CN106888440A - 一种基于usrp的应急通讯系统和方法 - Google Patents

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张光林
任佳杰
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Abstract

本发明涉及一种基于USRP的应急通讯系统，包括USRP应急通讯设备、便携式终端、移动终端和指挥终端；所述USRP应急通讯设备、便携式终端和移动终端组建一个局域网，并在所述局域网内以广播方式在特定频段向局域网内所有可正常使用的移动终端发送文本信息；所述移动终端根据文本信息回复，并下载救援专用脚本文件；所述脚本文件根据预先设定的算法计算并且定位所述移动终端的位置；所述移动终端自动将定位信息通过USRP应急通讯设备建立的连接发送给所述指挥终端；所述指挥终端与移动终端之间建立连接实现语音通信。本发明还涉及一种基于USRP的应急通讯方法。本发明能够缩短搜索被困人员时间，提高救援效率。

Description

一种基于USRP的应急通讯系统和方法
技术领域
本发明涉及应急救援技术领域，特别是涉及一种基于USRP的应急通讯系统和方法。
背景技术
从第一代(1G)蜂窝无线通信开始，通信已经经历了2G、3G变革，现阶段4G通信技术基本成熟，5G相关标准协议的制定已经被提上日程，与此同时，由于半导体行业相关技术的成熟，通用软件无线电外设(USRP)应运而生，从本质上讲，它可以充当无线电通讯系统的数字基带和中频部分，所以USRP能够在特定频段发射特定的信号实现与其他移动终端的通信，在此基础上组建应急网络。
在一些特定情况下，通信运营商的信号范围不能覆盖或者直接陷入瘫痪状态不能使用，尤其是发生了一些严重的自然灾害以后，例如地震，洪水等，根据国际救援组织的统计，自然灾害发生以后的72小时是救援被困人员的黄金时间，但是目前的被困人员搜索工作十分艰难。目前的搜索方案主要是人工地毯式搜索以及使用生命探测仪进行搜索，但是人工效率低，而仪器成本太高，不能大规模使用。因此提出一种成本低，可靠性高的有效应急通讯方案有着重大意义。
USRP体积小，功能完善，性能可靠，只需要与移动电脑连接就能够模拟实现基站的主要功能，另一方面，智能移动终端设备已经全面普及，可以达到平均每人一部的密度，因此只要能够与可用的智能移动终端实现通信，就可以找到许多被困人员，同时还可以通过预置算法得到被困人员的具体位置信息，指定可行的救援方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于USRP的应急通讯系统和方法，能够缩短搜索被困人员时间，提高救援效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于USRP的应急通讯系统，包括USRP应急通讯设备、便携式终端、移动终端和指挥终端；所述USRP应急通讯设备、便携式终端和移动终端组建一个局域网，并在所述局域网内以广播方式在特定频段向局域网内所有可正常使用的移动终端发送文本信息；所述移动终端根据文本信息回复，并下载救援专用脚本文件；所述脚本文件根据预先设定的算法计算并且定位所述移动终端的位置；所述移动终端自动将定位信息通过USRP应急通讯设备建立的连接发送给所述指挥终端；所述指挥终端与移动终端之间建立连接实现语音通信。
所述文本信息包括安抚信息、求助信息的发送方法和求助信息的发送地址。
所述USRP应急通讯设备和便携式终端在GMS通信频段建立通信频道，实现组建局域网。
所述GMS通信频段上行890MHz-915MHz，下行935MHz-960MHz。
所述局域网的拓扑结构为星形，使用CSMA/CA协议。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种基于USRP的应急通讯方法，其特征在于，使用上述的应急通讯系统，包括以下步骤：
(1)利用USRP应急通讯设备和便携式终端组建一个局域网，并在所述局域网内以广播方式在特定频段发送文本信息；
(2)局域网内所有可正常使用的移动终端接收到所述文本信息；
(3)所述移动终端根据文本信息回复，并下载救援专用脚本文件；
(4)所述脚本文件根据预先设定的算法计算并且定位所述移动终端的位置；
(5)移动终端自动将定位信息通过USRP应急通讯设备建立的连接发送给指挥终端；
(6)指挥终端与移动终端之间建立连接，实现语音通信。
所述步骤(1)中USRP应急通讯设备建立MAC地址表，并向除USRP应急通讯设备之外的所有接入设备发送文本信息。
所述建立MAC地址表的方式为：USRP应急通讯设备先向周围广播发送指定格式的MAC帧，接收到MAC帧的终端自动向邻近站点发送自己的MAC地址，USRP应急通讯设备接收到MAC地址以后汇总，所有的MAC地址只在地址表中出现一次。
所述步骤(1)中当局域网组建完成后且USRP应急通讯设备建立MAC地址表后，所有的连网设备会被分配一个号码用于建立语音连接。
所述步骤(4)中预先设定的算法为通过与当前距离最近的USRP应急通讯设备发送预置脚本中指定的数据包，根据接受测量到的信号强度与回复数据包之间的时延计算当前位置。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明具有较高的实用性，通过便携类型的高度集成化通用无线电外设组建网络，安放节点方便，组建网络快速可靠，缩短搜索被困人员时间，提高救援效率；本发明具有网络适应性，可以直接在运营商频段实现通信，兼容性强，覆盖范围广，并且应用场景广泛，成本可控，可多次反复利用。
附图说明
图1是本发明的部件连接图；
图2是本发明的连接拓扑图；
图3是本发明的工作流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种基于USRP的应急通讯系统，包括USRP应急通讯设备、便携式终端、移动终端和指挥终端；所述USRP应急通讯设备、便携式终端和移动终端组建一个局域网，并在所述局域网内以广播方式在特定频段向局域网内所有可正常使用的移动终端发送文本信息；所述移动终端根据文本信息回复，并下载救援专用脚本文件；所述脚本文件根据预先设定的算法计算并且定位所述移动终端的位置；所述移动终端自动将定位信息通过USRP应急通讯设备建立的连接发送给所述指挥终端；所述指挥终端与移动终端之间建立连接实现语音通信。
如图1所示，每组设备包含一个双单元的UPS电源，负责给USRP应急通讯设备和便携式电脑供电，USRP应急通讯设备与便携式电脑使用网线连接，另外USRP应急通讯设备的专用天线使用专用线与USRP应急通讯设备连接，增加信号收发强度；便携式电脑使用Linux开源操作系统，搭建GNU Radio开源无线电开发平台，在该平台的基础上控制操作USRP应急通讯设备的组建网络；USRP应急通讯设备的专用天线根据实际需进行选择。
如图2所示，USRP设备组的安放位置，其中，中心黑色设备组表示网络中心，其他灰色阴影表示其余节点设备，以4km的间隔放置，组成网络。整个网络的拓扑结构为星形，使用CSMA/CA协议。
当通信运营商信号因故发生中断，该信号基站覆盖范围内所有手机移动终端不能收到运营商通信信号时可以使用本发明，救援小组在该区域通过USRP向智能移动终端以广播方式发送信息，受困人员通过接收到的信息与救援小组取得联系，加快救援计划的实施。如图3所示，整个网络的工作流程如下：
(1)若通信运营商信号发生中断，在人口密集区域内以4千米/组的密度安放或定点投放USRP应急通讯设备；
(2)利用USRP应急通讯设备和便携式终端组建一个局域网；组网时，USRP应急通讯设备和便携式终端可以在GMS通信频段建立通信频道，该组网方式的组网时间短，实施方案简单，目的终端为手机等智能移动设备，普及率高，保证了应急通讯方案的覆盖范围与可行性。组建网络的频段为900MHz频段，具体指上行890MHz-915MHz，下行935MHz-960MHz，该频段为GSM(2G)频段，基本可以覆盖所有能够使用蜂窝网的移动终端设备
(3)USRP应急通讯设备在此局域网内以广播方式在特定频段发送文本信息。所述文本信息包括安抚信息、求助信息的发送方法和求助信息的发送地址。例如，包括重要通知(通知被困者已经开始组织救援)、如何使用当前设备与救援组织取得联系以及请及时回复信息。
本步骤中，USRP应急通讯设备通过建立MAC地址表，并向除USRP应急通讯设备之外的所有接入设备发送文本信息，具体为：USRP应急通讯设备先向周围广播发送指定格式的MAC帧，接收到MAC帧的终端自动向邻近站点发送自己的MAC地址，USRP应急通讯设备接收到MAC地址以后汇总，所有的MAC地址只在地址表中出现一次。其中，具体的MAC帧格式可以使用DIX Ethernet V2标准(以下简称以太网V2标准)，以太网V2标准的MAC帧格式使用的最多，并且比较简单，只有5个字段组成。
也就是说，USRP应急通讯设备总共两次向全网发送信息。第一次是向全网发送固定格式的MAC帧信息，获取所有可用设备的MAC地址；第二次向所有在MAC地址表中的地址广播发送信息。
(4)此时局域网内所有可正常使用的手机移动终端将能够接收到该文本信息。
(5)求助者按照文本信息中的要求回复消息，移动终端开始下载救援专用脚本文件；
(6)脚本文件根据预先设定算法，计算并且定位移动终端设备位置；其中，预先设定的算法具体为：通过与当前距离最近的USRP应急通讯设备发送预置脚本中指定的数据包，根据接受测量到的信号强度与回复数据包之间的时延计算当前位置。
(7)移动终端自动将定位信息通过USRP应急通讯设备建立的连接发送给指挥终端；
(8)指挥终端与移动终端之间建立连接，实现语音通信；
也就是说当求助者在收到USRP应急通讯设备发送的文本信息后，可以使用当前智能移动终端(例如手机)回复任意字符以短信形式发送到USRP应急通讯设备的号码，移动终端开始自动下载脚本文件并运行，然后自动发送位置信息给USRP应急通讯设备，位置确定后，通过USRP应急通讯设备将指挥终端与移动终端进行连接，实现语音通信，使得求助者能够与救援人员进行语音通话。
(9)救援小组通过已获取的位置信息与被困者的语音通信制定救援方案实施营救。
不难发现，本发明具有较高的实用性，通过便携类型的高度集成化通用无线电外设组建网络，安放节点方便，组建网络快速可靠，缩短搜索被困人员时间，提高救援效率；本发明具有网络适应性，可以直接在运营商频段实现通信，兼容性强，覆盖范围广，并且应用场景广泛，成本可控，可多次反复利用。

Claims (10)

1.一种基于USRP的应急通讯系统，其特征在于，包括USRP应急通讯设备、便携式终端、移动终端和指挥终端；所述USRP应急通讯设备、便携式终端和移动终端组建一个局域网，并在所述局域网内以广播方式在特定频段向局域网内所有可正常使用的移动终端发送文本信息；所述移动终端根据文本信息回复，并下载救援专用脚本文件；所述脚本文件根据预先设定的算法计算并且定位所述移动终端的位置；所述移动终端自动将定位信息通过USRP应急通讯设备建立的连接发送给所述指挥终端；所述指挥终端与移动终端之间建立连接实现语音通信。
2.根据权利要求1所述的基于USRP的应急通讯系统，其特征在于，所述文本信息包括安抚信息、求助信息的发送方法和求助信息的发送地址。
3.根据权利要求1所述的基于USRP的应急通讯系统，其特征在于，所述USRP应急通讯设备和便携式终端在GMS通信频段建立通信频道，实现组建局域网。
4.根据权利要求3所述的基于USRP的应急通讯系统，其特征在于，所述GMS通信频段上行890MHz-915MHz，下行935MHz-960MHz。
5.根据权利要求1所述的基于USRP的应急通讯系统，其特征在于，所述局域网的拓扑结构为星形，使用CSMA/CA协议。
6.一种基于USRP的应急通讯方法，其特征在于，使用如权利要求1-5中任一所述的应急通讯系统，包括以下步骤：
(1)利用USRP应急通讯设备和便携式终端组建一个局域网，并在所述局域网内以广播方式在特定频段发送文本信息；
(2)局域网内所有可正常使用的移动终端接收到所述文本信息；
(3)所述移动终端根据文本信息回复，并下载救援专用脚本文件；
(4)所述脚本文件根据预先设定的算法计算并且定位所述移动终端的位置；
(5)移动终端自动将定位信息通过USRP应急通讯设备建立的连接发送给指挥终端；
(6)指挥终端与移动终端之间建立连接，实现语音通信。
7.根据权利要求6所述的基于USRP的应急通讯方法，其特征在于，所述步骤(1)中USRP应急通讯设备建立MAC地址表，并向除USRP应急通讯设备之外的所有接入设备发送文本信息。
8.根据权利要求7所述的基于USRP的应急通讯方法，其特征在于，所述建立MAC地址表的方式为：USRP应急通讯设备先向周围广播发送指定格式的MAC帧，接收到MAC帧的终端自动向邻近站点发送自己的MAC地址，USRP应急通讯设备接收到MAC地址以后汇总，所有的MAC地址只在地址表中出现一次。
9.根据权利要求7所述的基于USRP的应急通讯方法，其特征在于，所述步骤(1)中当局域网组建完成后且USRP应急通讯设备建立MAC地址表后，所有的连网设备会被分配一个号码用于建立语音连接。
10.根据权利要求6所述的基于USRP的应急通讯方法，其特征在于，所述步骤(4)中预先设定的算法为通过与当前距离最近的USRP应急通讯设备发送预置脚本中指定的数据包，根据接受测量到的信号强度与回复数据包之间的时延计算当前位置。
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