0 引言

甘肅地形復(fù)雜,地廣人稀,電力作業(yè)常需在人煙稀少的鄉(xiāng)村及野外環(huán)境下進行。野外巡線、高空架線等電力作業(yè)工作環(huán)境惡劣、危險性較高,容易發(fā)生突發(fā)事件,而此類突發(fā)事件往往會對電力工人的生命安全帶來威脅,必須得到快速的協(xié)調(diào)處理。由于突發(fā)事件本身具有時間突發(fā)性和地點不確定性的特點,并且鄉(xiāng)村及野外環(huán)境下的突發(fā)事件往往距離調(diào)度指揮中心較遠,使得相關(guān)處理人員無法第一時間抵達現(xiàn)場進行指揮調(diào)度,所以建設(shè)穩(wěn)定可靠的移動應(yīng)急通信系統(tǒng)具有重要的意義^[1-3]。

目前移動通信技術(shù)已發(fā)展至4G時代,4G技術(shù)憑借著通信速度快、網(wǎng)絡(luò)頻譜快、通信靈活等優(yōu)點,成為當(dāng)前主流的通信技術(shù)^[4-5]。但4G網(wǎng)絡(luò)自
2014年以來,采用先城市、再城鎮(zhèn)、后鄉(xiāng)村的建設(shè)方案,目前在甘肅境內(nèi)部分鄉(xiāng)村及野外環(huán)境下,4G網(wǎng)絡(luò)基站仍在建設(shè)當(dāng)中,4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋較少,大多數(shù)鄉(xiāng)村及野外環(huán)境下通信方式仍以3G通信網(wǎng)絡(luò)為主^[6]。本文對鄉(xiāng)村和野外環(huán)境下3種3G制式的傳輸情況進行測試對比,發(fā)現(xiàn)鄉(xiāng)村及野外環(huán)境下3種3G制式的通信傳輸速率及暢通率均較低,若直接基于傳統(tǒng)3G制式建立移動應(yīng)急通信系統(tǒng),效果不佳。

針對這樣的背景,本文提出一種基于終端速度和概率驅(qū)動的無縫切換算法（Speed-based Probability-driven Seamless Handoff,SPSH）,SPSH算法綜合考慮移動終端速度與概率驅(qū)動^[7-9],實現(xiàn)了3種通信制式的融合,提高了鄉(xiāng)村和野外環(huán)境下的通信速率及通信暢通率。基于SPSH融合網(wǎng)絡(luò),設(shè)計并建立了一套電力保障移動應(yīng)急通信系統(tǒng),系統(tǒng)包含前端信息采集、網(wǎng)絡(luò)信息通信、中心管理平臺以及客戶端設(shè)備4個模塊,可實現(xiàn)現(xiàn)場人員與調(diào)度人員之間的穩(wěn)定、可靠、實時溝通,保障電力作業(yè)突發(fā)事件時現(xiàn)場與調(diào)度中心之間的移動應(yīng)急通信。

 1 鄉(xiāng)村及野外環(huán)境下3種3G制式傳輸分析

本文對鄉(xiāng)村及野外環(huán)境下3種3G制式的通信傳輸速率及暢通率進行實驗對比,并分析3種制式通信條件的好壞。實驗在每種環(huán)境下隨機選取了100個地點進行測試,最終結(jié)果取平均數(shù)。表1為在鄉(xiāng)村及野外環(huán)境下采用不同3G制式、終端處于靜止?fàn)顟B(tài)與移動狀態(tài)的傳輸速率對比。

表1 采用不同3G制式在不同環(huán)境下傳輸速率對比Tab.1 Transmission rate comparison of different 3G systems in different environments

對通信暢通率進行比較,設(shè)鏈路暢通次數(shù)為N,則鏈路暢通率P為：

表2 采用不同3G制式在不同環(huán)境下通信暢通率對比Tab.2 Communication flow rate comparison of different 3G systems in different environments

從表1、表2中可以看出,鄉(xiāng)村環(huán)境下,單獨采用任一種3G制式勉強可達到基本可用的傳輸速率與通信暢通率要求,但3種制式的優(yōu)勢不同,WCDMA傳輸速率整體較高,TD-SCDMA上行速率較高,CDMA2000在移動狀態(tài)下速率較高。但是當(dāng)測試環(huán)境為野外環(huán)境時,3種制式傳輸速率與通信暢通率均較低,單獨采用一種3G制式已無法滿足基本通信需求。

 2 針對鄉(xiāng)村及野外環(huán)境的電力保障移動應(yīng)急通信系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的電力保障移動應(yīng)急通信系統(tǒng)主要包含4個部分：前端信息采集、網(wǎng)絡(luò)信息通信、中心管理平臺以及客戶端設(shè)備。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

2.1 前端設(shè)備

1）便攜移動應(yīng)急設(shè)備。為了能夠及時了解突發(fā)事件現(xiàn)場情況,系統(tǒng)設(shè)計時將采集模塊設(shè)備集成到便攜式多功能移動應(yīng)急指揮終端設(shè)備中,可對現(xiàn)場情況進行信息采集。采集模塊攝像頭位置可調(diào)整,可實現(xiàn)對現(xiàn)場場景多角度圖像采集。便攜移動應(yīng)急設(shè)備還集成了視頻通信模塊,支持音視頻的編碼、壓縮和傳輸?shù)裙δ?并利用無線通信手段傳輸,實現(xiàn)現(xiàn)場人員與調(diào)度人員之間的實時視頻通信。

2）網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)設(shè)備。便攜移動應(yīng)急設(shè)備基于三大運營商的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù),對突發(fā)事件現(xiàn)場的音頻、圖像、視頻數(shù)據(jù)進行通信傳輸,利用專用傳輸線路與指揮中心的服務(wù)器相連接。系統(tǒng)采用基于終端速度和概率驅(qū)動的無縫切換算法SPSH,實現(xiàn)3種通信制式的融合通信,具有可靠性高,傳輸速率快等優(yōu)點,可保障移動應(yīng)急通信工作及時有效的進行,確保指揮中心的部署能夠及時傳達到現(xiàn)場。

2.2 中心管理平臺

在應(yīng)急通信過程中,前端設(shè)備通過SPSH搜索并切換至最優(yōu)鏈路,此時上行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過最優(yōu)鏈路傳輸至中心管理平臺,中心管理平臺返回的下行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)仍在當(dāng)前最優(yōu)鏈路返回至前端設(shè)備。中心管理平臺使用多WAN口路由器,可同時支持多運營商的數(shù)據(jù)接入^[10]。平臺服務(wù)器架構(gòu)包含數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器、管理服務(wù)器、應(yīng)用程序服務(wù)器,并在服務(wù)器安裝上相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理、Web組件、管理組件、應(yīng)用組件等相關(guān)軟件,還安裝了電力系統(tǒng)專用防火墻,可為中心管理平臺提供安全的數(shù)據(jù)存儲、轉(zhuǎn)發(fā)和傳輸服務(wù)。

2.3 客戶端設(shè)備

客戶端設(shè)備包含顯示設(shè)備和客戶端軟件,用戶可以通過客戶端軟件對當(dāng)前突發(fā)事件處理情況進行實時監(jiān)測,利用電腦和大屏幕等顯示設(shè)備播放現(xiàn)場的畫面情況,了解現(xiàn)場范圍內(nèi)電力設(shè)備的建設(shè)和搶修進展,并可通過音頻和視頻的形式與現(xiàn)場進行實時溝通。

 3 基于終端速度和概率驅(qū)動的無縫切換算法

本文設(shè)計的系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)設(shè)備中采用基于終端速度和概率驅(qū)動的無縫切換算法,實現(xiàn)3種通信制式的融合通信。

針對信號覆蓋不佳的應(yīng)用場景,一些應(yīng)急通信技術(shù)采用鏈路切換算法將3種制式融合進行通
信^[11-13]。在傳統(tǒng)的鏈路切換策略中,移動終端不斷對周圍網(wǎng)絡(luò)的接受信號強度（Received Signal Strength,RSS）進行檢查。假設(shè)當(dāng)終端處于網(wǎng)絡(luò)1（記作N₁）中,如果網(wǎng)絡(luò)2（記作N₂）的RSS大于某個門限時,就發(fā)起N₁到N₂的切換,反之亦然。算法表示為：

If MT in N₁ and RSS>H, then Handoff(N₁ to N₂),其中MT為移動終端（Mobile Terminal）。

該算法的優(yōu)點是實現(xiàn)簡單,但具體應(yīng)用時存在許多缺點。首先,該算法沒有考慮移動終端的移動速度;其次,該算法在實際應(yīng)用中容易出現(xiàn)不斷切換鏈路的現(xiàn)象。有鑒于此,本文提出一種基于終端速度和概率驅(qū)動的無縫切換算法,SPSH算法綜合考慮移動終端速度與概率驅(qū)動,實現(xiàn)了3種通信制式的無縫切換,具有可靠性高,傳輸速率快等優(yōu)點。其基本思想是：①切換判決依據(jù)某些不確定的預(yù)測,并將這些不確定預(yù)測轉(zhuǎn)化成合適的概率;②在切換判決中考慮移動臺移動速度。

SPSH算法執(zhí)行一次切換的流程如圖2所示。SPSH利用終端的移動速度來決定切換的概率門限,當(dāng)前切換概率由信號強度RSS來計算,該算法的理念是采用自適應(yīng)RSS門限來開啟切換。其中涉及到的重要參數(shù)定義如下：P為當(dāng)前切換概率,由接收信號強度RSS決定;P_1T為N₁向N₂切換的概率門限,由終端移動速度決定;P_2T為N₂向N₁切換的概率門限,由終端移動速度決定。

圖2 SPSH算法執(zhí)行一次切換的流程Fig.2 Flow chart of a handoff using SPSH algorithm

當(dāng)處于N₁的終端穿越N₂時,如果不切換到N₂,總共接收的數(shù)據(jù)量為Th₁,如果切換到N₂,總共接收的數(shù)據(jù)量為Th₂,移動距離為S,N₂的覆蓋半徑為r。L₁和L₂分別是終端在N₁向N₂切換過程和N₂向N₁切換過程中移動的距離,v為移動速度。

而當(dāng)終端靜止時,切換概率由RSS決定。

其臨界值為：

其中,d為終端與接入點（Access Point, AP）的距離,K₁代表傳輸和接收天線的增益,K₂代表環(huán)境的具體衰減特性。

 4 有效性驗證

對本文建立的移動應(yīng)急通信系統(tǒng)及系統(tǒng)采用的基于終端速度和概率驅(qū)動的無縫切換算法SPSH進行驗證,測試鄉(xiāng)村及野外環(huán)境下的通信傳輸速率及暢通率（實驗選取與之前相同的100個地點進行測試,最終結(jié)果取平均數(shù)）,并與3種3G制式網(wǎng)絡(luò)進行對比,結(jié)果如表3、表4所示。從表3可以看出,在鄉(xiāng)村環(huán)境及野外環(huán)境中、靜止和移動狀態(tài)下,SPSH融合網(wǎng)絡(luò)的上行及下行傳輸速度均有明顯的提升。從表4中可以看出,從通信暢通率的角度來看,SPSH融合網(wǎng)絡(luò)也具有明顯的優(yōu)勢。這是因為在采用傳統(tǒng)通信方法時,每個地點傳輸鏈路為默認的單一制式,而采用本文系統(tǒng)中SPSH算法后,每個地點都經(jīng)過RSS判定切換至最優(yōu)鏈路進行傳輸,并且由于SPSH算法考慮了移動端的移動速度,故在靜止、移動狀態(tài)下的通信傳輸速率及暢通率均有所提升。

表3 SPSH融合網(wǎng)絡(luò)與3G網(wǎng)絡(luò)在不同環(huán)境下傳輸速率對比Tab.3 Transmission rate comparison of SPSH converged network and 3G network in different environments

對比實驗證明了本文設(shè)計的移動應(yīng)急通信系統(tǒng)及采用SPSH算法進行網(wǎng)絡(luò)融合的有效性,在野外及鄉(xiāng)村環(huán)境下采用本文設(shè)計系統(tǒng)通信時,傳輸速率及暢通率均得到了有效提升,證明該系統(tǒng)可在鄉(xiāng)村及野外環(huán)境下為移動應(yīng)急遠程指揮提供強有力的保障支撐。

表4 SPSH融合網(wǎng)絡(luò)與3G網(wǎng)絡(luò)在不同環(huán)境下通信暢通率對比Tab.4 Communication patency rate comparisonof SPSH converged network and 3G network in different environments

 5 結(jié)語

由于甘肅地形的特殊性,很多電力作業(yè)都需要在鄉(xiāng)村及野外條件下進行。電力作業(yè)危險性較高,容易發(fā)生突發(fā)事件,嚴重時甚至對電力工人的生命安全造成威脅,事件發(fā)生時迫切需要與調(diào)度中心進行通信以便快速、正確地定位問題、處理問題。但鄉(xiāng)村及野外環(huán)境下通信設(shè)施不完