（通信与信息系统专业论文）空地一体化网络的高能效无线资源分配策略研究.pdf

塑墨 y 2 0 6 燃一 摘要 随着宽带移动通信的快速发展，如何利用有限的网络资源来满足同益增长的 用户需求成为了亟需解决的问题。第三代合作伙伴组织( 3 g p p ) 启动了长期演进 项目( l t e ) 来提供更大的容量、更高的吞吐量和更好的服务质量。但是，在面 对应急场景基础设施受损、系统供电不足等问题时，现有的系统结构和网络协议 不能够很好的满足各种业务需求，会出现网络瘫痪甚至中断。因此，需要设计出 能与常规通信体制相融合的应急网络来满足特殊场景下的通信需要。 本文重点围绕空地一体化网络的无线资源分配问题，通过数学理论分析和计 算机软件仿真相结合的方法展开研究。首先，提出应急通信的概念和面临的主要 问题，为研究确定了方向和目标。其次，针对相关研究的进展情况，确定了分别 从硬件和软件的角度进行应急网络通信设计的研究思路。一方面建立了空地一体 化的系统架构，解决了基础设施受损的问题，另一方面基于合作博弈的思想，提 出了高能效的无线资源分配策略和算法来解决应急通信供电不足的问题。最后， 通过软件仿真，将能量效率最大化的联合资源优化算法和其他经典算法进行比较， 结果证明本文提出的算法在保证用户公平性的基础上，取得了吞吐量和发射功率 问的一个较好折衷。 关键词：能量效率空地一体化应急通信无线资源分配博弈论 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f b r o a d b a n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，h o wt ou s et h e l i m i t e dn e t w o r kr e s o u r c e st om e e tt h eg r o w i n gn e e d so f u s e r si sa c h a l l e n g i n gp l o b l e m t h a tt h em a n u f a c t u r e r sa n dm o b i l eo p e r a t o r sn e e dt os o l v e t h et h i r d g e n e r a t i o no f p a r t n e ro r g a n i z a t i o n s ( 3 g p p ) s t a r t e dt h el o n gt e r me v o l u t i o n ( l t e ) t op r o v i d eg r e a t e r c a p a c i t y , h i g h e rt h r o u g h p u ta n db e t t e rq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) h o w e v e r , t h ee x i s t i n g s y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dn e t w o r kp r o t o c o lm a yn o ts a t i s f ya l lk i n d so fs e r v i c e r e q u i r e m e n t s i n e m e r g e n c ys c e n a r i o s i tw i l lc a u s en e t w o r kp a r a l y s i so re v e n i n t e r r u p t i o no n c et h ef i x e di n f r a s t r u c t u r ei sd a m a g e do rt h e r ei sas h o r t a g eo fp o w e r s u p p l y h e n c e ，i ti sn e c e s s a r yt od e s i g na ne m e r g e n c yn e t w o r kw h i c hc a ng e t c o m p a t i b l ew i t hr e g u l a ro n e sf o rf i g h t i n ga g a i n s td i s a s t e r s t h i sp a p e rw i l l m a i n l yr e s e a r c ho i lr a d i or e s o u r c ea l l o c a t i o np r o b l e m sf o r i n t e g r a t e da i r - g r o u n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h ec o n c l u s i o nw i l lb ea c h i e v e db y u s i n gb o t ht h em a t h e m a t i c a lt h e o r ya n a l y s i sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , t h ec o n c e p to fe m e r g e n c yc o m m u n i c a t i o na n di t su n s o l v e dp r o b l e m sa r e p r o p o s e dt od e t e r m i n et h er e s e a r c ha r e aa n dp u r p o s e s e c o n l y , c o n s i d e r i n gt h ep r o g r e s s m a d eb yr e l a t e ds t u d y , o u rr e s e a r c ha p p r o a c hi sd i v i d e di n t ot w op a r t s ，w h i c hc a nb e d e f i n e da sh a r d w a r ea n ds o f t w a r e o no n eh a n d ，t h es y s t e ma r c h i t e c t u r eo f i n t e g r a t e d a i r - g r o u n dc o m m u n i c a t i o ni ss e tu pt os o l v et h ep r o b l e mo fd a m a g e di n f r a s t r u c t u r e o n t h eo t h e rh a n d ，b a s e do nc o o p e r a t i v eg a m et h e o r y , ap o w e re f f i c i e n tr a d i or e s o u r c e a l l o c a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e dt os o l v et h ep r o b l e mo fs h o r to fp o w e r s u p p l y f i n a l l y , w ew i l lc o m p a r eo u ra l g o r i t h mw i t ho t h e rc l a s s i ca l g o r i t h m s t h es i m u l a t i o nr e s u l t s d e m o n s t r a t et h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mi n p o s e sa na t t r a c t i v et r a d e o f fb e t w e e nt h e a c h i e v a b l et h r o u g h p u ta n dt h ep o w e rc o n s u m p t i o nw h i l ee n s u r i n gf a i r n e s s a m o n g u s e r s k e y w o r d ：p o w e re f f i c i e n c yi n t e g r a t e da i r - g r o u n dc o m m u n i c a t i o n e m e r g e n c yc o m m u n i c a t i o nr a d i or e s o u r c ea l l o c a t i o n g a m et h e o r y 第一章绪论 第一章绪论 随着信息技术的飞速发展，人们对通信的要求也在不断提高，传统局域网络 已经越来越不能满足人们的需求。作为个人通信的一个重要组成部分，无线通信 网在过去的十年里得到了空前的发展。而作为无线通信网的一个组成部分，人们 对应急通信的认识也有了很大的发展。 1 1 引言 2 0 世纪末，移动通信和互联网技术开始成为促进人类社会飞速发展的重要技 术，它们给人们的政治、经济、生活和工作带来了巨大的帮助。其中，移动通信 在近3 0 年的时间旱得到了飞速的发展，尤其是2 0 世纪9 0 年代以后，地面蜂窝移 动通信得到了很大规模的应用，它逐渐成为了包括发达国家和发展中国家在内的 全球2 3 以上人口所使用的公众移动通信系统。其特征主要包括以下三个方面： ( 1 ) 信道的动态性，即移动通信信道应该具有开放、复杂和时变的特点；( 2 ) 用 户的动态性，即移动通信用户应具有可移动的特征；( 3 ) 业务的动态性，即移动 通信系统可提供各种业务类型并能够动态选择。 结合移动通信的各种特征和应用需求，把现代移动通信系统在设计中需要重 点考虑的因素归纳如下：( 1 ) 无线频率资源的稀缺性，即无线频率是总量有限的 资源；( 2 ) 移动通信信道的开放、复杂和时变特性；( 3 ) 系统中所有用户独立的 共享所有信道资源；( 4 ) 用户终端可以处于移动、游牧或者固定状态；( 5 ) 用户 的业务数据可以在任何时间、任何地点实现通信；( 6 ) 用户数据的突发性，即业 务数据的激活期远小于静默期；( 7 ) 移动终端类型的多样性和不同系统的互连互 通。随着通信技术的不断发展，在现代移动通信系统中，以上这些特点越来越明 显，也变得越来越普遍。 近些年来，诸如美国9 “恐怖事件、印度洋海啸和我国汶川地震等一些紧急 突发事件震撼了世人的心。也正是在面对这些紧急突发事件的过程中，人们发现 了移动通信的重要性和其存在的缺陷。所以，应急通信中的各种问题开始引起人 们的广泛关注。根据突发事件的发生过程、性质和机理，把突发事件分为以下4 类：自然灾害、事故灾难、公共卫生事件和社会安全事件。 面对众多不同的应急场景，急需一个与之相适应的系统架构和算法流程，使 得通信效率更高，更加适合特殊场景的通信。在架构上很多人提出了很多不同想 法，其中，临近空间通信的提出引起了相关专家和学者的广泛关注。它的最大优 势在于基础设施不会遭到毁灭性的破坏，而且基站的架设高度更高，覆盖范围更 2空地一体化网络的高能效无线资源分配策略研究 广，信道衰落更小。另一方面，人们考虑用无线资源管理技术对有限的资源进行 合理分配，进而设计出一套算法流程，以取得最大的效益。 1 2 研究背景与意义 1 2 1 宽带移动通信与l t e 技术 宽带移动通信所具有的移动性和个人化服务特征，适应了信息时代的需要， 一直以来都表现出了旺盛的生命力和巨大的市场潜力。截至2 0 0 9 年年底，全球移 动通信普及率为6 7 ，移动业务对固定业务的替代作用日益显著，而且移动数据 业务增长也很快。未来五年内，移动通信终端将超过个人电脑成为主要的上网工 具。 推动宽带移动通信技术不断创新的根源在于日益增多的移动通信用户带来的 更多的业务带宽需求和频谱资源有限的矛盾越来越明显。与其他技术相比，移动 通信的换代特征更为明显。从第一代移动通信( 1 g ) 到第三代移动通信( 3 g ) ， 几乎是十年一代。l g 采用模拟电路交换体制和频分多址( f d m a ) 技术，2 g 采 用数字电路交换体制，其多址方式分为以g s m 为代表的时分多址( t d m a ) 和 以c d m a 为代表的码分多址( c d m a ) 两类。3 g 在其标准化之初是数字电路交 换体制与分组交换体制并存，现在已发展为分组交换体制，其多址方式在c d m a 的基础上出现了兼有t d m a 技术的t d s c d m a ，这不仅是多址技术的演进，而 且是双工技术从频分双工( f d d ) 到时分双工( t d d ) 的演进。在3 g 开始标准 化十年后的今天，以正交频分复用( o f d m ) 技术和多输入多输出天线( m i m o ) 技术为标志的3 g 长期演进( l t e ) 的标准化已基本完成，宽带移动通信技术发展 到一个新的高度。可以用图1 1 来描述移动通信的技术演进过程。 图1 1 移动通信技术演进过程框图 t d l t e 是时分双工模式的l t e 系统，是t d s c d m a 系统的后续演进技术 与标准。2 0 0 0 年，我国提出的t d s c d m a 标准被i t u 和3 g p p 正式接纳为第三 第一章绪论 代移动通信国际标准，实现了我国电信技术的重大突破，标志着我国在移动通信 技术领域迈入了世界先进行列。t d l t e 作为t d s c d m a 后续演进标准，明确了 t d s c d m a 作为一个有竞争力和生命力的国际标准的演进路线，同时t d l t e 的 标准化也标志着新一代宽带移动通信中t d d 作为一个重要的技术得到了国际移 动通信界的广泛认可和大力支持。 1 2 2 应急通信网络及其现状 应急是指应对突然发生的需要紧急处理的事件。其包含两层含义：客观上， 时间是突然发生的；主观上，需要紧急处理这类事件。基于对“应急”概念的理 解，应急通信是支持应对突发事件的通信，显然应急通信不是一种通信方式，而 是一组支持不同应急需求、具有不同属性的通信方式。可以用图1 2 来描述应急 通信体系的功能结构。 政府领导人 部门领导人 现场指挥员 抢救队伍 灾区群众 民众 圆 圈1 2 应急通信功能结构 现阶段对于应急通信的功能需求和系统建设存在不少相互矛盾的问题，可以 总结如下【2 。 ( 1 ) 现有的卫星通信车辆在砂石路面上移动过程中信号时断时续，不能满足 使用要求；到达目的地静止通信就足够了，在砂石路面上“动中通”没必要，也 无法实现。 ( 2 ) 应急通信不需要加密；应急通信必须加密；按现在的规定，应急通信不 管如何加密都违反规定。 ( 3 ) 应急通信应该窄带化，以求系统简单；应急通信应当宽带化，以求完善； 应当把窄带业务和宽带业务分开，否则通信设备不能满足通信需求。 ( 4 ) 保障动态图像业务，而且要求广播级动态图像业务；没必要保障广播级 动态图像业务，只要提供高清晰度静态图像业务。 可见，对于应急通信设施的某些使用要求还没有完全统一，通信主管人士未 从整体上对应急通信的使用要求做出全面深入的讨论，这就导致了应急通信技术 体制存在严重的缺陷亟待解决。 4 空地一体化网络的高能效无线资源分配策略研究 1 2 3 无线资源分配策略 移动通信系统的无线资源包括时间、频率、功率、空间和特征码等要素。从 移动通信的发展史来看，如何提高无线资源利用率是其追求的主要目标。而 t d m a 、f d m a 和c d m a 的最大不同在于：c d m a 是统计复用资源，每个载频 的所有用户共享时间、频率、功率资源，用户之间只依靠特征码来区分；而f d m a 、 t d m a 是固定分配资源，不同的用户在时间、频率和功率资源上部分或者全部不 同，用户之间有较好的隔离度。 无线资源管理就是对移动通信系统的空中接口的规划和调度。研究无线资源 管理的目的是希望在有限的无线资源和一定的规划覆盖、服务质量要求的情况下， 为更多的用户提供更高品质的服务质量。如果失去了合理的无线资源分配策略的 保障，即使再高端的传输技术，也无法发挥应有的优势，甚至系统根本无法正常 运转。无线通信网络是一个动态网络，随时都有上行或者下行的通信业务发生， 并且节点都具有很强的移动性。因此，现代无线资源管理技术应该能够实时利用 网络的现有资源，进行最优化的分配。 1 3 本文研究内容及章节安排 本文围绕基于空地一体化的t d l t e 系统的资源分配问题进行研究，采取数学 理论分析和计算机软件仿真相结合的方法，对比了其他四种算法的性能，验证了 重点讨论的能量效率最大化的联合资源优化方案的优越性，主要进行了以下几方 面的工作： ( 1 ) 简述了应急通信的基本概念和应急场景下面临的主要问题。针对固定基础 设施被毁的问题，引出了临近空间通信系统架构。又将t d l t e 技术与之相结合， 对系统架构进行了进一步的优化，提出空地一体化这一新的系统，为算法的实现 打好了架构基础和体制基础。 ( 2 ) 阐述了无线资源分配策略的概念、组成，并详细介绍了几种传统的分配方 案。为解决多维资源联合优化的问题，提出了数学和经济学领域中的博弈论的概 念，建立了基于合作博弈的建模分析方法。 ( 3 ) 分析了能量效率和效用函数的基本概念，为本文提出优化目标指明方向。 ( 4 ) 重点分析研究了基于空地一体化的联合资源分配策略和算法，描述了系统 模型并进行仿真，将其与其他四种算法进行了仿真对比。 本论文的章节安排如下： 第一章提出了宽带无线通信的研究背景、应急通信网络的研究现状和进行无 第一章绪论 5 线资源管理的意义。 第二章简述了应急通信的概念和t d l t e 系统的相关理论，建立了空地一体化 的系统架构。 第三章介绍了无线资源分配的组成和几种基本算法，并引出了博弈论来解决 无线资源分配中的资源联合分配问题。 第四章讨论了基于空地一体化的高能效联合资源分配算法，根据能量效率的 概念和效用函数的定义，分别对其上行和下行的分配算法进行了详细的数学描述 和理论分析。 第五章通过系统软件仿真，在基于空地一体化的t d l t e 系统中对包括本文提 出的算法在内的五种算法方案进行了性能比较，验证了之前理论分析的结果。 第六章对全文内容进行了总结，并指出本文研究的不足之处和尚待继续研究 的问题，对今后的研究工作进行了展望。 6 空地一体化网络的高能效无线资源分配策略研究 第二章基于t d l t e 技术的空地一体化系统 第二章基于t d - l t e 技术的空地一体化系统 为了更好地描述本文提出的高能效无线资源分配策略，首先了解一下该算法 主要的应用场景：应急通信场景的概念以及现阶段面临的主要问题。其次，针对 第三代移动通信中的t d l t e 技术做出介绍，它是本算法采用的基本体制。最后， 重点会对专门为应急通信服务的空地一体化系统架构做出介绍和分析，详细给出 该系统的组成和基本原理。 2 1 应急通信概述 当今社会，越来越多的集会给现有的通信系统带来了很大的压力；同时， 一系列诸如地震、火灾、恐怖事件等突发事件考验着政府部门的工作能力和 办事效率，如何提高其应变能力和反应速度成为一个重要话题。在大型集会 时人群大量集中，这时某些区域的通信设施处于饱和状态，如果严重过载会 使通信中断；在消防事故建筑物被毁严重时，通信设施基本处于瘫痪状态， 而周围公众通信网很可能无法完成指挥调度的功能，同时对图像、视频的支 持度也比较低；在重大恐怖事件发生时，需要实时掌握现场状况，这时图像、 视频监控的地位更加突出；在破坏性的自然灾害面前，基础设施包括通信设 施、交通设施和电力设施等完全被毁，灾区很可能处于“孤岛 的状态，所 有现场信息都需要实时采集、发送和反馈。在上述所有情况下，无线应急通 信系统都是至关重要的。 应急通信系统在遭到突发灾害或事故时，承担着及时、准确、畅通、高 速的传递信息的角色，是决策者正确指挥抢险救灾的关键所在。应急通信只 有在突发灾害来临时，及时传递抢险救灾信息，才能使得救援工作顺利开展。 2 0 0 8 年5 月1 2 日，中国汶川县发生里氏8 级地震，多个重灾区内通信系统 全被阻断，平时能够进行高效、便捷服务的通信网络遭受到了毁灭性的打击。 电信、网通、移动和联通四大运营商在灾区的通信全部瘫痪。当地长途及本 地话务量上升至日常的l o 倍以上，成都联通的话务量甚至达到了平时的7 倍，短信也是平时的两倍，加上断电造成传输中断，电话接通率是平常均值 的一半，短信发送迟延很大，整个灾区瞬时变成了“信息孤岛”。 由此可见，在世界各地自然灾害高发的今天，建立一套高效快捷的应急 通信服务体系，显得尤为重要。下面将给出应急通信的概念和面临的主要问 题，针对不同应急环境下的多种问题，研究与之适应的解决方法，从而建立 8 空地一体化网络的高能效无线资源分配策略研究 健全网络结构，提供高品质的通信服务。 2 1 1 基本概念 现代的应急，主要是指在面对公共安全、紧急事件处理、大型集会活动、救 助自然灾害、抵御敌对势力攻击、预防恐怖袭击和众多突发情况时的应急反应。 即通信需求骤增时，综合利用各种通信资源，保障救援、紧急救助和必要通信所 需的通信手段和方法，是一种具有暂时性的、为应对自然或人为紧急情况而提供 的特殊通信机制1 2 1 。 应急通信系统，应该能够做到快速的网络架构，重要信息的可靠传输， 有效指令的迅速发令，可以应对基础设施遭受重大破坏时的重大突发事件， 能快速完成应急网络组建、确保指挥调度有效、维护通信畅通。由于应急专 用系统的移动性、突发性等特点，应急通信具有随机性、不确定性、紧急性、 灵活性、安全性等特点。 因此，应急通信系统需要区别于其他的公众网络，打造出信息高速公路上的 专用应急通道，从而提供高速率、高带宽、支持高速移动的城市应急指挥网 络。这个系统应该有以下几个基本要求p j ： l ，小型化。常规的系统是大区制、广覆盖，基站设备复杂、功能完善， 可以满足高速率的要求。在特殊情况下，诸如地震、洪水、雪灾等破坏性的 自然灾害面前，基础设施部分或全部受损，这时的应急通信设备需要具有小 型化的特点，以便迅速运输、快速布设、节约能源，甚至对设备的移动性能 够提供最大限度的支持； 2 ，快速布设。在可预测的事件发生时通信量激增，基于常规网络的应急 通信设备应该能够迅速布设到指定区域；在破坏性的自然灾害面前，留给救 援方的反应时间更短，这时应急通信系统的布设时间显得更加关键； 3 ，低能耗。由于某些应急场合电力不足，完全依靠电池难以维持正常通 信的需要。因此，应急系统应该能够节约能源，满足系统稳定工作的需要。 4 ，移动性。这就要求通信基础结构是由可携带的、可重新部署的或完全 机动的设施组成，以一个小区域为基本覆盖范围。承载设施包括车辆( 陆地) 、 直升机无人机( 空中) 、飞艇( 平流层) 、车载卫星系统，可以根据覆盖范围 选择种或几种。指挥调度中心应该能够及时接入应急系统中。 5 ，简单易操作。应急通信系统要求设备简单、易操作、易维护，能够快 速的建立、部署、组网。操作界面友好、直观，硬件系统连接端口越少越好。 所有接口标准化、模块化，并能兼容现有的各种通信系统。 第二章基于t d l t e 技术的空地一体化系统 9 2 1 2 面临的主要问题 从上面的关于应急通信的概念中可以发现，在不同的情况下，应急通信有着 不同的要求。因此存在以下几点问题亟待解决。 1 ，区域通信基础设施损毁，通信中断、拥塞。由于各种原因发生突发话务高 峰时，应急通信要避免网络拥塞或阻断，保证用户正常使用通信业务。 2 ，现场地理、气候环境恶劣，次生灾害多发，大型载重通信设备难以介入。 这时就需要一套便捷的通信设备来为应急场景下的通信提供可靠保障。 3 ，电力供应极度紧张，可能仅仅依靠应急车的供应。因此，无论是设备的运 行，还是通信的运行，都需要尽可能多的节约能源。 4 ，电磁环境复杂，现场多部门、多种通信手段，包括敌对干扰并存。一方面 要利用应急手段保证重要通信和指挥通信；另一方面，要防止恐怖分子或其他非 法分子利用通信网络进行恐怖活动或其他危害社会安全的活动，防止其利用通信 网络进行破坏； 5 ，现场指挥不畅，难以随时随地保障通信和指挥畅通。这就需要一套有别于 现有通信设施的系统来维持应急通信的顺利进行。 6 ，话音业务激增，现有的业务以宽带高速为目标，在这时并不完全适合。 因此，为应急通信场景设计一套与之相适应的系统架构和实现算法迫在眉睫。 许多专家和学者提出了各种各样的解决方法，其中，临近空间通信引起了广泛的 关注。下面一节就来了解一下这方面的系统设想和实现方法。 鼻 2 2 临近空间通信的发展 针对常规通信系统和应急通信系统之间的矛盾，需要更新现有的通信体系架 构和无线资源管理算法，设计出一个基本能和常规通信系统相融合的网络，更好 的满足应急通信业务需求，而临近空间通信系统的出现，就为解决这一问题提供 了很好的平台。 近些年来，空中平台的出现和发展越来越多的吸引了各位专家和学者的目 光。人们用氦气球、飞机、飞船等飞行器搭载各种设备放在空中，来提供通信、 远程传感、数字广播等服务，取得了不错的效果。例如，一个气球可以在2 千米 的低空甚至2 0 千米的高空停留3 至5 年，同时可以覆盖多达5 0 0 平方千米的广阔 地区。这些都为未来无线移动通信的发展提供了很好的借鉴，可以利用它们作为 空中平台来承载通信设备，为广大地面区域提供信号覆盖和通信服务。 临近空问通信( 也称为升空平台通信) 是一种新型移动通信手段，指用位于 l o空地一体化网络的高能效无线资源分配策略研究 高空和中低空平台的电台代替卫星作为基站的通信。可以用气球、充氦飞艇、无 人机、直升飞机或者固定翼飞机作为安置转发站的平台。升空通信系统和卫星通 信系统相比，费用低廉、延迟时间小、架设快、容量大；与地面通信系统相比， 多径衰落小、覆盖面积大。具有较强的抗毁能力和快速反应能力，能够迅速、机 动的构建覆盖灾区的宽带通信网络，具有不受环境限制、部署灵活、生存能力强、 支持宽带多媒体业务、能与现有通信指挥调度系统远程互通等特征，适合于复杂 环境下应急通信的信息分发。 根据升空平台所处的高度，一般将临近空间平台划分为高空平台站( h a p s ) 和中低空平台站( l m a p s ) 。高空平台是一个位于2 0 5 0 千米的高空、相对地球保 持准静止位置的物体上的信息站。中低空平台站距地面的垂直高度在几十米几千 米，处于对流层，有着良好的电波传输特性。与高空平台站相比，中低空平台站 受降雨影响较小、有效载荷较大，具有布局灵活、应用广泛、成本低廉和安全可 靠等优点。但是，受风力影响，中低空平台站的姿态不稳定，导致无线信道变化 剧烈，对通信系统功能与技术性能要求高于陆地通信系统，而且其环境适应性、 可靠性不低于航空电子设备要求。 对于高空平台通信的设计和应用来讲，最重要也是最难的问题就是长周期停 留在平流层的飞行器设计。尽管近期已经取得一定进展【4 1 ，可是预计还要5 1 0 年的 研究时间才能让h a p s 通信成为可用的系统。 另一方面，作为广泛使用在许多领域的系留气球，同样可以成为应用在中低 空平台通信中的工具。与现有的地面无线通信相比较，l m a p s 通信独立于地面基 础设施，而且能覆盖更广的区域。这是由于路由器和基站等被安置在空中，很显 然，空地之间经历的衰落比地地之间要小，因此就有更好的信道条件。当然卫星 通信可以支持更广阔的地区，但是时延很大，而且不易于部署。然而，由于和h a p s 相比，l m a p s 的高度较低，覆盖范围受限，而部署更多的空中平台，会使得空中 组网非常复杂，因此l m a p s 不适合提供全球移动通信，它只能充当临时平台。正 是这个原因，对于l m a p s 的远程通信研究并没有广泛而深入的开剧5 1 。 然而就在2 0 0 8 年1 月1 0 日，中国南方发生大范围雨雪、冰冻等灾害；同年5 月 1 2 日，中国四川省汶川县遭受了强烈的地震袭击；2 0 1 1 年3 月1 1 日，日本外海发生 强震，随即引发海啸，爆发核泄漏危机。这些自然灾害都对陆地基础设施造成了 毁灭性的破坏，比如地震瞬间就将汶川县变成了一个“信息孤岛”。从这时起，广 大专家和学者开始越来越多的把注意力转移到l m a p s 上来，考虑将它作为应急通 信系统来提供服务。 本文构建的空地一体化应急通信系统正是由l m a p s 演化而来，利用其优于地 面通信的良好信道条件和广阔的覆盖范围，为应急通信场景下的灾后地区提供优 于现有网络的系统架构。我们将在本章的第四节对此系统进行详细描述。 第二章基于t d l t e 技术的空地一体化系统 1 1 2 3t d l t e 技术的发展 一个合理的系统架构离不开适合的传输体制支持，作为临近空间平台可以支 持的多个传输技术之一，l t e 技术成为了优选的方案。一方面，t d l t e 技术是 下一代移动通信系统所推荐的候选技术之一【6 l ，有着很广阔的发展前景；另一方 面，在应急通信场景下，如果在临近空间平台推行t d l t e 体制，就能更好的和 现有网络相融合，达到只需切换应用场景，即可直接进行通信应用的目的，更加 的快捷和方便。 l t e 系统可以工作在频分复用和时分复用两种模式下，因而可以演化为 f d d l t e 和t d l t e 两种系统，它们分别从传统的u m t s 和t d s c d m a 演化而 来。在中国，一般通信应用的都是时分双工模式，所以本文将采用t d l t e 技术 来为系统服务。 1 f , - u t r a n j l t e 系统架构l t l 与3 g p p 的系统架构相类似，分为两部分，如图2 1 所示，包 括演进后的核心网( e p c ) 和演迸后的接入网e u t r a n 。其中，核心网即为图中的 m m e s g w ，而演进后的系统仅存在分组交换域。接入网由演进型节点b ( e n o d e b ) 构成，提供到u e 的e u t r a 控制平面和用户平面的协议终止点。 _ 演进后的e u t r a n 和e p c 在l t e 网络架构中承担着彼此独立的功能， e u t r a n 由唯一的e n o d eb 功能实体组成，而e p c 分别由m m e 和s g w 两个 功能实体组成，下面来看一下以上三个功能实体的功能划分。 e n o d eb 主要具有无线资源管理、i p 头压缩和用户数据流加密、路由用户平面 数据至s g w 、从m m e 产生的寻呼消息的组织和发送等功能：m m e 处理控制平 捌西岫 架 一。门蚪72 一 呵n彰幺一舀 一。 ，龇 一。n 舢 u 淝 1 2 空地一体化网络的高能效无线资源分配策略研究 台功能，主要包括：非接入层( n a s ) 信令的处理、分发寻呼消息至e n o d eb 、接 入层安全控制、移动性管理涉及核心网节点之间的信令控制、空闲状态移动性控 制等功能；s - g w 处理用户平面功能，主要包括：终止由于寻呼原因产生的用户平 面数据、支持u e 移动性引起的用户平面切换、分组数据的路由和转发、传传输层 分组数据的标识、运营商间计费的数据统计等功能。 t d l t e 系统为了满足l t e 对系统容量、传输时延、性能指标、业务质量、 部署方式、网络架构、复杂性和成本等方面的需求，在网络架构、空中高层协议 以及物理层关键技术等方面作出了重要革新【8 j 。 1 ，接入网架构方面：采用了扁平化的网络架构，趋近于i p 宽带网络结构， 其比较大的变化是仅支持分组交换，接入网络为单层结构。e n o d eb 是e u t r a n 的唯一节点，与演进后的核心网通过s 1 接口连接，它们之间通过x 2 接口进行连 接。s l 接口主要提供访问无线接入网的无线资源，x 2 接口主要支持l t e a c t i v e 状态下的u e 移动性以及小区间的无线资源管理。这就简化了网络接口，优化了 网元间的功能划分。 2 ，空中高层协议方面：通过简化信道映射方式、r r c 协议状态，优化r r c 的信令流程等方式，降低了控制平面和用户平面的传输时延：并针对进行分组传 输的特点对资源分配和调度机制进行优化，进一步提高了传输效率。 3 ，空口物理层方面：支持可变传输带宽，从而实现各种场景下对带宽的灵活 配置；应用基于o f d m 的多址接入技术及其传输方式；引入先进的多天线技术提 升系统容量；优化和提升基于分组域数据调度传输特点的物理层过程。 2 4 空地一体化系统架构 之前的章节已经对应急通信的概念和临近空间系统做了描述，本文以临近空 间通信系统，尤其是l m a p s 系统为基础，演化出了基于t d l t e 技术的空地一 体化系统架构。 众所周知，未来无线通信系统的发展趋势是：天、空、地合一的立体网络通 信系统，如图2 2 所示。立体网络大体分为地基、空基、天基( 卫星) 三层，三 层既能独立工作，也能互联互通。通过异构网络融合，构成天地空合一的立体、 多层、异构的宽带无线通信网络。其中，地基和空基两层联合组成临近空间通信 系统。 第二章基于t d l t e 技术的空地一体化系统 1 3 图2 2 未来无线通信系统 在地基通信网中，地面节点( 包括移动用户终端、中继站或基站等) 采用地 面p m p m e s h 网络结构互联，从而获得超视距区域的话音、视频和高速数据传输等 综合服务。地面节点可与升空平台以p m p 的方式互联构建地空远程宽带无线中继 通信网；多个升空平台以m e s h 网络形式互联构成更大区域的覆盖网络。空基通信 网为大区域通信和远程指挥提供保障。地面节点和升空平台还可通过天基卫星实 现远程中继，使区域覆盖网络接入骨干交换网。三个子系统既能独立工作，也能 协作互联通信。通过异构网络融合，构成天地空合一的立体、多层、异构的宽带 移动通信网络。 本文的研究重点是应急环境下空地一体化的临近空问通信系统高效组网，以 及用户合理接入的问题。下面就来描述一下本文采用的空地一体化系统结构。 2 4 1 系统组成 空地一体化的临近空间通信系统采用的网络结构如图2 3 所示，为双层立体 网络结构，分为地面子网和升空子网，采取大区n d , 蜂窝宽带接入模式。 1 4 空地一体化网络的高能效无线资源分配策略研究 图2 3 空地一体化系统组成结构 从图中可以看到，地面网有两种。一种是地基p m p m e s h 接入网，即众多的终 端节点之间以协同m e s h 方式与所属的动态基站连接，接入中继网。另一种是地基 m e s h 中继网，即每个地面接入网小区的动态基站含有通信中继单元，可采用协同 m e s h 方式依靠中继单元与其它地面基站连接，可以构建地基的双层p m p m e s h 混合 网络。升空网为一个空基m e s h 中继网，即：多个地面接入网小区的动态基站采用 协同p m p 方式与升空平台连接，升空平台采用m e s h 方式互联，可以构建空地一体 化的多层p m p m e s h 混合网络，实现大范围覆盖和远程中继。 地面接入网的每个节点都可临时充当p m p m e s h 混合网络的动态基站，因此， 系统无需网络基础设施支持，具有很强的抗毁性。由空基和地基中继网组成的分 层网络体系结构，可提供路由迂回，进一步提高系统的抗毁能力。如果某个升空 平台损毁，用户仍可以通过空基m e s h 中继网的其它升空平台或地基m e s h 中继网互 联互通。如果地基基站损毁，一方面，利用动态p m p m e s h 网络功能，其它m e s h 节点可以临时充当动态基站；另一方面，用户可以通过空基m e s h 中继网互联互通。 2 4 2 基本原理 由组成结构可以看到，空地一体化系统是由两层网络构成，地面移动终端与 第二章基于t d l t e 技术的空地一体化系统 1 5 地面动态基站之间采用p m p m e s h 方式，并结合协同m i m o 技术，即协同p m p m e s h 方式；地面动态基站与升空平台之间采用协同p m p 方式，升空平台之间采用协同 m e s h 方式；升空平台的远程中继出口采用p t p 方式。空地一体化基本原理如图2 4 所示。 图2 4 空地一体化基本原理图 一。- r 移； 骨干i 通信阿，? 一 一个升空平台管理若干个地面动态基站，。一个地面动态基站管理多个移动终 端。在服务区内，终端首先接入地基无线网络，将自己的信息发送给所属的地面 基站；经过第一级交换后，地面基站再接入所属升空平台：经过第二级交换后， 升空平台将终端信息转发给区域内的目的基站，或空中传输中继网络。空中传输 中继网络出口接入骨干通信网或指挥中心。此时，升空平台不仅承担地面基站间 的传输中继功能，而且负责地面小区网络的管理和资源协调。如果某个升空平台 失效，所属的地面动态基站又可以通过空中或地面的迂回路由，接入其它升空平 厶 口。 在一般场景下，仍然使用现有的t d l t e 系统进行通信，空中基站可以处于暂 时关闭状态；应急场景下，开启空中基站，只需切换软件场景，即可提供应急服 务，即应用不同算法，在一套系统框架下实现两个场景的通信。 2 4 3 接入控制 通过这样的系统结构，可以获得一个高效抗毁的网络。如果先不考虑空中组 网和地面m e s h 连接，地面的用户将通过p m p 方式接入空中基站。由于空中路由 的设置方式会使得其移动性较低，而且又有较高的资源限制，比如说c p u 、存储 设备的功率限制和尺寸限制。因此，对于空中路由和网关等来说，存在的最大问 1 6空地一体化网络的高能效无线资源分配策略研究 题就是空中的功率消耗问题和限载尺寸、重量问题。如果通过频繁的升降空中平 台来进行能量补给，会增加设备成本，也不易实现。为了解决这个问题，本文在 空地一体化系统架构中引入光载无线通信( r o f ) 技术例。 r o f 技术是应高速大容量无线通信需求，新兴发展起来的将光纤通信和 无线通信结合起来的无线接入技术。它运用光纤作为基站与中心站之间的传 输链路，直接利用光载波来传输射频信号。光纤仅起到传输的作用，交换、 控制和信号的再生都集中在中心站，基站仅实现光电转换，这样，可以把复 杂昂贵的设备集中到中心站点，让多个远端基站共享这些设备，减少基站的 功耗和成本。具体应用在空地一体化应急通信场景下，如图2 5 所示。 图2 5 空地一体化系统中r o f 不恿图 从图中可以看出，在空地一体化架构中使用r o f 技术，传统基站可以被分为 远程无线单元( r r u s ) 和地面基带单元( b b u s ) 。此时，仅仅将包含无线射频天 线等轻负荷的发射接收r r u s 设备安装在空中的系留气球上，交换器和电脑等重 负荷的b b u s 设备被全部放置在地面，它们之间通过光纤连接，这就解决了系留 气球载重和尺寸受限的问题。应急场景下，只需运送地面b b u s 设备，建立起空 地联系，即可进行应急通信。 当然，仔细分析一下通信过程可以发现，在空中r r u s 收到地面终端发送的 信息时，需要将数据先送回地面经过b b u s 处理，然后再返回空中进行发送。信 息会在空地链路传播两个来回，而不是像地面通信那样只用传播一次，这就可能 导致吞吐量的下降。实际上，和路由与用户间的无线链路损耗相比较，由于光纤 通信的良好特性，r r u s 和b b u s 之间上下两次信息传输而引起的吞吐量下降和 时延增加几乎可以忽略不计。 2 5 本章小结 随着人类的进步，地球上的自然灾害等应急场景时常发生。面对多种复杂环 第二章基于t d l t e 技术的空地一体化系统 1 7 境，一般的通信服务已经不能充分满足突发情况下的应急通信需求。因此，必须 设计一套与之相适应的通信体系。本章首先阐述了应急通信的概念，重点是分析 了应急场景下面临的主要问题。针对在应急场景，尤其是自然灾害发生时地面通 信基础设施可能彻底被毁的问题，提出了临近空间通信的解决方法。同时，指出 了这个系统没有被广泛应用的原因，这也是后续提出的空地一体化应急通信系统 架构的意义所在。其次，本章还介绍了t d l t e 技术，对其概念和架构做出了全 面的分析。最后，基于前面几节介绍的背景知识，提出了空地一体化应急通信体 系架构，针对其系统组成、基本原理和用户接入控制做了详细的说明。利用这样 的系统，可以获得良好的空地链路环境和广阔的覆盖区域。同时，r o f 技术解 决了空中平台的载荷问题，这些都为后面章节关于高能效算法的实施创造了良好 的物理条件。 1 8 空地一体化网络的高能效无线资源分配策略研究 - - - _ 一一。 _ 一l _ _ _ 一l 第三章博弈论与无线资源分配策略 1 9 第三章博弈论与无线资源分配策略 在第二章中，较为详细的介绍了适合应急通信场景的空地一体化系统架构和 t d - l t e 体制。从本章开始，将从算法实现的角度来解决应急场景下供电不足的 问题。在介绍本文提出的算法之前，本章会对无线资源管理进行介绍，重点是引 出博弈论来解决联合资源优化中存在的如何让整个系统实现资源分配最优化的问 题，从而解决了个体追求的自私性和局限性与系统整体最优性的矛盾。 3 1 无线资源分配策略 对于无线通信系统，资源的概念是很广阔的，既可以是时间，也可以是频率， 或者是功率等。无论从哪个角度来讲，无线通信系统都是资源受限的，即资源总 数是有限的，在某一维资源不够用时，用户只能通过竞争来获取。然而众所周知， 用户的数量在持续高速的增长，因此如何有效的利用有限的资源来满足日益增长 的用户需求，已经成为了人们日益关注的问题。尤其是在应急场景下，往往系统 的资源更加紧张，这就要求设计出更加合理的高效算法，来满足特殊场景的业务 需求。于是，出现了无线资源管理的概念。 3 1 1 无线资源管理的概念 所谓无线资源管理(