无线网格（精选4篇）
无线网格 篇1
当前我国已经成为无线电应用大国, 无线电业务广泛应用于各个行业、部门以及社会公众服务等领域, 频率资源稀缺与业务需求增长和技术发展之间的矛盾将在无线电管理工作中长期存在, 日益复杂的电磁环境对无线电管理提出更高的要求。网格化管理作为一种新兴的管理手段, 因其表现出的众多优点, 广泛地应用于各个行业。在无线电管理工作中引入网格化管理的理念, 可以实现无线电频谱资源管理的科学化和精细化, 促进无线电通信事业的发展。
1 网格化管理技术
所谓网格化管理, 是指借用计算机网格管理的思想, 将管理对象按照一定的标准划分成若干网格单元, 利用现代信息技术和各网格单元间的协调机制, 在网格单元之间实现有效地信息交流, 透明地共享组织的资源, 最终达到整合组织资源、提高管理效率的现代化管理思想。
网格化管理的本质是一种作业方式的优化和完善, 是在一体化信息平台的支撑下, 前台着眼服务对象的需求, 后台着手服务管理资源的调配, 借助跨部门的管理规则和业务流程, 运用现代信息技术的支撑, 构筑资源共享与工作协同的运作模式, 使管理者突破传统方式和手段的局限, 实现流程顺畅, 提高综合管理和服务的效能。
网格化管理在国内最早见于网格巡逻, 巡警在责任区域内, 负责及时发现、快速响应。随着信息技术和通讯技术的发展, 网格化管理理念的应用实践逐步拓展到城市建设、人口管理等社会的各个方面[1]。
2 网格化管理的优势
首先, 它将过去被动应对问题的管理模式转变为主动发现问题和解决问题;第二, 它是管理手段数字化, 这主要体现在管理对象、过程和评价的数字化上, 保证管理的敏捷、精确和高效;第三, 它是科学封闭的管理机制, 不仅具有一整套规范统一的管理标准和流程, 而且发现、分析、处理、总结四个步骤形成一个闭环, 从而提升管理的能力和水平。
正是因为这些功能, 网格化管理可以将过去传统、被动、定性和分散的管理, 转变为今天现代、主动、定量和系统的管理。
3 网格化技术在无线电管理中的作用
网格化管理作为一种新兴的管理手段, 因其表现出的诸多优势, 已在各行业中得到广泛使用。在无线电管理工作中引入网格化管理的理念, 可以实现无线电频谱资源管理的科学化和精细化。特别是网格化管理中的数字化技术, 可以使无线电管理能力得到本质的转变和提高。
(1) 增强无线电频谱资源管理的技术手段, 提高无线电管理能力。
1) 变被动监测为主动监测, 增强技术手段;
2) 通过实时分析和数据积累, 随时为管理提供依据;3) 数据库信息前移映射到网格单元, 提高管理能力;4) 网格精细划分, 智能化识别信号方向, 实现精细化管理和智能化管理;
5) 以GIS系统为基础, 直观显示, 为技术和管理提供便利性。
(2) 适应无线电通讯由模拟信号、大区制、大功率覆盖向数字信号、小区制 (微蜂窝) 、宽带微功率发展的技术趋势。
随着社会经济的发展, 无线电通讯技术应用越发广泛, 无线电通讯技术也呈多样性发展。为了对无线电频谱资源进行有效管理, 需要加强对数字信号、区域性微弱功率信号的关注。当前通讯技术中使用较多的Wi Fi等数字信号虽然由于发射功率较小, 按照以往的相关规定不属于无线电管理机构的管理范围, 但作为使用越来越广泛的通讯技术, 无线电管理部门对其提出了“保护性监测”的概念, 即监测这些微弱信号的合法频段内有无超功率发射的信号。超功率信号会对微弱功率信号产生干扰或其他影响, 排除超功率信号是对微弱功率信号通讯的有效保护[2]。
(3) 逐步实现“天气预报”式的电磁环境测报, 提升无线电管理工作在社会生活中的认知程度和影响力。
近年来, 人民生活水平日益提高, 在追求高品质的生活时, 电磁环境对生活的影响也逐渐得到广大民众的重视。但由于各种原因, 普通民众很难准确了解到生活、工作中周边的电磁环境情况。作为国家对电磁频谱的管理部门, 如果能够科学、准确的提供电磁环境测报, 将有利于提升无线电管理工作在社会生活中的认知程度和影响力。
(4) 为政府管理部门提供精确、科学的城市电磁环境态势, 起到决策辅助作用。
通过对一定时间内电磁环境监测数据与社会经济发展情况的统计和分析, 可以为政府管理部门提供城市电磁环境发展态势以及对社会经济发展的影响趋势, 作为城市规划和发展方向的决策辅助依据, 使无线电管理工作在城市发展中发挥积极作用。
4 网格化无线电管理分层
网格化无线电管理为无线电管理提供了全新的工作思路和更加科学的管理手段。网格化无线电管理与传统无线电管理方式相比, 实现了管理手段的数字化以及无线电监管责任和管理范围的具体化、明确化、科学化管理。
网格化无线电管理, 以数据库网格化作为基础, 以GIS为主要表现形式, 为无线电管理工作提供了一种新的工作思路和更加科学的管理手段。
网格化无线电管理采用分层技术, 从上层至底层单网格面积由大到小, 实现由宏观整体到具体业务应用的全方位监管和各种业务分析应用。
网格被分为5层。最高层第1层的网格面积最大, 依次递减, 最底层第5层的网格面积最小, 各种信息展示和业务根据需要分布在不同层面。
最上面第1层网格, 定义为“信息总览层”;该层以直观的方式展现辖区内的监测资源信息、监测网对各种无线电业务的监管状态、各种无线电业务在地域上的分布、在频域、时域上的使用情况、城市电磁环境态势以及各个区域的人口、企业等社会类信息;使用者在掌握丰富的管理信息的同时, 对辖区内的无线电管理工作情况一目了然[3]。
第2层的单网格定义为“公共信息层”, 是对总览层的信息细化, 可以更方便地了解总览层中业务监管状态、业务分布、电磁环境态势等信息在局部区域的细节特征和具体表现情况。
这两层网格, 为用户提供了一个较大的管理尺度, 便于从宏观的角度掌握辖区内的无线电频谱资源和管理资源以及管理能力;
第3层的单网格定义为“统计分析层”;在工作中, 系统进行各种业务数据统计分析和数据挖掘结果信息展。考虑到统计分析和电磁环境评估需要综合分析多个监测站的监测结果, 因此“统计分析”设定第3层, 向下采集监测和业务数据信息, 向上为信息展示提供数据分析结构, 起到了承上启下的作用。
第4层的定义为“监测/业务网格层”, 频谱监测和各种无线电业务的管理工作均在该层完成。考虑无线电监测和测向定位的工作精度, 以及常用典型无线电业务开展的区域性, 所有的监测覆盖和业务活动的最小管理、显示面积均以该层的单网格面积为基本单位。
第5层的“管理网格层”是网格化的最基本管理单位, 表现了最小的管理尺度;同时也完成了对管理区域的矢量化划分, 为实现数字化管理奠定了基础。
5 结束语
网格化管理是新型的现代化管理理念, 有着广泛的研究领域和应用范围。本文提出的网格化管理与无线电管理工作相结合的创新性思路, 对无线电管理思路转变的启发, 解决无线电管理发展中面临粗放型、被动式等的一系列问题, 发掘网格管理在无线电管理领域中的又一个应用实例, 有着开拓性的现实意义。
摘要：文章基于无线电通信技术和业务不断进步, 日益复杂的电磁环境对无线电管理提出更高的要求, 针对现有的无线电粗放管理模式逐渐不能满足业务和管理工作需求, 提出运用网格化管理理念实现无线电管理信息化、自动化, 由被动式行业管理模式向主动式社会化服务型转变, 做到管理精确化、科学化, 以适应未来无线电管理事业的发展。
关键词：无线电,管理,网格化
参考文献
[1]郭福洲.我国网格研究现状及发展趋势[J].2008, 2:131-132.
[2]周鸿顺.频谱监测手册[M].北京:人民邮电出版社, 2006.
[3]夏传美.关于加强无线电台站管理的几点思考[J].中国无线电, 2007, 2:29-30.
网格化在无线电管理中的应用研究 篇2
【关键词】网格化 无线电 无线电管理 应用
一、前言
传统的无线电是“以点代面”监测模式，但是传统的无线电管理模式已经无法跟上社会科技进程的脚步，于是在二十世纪九十年代，为了加快无线电新技术这项新业务的发展，国际电联提出了“网格化无线电监测和管理”的概念，以加快无线电的发展，但是由于当时信息技术还不成熟，导致“网格化无线电监测和管理”的概念一直停留在概念研发阶段，但是随着现代社会计算机网络技术的高速发展以及信息化技术的广泛普及，国家和人民对无线电技术的管理工作提出了新的要求，所以无线电管理改革创新被提上了日程，而网格化无线电管理概念给需要新的管理方式的无线电管理提供了新的方向，因为网格化无线电管理相比于传统的无线电管理更加科学精细，能够让无线电完善的应用于各个方面及行业中，如交通、电力、能源等方面，只有科学精细的无线电技术管理模式，才能让无线电技术快速的发展，并满足人们的要求，更好的为人们和国家建设服务。
二、无线电管理的主要内容及网格的来源
（一）无线电管理是由国家设立的专门机构，研究、开发、使用卫星轨道和无线电频率资源来实现合理、有效地利用卫星轨道和无线电频率资源。无线电管理是一种国家行为，其核心是通过最有效、公正、合理的方式来保护和使用卫星轨道和无线电频率资源，保证国家建设和丰富人们的物质生活需求及促进社会发展进步，它的主要内容包括：无线电频谱管理、无线电台站管理、卫星轨道频率资源管理、无线电设备管理和非无线电设备的电波辐射管理方面。
（二）网格的概念来源于电力网，因为网格与电力网的形式十分相似，而且随着网络信息技术的高速发展、计算机性能的不断提高，网格作为第三次科技浪潮，网格的高速发展能够实现全球人们的信息化共享与数据传输储存，它具有分布广而不集中、异构性、自治性、动态多样性、自相似性等特点。其应用领域多而广，所以网格的发展与应用对于我国构建信息化社会有着重要的意义。
三、传统的无线电管理
传统的无线电“以点代面”的监测模式：无线电管理机构选择一个最高的制高点，然后在制高点上面盖上房子，然后在房子上面安装无线电监测和测向设备，再建造一定高度的天线铁塔，同时配置电力、通信、安全等设施，并由无线电管理人员和监测人员共同监管。但是这样会导致人员劳务费、维护费，场地建设费等运行成本的增加，再加上城市化进程的加快，城市里面高楼耸立，使传统的固定监测站已经变得不是最高点，监测的覆盖范围变小，盲区加大，而且遇到高层建筑物会出现反复的折射和反射，严重影响无线电的功能与数据的正确性，但是随着社会信息化的高速发展，人们的需求增加，传统的无线电根本满足不了人们的需求，所以就需要高效网格化管理，使无线电管理用最有效、最节约、最快捷、最方便的管理方式来提高管理效率，实行整个无线电管理组织结构以最节约的方式高速运行发展起来。
四、什么是网格化管理
网格化管理是指借用计算机网格管理的思想，把管理对象划分为若干网格单元，利用现代信息技术及各网格单元间的协调机制，使网格单元与网格单元之间能够高速地进行信息交流、共享资源，最终整合资源，以最有效、最节约、最快捷、最方便的管理方式来提高管理效率，使整个组织结构高速发展实现系统的提高，更加精确、科学、高效提高综合管理和服务的效能，以实现通过信息技术来节约成本、节约资源以实现可持续发展，从而体现管理的现代化、信息化。
五、网格化在无线电管理中的应用研究
随着网络化进程的高速发展，高效网格化管理模式开始应用于各个管理方面，网格化的管理方式取代了传统的无线电“以点代面”的监测模式，网格化的无线电管理有以下几种优点：
（一）传统的无线电管理建设监测设备上各种浪费人力、物力、财力，不像网格化无线电监测系统一般采用小型监测站，传感器设备体积小，其主要结构有天馈系统、监测接收系统、电源模块、控制单元、联网系统和工控机等部分，不像传统监测站需要制高点和大面积的机房，对环境要求相对宽松，监测灵敏度跟覆盖范围不会因为高度的高低而改变，也不需要专门人员去守护监测站，而且建设周期短，其经济性、效率性、可行性是传统的无线电管理无法比拟的，从而使无线电管理从粗放型向精细型转变。
（二）网格化的无线电管理方式摒弃了传统的无线电监测站的监测数据非相关性的缺点，采用全球定位技术，并在传感器布置成蜂窝式布局，进行无缝监测覆盖，来划分监测区域，随时监控各区数据变化，这样就解决了传统的监测网络“以点代面”所存在的问题；在把各个监测区内的传感器联合成为一个网格化分布式监测系统，这样就能在各个区域内监测传感器节点采集过来的数据作为基础，通过网络传输将数据汇总到控制中心，把存储资源、信息资源、数据资源、计算资源等整体整合，在通过控制中心完成对数据相關性的技术分析处理，来了解相应区域内或全区域的电磁环境情况，这样就实现了每个无线电信息系统之间数据交换和信息共享的完整模式，实行动态管理模式，将管理手段数字化，重点打击非法拦截和干扰电磁信号无线电台，严格管理监督无线电业务，以保护无线电业务使用者的利益，并。
六、结论
虽然网格化无线电管理是一项新兴管理形式，虽然将网格化无线电管理应用于无线电管理领域的研究还处于起步阶段，但是网格化的无线电管理实现了无线电管理智能化和信息化，改变传统的被动式管理模式，转变为主动服务型管理，使无线电管理更加精细化、主动化和科学化，实现无线电管理上的创新，其经济性、效率性、可行性是传统的管理模式无法比拟的，在对比传统无线电管理模式，传统的无线电管理是跟不上时代的发展进步的，所以网格化的无线电管理对传统无线电管理有着划时代的意义。
参考文献：
[1]崔成华.网格化无线电管理探索与研究[J]中国无线电，2013（7）：60-61.
[2]王芙蓉.网格化无线电监测和管理的分析应用[J]浙江工业大学，2012：5-67.
无线网格 篇3
为了减少无线传感器网络的成本，也为了提高定位精度，我们使用一个锚节点部署在移动车辆上构建成一个可移动的锚节点，让它在网络中移动，并发射当前位置的坐标信息。这样既减少了锚节点数量，而且未知节点接收锚节点坐标信息都是在一跳的通信距离内，避免了多跳通信，也减少了信号误差。鉴于以上分析，本文提出了一种基于网格的移动无线传感器网络定位算法(an Lo-calization Algorithm based on Grid for mobile wireless sensor networks,LAG)。
本文的章节安排如下：第1节介绍了相关的一些无线传感器网络路由协议;第2节详细介绍了基于网格的移动无线传感器网络定位算法;第3节是仿真实验和分析;第4节进行总结。
1 相关工作
在无线传感器网络中，传感器节点的定位算法通常可以分为两大类:距离相关(range-based)定位算法和距离无关(range-free)定位算法。主要的距离相关算法有：DV-distance、Euclidean算法、GenericLocalized Algrithms算法、N-HOP multilateration primitive算法等。距离无关定位算法研究比较典型的算法有DV-hop[1],质心算法[2],APIT[3]算法等。文献[4]提出了基于RSSI的改进三边测量法实现节点定位，并结合优选信标节点的方法提高定位精度。文献[5]改进了传统的ACT算法，实验表明，改进策略大幅降低了算法的复杂性，并提高了定位精度。
2 网络模型及问题陈述
本文将整个网络区域分为若干个网格，移动节点依次运动到每个网格的中心点，移动节点到达网格中心点后便根据Random Walk移动模型运动，每次停顿期发射当前的位置坐标给未知节点，使得网格区域的未知节点都接收到锚节点坐标，当移动节点在网格运动一段时间后再移动到下一个网格。未知节点根据TDOA测距方式[6]计算自己同移动节点发射坐标的位置的距离，当接收到4个坐标信息，未知节点根据多边定位法[7]计算自己的坐标位置。网格大小、移动时间等在仿真实验中详细介绍。
2.1 网格的划分
在本算法中，设监测区域为正方形(n×n)，我们划分整个监测区域为9个网格，每个网格边长为n/3，且都有自己唯一的编号，如图1所示。网格依次编号为1、2、3、4、5、6、7、8、9。
2.2 移动节点运动轨迹
移动节点依次运动到每个网格的中心点，移动节点到达网格中心点后便根据Random Walk移动模型[8,9]运动一段时间，然后再移动到下一个网格。
移动节点运动到每个网格的轨迹如图2所示。移动节点的运动方向为虚线箭头所示，依次通过1→2→3→6→9→8→7→4→5，移动节点从网格1的中心处开始，逆时钟螺旋方向运动到其他网格区域，最后一站是5号网格。每个网格的中心点坐标如表1所示。
当移动节点运动到网格的中心区域后，移动节点开始在网格内按照Random Walk移动模型运动，我们设置移动节点每次移动的距离为Ddis，它的取值同n相关，我们在仿真实验中详细讨论Ddis的大小，同样，我们也预先设定移动节点在每个网格内的移动时间，为Tmobile，并在下面的仿真实验中讨论Tmobile的大小。移动节点在网格内的轨迹如图3所示。
图3所示为移动节点在网格内的轨迹，在网格1内，黑色圆点为移动节点的初始点，黑色三角形为移动节点的停止点。移动节点每次选择一个任意的方向，在这个方向上移动距离Ddis，然后停下来，发射当前坐标的信息，当移动节点在同一个网格内运动Tmobile时间后，移动节点停止发射坐标，移动到下一个网格内，如虚线所示移动轨迹从1→2。
2.3 算法描述
步骤1：网格划分;
步骤2：移动节点规划网格移动顺序;
步骤3：在每一个网格内移动节点根据Random Walk移动模型运动，移动距离为Ddis，同时广播自己当前的位置信息;
步骤4：未知节点接受信标坐标，利用TDOA计算自身同信标坐标的距离;
步骤5：未知节点判断虚拟信标坐标是否达到4个，如果达到定位条件则进入下一步，没有达到则继续等待新的信标坐标;
步骤6：未知节点根据多边测量法计算自身的位置;
步骤7：移动节点在网格内运动时间超过Tmobile则进入下一个网格;
步骤8：结束;
2.4 算法流程图
算法流程图如图4所示。
3 仿真实验和性能分析
3.1 仿真环境设置
仿真实验总各项参数如表2所示。
3.2 实验比较和结果分析
实验1：本实验比较Tmobile对定位误差率的影响。参数设置如下，未知节点数为100个，Ddis为20m，定位所需坐标为4个，其他参数设置如表3所示。
表3显示的是Tmobile对定位误差率的影响。很明显随着Tmobile的增加,LAG算法的定位误差率明显减小。这是因为Tmobile比较小时,移动节点在网格内发射的坐标较少,而导致网格内未知节点接收到的定位坐标也较少,达不到定位要求,这样计算出来的未知节点坐标较大的偏离真实的坐标。而增加后,移动节点在网格内发射的坐标增加,这样网格内的未知节点接收到的定位坐标也增加,可以达到定位要求,计算出来的未知节点坐标较为接近真实的坐标。当Tmobile为50s时,LAG定位误差率为53%;而Tmobile为100s时,LAG定位误差率减小，为38%;Tmobile进一步增加到150s时，LAG定位误差率进一步减小，仅为19%;最后，当Tmobile达到200s时，LAG定位误差率达到最小，等于9%左右。
实验2:本实验比较Ddis对定位误差率的影响。参数设置如下,未知节点数为100个,Tmobile为150s,定位所需坐标为4个,其他参数设置如表4所示。
表4显示的是Ddis对定位误差率的影响。随着Ddis从5m增加到30m,LAG定位误差率先是迅速减小,达到一个值之后,LAG定位误差率趋于平稳。这是由于Ddis很小时,导致移动节点每次运动的距离很小,其运动轨迹不能覆盖大部分网格区域,致使网格内的未知节点不能获得可以定位的坐标数,而导致定位误差率较大。Ddis增加后,移动节点的运动轨迹逐渐可以覆盖整个网络,网格内的未知节点也能够获得的定位坐标也接近可以定位的坐标数,从而使得误差减小,当Ddis为20m时,定位误差率达到最小,等于19%,这时,Ddis继续增加,其定位误差率区域平稳。
实验3:本实验比较节点数对定位误差率的影响。参数设置如下,Tmobile为100s,Ddis为20m,其他参数设置如表5所示。
表5显示的是节点数对定位误差的影响。随着节点数的增加,LAG定位误差率缓慢的增加。因为当节点数增加后,移动节点需要发射更多的坐标信息才能提供给未知节点足够的定位坐标。当节点数等于50个时,LAG定位误差率仅仅为11%左右,而当节点数等于150个时,LAG定位误差率达到了26%。
实验4:本实验将提出的算法LAG算法[10]与TPS算法,DV-hop进行比较。参数设置如下,Tmobile为100s,Ddis为20m,节点数等于100个,其他参数设置如表5所示。
图5所示为LAG算法、TPS算法和DV-hop三个算法在不同通信半径下的定位误差比较。通信半径不同,三个算法的误差率也不同,随着通信半径的增加,三个算法定位误差率逐步下降。由于DV-hop算法是非测距的定位算法,所以误差率比其他两个算法都高。而LAG算法和TPS算法都是测距算法,且LAG比TPS误差较低。这也验证了我们提出的算法的有效性。
4 结论
本章提出了基于网格的移动无线传感器网络定位算法。并比较了、、节点数对定位误差率的影响，最后，比较了LAG算法、TPS算法和DV-hop三个算法在不同通信半径下的定位误差，验证了我们提出的算法的有效性。
摘要：节点定位是无线传感器网络重点研究的内容之一,怎样用较少的锚节点达到较高的定位精度,是值得进一步研究的内容。提出了一种基于网格的移动无线传感器网络定位算法,将整个网络区域分为若干个网格,移动节点依次运动到每个网格的中心点,当移动节点到达网格中心点后便按照Random Walk移动模型运动,每次停顿期发射当前的位置坐标给未知节点,使得网格区域内的未知节点都接收到锚节点坐标,当移动节点在网格运动一段时间后再移动到下一个网格。仿真结果表明,该定位算法能够达到较高的定位精度。
关键词：无线传感器网络,网格,移动节点,随机移动模型,定位算法
参考文献
[1]Drago N,Badri N.DV based positioning in Ad hoc networks[J].Telecommunication Systems,2003,22(1):267-280.
[2]Bulusu B,Heidemann J,Estrin D.Density adaptive algorithms for beacon placement in wireless sensor networks[C].In:Proceedings ofIEEE International Conference Computer and Sensor.2001:543-550.
[3]He T,Huang C,Blum B M,et al.Range-free localization schemes for large scale sensor networks[C].In:Proceedings of IEEE on Mo-bile Ad Hoc Networking&Computing,2003,81-95.
[4]付波,李斌.基于WSN的定位系统研究[J].电脑知识与技术,2010,6(8):1827-1829.
[5]张杰,邱晓晖.无线传感器网络节点自定位算法研究[J].电脑知识与技术,2009,5(25):7110-7112.
[6]Savvides A,Han C C,Srivastava M B.Dynamic finge-grained localization in ad-hoc networks of sensors.In:Proceedings of 7th Annu-al International Conference on Mobile Computing and Networking.2001,166-179.
[7]孙利明,李建中.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005:9-20.
[8]Sanchez M,Manzoni P.Anejos:a java based simulator for ad-hoc networks[J].Future Generation Computer Systems,2001,17(5):573-583.
[9]Davies V.Evaluating mobility models within an ad hoc network:[Master dissertation].USA:Colorado School of Mines,2000.
无线网格 篇4
随着无线电通信技术的不断发展,无线电业务越来越广泛地应用于各行各业。各大中型城市无线通信基站、移动用户不断增加,公安专网、广播电视网、民航专网和铁路专网等也在不断扩展,无线电管理面临着无线电业务种类繁多、频谱资源紧张和电磁环境复杂等问题[1,2]。现有的无线电监测站是大区制覆盖,通常建设在高山或者高楼上,覆盖地区广,能完成监测区域内较强信号的测向定位[3,4],但随着城市化进程的加快,现有固定监测站的不足之处也越发凸显:①城市高楼耸立、环境复杂,现有固定监测站对小功率、高频率信号难以准确监测,甚至无法感知[5];②无线电波在城区的非视距传播和多径传播现象严重,现有固定监测站测向定位精度差、可靠性低[6];③现有监测网布局设计模式粗放,难以为电磁信息需求者提供精确信息[7]。因此,现有无线电监测测向定位系统已很难满足大中城市无线电管理需求。
20世纪90年代,为了有效提升无线电频率资源利用率,深化各类无线电新业务应用,适应无线电技术的飞速发展,国际电信联盟提出了网格化无线电监测的理念[8]。在无线电监测中引入网格化管理理念,建设网格化无线电监测系统,能实现监测及管理工作的精细化、规范化和科学化[9],使无线电管理水平得以全面提升。
目前国内网格化无线电监测建设尚处于起步阶段[10],可借鉴经验少,针对这一情况,提出了一种基于无线电波传播模型的网格划分方法,可实现监测节点的科学合理布局,提高监测网络的覆盖能力和监测精度。
1 无线电监测的网格化管理
网格化无线电监测是通过对目标监测区域进行网格划分,并布放大量监测传感器节点,将各节点所采集的数据信息汇总到控制中心,并对数据进行相关性技术处理,从而获取相应区域内电磁环境情况[11,12]。网格化无线电监测与传统无线电监测相比,有3个突出的优点:
①实现了监测覆盖能力与监测精度的大幅度提升。监测节点更加靠近信号发射源,削弱了地形地貌和其他障碍物对监测的影响,减少了监测盲区,能够对小信号进行精确监测,提升了监测网灵敏度。
②推进了无线电监测工作模式的有效转变。网格化监测使无线电监测工作由以往临时的、零散的工作模式向长效的、系统的工作模式转变[13]。
③促使无线电管理水平快速提高。网格化监测将改变以前粗放、被动式管理,实现精细化、智能化管理,从而使无线电管理由模拟信号、大区制和大功率覆盖向数字信号、微蜂窝和宽带微功率覆盖转变,使管理更加精确、科学和高效。
网格化无线电监测网将传统的“控制中心—小型站”2层监测构架扩展到“控制中心—小型站—监测节点”3层监测构架,如图1所示。
现有监测网仍是网格化监测网的重要组成部分,网格化监测网能够与现有监测网完全兼容运行。第1层为监测控制中心,是网格化监测网的中枢;第2层是由小型监测测向站和遥控站组成的大信号监测测向网,能完成大信号的快速交叉定位,同时也是监测节点的汇聚点和枢纽,可以完成对节点数据的筛选和过滤;第3层为节点站,主要完成监测区域内小信号的监测任务。
在网格化无线电监测系统中,由于TDOA定位系统具有系统简单、单站投资少等优点[13],切合网格化大规模布点的特性,因此,TDOA定位是网格化无线电监测的重要手段。TDOA定位原理是通过测量无线电信号到达网格监测点的天线单元时间差,对无线电信号发射源进行监测定位[14,15]。
2 网格化无线电监测网的网格划分
2.1 方法步骤
网格是网格化无线电监测网的基本单元。科学合理地规划网格是无线电控制中心能够精确感知目标无线电频谱信息的前提。下面给出一种网格划分的方法。
①区分重点,分类覆盖。网格化无线电监测网由于需要大量布放监测节点,建设成本较大,不可能实现全面覆盖,主要建设重点区域是城市中心区域,边境、海岸线等特别区域和无线电监测重点区域等3类区域。在实际监测工作中,主要监测对象是150 MHz和400 MHz频段(专用对讲机使用频率)以及900 MHz频段(公众通信频段)的信号。在进行网格规划设计之前,设计人员应明确规划区域的重点监测频段,除对以上3个频段覆盖监测外,对特殊区域的监测应有所侧重,如学校区域重点监测考试作弊常用频段,即450 MHz频段;重点要害区域主要以Wi Fi为重点监测对象,相应监测频段为2 400 MHz频段。
②调查研究,弄清地形条件。影响无线电监测覆盖的主要因素有设备参数和地形环境,设计人员应按照国家无线电管理局对地形地貌类别的划分,细致调查规划目标区域地形地貌,并确定相应地形地貌类别。
③仿真实验,确定覆盖范围。根据实际情况选取合适的无线电波传播模型,计算一定频率和功率下信号传播的路径损耗,从而推算出监测站点的大致覆盖范围。
④综合考虑,设计规划图。根据仿真分析得到的监测覆盖范围,结合规划目标区域重点监测频段、地形类别和民众对无线电干扰投诉情况以及建设运维成本等各种因素,设计出网格规划图。
2.2 仿真分析
监测站点覆盖范围预测对于网格化无线电监测网能否实现对目标区域有效覆盖和精细化监测至关重要。下面选取应用较广泛的Okumura-Hata模型和Cost231-Hata模型进行覆盖预测的仿真计算和网格大小的确定。
2.2.1 Okumura-Hata模型
Okumuram-Hata模型是根据实测数据建立的模型,该模型提供的数据齐全,适用于VHF和UHF频段。该模型的特点是:以准平坦地形大城市地区的场强中值路径损耗作为基准,对不同的传播环境和地形条件等因素用校正因子加以修正[16]。其经验公式为:
式中,Lb为城市市区的基本传输损耗中值;fc为信号频率,有效范围150~1 500 MHz;hb为监测站天线有效高度,有效范围30~200 m;hm为移动天线台高度,有效范围1~10 m;d为传输距离,有效范围1~35 km;α(hm)为移动天线修正因子。
对于大城市来说α(hm)移动修正因子为:
另外,针对郊区,标准Hata模型可修正为:
针对开阔区,标准Hata模型可修正为:
2.2.2 Cost231-Hata模型
Cost231-Hata模型是欧洲研究委员会在Okumura-Hata模型基础上进一步开发出来的,对于频率大于1 500 MHz的信号,Cost231-Hata模型预测更为准确[16,17]。其经验公式为:
式中,Cm为大城市中心的校正因子,对于中等城市和郊区Cm=0,对于大城市Cm=3,其余参数同Okumura-Hata模型。
Okumura-Hata模型和Cost231-Hata模型主要区别是频率衰减的系数不同,此外,后者还增加了大城市中心校正因子。
根据以上公式,考虑到网格化监测主要针对高频段、小功率(功率一般不超过36 d Bm)信号,设定规划城市为昆明市,楼层高度为90 m,天线高度为5 m,信号源发射功率为30 d Bm(1 W),进行仿真实验,仿真结果如图2和图3所示。重点监测频率所对应的不同地形条件下的无线电波传播范围如表1和表2所示。
可以看出,在市区环境中,对于频率为2 400 MHz、发射功率为1 W的信号源,监测站点的有效覆盖范围为760 m,而且随着频率增大,覆盖范围减小。是否按照760 m的节点间距布置站点,要综合考虑各种利弊,间隔过小势必大幅增加系统监测节点数量,导致建设、运维费用增加;间隔过大则可能导致不能对监测目标区域实现有效覆盖。
3 网格化无线电监测网的站点部署
3.1 监测站点布局总览
网格化无线电监测网站点部署是一项复杂的系统工程,选址工作包括:前期论证、站点规划和实地测试等步骤,而且节点站建设必须依托在小型站建设的基础之上,若小型监测站间隔超过10 km[18],则应先规划建设小型站,再进行网格规划,在节点站规划时,决不能统一间隔、平均分配,应充分考虑区域特点和监测重要性等因素,按照无线电管理的“三服务一重点”原则进行布点,区分重点,分类覆盖。对党政机构周边区域、人口密集区域、经济开发区和重大活动主会场等核心区域,机场、高铁站和广电等主要用频区实现全覆盖;对郊区、乡镇实现一般覆盖。
本文选取云南省昆明市翠湖周边区域作为网格化无线电监测网规划区域,该区域是学校、党政机构所在地,人口密集,高楼耸立,地形环境复杂,作为试点规划区域极具代表性和可推广性。在规划时,将该目标区域按照区域特点分为以下4个规划小区:
①一二一大街学校区,该区域聚集高等院校、培训机构和中小学等各类学校,重点针对考试保障进行站点部署,同时该区域人口密集,但建筑物高度较低,规划时,节点间隔可稍大;
②环翠湖居民商业区,该区域人口密集,对专用讲机频段和Wi Fi使用频段应重点进行监测,节点间隔不能太大;
③党政机构区,该区域为省政府和五华区政府所在地,是无线电一类保障区域,为监测核心区,必须实现全频段无死角覆盖;
④圆通山动物园区,该区域为空旷地带,实施一般覆盖。
综上所述,对整个区域的监测站点部署规划如图4所示。
3.2 部分站点规划分析
下面以一二一大街学校区域为例,对监测节点布局和相应的监测覆盖进行分析,如图5所示。该区域东起民院路以东的云南开放大学,西至建设路,南起文林街,北至学府路。云南大学、昆明理工大学和云南民族大学等高校,云大附中和实验中学等中学集聚于此,每年研究生招生考试、司法考试、公务员考试、高考、中考等重大国家级和省级考试在此区域频繁举行,多年来,每次考试都是利用无线电监测车完成考试保障工作,但昆明市无线电监测车数量有限,价格昂贵,使用成本高,而且监测效果欠佳,因此,有必要在该区域建设网格化监测网。
该区域对考试作弊常用的450 MHz频段必须实现无死角覆盖,由仿真可知,450 MHz频段市区覆盖半径约为2 950 m,同时该区域也是昆明市电子产品商业区和人口密集区,因此,还应该对Wi Fi使用频段进行监测,2 400 MHz频段的覆盖半径约为760 m,考虑到该区域建筑物相对较低,因此监测节点间距取1 km较为合适。如图5所示,1号节点位于开放大学教学楼楼顶上,监测高度达到40 m左右,可以与2号和4号节点构成TDOA定位;2号节点位于昆明理工大学图书馆,监测高度25 m左右,该区域建筑物均不高,与1号、3号和4号节点构成TDOA定位;3号节点位于版筑翠园小区楼顶,监测高度均达到约120 m,与2号和4号节点构成TDOA定位,监测效果理想;4号节点位于大学怀周楼,该点站址海拔高度几乎达到规划区域最高点,监测效果最佳。由图5可以看出,在该区域布置以上4个监测站点,可以实现对主要学校区域的完全覆盖。
4 结束语
“互联网+”时代已经到来,“智慧城市”已进入实质性建设阶段,无线电事业发展对于经济建设和人民生活也越来越重要,无线电管理工作也面临着新的挑战与改革,网格化管理方式是解决当前无线电管理粗放型、被动型等问题的有效途径。本文通过对网格规划、站点部署进行分析研究,并以昆明市翠湖周边区域为例进行网格化监测网的监测站点部署,为将来各大中城市实施网格化无线电监测系统的建设提供了理论基础。
摘要：网格化无线电监测网是以原有无线电监测网为基础,通过在特定区域布放大量监测传感器节点建设而成,有效提高了无线电监测覆盖率和精细化监测程度,使无线电管理更加科学化、智能化。针对目前国内大中型城市无线电监测普遍面临的问题,选取无线电波传播模型仿真无线信号覆盖范围。仿真结果表明,无线电信号有效覆盖范围与传播环境、信号频率密切相关。根据仿真结果确定网格大小,并以昆明市电磁环境较为复杂的翠湖周边区域作为网格规划的试点目标区域,根据该区域的地理位置、地形地貌、人口密度和区域重要性等因素,探索完成了该区域内无线电网格化监测网监测站点布局规划。