有时间突发性和地点不确定性的特点,并且乡村及野外环境下的突发事件往往距离调度指挥中心较远,使得相关处理人员无法第一时间抵达现场进行指挥调度,所以建设稳定可靠的移动应急通信系统具有重要的意义^[1-3]。

目前移动通信技术已发展至4G时代,4G技术凭借着通信速度快、网络频谱快、通信灵活等优点,成为当前主流的通信技术^[4-5]。但4G网络自
2014年以来,采用先城市、再城镇、后乡村的建设方案,目前在甘肃境内部分乡村及野外环境下,4G网络基站仍在建设当中,4G网络覆盖较少,大多数乡村及野外环境下通信方式仍以3G通信网络为主^[6]。本文对乡村和野外环境下3种3G制式的传输情况进行测试对比,发现乡村及野外环境下3种3G制式的通信传输速率及畅通率均较低,若直接基于传统3G制式建立移动应急通信系统,效果不佳。

针对这样的背景,本文提出一种基于终端速度和概率驱动的无缝切换算法（Speed-based Probability-driven Seamless Handoff,SPSH）,SPSH算法综合考虑移动终端速度与概率驱动^[7-9],实现了3种通信制式的融合,提高了乡村和野外环境下的通信速率及通信畅通率。基于SPSH融合网络,设计并建立了一套电力保障移动应急通信系统,系统包含前端信息采集、网络信息通信、中心管理平台以及客户端设备4个模块,可实现现场人员与调度人员之间的稳定、可靠、实时沟通,保障电力作业突发事件时现场与调度中心之间的移动应急通信。

1 乡村及野外环境下3种3G制式传输分析

本文对乡村及野外环境下3种3G制式的通信传输速率及畅通率进行实验对比,并分析3种制式通信条件的好坏。实验在每种环境下随机选取了100个地点进行测试,最终结果取平均数。表1为在乡村及野外环境下采用不同3G制式、终端处于静止状态与移动状态的传输速率对比。

表1 采用不同3G制式在不同环境下传输速率对比Tab.1 Transmission rate comparison of different 3G systems in different environments

对通信畅通率进行比较,设链路畅通次数为N,则链路畅通率P为：

表2 采用不同3G制式在不同环境下通信畅通率对比Tab.2 Communication flow rate comparison of different 3G systems in different environments

从表1、表2中可以看出,乡村环境下,单独采用任一种3G制式勉强可达到基本可用的传输速率与通信畅通率要求,但3种制式的优势不同,WCDMA传输速率整体较高,TD-SCDMA上行速率较高,CDMA2000在移动状态下速率较高。但是当测试环境为野外环境时,3种制式传输速率与通信畅通率均较低,单独采用一种3G制式已无法满足基本通信需求。

2 针对乡村及野外环境的电力保障移动应急通信系统设计

本文设计的电力保障移动应急通信系统主要包含4个部分：前端信息采集、网络信息通信、中心管理平台以及客户端设备。系统整体结构如图1所示。

图1 系统整体结构Fig.1 System structure

2.1 前端设备

1）便携移动应急设备。为了能够及时了解突发事件现场情况,系统设计时将采集模块设备集成到便携式多功能移动应急指挥终端设备中,可对现场情况进行信息采集。采集模块摄像头位置可调整,可实现对现场场景多角度图像采集。便携移动应急设备还集成了视频通信模块,支持音视频的编码、压缩和传输等功能,并利用无线通信手段传输,实现现场人员与调度人员之间的实时视频通信。

2）网络通信服务设备。便携移动应急设备基于三大运营商的网络通信服务,对突发事件现场的音频、图像、视频数据进行通信传输,利用专用传输线路与指挥中心的服务器相连接。系统采用基于终端速度和概率驱动的无缝切换算法SPSH,实现3种通信制式的融合通信,具有可靠性高,传输速率快等优点,可保障移动应急通信工作及时有效的进行,确保指挥中心的部署能够及时传达到现场。

2.2 中心管理平台

在应急通信过程中,前端设备通过SPSH搜索并切换至最优链路,此时上行业务数据通过最优链路传输至中心管理平台,中心管理平台返回的下行业务数据仍在当前最优链路返回至前端设备。中心管理平台使用多WAN口路由器,可同时支持多运营商的数据接入^[10]。平台服务器架构包含数据库服务器、Web服务器、管理服务器、应用程序服务器,并在服务器安装上相应的数据处理、Web组件、管理组件、应用组件等相关软件,还安装了电力系统专用防火墙,可为中心管理平台提供安全的数据存储、转发和传输服务。

2.3 客户端设备

客户端设备包含显示设备和客户端软件,用户可以通过客户端软件对当前突发事件处理情况进行实时监测,利用电脑和大屏幕等显示设备播放现场的画面情况,了解现场范围内电力设备的建设和抢修进展,并可通过音频和视频的形式与现场进行实时沟通。

3 基于终端速度和概率驱动的无缝切换算法

本文设计的系统在网络通信服务设备中采用基于终端速度和概率驱动的无缝切换算法,实现3种通信制式的融合通信。

针对信号覆盖不佳的应用场景,一些应急通信技术采用链路切换算法将3种制式融合进行通
信^[11-13]。在传统的链路切换策略中,移动终端不断对周围网络的接受信号强度（Received Signal Strength,RSS）进行检查。假设当终端处于网络1（记作N₁）中,如果网络2（记作N₂）的RSS大于某个门限时,就发起N₁到N₂的切换,反之亦然。算法表示为：

If MT in N₁ and RSS>H, then Handoff(N₁ to N₂),其中MT为移动终端（Mobile Terminal）。

该算法的优点是实现简单,但具体应用时存在许多缺点。首先,该算法没有考虑移动终端的移动速度;其次,该算法在实际应用中容易出现不断切换链路的现象。有鉴于此,本文提出一种基于终端速度和概率驱动的无缝切换算法,SPSH算法综合考虑移动终端速度与概率驱动,实现了3种通信制式的无缝切换,具有可靠性高,传输速率快等优点。其基本思想是：①切换判决依据某些不确定的预测,并将这些不确定预测转化成合适的概率;②在切换判决中考虑移动台移动速度。

SPSH算法执行一次切换的流程如图2所示。SPSH利用终端的移动速度来决定切换的概率门限,当前切换概率由信号强度RSS来计算,该算法的理念是采用自适应RSS门限来开启切换。其中涉及到的重要参数定义如下：P为当前切换概率,由接收信号强度RSS决定;P₁_T为N₁向N₂切换的概率门限,由终端移动速度决定;P₂_T为N₂向N₁切换的概率门限,由终端移动速度决定。

图2 SPSH算法执行一次切换的流程Fig.2 Flow chart of a handoff using SPSH algorithm

当处于N₁的终端穿越N₂时,如果不切换到N₂,总共接收的数据量为Th₁,如果切换到N₂,总共接收的数据量为Th₂,移动距离为S,N₂的覆盖半径为r。L₁和L₂分别是终端在N₁向N₂切换过程和N₂向N₁切换过程中移动的距离,v为移动速度。

而当终端静止时,切换概率由RSS决定。

其临界值为：

其中,d为终端与接入点（Access Point, AP）的距离,K₁代表传输和接收天线的增益,K₂代表环境的具体衰减特性。

4 有效性验证

对本文建立的移动应急通信系统及系统采用的基于终端速度和概率驱动的无缝切换算法SPSH进行验证,测试乡村及野外环境下的通信传输速率及畅通率（实验选取与之前相同的100个地点进行测试,最终结果取平均数）,并与3种3G制式网络进行对比,结果如表3、表4所示。从表3可以看出,在乡村环境及野外环境中、静止和移动状态下,SPSH融合网络的上行及下行传输速度均有明显的提升。从表4中可以看出,从通信畅通率的角度来看,SPSH融合网络也具有明显的优势。这是因为在采用传统通信方法时,每个地点传输链路为默认的单一制式,而采用本文系统中SPSH算法后,每个地点都经过RSS判定切换至最优链路进行传输,并且由于SPSH算法考虑了移动端的移动速度,故在静止、移动状态下的通信传输速率及畅通率均有所提升。

表3 SPSH融合网络与3G网络在不同环境下传输速率对比Tab.3 Transmission rate comparison of SPSH converged network and 3G network in different environments