2016-11-29 17:12:00
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1.1 研究背景和意義
目前國防科研及應用領域中，應急通信具有很大的應用前景。因為我國是自然災害頻發的國家之一，尤其是近年隨著國民經濟的快速發展，生產規模的持續擴大，災害造成的各項損失也在逐年增長。然而，隨著通信技術的不斷發展，一旦出現災害，有效的通信技術手段將能夠起到在緊急情況下挽救生命、保證財產和降低損失的關鍵作用[1-8]。
在災害發生的情況下需要通信聯絡保持暢通，是國家對重大事件反應能力的標志，是綜合國力的象征。在關鍵時刻如何保持國家、政府部門、企業、組織和個人之見的通信，也就是如何發展應急通信技術，已經引起了科研機構、相關企業及學者們越來越多的關注。
應急通信具有很大的綜合性[9-10]，涉及多個通信領域，涵蓋衛星通信、無線集群、固定電話網絡、移動通信網絡、計算機網絡、互聯網、以及近年來興起物聯網，甚至包括廣播、電視網絡等。實際上，應急通信技術是以多個通信領域的技術為基礎的，并在此基礎上充分考慮應急通信的特殊性，建立和完善在各種應急場景下解決應急通信問題的科學理論和技術方法。最終，多種通信領域及相關領域的技術方法應用于應急通信，同時應急通信的發展也能夠促進其它相關領域的發展，起到相互促進共同發展的作用。
在應急通信領域中空基通信信息平臺是近年國內外的發展趨勢，目前空基通信信息平臺是我國信息化建設中的薄弱環節，其中超視距通信主要手段有短波通信和衛星通信。傳統的短波通信手段受電離層不穩定影響，通信質量不高，且信道容量小，組網能力偏弱，數據通信受到限制。衛星通信目前還處于起步發展階段，可用的衛星通信資源較少，同時采用衛星通信或飛機作為空中中繼平臺實現超視距通信的成本是很大的，并且也不可能在極短的時間內充分部署。因此，需要一種技術手段，能夠做到在較低的成本下快速部署通信系統，成為了亟需解決的問題。
本論文所研究的系留氣球作為浮空平臺實現通信中繼，可以在成本較低簡單易行的條件下提供大范圍、全天候、多功能的通信服務。其已是現代應急通信領域里較為先進的技術和目前的發展方向。
系留低空氣球搭載超短波及微波通信設備作為浮空通信平臺具有以下優點：
（1） 具有全天候工作、滯空時間長等特點，尤其適合為公共突發緊急事件提供應急通信保障；
（2）服務對象廣，可靈活搭載各種通信資源，從而為突發事件的快速、有效的指揮協調，應急處理提供多種通信手段；
（3）高機動性，易于布置，該系統即可布置于城市也可以布置于偏遠山區；
（4）采用短波及微波通信作為超視距通信手段，比短波通信穩定性高，受季節和晝夜變化的影響較小，通信質量比較短穩定；
（5）采用超短波通信，天線尺寸小，結構簡單、增益較高，從而可用功率較小的發射機。
其上述優點，說明系留氣球作為浮空平臺是可行的，并且具有廣泛應用的可能。
針對于應急通信領域需要快速部署，并要求成本最低的特點，隨著近年智能技術的不斷發展，其中近年來發展起來粒計算能夠有效切快速的優化空間布局。本文將基于粒計算的基本理論和思想, 將空間中的各個系留低空氣球進行粒化,以假想最優分布下的通信組合狀態為目標序列,以系統優化空間布局計算條件下的通信組合狀態為無限接近目標序列的函數序列,應用粒的相似度概念進行此函數序列與目標序列之間粒的相似度計算,確定出在實際中最能接近給定假想最優分配下的目標序列所對應的最優空間分布,從而為優化分配決策提供重要依據。
本研究借鑒國內外應急通信發展的經驗，結合我國應急通信的實際需求，希望通過對應急通信平臺、系留低空氣球和基于粒計算的空間優化分配的研究，能夠對空基通信信息平臺提供積極的參考意見。
1.2 升空超視距及系留氣球通信研究
1.2.1 升空通信的發展現狀
升空通信平臺與衛星等通信系統相比,具有靈活性較強、投資成本較少,安全可靠等優點,可應用于地震、洪澇之害等搶險救災應急通信中,用于山谷、叢林及水域等復雜地形的通信保障以及作為大范圍遠距離的通信手段。
由于應急通信特有的臨時性、快速性等要求，為滿足其基本要求國內外提出了應急升空通信這一概念。其多采用系留無人直升機、飛艇、系留氣球等近地空間的航空器作為載體，根據通信方式和用途將無線通信設備安裝在載體上，從而可以在更為廣闊的空間內實現無線通信的覆蓋。也就是說，升空通信平臺就是采用各種近地空間航空器將無線信號的天線升高達到電波的超視距通信，可以做到在空中中繼或交換擴大通信區域的一種手段，從而可以滿足應急通信的應用需要。
顯然改變天線高度是解決無線通信覆蓋范圍的主要方法之一，尤其是在地形復雜的通信環境，可以改善受地形、地物和地球曲率的影響，從而減小電波在地形復雜的環境下的傳播影響，顯著的改善了通信鏈路質量。因此，利用近地航空器搭載無線通信載荷逐漸成為了當前國內外解決這一問題的主要研究思路和應用熱點。
總的來說，我國在浮空器領域的發展起步較晚，在我國系留氣球的研究20世紀80年代才開展，研究規模也不大，而系留無人直升機出現的則更晚。然而，隨著科技的發展關鍵技術和理論的突破，人們逐漸發掘浮出空器的研究價值，尤其是在應急通信領域有著寬闊的應用前景。因此20世紀90年代不少工業發達國家進入了研制浮空器的高潮期，我國也是在這一背景下開始大量投入相關領域，并在近期產出了大量應用成果。
1.2.2 升空通信平臺比較
從與空氣質量對比的角度出發，近地航空器可以分為兩類，重于空氣質量的航空器和輕與空氣質量的航空器。比如多翼系留直升機、系留無人機等就是重于空氣質量的航空器，而輕與空氣質量的航空器也叫浮空器，主要是氣球和飛艇兩類。
由于系留無人機的結構簡單且飛行性能良好，在設計、制造及運維的成本都較低，所以近年來也逐漸被應用于軍用及民用領域。但在不少應用場景中由于電池的能力限制了其應用的范圍，其最主要的問題就是載荷能力與電池容量的矛盾，因此這類航空器一般設計為結構小、質量輕竟可能載荷小的情況下增加其連續工作時間。
系留無人機作為通信系統的承載平臺，具有可快速部署、靈活、輕便、起降環境要求低等特點，可以實現地面幾十公里半徑的覆蓋區內快速部署保證可靠的帶寬通信。但受限于其載荷能力、能源持續時間等因素，雖然其很早就在中繼通信中起步，但早期只能選用中大型固定翼無人機或無人直升機作為通信平臺。這樣反而導致其體積大、地面保障系統復雜，回收成本高等問題，還引入了一些航空管制，飛行空域協調的問題。所以近幾年，隨著電機和電池技術的發展，直流無刷電機和高能鋰電池、多旋翼協同控制等關鍵技術的突破，微小型的多翼無人直升機逐步被廣泛應用。結合系留供電和通信信號，系留多翼無人直升機目前已經可以勝任一些專用領域的應用，包括應急通信平臺的浮空系統。將系留微小型無人機作為中繼通信系統的主要優勢包括如下：
1）機動靈活，部署簡易
其重量輕、體積小、便攜性強，單人即可完成發射和回收作業，易于在野外環境下快速作業。由于其采用無線中繼可以快速建立通信鏈路，易于控制升降，能夠根據需求控制中繼覆蓋范圍。
2）無地形限制
由于采用升空無線通信，因此無線通信的障礙物較少，通信質量更為可靠。
3）可靠性高、成本低
由于微小型飛機的結構簡單，所以造假很低。因此，可以在一個區域內部署主備兩套通信鏈路，某一套鏈路出現故障則自動喚醒另一套工作。
與系留直升機不同，系留氣球則是一種自身不提供動力，依靠氣球內填充比空氣質量輕的氣體，依靠浮力升空的浮空器。其具有滯空時間長、有效荷載大、部署簡單靈活、造價低廉的特點。因此將其作為一種搭載平臺，用于搭載通信設備的綜合信息平臺非常合適，因此其應用極為廣泛，如：通信中繼、防災監控、電子干擾、災情預警等公共安全和民用領域。
尤其在近年，材料科學、電子技術和氦氣提純技術等關鍵技術的突破，系留氣球系統的價格和維護成本有著明顯優勢，在應急通信領域也得到了越來越多的青睞。根據需要，系留氣球的體積可從幾百立方米到幾萬立方米，升空高度從幾十米到幾千米。一般對于通信中繼而言微小型機動式系留氣球的體積一般在300~400立方米以下，升空高度大約400米以內，其主要具有操作簡易、機動性強的特點。
作為升空通信平臺浮空器主要采用系留浮空器，也就是由纜繩栓系固定住浮空器，依靠浮空器內部的比空氣輕的氣體，借助浮力、氣動升力升空，升空后利用浮空器和載荷的整體重力以及纜繩的拉力處于動態平衡的狀態，使其固定在特定空間高度長時間駐留。纜繩本身還可以設計成兼顧供電和信號傳輸的綜合纜繩。
系留氣球作為浮空平臺其具有如下特點：
1）滯空時間長
其滯空時間一般是以天為單位計算，較飛行器以小時為單位遠在不同數量級。其幾乎不受其它因素的影響，只受故障維修、天氣等因素的影響。
2）通信范圍廣
作為搭載通信中繼的平臺，其可以完成超視距的通信任務，在山區通信中可以讓山脈兩側的通信人員無障礙通信。
3）可靠性高
由于其采用氦氣作為升力氣體，而氦氣是一種惰性氣體，不易燃危險性小。一般其氣囊中會設計多個獨立的小氣室，并且填充壓力較小，因此空中的可靠性高。另一方面，系留氣球囊體的材料是無金屬的軟體結構，因此不受通信天線的形狀和尺寸限制，且透波率高幾乎不影響通信質量。
綜上所述，就應用與應急通信平臺而言，系留微型機具有機動靈活、部署簡易、無地形限制、可靠性高、成本低的優勢，但也存在升空高度低、續航能力弱、對通信天線設計有要求的劣勢，而系留氣球在升空高度、續航能力和可靠性方面更能滿足應急通信中的通信中繼的要求，因此更具有在應急通信平臺的應用前進。
就目前應用與應急通信的浮空平臺主要包括系留氣球、無人機、有人機和平流層飛艇等，其對比如表1。
|
項目 類型 |
系留氣球 |
無人機 |
有人機 |
飛艇 |
|
升空高度 |
高 |
中 |
低 |
很高 |
|
續航能力 |
很強 |
一般 |
中 |
很強 |
|
天線要求 |
無 |
中 |
高 |
無 |
|
有效荷載 |
大 |
小 |
大 |
很大 |
|
成本造價 |
低 |
低 |
高 |
高 |
對比上述平臺，系留氣球有著較高的升空優勢和很強的續航能力，同時對于中繼天線的設計幾乎無要求，其強大的荷載能力降低了通信設備的中要求，加上其低廉的造價，是建立應急通信的承載平臺的最佳選擇。
1.3 本文在應急通信中的研究范圍
1.3.1 應急通信概述
應急就是在突發事件中必須立即處理的事件，那么相應的“應急通信”(Emergency communication)也就是針對突發事件的通信保障[11-20]。一般而言，應急通信不僅僅是一種通信方式，而是一組支持不同應急需求、適應不同環境的通信保障方式。就應急功能結構而言，應急通信可根據通信層次不同、通信網絡結構不同、應用對象不同分為多種應急通信網絡系統。具體而言，應急通信網絡包括公用網絡、專用網絡等，按專業可以劃分為用戶終端網絡、接入網絡、傳輸網絡，骨干網絡等，因此應急通信網絡是多種通信網絡的綜合體現。
一般而言，應急通信主要發生在公用電信網絡發生嚴重破壞，沒有足夠的網絡資源的前提下采取的通信措施。本文主要針對在災害發生的時候最為迫切需要的恢復的通信鏈路，用于保證救援的通信鏈路溝通以及民用鏈路的正常使用。如基礎固定設施的通信系統以及供電系統破壞，甚至癱瘓導致現有通信措施無法工作所采用的應急通信。
本文所研究的浮空平臺應急通信系統是將基站通過系留氣球作為浮空載體，從空中向下覆蓋目標區域的應急通信系統。浮空平臺與地面之間的傳輸鏈路以微波為主，衛星通信為輔。其空中信號干擾小覆蓋面積大，可以方便的與地面救災人員進行語言、數據、文本和視頻信息溝通。
1.3.2 保密通信與微波中繼通信
一般而言，在應急救援中為了確保通信的隱秘性和提高抗干擾能力，需要采用跳頻技術[21-25]。其是相對于定頻而言的，跳頻本身是設置一個跳頻規律，只要竊聽者不知道這一規律很難截獲信號。另一方面，采用跳頻也可以提高抗干擾能力，因為即使有些頻段被干擾，信號依然可以工作在其它頻段。跳頻通信一般用于窄帶通信，因為其是瞬時窄帶系統，并且其可以很好的兼容其它的窄帶通信系統。 常規而言通信雙方的跳頻圖案是協商一致的，同步的按照相同的跳頻規律跳變。但是由于救援工作的特殊性，提出了自適應跳頻，并增加相應的頻率自適應和功率自適應。本論文主要采用350MHz的警用專用頻段的跳頻通信。
由于跳頻主要滿足窄帶業務的需要，對于寬帶業務則通過其它頻段的微波傳輸。所謂微波通信是指利用波長在1m~1mm，頻率從300MHz~300GHz的電磁波做信息載體的通信方式[26-39]。由于其繞射能力弱，其容易被反射，所以通過浮空平臺可以使其避開障礙物。由于其一般直線傳播，所以在視距范圍內傳播，只有通過中繼接力的方式可以使其成為超視距的傳播。由于其頻寬范圍大，所以可以利用微波中繼組件多媒體、影像、數據、文本的傳輸。
一般而言通過將天線及通信設備置于浮空平臺升空到300~400米的空中，可以實現較遠的傳輸距離，為了保證通信的可靠性，可以通過在間隔距離增加中繼站，中繼站接收天線把前一站傳來的微波信號接收下來，加以變頻和放大，再從另一天線轉發到下一站，如此接力直到終端站，就組成了一個中繼網絡。那么合理部署中繼網絡也是一個對應急通信影響的關鍵因素，這就需要中繼覆蓋優化。
1.3.3 中繼覆蓋優化
應急通信中繼網絡能夠實現快速部署的前提是有一套有效的部署方案，而如何保證方案可以通過最少的中繼設備完成最大范圍的覆蓋問題，是部署優化所要解決的關鍵問題。
覆蓋問題中最常見也是研究重點的是區域覆蓋。目標區域中每一處都至少處在一個中繼覆蓋范圍，這就是區域覆蓋問題。研究區域覆蓋的時候通常還會和連通性約束一起考慮。連通性是中繼網絡的通信基礎，網絡連通性是指網絡中所有的中繼站都與其它中繼站通過多跳的方式進行通信。對于覆蓋區域來說，連通性是必須要保證的，因為如果不連通或不完全連通就失去了中繼的意義。因此，區域覆蓋問題和連通問題被合并稱為連通覆蓋問題（connected coverage problem）。也是近些年很多文獻主要討論的連通覆蓋優化問題[40-50]。
本論文主要采用粒子群優化及其改進算法，借鑒Nor等人提出的利用Voronoi Diagram覆蓋優化算法，提出自己的覆蓋優化算法[51-60]。在標準粒子群算法的基礎之上，改進其再搜索高維函數時容易出現的容易陷入局部最優化的缺陷，并且在搜索局部最優的時間內，有充足的時間搜索出盡量多的局部最優值，而后使的改進后的PSO能在較短的時間內由進入全局最優，改進的PSO收斂速度以及搜索能力都得到提高。然后通過Java7開發語言實現基于離散二進制粒子群算法（BinaryPSO，BPSO）以到達優化中繼布局的決策支持。
1.4 論文的研究內容和章節安排
本課題主要包括三個研究任務，即應急通信系統、系留低空控制系統和空間布局優化系統。其中應急通信與系留低空的結合目前的技術應用趨勢，能夠利用浮空平臺擴大通信的覆蓋范圍，可以快速部署通信站滿足應急這一特點。基于粒計算的空間布局優化，將智能算法應用于系留低空通信平臺能夠很好解決如何快速的優化部署浮空通信平臺。通信系統和浮空控制系統重點在系統設計，而改進的粒計算優化重點在算法設計，最后通過仿真實驗說明研究結論。
本論文的主要目的是研究應急通信系統、系留低空控制系統和空間布局優化系統三個主題上。具體章節劃分如下：
第一章 緒論
第二章 突發事件現場應急通信技術
第三章 系留低空控制子系統設計
第四章 應急現場通信子系統設計
第五章 空間布局優化設計
第六章 總結與展望。
第2章 突發事件現場應急通信技術
2.1 系留低空通信平臺系統定義
2.1.1 應急通信的應用場景分析
由于應急時間存在諸多不確定性，如發生時間、事件類型、發生地點等，這就需要針對應急通信的應用場景進行歸納總結做系統分析，通盤考慮并羅列如下設計重點問題：
（1）及時性
系統能夠在緊急情況發生的情況下，立即做出相應，根據實際情況快速部署通信系統。因此，系統設計時需要考慮在成本可控的條件下如何快速部署一套通信鏈路，對通信系統起到很好的保障。
（2）可靠性及安全性
由于我國地理結構復雜的客觀條件，災害可能發生在任何區域，山區、平遠、城市及城市周邊、河流等都可能出現應急通信的需求。因此系統必須能夠克服地形的復雜，保障通信質量和可靠性。還需要考慮一些救災的特殊要求，例如信息的保密、信號的抗干擾能力的設計。
（3）信號覆蓋廣
信號的可靠性和通信質量都是建立在信號的覆蓋廣基礎之上的。系統能夠有能力給通信鏈路部署提供決策支持，以最小的代價最優的部署通信系統。
（4）操作簡易
由于災情是緊急事件，受災地區又可能是在偏遠地區或專業人員少的地區。那么系統需要設計成操作簡易，可以快速培訓迅速上手。因此需要系統功能應該簡單化、模塊化。
（5）造價低易維護
由于不能使成本成為應急通信的制約，必須在系統設計時就考慮設計出結構簡單實現可靠的系統。其主要系統制造成本在浮空器上，所以浮空器的選型和設計是降低造價的關鍵。系統的維護主要就是系留氣球和通信站，所以其必須模塊化和結構化，便于維護和更換。
2.1.2 系統定義
以浮空系留氣球作為空中中繼平臺，轉發電磁波信號，在多個地面站之間中繼轉發，可以克服障礙物的阻隔和電磁波的反射所帶來多徑效應，減小通信陰影。顯然浮空平臺搭載超短波和微波通信其的高度越高，通信覆蓋范圍越大，傳輸距離越遠。升空高度和通信距離的關系如下近似公式（2.1）表示：
（2.1）
其中R為A、B兩地之間的近似視距即服務半徑，h為升空高度。考慮大氣的折射時，標準大氣壓的情況可以通過公式（2.2）表示。
（2.2）
由式（2.2）可知，當平臺高度在300米左右，其覆蓋半徑大約為71千米。 由此可以推測出浮空中繼通信的范圍和部署策略。
據此，系統可以定義為三個部分構成：系留氣球平臺部分、載荷通信設備部分以及覆蓋優化決策支持部分。系留氣球平臺部分包括系留氣球、系留纜繩和地面保障設施等構成。載荷通信設備部分包括超短波跳頻電臺、窄帶濾波器、超短波天線、微波中繼設備以及根據任務需求的其它通信載荷設備等。覆蓋優化決策支持部分則通過改進后的粒計算算法對中繼設備的覆蓋給出優化的決策支持。
通過上述三個部分，可以起到合理的部署中繼設備的同時，通過升空平臺提高中繼天線，從而達到在應急情況的通信可以覆蓋更寬闊的通信范圍的作用。
2.2 應急通信技術分析
2.2.1 應急通信與現場信息
就我國地形地貌的實際情況而言，應急通信系統的建設復雜性不言而喻。一般一個完整的應急通信系統，一方面要解決應急專網與公網的融合，采用各種通信手段，無線通信與有線通信相融合，本地通信與遠程通信相融合。另一方面要使全網指揮統攬全局，并在基層考慮機動性、靈活性和抗干擾性等要素。
顯然，應急通信的綜合性要求很高，涉及的通信專業和領域也很多。主要涵蓋短波通信、衛星通信、移動通信、無線集群、固話網絡、計算機網絡、互聯網、廣播廣電網絡等。從應急現場處理的主要信息而言，主要是音頻、圖像和視頻信息以及其它位置信息，這些都是構成應急響應信息的基礎數據。
音頻信息一般都是以數字信息處理對模擬音頻信號采樣，常用的有8位、12位、16位等量化位數，其質量也是依次遞增，其需要傳輸的信息量也越大。如果既要保證音頻的質量又要保證其傳輸的效率，一般采用壓縮算法。常用的壓縮算法包括G.7XX系列和MPEG-X等系列標準。
對于視頻信息的數字化處理一般包括兩種方式即復合數字化和分量數字化。同音頻信號類似，其一般為8位、10位和12位量化，目前為保證信號質量常采用12位量化。為處理實時視頻通信ITU定義了以H.26X命名的一系列標準，其中比較適合應急通信具有較高的抗誤碼性能的標準是H.264。
就本平臺而言，主要處理的信息是音頻、圖像、視頻信息和文本等信息。因此平臺的設計主要在這幾類信息的處理上。
2.2.2 應急現場無線通信技術
應急通信就是要盡快建立一套通信系統，將現場的信息通過通信接口對接傳送到遠端或指揮中心，由后方指揮統一部署統籌安排。由于其環境復雜這一特點決定了一般采用無線通信技術作為主要通信手段。目前，常見的無線通信手段包括：無線自組網網絡、Mesh網絡、寬帶無線接入系統、集群移動通信系統、微波中繼通信系統和浮空平臺。
無線自組網是一種不需要固定基礎設施也能自動組建的網絡，也叫Ad hoc網絡。Ad hoc實質是省去了無線中介設備而建立的對等網絡結構，相當于無線雙絞線的作用，因此其網絡一般處在應急通信網絡系統的末端位置。
Mesh網絡的結構呈現于網狀分布的無線接入點間的相互協作，其可以動態組網、自動配置、自己維護。其由兩類節點構成，Mesh路由器和Mesh終端。Mesh路由器具有中繼、網關及Mesh間路由的功能。由于Mesh路由器具有多種無線接口，所以其終端的形式可以是多樣的，所以一般Mesh網絡用于終端接入。
寬帶無線接入系統，主要是一種傳送技術。目前比較成熟的系統有：LMDS、MMDS、WiMAX、MiWAVE、McWiLL以及無線光接入系統等。其中無線光接入系統，可以理解為無需光纖的光通信系統。典型的FSO能夠支持155Mb/s ~ 10Gb/s的傳輸速率，傳輸距離在2~4km之間。
集群移動通信系統一般是一種資源共享型、費用共同分攤、共用信道設備及服務的多用戶、多用途、高效能的無線專用調度通信系統。
微波中繼通信系統，是以微波作為通信介質，并通過中繼設備接力的方式在地面上進行無線電通信。其可以通過調節天線控制方向提高增益，由于其頻帶寬因此其抗干擾能力強。一般根據天線高度其地面距離已在30~40km范圍進行中繼，可以跨越湖泊、江河、高山、沼澤等特殊的地理環境
浮空平臺具有靈活性較強、投資成本較少,安全可靠等優點,可應用于地震、洪澇之害等搶險救災應急通信中,用于山谷、叢林及水域等復雜地形的通信保障以及作為大范圍遠距離的通信手段。
本文主要研究的范圍是超視距的通信中繼及其應用場景，而微波中繼和浮空平臺更加符合本文所討論的應用場景。因此，本論文所主要集中研究的方面在微波中繼通信系統與浮空平臺的結合。
2.3 系留低空通信平臺技術
根據上述系統定義，本系統設計主要包括升空平臺、平臺搭載的通信站和覆蓋優化決策支持。其中升空平臺包括包括系留氣球空中部分和地面錨泊部分。系留氣球還包括氣囊、高度計、空速傳感器、加速度傳感器、飛行控制電路和控制信號處理電路等。其中平臺搭載的通信站則包括350MHz的自適應跳頻通信設備和微波中繼通信設備。覆蓋優化決策支持則通過改進后的粒計算算法對中繼設備的覆蓋給出優化的決策支持。
本文根據應急通信的基本需求及通信部署靈活簡便，能夠第一時間構建并回復災害發生地的通信鏈路的要求。主要解決超視距的微波中繼，并通過浮空平臺升高天線減少投入成本快速應急，再通過空間布局優對部署決策提供有效支撐。因此，提出設計三個子系統，即應系留低空控制子系統、急現場通信子系統和空間布局優化子系統。
應急現場通信子系統，主要處理的信息是音頻、圖像、視頻信息和文本等信息。一方面，中繼鏈路采用多套超短波電臺構成，電臺設置相同的工作參數保持通信。另一方面，系留地面站與系留球系統之間的控制通信也是采用網絡通信方式，本系統采用雙備份的通信聯絡，及有線的綜合線纜光纖通信和在光纖出現故障時的無線通信鏈路。
系留低空控制子系統，主要由空中部分和地面錨泊系統構成。空中部分搭載通信系統完成中繼及控制浮空飛行等工作；地面部分主要由絞車控制其升空高度、回收等工作。另外，地面與空中的鏈接所采用的系留纜繩為系留纜、通信光纖和電纜三合一的設計。即能夠控制系留氣球的高度及空中姿態，還能夠提供能源并和防雷裝置配合起到避雷作用，同時還可以為系留球的其他模塊相互通信提供控制通信支持。
空間布局優化子系統，主要采用粒子群優化及其改進算法，借鑒Nor等人提出的利用Voronoi Diagram覆蓋優化算法，提出自己的覆蓋優化算法。在標準粒子群算法的基礎之上，改進其再搜索高維函數時容易出現的容易陷入局部最優化的缺陷，并且在搜索局部最優的時間內，有充足的時間搜索出盡量多的局部最優值，而后使的改進后的PSO能在較短的時間內由進入全局最優，改進的PSO收斂速度以及搜索能力都得到提高。結合以無線中繼網絡為基礎的適應度函數，計算出最優覆蓋方案。通過將Voronoi圖和PSO算法結合的覆蓋，提出混合無線中繼網的覆蓋優化策略。并在傳統的求解最大覆蓋率的方法上，把最大化問題通過適應函數轉化為最小化問題，間接的求解全局的最優覆蓋。
2.4 本章小結
本章分析了應急通信的主要特點：及時性、可靠性及安全性、信號覆蓋廣、操作簡易及造價低易維護等特點。基于這些特點系統集中研究的方面在微波中繼通信系統與浮空平臺的結合。利用浮空平臺，當平臺高度在300米左右，其覆蓋半徑大約為71千米。 由此可以推測出浮空中繼通信的范圍和部署策略。并利用覆蓋優化決策支持則通過改進后的粒計算算法對中繼設備的覆蓋給出優化的決策支持。
系統主要解決超視距的微波中繼，并通過浮空平臺升高天線減少投入成本快速應急，再通過空間布局優對部署決策提供有效支撐。因此，提出設計三個子系統，即應系留低空控制子系統、急現場通信子系統和空間布局優化子系統。后續章節將對這三個子系統逐一細化及設計。
第3章 系留低空控制子系統設計
3.1 系留低空控制子系統設計概述
根據前面章節的分析及論述，系留氣球是一種比較理想的空中通信平臺，應用于應急通信有著較好的效果。隨著系留氣球的發展其需求也變得越來越多，倒置其復雜性越來越大其中最為復雜的是控制系統，其也決定了系留氣球的穩定性和精度。
以往的硬件及軟件結構，多采用單任務、直接控制硬件中斷的方式完成一些相對簡單的工作。而近年的現實需求，逐步往多任務，任務調度復雜的需求靠攏，這就使得傳統方式無法滿足實時要求、多任務并行調度、多IO等復雜的應用場景的需求。
隨著相關技術的發展，實時多任務操作系統（RTOS）已經逐步成為了嵌入式應用的基礎系統運行平臺和開發平臺，其能夠管理CPU、分配存儲、分配CPU的執行時間、管理I/O、控制中斷、執行定時器任務等軟件抽象，控制硬件打包成一個整體對應用提供服務。通常操作系統會給應用提供標準的API即應用程序接口，供應用于操作系統通信，使用操作系統提供的服務及資源。對于系留氣球的控制系統，則可以通過實時操作系統根據優先級，分配不同的任務使用CPU的執行時間片，管理各個任務的獨立或協作運行。
作為浮空平臺系留氣球，一般具備滯空時間長、能耗低、覆蓋面廣、易于使用、機動性強、維護成本低、安全可靠等特點。其一般由兩個部分構成地面錨泊系統和浮空部分。
地面錨泊系統包括系留及停泊裝置、能源模塊、地面通信模塊和監視控制系統等幾個部分構成。系留及停泊裝置控制其升空高度、回收等工作。能源模塊通過系留纜、通信光纖和電纜三合一設計的系留纜繩將能源模塊的電能傳輸給浮空部分。浮空部分與地面錨泊系統通信是通過兩端通信模塊完成相互通信，其中地面通信模塊由地面錨泊系統管理。監視控制系統是用于地面控制站控制浮空部分以及監視浮空的系統的運行故障等信息。
浮空部分則包括：結構部分、浮空通信模塊、能源控制模塊、測控系統、避雷裝置和照明系統。結構部分又包括系留纜繩、頭錐、骨架、氣囊、尾翼和整流罩。浮空通信模塊與地面通信模塊是對應的，一般會設計主備兩套系統，保持地面對空中的通信和控制。能源控制模塊是對地面傳輸上來的電源進線適配，以及備用電池等部分構成。測控系統主要包括：飛控計算模塊、雙機切換模塊、壓力調節模塊、姿態方位模塊、差壓檢測模塊和GPS模塊等。
顯然，目前的系留氣球平臺的功能已經十分復雜，設計如此多的模塊需要模塊間相互協作并行作業。所以選擇何種是操作系統是其運行及開發應用的關鍵，同時針對性的設計合理的硬件及軟件結構是對上述功能的有效支撐。
3.2 實時操作系統
根據前面的概述，系留低空控制子系統需要支持多任務的程序開發模式，因此選擇一套合適的嵌入式系統非常重要。目前適用于嵌入式系統開發的實時操作系統主要有VxWorks、uClinux、μC／OS-II和eCos四種操作系統。需要分析這四種操作系統的適用面，來判斷適合系留低空控制子系統的是哪一種實時操作系統。
VxWorks是美國WindRiver公司推出的實時操作系統，其由400多個相對獨立模塊組成，用戶可根據需求進行合理裁剪和配置。VxWorks的特點是提供任務間同步與通信、基于優先級的任務調度、定時器、中斷處理以及內存管理等功能，開發人員通過簡明易懂的編程接口可以在系統上開發符合要求的應用，在系統內核方面合理裁剪最小微縮到8 KB左右。
uClinux是一種嵌入式Linux版本，其全稱是micro-control Linux，其是一款優秀的微控制Linux適用于開源的嵌入式領域。uClinux同標準Linux相比其內核非常小，并取消了MMU內存管理單元。但其保留了Linux操作系統中主要特性，包括良好的穩定性和移植性、優秀的文件系統支持、強大的網絡功能、標準豐富的編程接口等。但是在實現多任務的編程中，由于沒有MMU其編程技巧要求較高，且代碼維護難度大。
μC／OS-II是美國嵌入式領域專家Jean J．Labrosse用C語言在μC-OS的基礎上構建起來的，其結構小巧采用搶占式的多任務實時內核。μC／OS-II最多能管理64個任務，并提供任務調度與管理、內存管理、任務間同步與通信、時間管理和中斷服務等功能，具有執行效率高、占用空間小、實時性能優良和可擴展性強等特點。
eCos全稱是embedded Configurable operating system，即嵌入式可配置操作系統。同uClinux一樣其也是一款開源的可移植和可配置的面向深度嵌入式應用的實時操作系統。其采用模塊化設計因此配置非常靈活，系統內核組件化，包括運行內核、底層運行包和C語言庫等。包括系統內核在內的所有組件均可以配置，eCos還提供豐富的配置工具使得配置非常簡便，用戶完全可以根據自身需求進行配置使用。
系留低空控制子系統主要會使用實時操作系統的任務管理、任務間互斥及同步、中斷、內存管理、文件系統等軟件功能，還必須考慮系統支持的硬件環境。同時在軟件工程的角度，還需考慮其后期可移植性和可維護性。
任務管理是實時操作系統選型的關鍵，其決定了系統性能。其需要考慮任務的優先級設置、多任務的調度協調和時間的確定性。上述四種系統中VxWorks和uCLinux比較符合系統的需要。VxWorks可以給任務分配最多256個優先級，支持兩種調度模式即優先級搶占式和時間片輪轉式，且時間的確定性也是最好的。uCLinux其類似于Linux的任務處理方式，將進程分為普通進程和實時進程，實時進程采用優先級搶占式，普通進程采用時間片輪轉式，但未對所有的嵌入式CPU進行優化，倒置其受到一些局限。
任務間互斥及同步是讓多任務在使用共享資源和操作次序能夠協調控制，讓應用能夠更好的工作在并行任務中。上述四種系統都可以很好的支持同步通信、信號量、互斥鎖和消息隊列等機制，保證同步和互斥。
中斷是考量系統和外部系統的交互能力，主要包括中斷處理機制，中斷嵌套和中斷延遲等。對于中斷而言也是有優先級策略和減少延遲的算法。四種系統在這方面均采用了不同的策略，對于嵌套中斷主要是考慮中斷堆棧的管理和溢出策略。
內存管理主要是內存分配和內存保護，內存分配主要是靜態或動態分配內存，內存保護起到了進程間使用的內存是不會干擾的。VxWorks在四個系統中是做的最好的，其支持靜態分配的Partition方式，也指出Region方式的動態分配方式。
文件系統是對文件的管理，而文件一個邏輯概念一般包括文件的存儲和文件的索引。VxWorks系統支持多種標準操作系統的文件系統，如：MS-DOS、RT-11、RFS、RAW和CD-ROM等；uCLinux則從Linux繼承了優良的文件系統支持能力幾乎可以支持所有Linux支持的文件系統；μC／OS-II和eCos則可以通過用戶配置完成支持不同的文件系統。
VxWorks、uClinux、μC／OS-II和eCos四個系統基本支持大多數主流嵌入式CPU。除μC／OS-II意外均支持從16位到64位CPU，而μC／OS-II則可以支持8位到32位的體系結構。VxWorks和uClinux要求的內存和flash均比較大，μC／OS-II和eCos根據配置可以非常小。
考慮到其應用特點，和系統平臺需要支持的功能和服務，VxWorks由于在軍事、通信及航空等領域均有應用，并積累了大量的可二次開發的應用程序接口相比其他系統具有更好的優勢。雖然，本系統中通信系統的比重比較大，uClinux也具有較好的優勢，但是對于浮空平臺的控制VxWorks則更勝一籌。最終，本系統選擇已經成熟應用于航天、航空和導彈領域的VxWorks作為平臺的實時操作系統。
3.3 系留低空控制系統硬件平臺設計
系留低空控制系統硬件平臺設計由兩個部分構成，即地面錨泊系統和浮空部分。地面錨泊系統包括系留及停泊裝置、能源模塊、地面通信模塊和監視控制系統等幾個部分構成。浮空部分則包括：結構部分、浮空通信模塊、能源控制模塊、測控系統、避雷裝置和照明系統。
其中最為復雜的幾個部分分別是上下兩個通信模塊、空中的測控系統及地面的監視控制系統。其設計結構如下圖所示：
上圖中主要包括球上和地面兩個部分。球上部分主要是用于供電、動力、傳感、網絡、GPS和計算主機的設計；地面控制部分主要對風速風向的監控、地面監控及網絡。
球上部分的設計要充分考慮到空中的情況比較復雜，因此計算和通信兩個重點部分均需要考慮備用設備，如果主用設備或線路出現故障，那么可以切換到備用設備或線路上。因此提供了兩套球控計算機連接到雙機切換板上，如果主用出現故障雙機切換板負責切換到備用上工作，滿足一般應急場景。雙機切換板對外提供控制信號給強驅動輸出模塊，由強驅動輸出模塊控制應急中繼通信系統的載荷電源、系留氣球的閥門及風機。球控計算機的設計采用體積和重量均較小的符合PC104工業控制計算機總線標準的計算機設備。
球上部分的網絡交換機相當于一個網絡總線，姿態方位、壓力調節控制、壓差檢查、風速風向等各傳感器通過網絡交換機將信息傳遞給主備兩臺球控計算機，球控計算機可以根據信息作出合理控制，發出信號控制氣球的飛行及姿態及對載荷設備的控制等。另一方面，球上和地面的控制通信，在球上也設計了兩套通信模式即有線的光纖通信模式和無線的電臺信號通信模式，有線的光纖通信模式主要是通過光端機與地面站通過光纖通信，無線的電臺信號通信模式則是通過球上和地面站之間的同頻無線信號通信。
球下地面部分的網絡通信部分和球上設計類似，也是兩套模式對接。用于接收球上的狀態，以及發送地面站的控制信號。其信息通過網絡交換機傳遞給地面的監視控制計算機，地面可以將風速風向儀檢測到的信息通過網絡傳遞給球上部分。選用在較為嚴苛環境下的工控計算機作為硬件實現。監視控制計算機通過良好的人機接口設計，地面操作人員可以非常直觀的觀察到球上和地面設備及傳感器的狀態、傳感信息、控制荷載設備、監控運行狀態等功能。當設備或空中狀態出現異常或故障的時候，能夠通過聲光電等信息即時提醒操作人員，由操作人員人工干預保證系統的正常運行。
由于應急通信系統的外部環境比較復雜極端且惡劣，所以對于系統的可靠性設計是設計的關鍵。對空中系留氣球的球控計算和地面的通信是關鍵，因此均提供了冗余設計。同時對于操作人員的用戶側也通過監控系統以聲光電的形式通知操作人員即時處理異常或故障。系統可靠性主要通過三個方面保障，即球控計算的可靠性設計、控制通信可靠性設計和故障通知設計進行保障。
球控計算的可靠性設計通過三重冗余設計保障。對于空中系留氣球的球控計算實際上有三套獨立的系統進行控制及收集信息，每套系統中都有自己獨立的軟件，因此這是三重冗余設計。其中包括兩套獨立的球控計算機，任意一套計算機出現了故障，可以由雙機切換板根據預設值自動切換，也可以人工干預由地面控制系統發送信號人工切換。如果兩套球控計算機均出現了故障，地面監控系統可以接管計算控制，依然可以由雙機切換板發送控制信號給傳感器、強驅動輸出系統及荷載控制信號。這三套系統均是獨立的系統，其控制信號同時只會有一個信號通過雙機切換板發送出去，因此可以保障球控計算的可靠性。
控制通信可靠性設計通過有線和無線兩套獨立的通信系統保障。由于系留線纜是含通信、供電和系留的三合一設計，有線主要是通過光纖傳輸信號，因此在球上和地面站均設有光端機用于控制信號的接收和發送。如果光纖出現故障，或者光端機出現故障時，則系統切換到無線保護鏈路，進而保障了控制通信可靠性。
故障通知設計是系統故障時的人機接口，通過聲光電的形式提醒操作人員系統工作異常，如壓力異常、通信鏈路故障或球控計算機故障等。系統提供豐富的通知形式，用戶也可以根據自身需求進行設置。
系統通過上述三種保障，從球控計算、控制通信和人機交互三個方面保障了系統的可靠性，使得系統能夠更好的在應急場景可靠運行。
3.4 系留低空控制系統軟件平臺設計
根據上述應急設計，其軟件一方面是在球控計算機上的嵌入式軟件，另一方面是在地面站上的控制軟件。球控計算機上的嵌入式軟件的操作系統根據上面章節的選型，選擇VxWorks作為實時操作系統平臺以保證多任務、實時性等系統需求，而其主要應用功能包括對閥門、風機、載荷設備的控制；對傳感器數據的信息收集解析及傳感器的控制；與地面通信站的實時通信。地面站上的控制軟件以通用Linux作為操作系統平臺，利用跨平臺、移植性好的Java作為基礎控制開發軟件，其有著良好的人機交互界面，目前Java7已經有了豐富的應用程序接口以及豐富的人機交互接口，對并行任務的支持和圖形化操作界面均提供良好的支持。而地面監視控制系統的數據庫采用穩定且開源的Mysql作為數據庫系統存儲應用數據，其有著良好的事務控制能力和在標準SQL支持的前提下提供了豐富的擴展應用程序接口。
系統的主要流程，按照發起點可以分為兩個流程，一個是由嵌入式應用的球控計算程序發起的球控流程，另一個是由地面監視控制系統發起的操控流程。
其中球控流程主要是由球控計算程序接收來自諸如風力風向、姿態方位、壓力控制等傳感器通過IP交換網絡發送過來的傳感信息。然后解析這些信息，判斷當前系留氣球的狀態，并將狀態或分析出的故障通過控制通信網絡（光端機或無線信道）上報給地面監視控制系統。再根據其狀態產生控制命令通過強驅動輸出控制閘門、風機或外部荷載電源等。這一套流程主要是在嵌入式應用中體現，在VxWorks平臺進行開發。
其中操控流程主要是由地面監視控制系統發起，首先其通過控制通信網絡接收來自球上或地面傳感器的信息，然后通過解析信息，如果是故障則以聲光電的形式通知操作人員。操作人員可以根據當前系留氣球的狀態由人工操作或已設置的程序通過控制通信網絡發送控制命令遠程控制系留氣球及球控計算程序本身。
根據上述主要操作流程，可以將系統主體模塊設計為如下圖所示的結構。
根據上圖所示，其虛線及剪頭主要表達了信息的從一個模塊到另一個模塊的流向，方框表示了模塊本身。上圖中重點模塊主要是球控計算模塊和地面監控模塊。
球控計算機上的嵌入式軟件分別部署在兩套獨立的球控計算機上做冗余配置。嵌入式實時操作系統采用VxWorks，由信息采集、球控計算、任務控制和控制輸出四個模塊構成，每個模塊都是一個獨立的進程。VxWorks采用優先級搶占式使用CPU，如果優先級相同則通過時間片輪詢，系統優先級從高到底可以從0到255共256個優先級使用。其中控制輸出是優先級最高的為40，因為要保證控制命令的實時性；其次是信息采集為55，因為其接收來自傳感器或其它網絡信息不能讓對端等待太久保證信息的時效性；再次是任務控制模塊為80，其主要是定期輪詢各個傳感器、網絡設備、看門狗等設備定期采集或發送心跳喂食等；優先級最低的是球控計算，其主要是從信息采集模塊的緩沖區中獲取信息，根據各種狀態進行邏輯處理，再將處理結果寫入命令緩沖區。
地面站上的控制軟件系統是基于Java7實現的，數據庫采用Mysql作為數據庫平臺。其由通信交互模塊、信息解析模塊、控制模塊、狀態故障處理模塊和用戶交互模塊構成。
通信交互模塊是雙向的通信模塊，其即負責接收來自球上系統的信息，如球上傳感器信息，獲取來自球控系統處理后的信息。也用于發送地面站上的控制軟件系統發給球上系統的控制信號。
信息解析模塊用于解析來自球上傳感器信息，以及來自球控系統處理后的信息，解析后以消息形式發送給控制模塊。如解析氣囊壓力傳感器的壓力信息、解析球上風速風向信息、解析氣球姿態信息、解析故障告警等信息。
控制模塊接收來自信息解析模塊解析后的信息，根據該信息的不同類型做不同的處理，如果是故障信息則交給狀態故障處理模塊處理，否則由其自身處理。如對氣球姿態信息在對比預設參數后進行調整并輸出給用戶交互模塊展示給用戶。
狀態故障處理模塊接收來自控制模塊接收到的故障信息，其可以處理如球上或地面系統工作異常、氣囊壓力異常、通信鏈路故障或球控計算機故障等故障，以告警形式輸出到用戶交互模塊。一般告警有優先級、告警級別、告警源、告警原因和處理意見等信息。
用戶交互模塊，可根據不同的類型的信息以圖形化方式展示給用戶，如氣球的3D虛擬姿態圖像，各個設備的工作狀態定位等信息。當接收到告警，則根據告警級別，告警源定位到氣球上不同的位置，以不同的顏色和聲音通知給操作用戶。
3.5 本章小結
本章先從現實系統需求出發，分析了以往系統多采用單任務、直接控制硬件中斷的方式完成一些相對簡單的工作的特點。而近年的現實需求，逐步往多任務，任務調度復雜的需求靠攏，這就使得傳統方式無法滿足要求，這就需要所選實時操作系統能夠支持任務管理、任務間互斥及同步、中斷、內存管理、文件系統等軟件功能，還必須考慮系統支持的硬件環境。同時在軟件工程的角度，還需考慮其后期可移植性和可維護性。最終，本系統選擇已經成熟應用于航天、航空和導彈領域的VxWorks作為平臺的實時操作系統。
系留低空控制系統硬件平臺設計由兩個部分構成，即地面錨泊系統和浮空部分。地面錨泊系統包括系留及停泊裝置、能源模塊、地面通信模塊和監視控制系統等幾個部分構成。浮空部分則包括：結構部分、浮空通信模塊、能源控制模塊、測控系統、避雷裝置和照明系統。系統設計主要從硬件和軟件兩個方面進行，硬件設計主要集中在上下兩個通信模塊、空中的測控系統及地面的監視控制系統；軟件設計主要包括兩個方面一方面是在球控計算機上的嵌入式軟件，另一方面是在地面站上的控制軟件。
由于應急通信系統的外部環境比較復雜極端且惡劣，所以對于系統的可靠性設計是設計的關鍵，在硬件的設計上通信和計算兩個部分均采用了不同形式的冗余方案保障可靠性。球控計算機通過雙機切換板保證了兩套球控計算機可以在故障的時候及時切換，即使兩套球控計算機均出現故障也可以通過地面控制保障球控的三重冗余設計；有線和無線兩套通信方式保證了系統通信出現故障的時候依舊可以有效完成信息的采集及控制信號的傳輸。
球控計算機上以VxWorks作為實時操作系統平臺以保證多任務、實時性等系統需求，而其主要應用功能包括對閥門、風機、載荷設備的控制；對傳感器數據的信息收集解析及傳感器的控制；與地面通信站的實時通信。地面站上的控制軟件以通用Linux作為系統平臺，利用跨平臺、移植性好的Java作為基礎控制開發軟件，其有著良好的人機交互界面，并采用穩定且開源的Mysql作為數據庫系統存儲應用數據。最終，系統根據由嵌入式應用的球控計算程序發起的球控流程和由地面監視控制系統發起的操控流程完成對整個系留低空控制系統的控制。
借助系留氣球將中繼通信荷載升空后，重點設計就是中繼通信本身，下一章將重點放在平臺的荷載及浮空平臺本身的通信控制上，即應急中繼通信系統和系留氣球通信控制系統。
第4章 應急現場通信子系統設計
4.1 應急系統概述
根據上文系統定義中，本系統的應急現場通信子系統，主要處理的信息是音頻、圖像、視頻信息和文本等信息。系統為滿足超視距的通信應用場景，采用浮空平臺作為載體通過中繼通信的方式完成整個應急通信系統。上一章節中已經完成了浮空平臺的設計，本章著重于浮空平臺的載荷任務即通信中繼系統的設計。
上述信息中語音通話業務是最為基礎也最為重要的一個通信業務，其要求通信的實時性、可靠性和保密性，因此采用窄帶傳輸更為合適。而圖像、視頻信息和文本等信息對于信息的延時和可靠性相對較低，但是信息量較大，所以采用寬帶傳輸更為合適。
對于窄帶傳輸，在應急救援中為了確保通信的隱秘性和提高抗干擾能力，需要采用跳頻技術。其是相對于定頻而言的，跳頻本身是設置一個跳頻規律，只要竊聽者不知道這一規律很難截獲信號。另一方面，采用跳頻也可以提高抗干擾能力，因為即使有些頻段被干擾，信號依然可以工作在其它頻段。跳頻通信一般用于窄帶通信，因為其是瞬時窄帶系統，并且其可以很好的兼容其它的窄帶通信系統。 常規而言通信雙方的跳頻圖案是協商一致的，同步的按照相同的跳頻規律跳變。但是由于救援工作的特殊性，提出了自適應跳頻，并增加相應的頻率自適應和功率自適應。本論文主要采用350MHz的警用專用頻段的跳頻通信。
由于跳頻主要滿足窄帶業務的需要，對于寬帶業務則通過其它頻段的微波傳輸。所謂微波通信是指利用波長在1m~1mm，頻率從300MHz~300GHz的電磁波做信息載體的通信方式。由于其繞射能力弱，其容易被反射，所以通過浮空平臺可以使其避開障礙物。由于其一般直線傳播，所以在視距范圍內傳播，只有通過中繼接力的方式可以使其成為超視距的傳播。由于其頻寬范圍大，所以可以利用微波中繼組件多媒體、影像、數據、文本的傳輸。目前主要應用于系留氣球進行無線通信頻段是UHF，這也是由于系留氣球和無線電傳播原來決定的。本文也主要采用UHF作為主要通信頻段進行設計。
由于應急通信存在其環境的復雜性和特殊性，在設計上窄帶設備和寬帶設備是分離的，他們具有獨立的供電系統、獨立的電路板和接口，可以說是兩套完全分離的設備。
4.3 寬帶通信系統
在系統設計上寬帶通信需要考慮適用性和有效性方面來考慮，基于這三點VHF/UHF均能符合。就適用性而言，目前大多數系留氣球的無線通信都采用VHF/UHF頻段作為寬帶傳輸。這是由于浮空平臺將通信設備帶到高空，而VHF/UHF以近似于直射波的形式傳播，到了一定高度其受地球曲率和地形的影響就很小了。由公式（2.2）可知，設備天線越高則其覆蓋范圍就越大，那么作為中繼的兩端如果都上升到一定高度時，其相應的傳播距離也就更遠。根據這一物理特性決定了VHF/UHF是非常適用于浮空平臺的寬帶中繼的。
通信距離和質量是衡量有效性的參考指標，在設計上需要考慮發射機輻射功率、天線效率、接收機性能等諸多因素。根據公式（2.2）可知，當平臺高度在300米左右，其覆蓋半徑大約為71千米，覆蓋面積約為3.1萬平方公里左右。相比衛星的覆蓋面積，雖然系留低空的覆蓋面積要小，但是若以衛星的高度其信號強度要達到系留低空相同的效果則需要數萬倍的發射功率。因此，采用系留低空其發射功率相對較低，通過中繼通信可以在應急場景達到衛星類似的效果，但是價格非常低廉。相比地面微波通信中繼系統，其距離更遠覆蓋面積更大，當升空至300米左右相當于2座地面站的效果。
就中繼需求而言，主要集中如下方面：
1）設備供電通過浮空平臺荷載適配電源供電，設備輸出功率不大于3W；
2）所用VHF/UHF頻段在2.4GHz的實時寬帶信號轉發；
3）由于升空需求靈敏度可達-138dBm以保障2.4GHz傳輸條件下71km左右的遠距離通信需求；
4）其動態范圍不低于-60dB以保障在轉發帶寬范圍即時出現強信號的時候也能正常工作；
5）對系留氣球設備無電磁干擾，保證電磁兼容；
6）滿足浮空平臺的荷載要求，即重量輕、體積小、功耗低。
中繼的轉發過程是首先被系留氣球荷載中繼通信設備接收被轉發信號然后變頻再轉發給地面接收設備，地面設備接收后做信號還原，最后功分輸出多路信號解調制，因此設計時會設計空中中繼接收和地面還原多路調制兩套系統。系留氣球上的空中中繼轉發設備作用是接收中繼VHF/UHF信號，再還原成N波段信號通過轉發天線發射給地面設備。地面接收設備的作用是接收被轉發的N波段信號，將其變頻為VHF/UHF信號，然后通過功分器輸出多路信號交由解調制處理。
空中中繼轉發設備的供電部分由系留低空控制系統進行控制，其由四個模塊構成：低噪放模塊、中頻處理模塊、變頻模塊和功率放大模塊。如下空中中繼轉發設備結構框圖所示：
低噪放模塊負責接收VHF/UHF信號并放大輸出給中頻處理模塊，這一級為信號預放大對整個系統起到關鍵作用，選用合適的放大芯片是解決噪聲系數的關鍵。
中頻處理模塊對信號繼續放大，起到二級放大的作用和濾波的作用。其中濾波采用了多路電調濾波，可以將多個窄帶并行傳輸以避免強干擾信號對整個頻帶的功率壓制。
變頻模塊是將VHF/UHF信號轉變為N波段信號。本模塊的關鍵是選用符合2.4GHz帶寬要求的芯片。
功率放大模塊將N波段信號繼續放大，起到第三級放到的作用以提高射頻信號的增益，滿足輸出功率需要。
地面接收設備由噪聲放大器、變頻、中頻處理器、2.4GHz的本振及電源模塊構成。此外，所用放大器、衰減器、功分器均為符合2.4GHz寬帶器件。地面接收設備框圖如下所示：
根據設計需求設備輸出功率不大于3W，地面設備距離系留氣球約為300~400米的距離，加之存在N波段的高頻載波信號，因此到達地面接收端可能存在信號迅速衰減的現象，這就要求信噪比在25dB。
通過升空實驗檢驗系統設計的效果基本符合預期。實驗過程是首先設立一個距離地面終端約70km左右的發射源，發射功率為20W。當系留氣球停泊地面是信噪比在[0~1]dB范圍，隨后系留氣球荷載中繼設備逐步攀升至離地約400米左右的空中，通過頻譜分析儀對地面設備的信噪比和電平進行檢測。其信噪比結果如下圖：
如上圖所示，隨著系留氣球的攀升，中繼轉發能力也逐步提高，基本符合預期結果。因此，本系統設計基本可以達到設計預期，滿足設計需求能夠應用于應急通信的中繼需求。
4.4 本章小結
本章主要介紹了應急現場通信子系統的設計，其主要是以中繼方式完成超視距的信息傳輸。由于系統主要傳輸的信息是音頻、圖像、視頻信息和文本等信息。為滿足上述信息的中繼傳輸需求，分別采用了窄帶和寬帶兩種傳輸手段。窄帶通過350MHz的警用專用頻段的跳頻通信，主要中繼語音通話業務。多媒體及文本信息采用VHF/UHF頻段的無線通信技術作為中繼載體。
采用350MHz的警用專用頻段的跳頻通信，即通信雙方的跳頻圖案是協商一致的，同步的按照相同的跳頻規律跳變。但是由于救援工作的特殊性，提出了自適應跳頻，并增加相應的頻率自適應和功率自適應。最終開發出XN2500HTD系列自適應跳頻網絡電臺，經過測試系統達到設計要求，滿足應急通信對自適應跳頻網絡電臺的需求。
將寬帶設計為滿足設備供電通過浮空平臺荷載適配電源供電，設備輸出功率不大于3W；所用VHF/UHF頻段在2.4GHz的實時寬帶信號轉發；由于升空需求靈敏度可達-138dBm以保障2.4GHz傳輸條件下71km左右的遠距離通信需求；其動態范圍不低于-60dB以保障在轉發帶寬范圍即時出現強信號的時候也能正常工作；對系留氣球設備無電磁干擾，保證電磁兼容；滿足浮空平臺的荷載要求，即重量輕、體積小、功耗低。
從信號的收發過程考慮，設計了兩套系統即空中中繼接收和地面還原多路調制。空中中繼轉發設備的供電部分由系留低空控制系統進行控制，其由四個模塊構成：低噪放模塊、中頻處理模塊、變頻模塊和功率放大模塊。地面接收設備由噪聲放大器、變頻、中頻處理器、2.4GHz的本振及電源模塊構成。最后通過試驗，設計基本可以達到設計預期，滿足設計需求能夠應用于應急通信的中繼需求。
到目前位置已經完成了系留氣球及控制部分和中繼通信荷載的設計，那么將其升空后，如何優化部署能夠保障最大化覆蓋率問題將是下一個設計重點。下一章將重點浮空通信平臺的位置優化部署上，即要找到一個能夠有效的部署以提高網絡的覆蓋范圍和服務質量的方法。
第5章 部署優化設計
5.1.浮空平臺位置部署問題分析
5.1.1問題分析
中繼網絡的部署優化問題，就是要找到一個可以有效的部署方法提高網絡的覆蓋范圍和服務質量。就目前的關于中繼網絡部署的理論研究主要集中在兩類場景，即設備覆蓋范圍固定的情況和設備覆蓋范圍不固定，且收到資源配置限制因素。
設備覆蓋范圍固定，是指每個設備覆蓋的范圍是以設備為圓心半徑為Rs的圓，兩個通信距離在Rc范圍以內。
通常在運營商的中繼網絡中，每種設備有著不固定的覆蓋范圍，且受到功能控制、設備配置和系統性能等因素的限制。在每個給定目標區域的情況下，要給出一個系統最優的設備部署。
就本論文討論的范圍而言主要集中在設備覆蓋范圍固定的應用場景。一般而言，在系統性能固定的情況下，考慮設備部署覆蓋范圍最大化是最優的結果。而信道容量和中斷概率是衡量系統性能的兩個常用指標。其中，中斷概率是指接收端信噪比低于給定門限的概率即傳輸失敗的概率；而信道容量則是指發端通信鏈路所能達到的數據速率的上限。
目前學術界主要采用規則圖樣或者非規則圖樣兩種方式部署設備。規則圖樣適用于規則平面或無界，而非規則圖樣相反適用于有限且不規則的平面。
當采用規則圖樣部署設備時，平面被劃分為規則的部署圖樣。設備被部署在圖樣的頂點處。最優的部署圖樣部署最少的設備為平面提供p覆蓋q連通。在p覆蓋約束下，平面上任意一點至少p個設備的距離不大于Rs。在q連通約束下，每個設備至少在q個距離不大于Rc的相鄰設備。
典型的移動通信架構蜂窩網絡，在每格區域設置一個基站，其形狀類似于“蜂窩”的結構。正三角形為1覆蓋0連通約束下的最優部署圖樣，以設備為中心其覆蓋區域為6個正三角形，構成一個正六邊形。其結論是以相同半徑的圓形覆蓋平面，當圓心處于正六邊形的中心，那么所用圓的數量最少。即投入最少的設備，保證了覆蓋率。
但是，一般的p覆蓋q連通約束下的最優部署圖樣依然是個開放性問題。應急通信中地形一般不是規則的平面，且通信也是也是有限范圍內的。而非規則圖樣采用數值仿真算法獲得設備部署點，通過數值仿真算法考慮目標區域的形狀、障礙物等因素。顯然，應急通信的中繼網絡部署優化，是需要通過非規則圖樣方式優化部署的。
5.1.2非規則圖樣
非規則圖樣一般采用數值仿真算法，其算法主要包括粒子群優化算法、遺傳優化算法、計算幾何算法和虛擬勢場算法等。簡而言之，非規則圖樣算法，無法通過多項式時間內求解，即是一個NP問題。實際場景中中繼網絡覆蓋優化，很早就已經被證明了在很多場景下是一個NP完全問題，這個問題是由于實際應用中部署環境差異、網絡配置以及覆蓋目標等特性導致的。所以覆蓋只能達到近似最優解，并且存在誤差，且執行效率無法保障，因此所用算法主要是考慮如何降低誤差，且控制執行精度的前提下提升執行效率。
計算幾何算法主要興起于1970年左右，計算幾何算法基于幾何圖形，求解實際的優化問題。在設備部署領域，計算幾何算法采用的幾何圖形主要為Voronoi圖和Delaunay圖。當采用Voronoi圖時，平面被Voronoi圖分為若干多邊形區域，每個區域包含一個設備作為節點。區域內任意一點到該區域中的相鄰設備部署點構成Delaunay圖。即Voronoi圖的多邊形區域代表設備的覆蓋范圍，Delaunay圖的頂點代表設備的部署點。
粒子群優化算法是1995年，Russell Eberhart和James Kennedy提出的，該算法通過一群粒子的隨機移動搜索優化問題的最優解。基于評價準則，記錄已經搜索的粒子中的最優粒子。當前時刻，粒子的移動方向取決于記錄的最優粒子和隨機擾動。
將應急通信的中繼網絡優化目標定義為最大化覆蓋率范圍問題，其評價準則就是最大化平面的覆蓋率。平面的覆蓋率可以通過將平面劃分成若干個區域，所覆蓋的區域占平面劃分的區域總數的比值表示。不同的中繼設備可以理解為多個在平面上有區別的點，若按最鄰居關系劃分平面，且每個設備與他Rc范圍的區域關聯，那么就構成了一個中繼網絡的Voronoi圖，覆蓋率就通過其覆蓋Voronoi連接點數的比率。可以利用改進粒子群優化算法，中繼設備的個數通過粒子群的個數表達，每個粒子群中的粒子代表一個設備的位置信息，粒子的降維操作可以有效降低算法的復雜度。
遺傳優化算法是上世紀70年代有John Holland提出的，其思想基于達爾文的進化論，其本質就是通過遺傳機制和自然選擇進行擇優搜索。其過程是，首先初始化多個候選解作為父代；根據遺傳、突變產生子代；最后根據優化目標從父代和子代中選擇優良品種形成新的候選。經過若干次迭代直到最終結果。可以將不同的中繼設備的不同覆蓋范圍作為候選，優化目標設置為最少設備最大覆蓋范圍，進行迭代優化。
虛擬勢場算法是1986年Oussama Khatib提出的，在設備部署領域，根據優化目標、障礙物、設備間距離等因素，構建虛擬勢場。根據虛擬勢場構建力場。力場包括引力場和斥力場。引力場使得設備向提高系統性能的方向移動。斥力場使得設備與障礙物和相鄰設備保持一定的距離。但是采用該算法的設備主要為移動設備，所以不適用于本文所探討的中繼網絡。
本論文主要采用粒子群優化及其改進算法，借鑒Nor等人提出的利用Voronoi Diagram覆蓋優化算法，提出自己的覆蓋優化算法。在標準粒子群算法的基礎之上，改進其再搜索高維函數時容易出現的容易陷入局部最優化的缺陷，并且在搜索局部最優的時間內，有充足的時間搜索出盡量多的局部最優值，而后使的改進后的PSO能在較短的時間內由進入全局最優，改進的PSO收斂速度以及搜索能力都得到提高。結合以無線中繼網絡為基礎的適應度函數，計算出最優覆蓋方案。通過將Voronoi圖和PSO算法結合的覆蓋，提出混合無線中繼網的覆蓋優化策略。并在傳統的求解最大覆蓋率的方法上，把最大化問題通過適應函數轉化為最小化問題，間接的求解全局的最優覆蓋。
5.1.3 算法性能的主要指標
應急中繼網絡的服務質量與可靠性，都與其部署策略及覆蓋優化算法有很大關系。而應急系統除了要求部署覆蓋率高還要求及時，因此一個好的評價標準對于分析連通覆蓋問題起著關鍵作用。一般來說通過下述指標能夠較好的評價算法的優劣。
1）覆蓋能力：中繼網絡是以網絡中繼轉發控制為主要目標，因此它對其通信覆蓋能力有要求。
2）系統性能：中繼網絡最終還是一個通信網絡，因此其網絡節點間的連通性、網絡服務質量、信道容量和中斷概率是衡量系統性能常用指標
3）網絡生存時間：由于采用系留氣球作為浮空平臺，且是在發生災難的前提下部署的應急通信中繼網絡，其外部環境比較惡劣，如綜合纜繩故障導致控制和供電問題，天線損毀導致通信問題。因此，算法必須考慮這類約束。
4）算法精度：由于應急通信中繼網絡已經被證明是一個NP完全問題，所以所采用的數值優化搜索算法，比如會產生誤差，如何減小誤差提高算法精度，這是算法選擇和優化的關鍵內容之一。
5）算法復雜性：由于同一個算法，其實現的不同可能導致其算法的復雜性差異。算法復雜度一般可以轉化為時間復雜度、實現復雜度和通信復雜度來綜合考慮。
除了上述討論的指標，現實情況還需針對環境、成本、網絡動態性和可擴性等考慮，同時網絡協議有效包、控制報文等也是要綜合考慮的。
5.2.基于改進粒子群優化算法的浮空平臺位置部署方法
5.2.1 標準粒子群優化算法
粒子群算法與遺傳、蟻群等算法相近，都是通過對“群體”與“進化”這種相同概念加以利用，算法在每次迭代過程中根據對個體通過適應度函數數值評估其進化結果選擇下一代，反復迭代快速收斂。但是微粒子群算法又與以往的進化算法有差異，其將每個粒子個體理想化為在多維搜索空間中沒有重量沒有體積的一個粒子，并在設定的多維搜索空間中以相應的速度移動，粒子個體以往的移動數據以及群體歷史移動數據都和每個個體當前的移動速度緊密聯系，個體移動必須依據此來做出動態調整。當前的所有關于粒子群算法的理論都是基于在帶慣性權重的粒子群算法的研究基礎之上的，只在其上進行一定的擴展或改進，試圖研究出變異粒子群算法以適合某個特定的應用領域。為此，國際上定義了一種標準粒子群算法（BPSO）。
最早1995年Kennedy和Eberhart提出的算法參數是固定的，而且速度更新公式里沒有引入慣性權重這個參數，雖然他們所提出的算法在很多方面性能比其它進化算法都具有一定的優勢，但對于某些領域的實際應用歸納出來的特殊優化函數角度比較差。隨著粒子群的研究發展，各種新思維的出現，粒子群算法的創始人Shi和Eberhart在深入研究及改善算法的工作中，受到各種啟發而提出慣性因子w線性遞減的改進算法，慣性權重的引入，粒子群算法在各個性能均得到了改善。隨著粒子群算法的推廣，更多領域的研究人員加入進來試圖把粒子群引入相應的領域，更多的粒子群算法被開發出來應用與不同的領域。隨著越來越多的理論及實際應用研究的進行，國際上逐漸形成了一致的做法，就是把慣性因子的粒子群算法為標準粒子群算法。
粒子群算法需要綜合考慮搜索空間的維數、粒子群的個體數目等因素進行迭代進化。每次迭代其算法都會根據以下(5.1)和(5.2)公式更新粒子的移動速度和位置。
(5.1)
(5.2)
其中i=1,2……，m，d=1，2，……D。m為粒子群的個體數目，D表示搜索空間的維度，k為當前進化次數。v表示粒子的移動速度。則表示第i個粒子的第d個維度的下一代粒子的移動速度。w表示慣性權值，由公式(5.3)表示。那么就是要參考當前代的移動速度并結合慣性權值。r1和r2為[0,1]之間的隨機數，c1和c2是加速因子，z表示粒子個體在D維搜索空間中的矢連位置。pi和pg分別為第i個粒子個體在截止本代的最優值和整個粒子群在截止本代的最優值。那么公式(5.1)表述的就是第i個粒子的第d個維度的下一代粒子的移動速度,是由當前代的移動速度并結合慣性權值，并考慮上兩組隨機值固定的加速因子與個體最優及群體最優下的位移。所以其即考慮了個體因素又考慮了群體因素，并且還加入了慣性權值的概念。(5.2)表示下一代位置的調整是由下一代的速度與本次的位置和決定的。
其中，慣性權值公式如下：
(5.3)
其中wmax、wmin、itermax分別為當前最大慣性權值、當前最小慣性權值和最大進化次數，k表示第k次進化。顯然，慣性權值的引入對算法的影響比較大。因此，目前諸多研究中，都在對此項加以調整以適應自身領域的應用，換句話說改進粒子群算法的主要工作就是調整該權值項。
5.2.2改進粒子群算法
隨著粒子群算法的發展，研究者提出在公式中引入一些參數可以提高算法的搜索能力，因此慣性權值就被引入到粒子群算法以達到此目的。創始人Shi和Eberhart將慣性權值引入是開拓性的，這給粒子群算法在不同領域的應用優化帶來了極大的適應能力。
對于本文的應急中繼網絡覆蓋優化問題上，粒子群的適應度函數是一個高維函數，如果采用標準的粒子群算法對高維函數進行搜索，那么搜索結果必然出現失真。為此，基于相關研究成果對高維函數的改進，根據目前的應用需求結合線性代數對算法進行定量分析，對慣性權值公式（5.3）改進得出如下公式：
（5.4）
對比公式（5.3）與公式（5.4），若設Wmin=0，Wmax=1很明顯公式（5.4）的慣性權值w隨著迭代次數的增加會出現更為顯著的線性向下的收斂。公式（5.4）所得函數呈現一條曲線，而公式（5.3）則呈現一條直線，這就說明了新的公式可以對高維度適應函數的規律在粒子群算法執行過程中動態分配時間，而不是簡單的線性均勻分配時間。從而也就是說明了改進的公式（5.4）能夠更好的應用于應急中繼網絡覆蓋優化問題上。
之所以這樣改進，其本質就是由于算法執行早期改進后w變化緩慢，這就可以讓算法可以在成千上萬的適應度函數值中仔細搜索，盡可能把局部最優值都搜索出來，保證了局部搜索最優解。而算法執行到中期，斜率變化就非常迅速了，迭代次數的增長依舊但是搜索范圍很快減小，搜索算法也就不會陷入局部最優。而到了末期，情況與早期搜索類似就利于在高維適應度函數中找到全局最優解。
將公式（5.4）帶入到公式（5.1）可以得到如下公式（5.5）形成優化后的粒子群算法。
（5.5）
假設中繼網絡區域為二位平面定義為A區域，在A區域內投放若干浮空中繼節點，若每個中繼節點間電波發射/接受半徑R和中繼通信覆蓋半徑r相同，部署N個中繼節點，則中繼節點集合Z={z1,z2,z3,z4……,zn}，其中zi=
為方便處理可以將區域A柵格化為m * n的點陣，點陣上的任意點I的坐標可以表示為（X,Y），點I是否被覆蓋可以理解為點I到中繼節點的距離是否小于等于r。距離可以通過如下公式（5.6）表達：
（5.6）
判斷任意點I是否被覆蓋，可以通過如下公式（5.7）表達
（5.7）
即在距離范圍內就是被覆蓋，否則沒有，其取值只能是1或0。如果中繼節點足夠多，那么完全可能出現一個點被多個中繼節點覆蓋。若Z’為Z的子集，若A(Z’)為A中被Z’覆蓋的點，則覆蓋率可以定義為公式（5.8）：
（5.8）
若在區域A柵格化后有m個坐標點，若隨機分布D個中繼通信設備，則整個粒子群有m個粒子，每個粒子有D個維度。綜合考量多種版本的粒子群算法，本文采用基于離散二進制實現的粒子群算法（BinaryPSO，BPSO），因為其具有良好的性能，且實現合理。離散二進制就是將D個維度以二進制0或1串的形式表示，即第i個粒子Xi=
（5.9）
可按如下流程實現BPSO，具體流程如下：
1）根據柵格化給定m個粒子，及迭代次數和預期覆蓋率
2）在給定一個速度范圍，然后根據速度范圍隨機生成初始速度；
3）結合公式（5.9）初始化每個粒子的D維序列；
4）根據公式（5.7）和（5.8）計算覆蓋率Yi，即每個粒子中各個維度的覆蓋率序列；
5）根據公式（5.5）更新粒子的速度，根據公式（5.9）跟新粒子的位置；
6）重新計算每個粒子的區域覆蓋率，然后與pi比較，如果新的覆蓋率高，則重置pi；
7）根據公式（5.8）重新計算所有區域的覆蓋率，與pg比較如果新的值高則更新pg；
8）判斷是否達到迭代次數或已經滿足預期覆蓋率，如果是就退出，否則就返回3）繼續。
根據上述程序流程通過Java7開發語言，進行模塊化設計，實現粒群子類、迭代模式類、算法流程控制類，在設計數據接口。程序可以自動提取地理信息系統的區域柵格數據，讀取程序的默認初始化，然后自動粒子群化，通過BPSO計算出最優結果以報表形式展示最終用戶。最后，將此中繼覆蓋率優化算法變成服務接口，供地面控制中心訪問輸出浮空平臺的優化決策支持建議。
5.3仿真實驗與分析
在Linux內核2.6下搭建Java7的運行環境，硬件由主頻為2.2GHz雙核CPU、4G內存、硬盤為320G組成。部署開發后的應用程序，從地理信息系統中讀取20*20的柵格數據，模擬部署20個浮空中繼設備，設中繼設備間的通信半徑為3個單位，覆蓋半徑為6個單位，且每個中繼的效果一致，將初始化參數配置到預配置文件中，Vmin=0，Vmax=6，Wmin=0，Wmax=1，iter=2000。
運行仿真程序，得到如下圖所示的效果：
如上圖所示，覆蓋率接近78%，所部署的浮空中繼只需要9套，且每套浮空中繼的見還可以繼續中繼傳遞。最終，算法設計通過仿真實驗與分析，根據分析結果證明了算法設計基本符合預期設計，能夠很好的優化應急通信的中繼網絡覆蓋率。雖然算法在中繼規模較大的場景下，覆蓋率的性能不是非常理性，但是基本可以滿足實際應用。并且其算法實現簡單可靠，易于后期維護，切收斂速度非常快，因此算法的實際應用價值較高。
5.4本章小結
本章在前述章節的基礎上，主要研究系留氣球浮空平臺載荷中繼通信設備的中繼網絡覆蓋優化問題。中繼網絡的部署優化問題，就是要找到一個可以有效的部署方法提高網絡的覆蓋范圍和服務質量。主要采用粒子群優化及其改進算法，借鑒Nor等人提出的利用Voronoi Diagram覆蓋優化算法，提出自己的覆蓋優化算法。
覆蓋優化算法主要是以慣性權值為切入點，對原始公式進行改進以滿足應急中繼網絡覆蓋優化問題。然后通過Java7開發語言實現基于離散二進制粒子群算法（BinaryPSO，BPSO）。通過模塊化設計，實現粒群子類、迭代模式類、算法流程控制類，在設計數據接口。程序可以自動提取地理信息系統的區域柵格數據，讀取程序的默認初始化，然后自動粒子群化，通過BPSO計算出最優結果以報表形式展示最終用戶。最后，將此中繼覆蓋率優化算法變成服務接口，供地面控制中心訪問輸出浮空平臺的優化決策支持建議。
最終，算法設計通過仿真實驗與分析，根據分析結果證明了算法設計基本符合預期設計，能夠很好的優化應急通信的中繼網絡覆蓋率。雖然算法在中繼規模較大的場景下，覆蓋率的性能不是非常理性，但是基本可以滿足實際應用。并且其算法實現簡單可靠，易于后期維護，切收斂速度非常快，因此算法的實際應用價值較高。
第6章 總結與展望
我國是自然災害多發國，近年來應急通信的發展逐步成為主流趨勢。在應急通信領域中空基通信信息平臺是近年國內外的發展趨勢，目前空基通信信息平臺是我國信息化建設中的薄弱環節，其中超視距通信主要手段有短波通信和衛星通信。本文采用將浮空平臺與中繼通信相結合的設計思想，結合粒計算的部署優化策略，以填補這方面的應用不足。截止本章，基于智能空間布局優化的系留低空應急通信系統設計已經基本完成。
本文根據應急通信的基本需求及通信部署靈活簡便，能夠第一時間構建并回復災害發生地的通信鏈路的要求。主要解決超視距的微波中繼，并通過浮空平臺升高天線減少投入成本快速應急，再通過空間布局優對部署決策提供有效支撐。因此，提出設計三個子系統，即應系留低空控制子系統、急現場通信子系統和空間布局優化子系統。
應急現場通信子系統，主要處理的信息是音頻、圖像、視頻信息和文本等信息。一方面，中繼鏈路采用多套超短波電臺構成，電臺設置相同的工作參數保持通信。另一方面，系留地面站與系留球系統之間的控制通信也是采用網絡通信方式，本系統采用雙備份的通信聯絡，及有線的綜合線纜光纖通信和在光纖出現故障時的無線通信鏈路。
系留低空控制子系統，主要由空中部分和地面錨泊系統構成。空中部分搭載通信系統完成中繼及控制浮空飛行等工作；地面部分主要由絞車控制其升空高度、回收等工作。另外，地面與空中的鏈接所采用的系留纜繩為系留纜、通信光纖和電纜三合一的設計。即能夠控制系留氣球的高度及空中姿態，還能夠提供能源并和防雷裝置配合起到避雷作用，同時還可以為系留球的其他模塊相互通信提供控制通信支持。
空間布局優化子系統，主要采用粒子群優化及其改進算法，借鑒Nor等人提出的利用Voronoi Diagram覆蓋優化算法，提出自己的覆蓋優化算法。在標準粒子群算法的基礎之上，改進其再搜索高維函數時容易出現的容易陷入局部最優化的缺陷，并且在搜索局部最優的時間內，有充足的時間搜索出盡量多的局部最優值，而后使的改進后的PSO能在較短的時間內由進入全局最優，改進的PSO收斂速度以及搜索能力都得到提高。覆蓋優化算法主要是以慣性權值為切入點，對原始公式進行改進以滿足應急中繼網絡覆蓋優化問題。然后通過Java7開發語言實現基于離散二進制粒子群算法（BinaryPSO，BPSO）。通過模塊化設計，實現粒群子類、迭代模式類、算法流程控制類，在設計數據接口。程序可以自動提取地理信息系統的區域柵格數據，讀取程序的默認初始化，然后自動粒子群化，通過BPSO計算出最優結果以報表形式展示最終用戶。最后，將此中繼覆蓋率優化算法變成服務接口，供地面控制中心訪問輸出浮空平臺的優化決策支持建議。
同時本文在一些設計上也存在一些不足，主要在如下幾個方面：
1）在天線設計上存在一些不足，如可以在中繼系統的地面部分增加天線伺服跟蹤分系統與系留氣球的姿態結合以跟蹤發射天線，以提高信號功率和質量。
2）算法在中繼規模較大的場景下，覆蓋率的性能不是非常理性，同時收斂速度仍有待提高。
后續本系統還將持續開發，在實際環境接受檢驗，由實際環境及用戶提出更多的寶貴意見，逐步完善次序改進。
