0 引言

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

目前移動通信技術已發展至4G時代,4G技術憑借著通信速度快、網絡頻譜快、通信靈活等優點,成為當前主流的通信技術^[4-5]。但4G網絡自
2014年以來,采用先城市、再城鎮、后鄉村的建設方案,目前在甘肅境內部分鄉村及野外環境下,4G網絡基站仍在建設當中,4G網絡覆蓋較少,大多數鄉村及野外環境下通信方式仍以3G通信網絡為主^[6]。本文對鄉村和野外環境下3種3G制式的傳輸情況進行測試對比,發現鄉村及野外環境下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3G制式建立移動應急通信系統,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動^[7-9],實現了3種通信制式的融合,提高了鄉村和野外環境下的通信速率及通信暢通率。基于SPSH融合網絡,設計并建立了一套電力保障移動應急通信系統,系統包含前端信息采集、網絡信息通信、中心管理平臺以及客戶端設備4個模塊,可實現現場人員與調度人員之間的穩定、可靠、實時溝通,保障電力作業突發事件時現場與調度中心之間的移動應急通信。

 1 鄉村及野外環境下3種3G制式傳輸分析

本文對鄉村及野外環境下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。實驗在每種環境下隨機選取了100個地點進行測試,最終結果取平均數。表1為在鄉村及野外環境下采用不同3G制式、終端處于靜止狀態與移動狀態的傳輸速率對比。

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

對通信暢通率進行比較,設鏈路暢通次數為N,則鏈路暢通率P為：

表2 采用不同3G制式在不同環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,鄉村環境下,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在移動狀態下速率較高。但是當測試環境為野外環境時,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 針對鄉村及野外環境的電力保障移動應急通信系統設計

本文設計的電力保障移動應急通信系統主要包含4個部分：前端信息采集、網絡信息通信、中心管理平臺以及客戶端設備。系統整體結構如圖1所示。

圖1 系統整體結構Fig.1 System structure

2.1 前端設備

1）便攜移動應急設備。為了能夠及時了解突發事件現場情況,系統設計時將采集模塊設備集成到便攜式多功能移動應急指揮終端設備中,可對現場情況進行信息采集。采集模塊攝像頭位置可調整,可實現對現場場景多角度圖像采集。便攜移動應急設備還集成了視頻通信模塊,支持音視頻的編碼、壓縮和傳輸等功能,并利用無線通信手段傳輸,實現現場人員與調度人員之間的實時視頻通信。

2）網絡通信服務設備。便攜移動應急設備基于三大運營商的網絡通信服務,對突發事件現場的音頻、圖像、視頻數據進行通信傳輸,利用專用傳輸線路與指揮中心的服務器相連接。系統采用基于終端速度和概率驅動的無縫切換算法SPSH,實現3種通信制式的融合通信,具有可靠性高,傳輸速率快等優點,可保障移動應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場。

2.2 中心管理平臺

在應急通信過程中,前端設備通過SPSH搜索并切換至最優鏈路,此時上行業務數據通過最優鏈路傳輸至中心管理平臺,中心管理平臺返回的下行業務數據仍在當前最優鏈路返回至前端設備。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據接入^[10]。平臺服務器架構包含數據庫服務器、Web服務器、管理服務器、應用程序服務器,并在服務器安裝上相應的數據處理、Web組件、管理組件、應用組件等相關軟件,還安裝了電力系統專用防火墻,可為中心管理平臺提供安全的數據存儲、轉發和傳輸服務。

2.3 客戶端設備

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

 3 基于終端速度和概率驅動的無縫切換算法

本文設計的系統在網絡通信服務設備中采用基于終端速度和概率驅動的無縫切換算法,實現3種通信制式的融合通信。

針對信號覆蓋不佳的應用場景,一些應急通信技術采用鏈路切換算法將3種制式融合進行通
信^[11-13]。在傳統的鏈路切換策略中,移動終端不斷對周圍網絡的接受信號強度（Received Signal Strength,RSS）進行檢查。假設當終端處于網絡1（記作N₁）中,如果網絡2（記作N₂）的RSS大于某個門限時,就發起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）。

該算法的優點是實現簡單,但具體應用時存在許多缺點。首先,該算法沒有考慮移動終端的移動速度;其次,該算法在實際應用中容易出現不斷切換鏈路的現象。有鑒于此,本文提出一種基于終端速度和概率驅動的無縫切換算法,SPSH算法綜合考慮移動終端速度與概率驅動,實現了3種通信制式的無縫切換,具有可靠性高,傳輸速率快等優點。其基本思想是：①切換判決依據某些不確定的預測,并將這些不確定預測轉化成合適的概率;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RSS門限來開啟切換。其中涉及到的重要參數定義如下：P為當前切換概率,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算法執行一次切換的流程Fig.2 Flow chart of a handoff using SPSH algorithm

當處于N₁的終端穿越N₂時,如果不切換到N₂,總共接收的數據量為Th₁,如果切換到N₂,總共接收的數據量為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代表環境的具體衰減特性。

 4 有效性驗證

對本文建立的移動應急通信系統及系統采用的基于終端速度和概率驅動的無縫切換算法SPSH進行驗證,測試鄉村及野外環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,最終結果取平均數）,并與3種3G制式網絡進行對比,結果如表3、表4所示。從表3可以看出,在鄉村環境及野外環境中、靜止和移動狀態下,SPSH融合網絡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融合網絡也具有明顯的優勢。這是因為在采用傳統通信方法時,每個地點傳輸鏈路為默認的單一制式,而采用本文系統中SPSH算法后,每個地點都經過RSS判定切換至最優鏈路進行傳輸,并且由于SPSH算法考慮了移動端的移動速度,故在靜止、移動狀態下的通信傳輸速率及暢通率均有所提升。

表3 SPSH融合網絡與3G網絡在不同環境下傳輸速率對比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計的移動應急通信系統及采用SPSH算法進行網絡融合的有效性,在野外及鄉村環境下采用本文設計系統通信時,傳輸速率及暢通率均得到了有效提升,證明該系統可在鄉村及野外環境下為移動應急遠程指揮提供強有力的保障支撐。

表4 SPSH融合網絡與3G網絡在不同環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 結語

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