摘要：自组织网络因具有灵活、无中心、自组织、可扩展性强和负载均衡等优势，在应急通信场景中的应用前景可观。针对超短波自组网覆盖范围不足的问题，设计扩展通信覆盖的自组网架构，并提出一体式设计的固定基站结构和便携式移动基站结构。以浙江宁波地区为例，对固定基站布置方案进行设计，模拟测试数据说明，超短波电台应急通信覆盖扩展方案能够有效满足特定地区通信覆盖的需求。

关键词：自组织网络；超短波通信；应急通信

1 引言

随着无线通信技术的不断发展，人们的生活与互联网联系日益紧密。然而近年来，地震、海啸等自然灾害频发，传统无线通信网络在地面设施受到损害后，无法继续提供网络接入服务。在这种场景中，自组网系统成为灾区应急通信的首选。自组织网络系统内没有中央控制实体，节点之间可以直接共享资源和服务，具有完全的自主性和平等的地位，使得自组织网络具有灵活、无中心、自组织、可扩展性强、负载平衡和很好的抗毁性等特点，越来越得到学术界和工业界的关注。采用无线自组网技术的数字通信系统，从技术上具有无中心、广覆盖、多路由、自组织、快愈合的特点，网络能经受台风、地震、洪水等造成山体跨塌、沿江沿淮抗洪、大面积城市和村镇被淹、部分既设基站受损等特大自然灾害事故考验。保障应急救援任务顺利展开。

目前，数字集群系统的单基站覆盖范围受限，在覆盖区内，信号随距离的指数形式迅速衰减，当移动用户附近有较强的无线信号时，弱信号可能被抑制导致无法正常通信。当用户需要扩大覆盖面积时往往只能采取多基站架设的方案，因此当用户在穿越各基站覆盖区时终端就要进行越区切换，集群系统原有技术体制无法保证越区切换的稳定性和可靠性，导致越区切换时语音通信无法良好维持，通讯效果变差，也不能及时了解其他基站的信道占用情况，便于多基站的信道利用。

另外，由于山地和高层建筑对高段无线电波有明显的阻碍作用，是造成无线通信不稳定性的主要原因，因此对于山地和高层建筑林立的无线通信区域，靠一个制高点设立一个中转站也不能实现良好可靠的无线通信网，以至于经常发生如下情况：虽然远离中转站的位置可得到良好的通讯效果，而离中转站很近的地方却存在无线通信死角。

因此，针对自组网通信覆盖能力受限的问题展开研究，提出一种适用于应急通信场景的短波电台自组网系统，能够扩展短波电台的通信覆盖范围，提升自组网的性能。

2 网络架构

从系统的整体架构而言，采取的方案可以概括为“固定覆盖，便携补盲”的应急通信结构，如图1所示。考虑到超短波在野外优越的传输特性，高架固定网和便携站补盲等通信系统采用超短波作为无线自组网手段，不依赖卫星链路、公网链路、微波链路等第三方资源。

无线自组网设备实现无线链路连接，采用单个频率自动、自组织形成无线通信覆盖网，做到无线同频同播，不依赖卫星、公网、IP等任何第三方链路资源。具备自带链路自动转发功能，相邻的两套同频中继设备可以自动连接网络，无需网络配置及调试。根据高架、背负、便携等用途定制不同的设备，设备采用一体化集成设计，内置大容量电池，可根据现场情况快速搭建临时应急局通信网络。组网模式灵活多样，可以实现星形、链状、环线等多种场景及交叉情况自有组网。

自组网基站承担中继作用，同时自身也可以参与通话。A台讲话时，因为环境距离远，不能与B台直接通信，则通过单频自组网基站单频中继至B台和C台。B台讲话时则一方面直接将信号发送至C台（通信路径是以最捷径为优先），同时通过单频自组网基站中继至A电台。如果C台讲话也是同理。

自组网基站之间无线联网自动完成，采用动态拓扑结构，快速完成拓扑网络间通信链路的建立，多条通信路径相互备份，如果某一设备出现故障，其他设备将自动调整无线链路连接，保障通信顺畅不中断。

基站之间自动路由组网，同时每个基站都具备判选终端上行和基站转发过来信号的功能，选择最优信号源进行转发；终端接收到多基站的信号时，亦可以判选出最佳信号源进行解码，在同频同播的基础上最大化保证通信的语音质量。

单频自组网中继基站覆盖区内移动终端之间通信，当电台之间可以相互通信时，即可以通过中继基站，也可以不通过中继基站而直接互通，选择的依据是以信号的强弱为准，目的就是保障最佳的通信传输通道和通信质量。在复杂的移动通信组网中，当中继基站不存在，电台之间继续自动维持可无线通信的直通模式，中间无需借助任何有线链路进行传输，课件自组网设备对电力的抢修复电工作尤为重要。

2.1 数字超短波自组网固定基站

在合理位置选择微波通信塔、电力铁塔等高点架设主干链路基站，基站之间通过单频点无线链路无线组网，无线链路及语音使用一个单频点通信。高山站点的建设可以作为无线链路的中继点，组建应急通信主干网，即高架固定网，为应急突发事件延伸布网打坚实基础。

每个中继点覆盖下的手持对讲机终端使用单频点直通模式工作，手持对讲机终端之间可以之间无线联网通话，也会通过中继点无线自动中继转发，中继点具备无线同频中继联网技术，两个中继点自动使用单频点数字无线链路自动联网，无需有线链路，提供同频同播呼叫通话，实现远距离手持对讲机终端大范围的无线联网通话，不存在有线联网链路的故障中断隐患，抗灾性能更好。

户外电力铁塔通常不具备机房条件，缺乏市电供给和有线链路资源，所选设备必须考虑户外的环境因素。针对户外电力铁塔实际情况，选用户外电力铁塔的太阳能高架固定基站，该设备配有恒温防水机柜、太阳能供电系统、射频模组等。（设备也可以选配220V供电的方式）

太阳能供电系统由控制器、太阳能板组成的光伏方阵、蓄电池组，负载等构成。光伏方阵在有光照的情况下将太阳能转换为电能，通过控制器给设备供电，同时给蓄电池组充电；在无光照时，通过控制器由蓄电池组给直流负载供电。

2.2 便携式数字超短波自组网移动基站

配置便携／车载/背负单频自组网基站，作为移动中继基站，当需要进行移动应急补盲时，便携／车载/背负单频自组网基站都具备和固定基站一样的单频点无线同频联网技术，可以作为中继设备，为其他的手持台提供无线联网中继转发功能，通过配套移动中继设备快速部署自组网，用于信号盲区应急补盲覆盖，为抢修复电现场、指挥车移动提供强信号覆盖。

现场应急自组网通信系统以快速组建、无区域限制等特点有效解决通信盲区呼叫问题，实现网络的移动延伸扩展应用，满足客户现场快速临时组网需求。数字超短波单频便携基站采用无中心自组网的网络架构，依据现场需求支持多个节点，实现多区域盲区无缝覆盖，各个区域抢修队伍可通过现场应急综合平台和各种链路支援实现与固定通信网的互通呼叫，整个多级中继链路网络组建简单，可移动性强。

在事故突发时，通过数字超短波单频便携基站实现信号盲区通信网络覆盖组建前线指挥部，并与高架固定单频自组网无线互联。实现前指与后指的实时信息共享，为上级指挥机关的应急指挥决策调配等提供可靠保障。便携/背负基站设备体积小、重量轻、便于携带、操作简单，更方便现场人员应急使用。

单频便携基站可独立使用，对抢修现场进行本地化覆盖，便于抢修小队的内部通讯，保障了抢修小队长对下属的抢修小队的现场指挥及调度。同时对于架设有单频自组网固定基站的场景，可以利用单频便携基站作为补充，对于固定站盲区死角进行补充覆盖，同时依照频点规划，可以将便携站设置为与固定站统一频点，便携站自动接入到原有固定站网络，或者便携站设置为其他频点独立组网，方便灵活。

单频便携基站可车载使用，同时也可以用于人工背负式便携使用，使用上与固定站直接衔接组网。

3 覆盖扩展延申方法

通过切换自组网基站的工作模式，自组网基站既能够单级工作，小范围组网，也能够多级工作，实现长距离组网。通过合理的分配时隙并改变协议栈里面的模式参数，使得自组网基站能够依据用户的选择切换六跳一信道模式、三跳两信道模式及两跳三信道模式这三种不同的工作模式，当集群自组网系统需要大跨距通讯时，多级自组网基站可切换至六跳一信道模式实现长距离通信，当集群自组网系统需要中跨距通讯时，多级自组网基站可切换至三跳两信道模式实现中距离通讯，当集群自组网系统需要小跨距通讯时，单级自组网基站即可以实现短距离通讯，此时单个自组网基站能够支持多个信道，使得单个自组网基站能够支持多个手台的同时通讯。

当所述组网模式为六跳一信道模式时，此时所述集群自组网系统包括五级自组网基站组和两级终端组，此时所述协议栈的180ms时间周期被分为时长均为30ms的时隙A、时隙B、时隙C、时隙D、时隙E、以及时隙F，所述时隙A、所述时隙B、所述时隙C、所述时隙D、所述时隙E、以及所述时隙F构成一条通信信道；

第一终端组中的k手台在所述时隙A发射呼叫信号，处于所述k手台的呼叫信号覆盖范围内的第一级自组网基站组中的任一个第一自组网基站在所述时隙A收到所述呼叫信号后，在所述时隙B对所述呼叫信号进行转发，处于所述第一自组网基站的转发信号覆盖范围内的第二级自组网基站组中的任一个第二自组网基站在所述时隙B收到所述第一自组网基站转发的呼叫信号后，在所述时隙C对所述呼叫信号进行再转发，处于所述第二自组网基站的转发信号覆盖范围内的第三级自组网基站组中的任一个第三自组网基站在所述时隙C收到所述第二自组网基站再转发的所述呼叫信号后，在所述时隙D对所述呼叫信号进行再转发，处于所述第三自组网基站的转发信号覆盖范围内的第四级自组网基站组中的任一个第四自组网基站在所述时隙D收到所述第三自组网基站再转发的所述呼叫信号后，在所述时隙E对所述呼叫信号进行再转发，处于所述第四自组网基站的转发信号覆盖范围内的第五级自组网基站组中的任一个第五自组网基站在所述时隙E收到所述第四自组网基站再转发的所述呼叫信号后，在所述时隙F对所述呼叫信号进行再转发，直至处于所述第五自组网基站的转发信号覆盖范围内的第二终端组中的l手台接收到所述呼叫信号。

当所述组网模式为三跳两信道模式时，此时所述集群自组网系统包括两级自组网基站组和两级终端组，此时所述协议栈的180ms时间周期被分为时长均为30ms的时隙A、时隙B、时隙C、时隙D、时隙E、以及时隙F，所述时隙A、所述时隙C、所述时隙E构成第一条通信信道，所述时隙B、所述时隙D、所述时隙F构成第二条通信信道；

第一终端组中的a手台在所述时隙A发射第一类呼叫信号，处于a手台的呼叫信号覆盖范围内的第一级自组网基站组中的任一个第一自组网基站在所述时隙A收到所述第一类呼叫信号后，在所述时隙C对所述第一类呼叫信号进行转发，处于所述第一自组网基站的转发信号覆盖范围内的第二级自组网基站组中的任一个第二自组网基站在所述时隙C收到所述第一自组网基站转发的所述第一类呼叫信号后，在所述时隙E对所述第一类呼叫信号进行再转发，直至第二终端组中的b手台接收到所述第一类呼叫信号；所述第一终端组中的c手台在所述时隙B发射第二类呼叫信号，处于c手台的呼叫信号覆盖范围内所述第一自组网基站在所述时隙B收到所述第二类呼叫信号后，在所述时隙D进行对所述第二类呼叫信号进行转发，所述第二自组网基站在时隙D收到第一自组网基站转发的所述第二类呼叫信号后，在所述时隙F对所述第二类呼叫信号进行再转发，直至第二终端组的d手台接收到所述第二类呼叫信号。

当所述组网模式为两跳三信道模式时，此时所述集群自组网系统包括一级自组网基站组和两级终端组，此时所述协议栈的180ms时间周期被分为时长均为30ms的时隙A、时隙B、时隙C、时隙D、时隙E、以及时隙F，所述时隙A与所述时隙D构成第一条通信信道，所述时隙B与所述时隙E构成第二条通信信道，所述时隙C与所述时隙F构成第三条通信信道；

第一终端组中的的e手台在所述时隙A发射第一类呼叫信号，处于所述e手台的呼叫信号覆盖范围内的一级自组网基站组的任一个独级基站在所述时隙A收到所述第一类呼叫信号后，在所述时隙D对所述第一类呼叫信号进行转发，直至第二终端组中的f手台接收到所述第一类呼叫信号；第一终端组中的m手台在所述时隙B发射第二类呼叫信号，处于所述m手台的呼叫信号覆盖范围内的所述独级基站在所述时隙B收到所述第二类呼叫信号后，在所述时隙E对所述第二类呼叫信号进行转发，直至第二终端组中的n手台接收到所述第二类呼叫信号；第一终端组中的x手台在所述时隙C发射第三类呼叫信号，处于所述x手台的呼叫信号覆盖范围内的所述独级基站在所述时隙C收到所述第三类呼叫信号后，在所述时隙F对所述第三类呼叫信号进行转发，直至第二终端组中的y手台接收到所述第三类呼叫信号。

4 模拟与测试

（此处需要补充具体的数据，用来证明：本文提出方案的优越性）

（此处建议发明人补充不同模式能够支撑的覆盖范围或者通信距离）

5 结论

当自然灾害发生后，地面基础设施受到损害，传统的无线通信系统无法满足灾区的通信需求。在应急通信场景中，无线自组织网络成为化解困境的核心技术。然而，超短波自组织网络的覆盖范围受限，单个基站很难满足通信需求，多个基站又将需要大量地面设施和资源。针对这个问题，本文提出一种扩展超短波自组织网络覆盖范围的方案。通过常规的固定基站和便携式移动基站配合，根据需求选择不同的工作模式，实现远距离通信、信号盲区通信，从而满足灾区应急通信的需求。以宁波地区为例，通过模拟和测试，证明本文提出的方法确实有效。

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