网格化无线电监测网监测站点布局规划探索

何敬松，宗　容，刘　刚，王若男

(云南大学 信息学院，云南 昆明 650599)



网格化无线电监测网监测站点布局规划探索

何敬松，宗容，刘刚，王若男

(云南大学 信息学院，云南 昆明 650599)

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。

无线电；监测网；网格化管理；监测节点

0　引言

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。

图1　网格化无线电监测层次结构示意

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150MHz和400MHz频段(专用对讲机使用频率)以及900MHz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450MHz频段；重点要害区域主要以WiFi为重点监测对象，相应监测频段为2 400MHz频段。

10日前后，江汉、江淮、西南地区东部、江南大部、华南北部有一次小到中雨过程，其中江南北部和西部、华南西北部的局地大到暴雨。15日起，西北地区东部、青藏高原及中东部地区将出现一次较大范围降水和降温过程。

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。

2.2.1Okumura-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：

Lb=69.55+26.16lgfc-13.82lghb-α(hm)+

(44.9-6.55lghb)lgd。

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 500MHz；hb为监测站天线有效高度，有效范围30～200m；hm为移动天线台高度，有效范围1～10m；d为传输距离，有效范围1～35km；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：

Lbc=Lb-4.78(lgfc)2+18.33lgfc-40.94。

2.2.2Cost231-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 500MHz的信号，Cost231-Hata模型预测更为准确[16-17]。其经验公式为：

Lb=46.3+33.9lgfc-13.82lghb-α(hm)+

(44.9-6.55lghb)lgd+Cm。

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36dBm)信号，设定规划城市为昆明市，楼层高度为90m，天线高度为5m，信号源发射功率为30dBm(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。

图2　Okumura-Hata模型仿真

图3　Cost231-Hata模型仿真

频率/MHz市区/km郊区/km开阔区/km1507.4211.8040.724502.955.3619.069001.683.4213.0112001.332.8711.3115001.112.5010.21

表2　Cost231-Hata模型不同地形传播范围

可以看出，在市区环境中，对于频率为2 400MHz、发射功率为1W的信号源，监测站点的有效覆盖范围为760m，而且随着频率增大，覆盖范围减小。是否按照760m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10km[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WiFi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。

图4　监测节点部署

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。

图5　监测节点部署及监测覆盖示意

该区域对考试作弊常用的450MHz频段必须实现无死角覆盖，由仿真可知，450MHz频段市区覆盖半径约为2 950m，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WiFi使用频段进行监测，2 400MHz频段的覆盖半径约为760m，考虑到该区域建筑物相对较低，因此监测节点间距取1km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40m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25m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120m，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。

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何敬松男，(1989—)，硕士研究生。主要研究方向：无线电监测与定位。

宗容女，(1962—)，教授。主要研究方向：光纤通信、计算机通信系统、智能信息处理和电磁波技术。

Exploratory Research on Node Layout Planning of Grid Radio Monitoring Network

HE Jing-song,ZONG Rong,LIU Gang,WANG Ruo-nan

(SchoolofInformationScienceandEngineering，YunnanUniversity,KunmingYunnan650599,China)

Based on the original radio monitoring network,grid radio monitoring network is formed by setting a large number of monitoring sensor nodes in a specific area.It enhances the coverage ratio and accuracy of radio monitoring effectively and makes radio management more scientific and intelligent.To solve the general problems of radio monitoring in large/medium cities of China at present,a radio wave propagation model is used to simulate the coverage radius of radio waves.The simulation result indicates that the effective coverage radius of radio signals is closely related to the propagation environment and the signal frequency.According to the simulation result,the scale of the grid is determined.Finally,selecting the area surrounding Cuihu Lake as a planning pilot area,in which the electromagnetic environment is very complex,the monitoring nodes layout is accomplished according to the geographical location,topography,regional importance,population density and other factors of the area selected.

radio;monitoring network;grid management;monitoring node

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.09.07

2016-05-18

TN98

A

1003-3106(2016)09-0028-05

引用格式：何敬松,宗容,刘刚,等.网格化无线电监测网监测站点布局规划探索[J].无线电工程,2016,46(9):28-32.