一种星地聚合灾难应急医疗救援通信系统的制作方法

本发明涉及应急救援，尤其涉及一种星地聚合灾难应急医疗救援通信系统。

背景技术：

1、随着通信技术的不断发展和普及，现代社会对通信网络的依赖程度日益增加。尤其是在自然灾害、突发事件等紧急情况下，通信系统的稳定性和可靠性显得尤为重要。在灾难应急医疗救援中，通信系统不仅是各类信息传递的基础设施，也是协调救援资源、传达紧急指令和进行医疗数据交换的关键手段。

2、当前，地面通信网络主要依赖于蜂窝网络、无线电网络等技术。这些技术在正常情况下能够提供较为稳定和高效的通信服务。然而，在自然灾害如地震、洪水、台风等突发情况下，地面通信网络往往会受到严重损坏，导致通信中断。例如，地震可能会破坏地面基站设施，洪水可能会淹没通信设备，台风则可能导致电力系统中断，从而影响通信网络的运行。

3、为了解决上述问题，近年来发展了多种灾难应急通信技术，包括卫星通信、移动通信基站、无人机通信平台等，但仍然存在以下几个方面的缺陷：

4、1、切换延迟与中断：在地面通信网络受损或中断时，现有系统切换至卫星通信或其他应急通信手段通常存在一定的延迟。切换过程中的通信中断可能导致救援指令无法及时传达，影响救援效率。

5、2、通信路径冗余不足：虽然现有技术中也考虑了多路径冗余，但冗余路径设计往往不够完善。例如，在某些情况下，备用路径可能仅限于单一的通信技术，一旦该技术也受到干扰或损坏，通信将完全中断。

6、3、信道管理效率低下：在灾难应急通信中，通信需求和信道状态往往是动态变化的。现有的信道管理算法在应对这种变化时效率较低，无法根据实时需求和信道状态进行动态分配，导致通信资源利用率不高，可能出现重要通信需求得不到及时满足的情况。

7、4、数据安全保障不足：灾难应急通信中，传输的数据往往涉及救援指令、医疗数据等敏感信息。现有系统在数据安全传输方面的措施相对不足，容易受到恶意攻击，数据泄露风险较高。

8、5、部署和扩展不灵活：现有的灾难应急通信系统在快速部署和灵活扩展方面存在不足。例如，某些系统设备笨重，部署复杂，需要耗费大量时间和人力；而在灾情不断变化的情况下，通信系统无法快速调整和扩展，难以满足动态变化的通信需求。

9、因此，如何提供一种星地聚合灾难应急医疗救援通信系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的一个目的在于提出一种星地聚合灾难应急医疗救援通信系统，本发明结合卫星通信与多路径冗余，能够在地面通信网络受损情况下保持通信不中断，还能高效管理信道资源，保障数据传输的安全和系统的快速部署，为灾难应急医疗救援提供了强有力的通信支持。

2、根据本发明实施例的一种星地聚合灾难应急医疗救援通信系统，包括卫星通信备用模块、多路径冗余模块、高效通信信道管理模块、数据安全传输模块以及快速部署和灵活扩展模块；

3、所述卫星通信备用模块用于当地面通信网络因灾难受损或中断时，系统自动切换至卫星通信，确保通信不中断；

4、所述多路径冗余模块设计多重通信路径，所述通信路径包括卫星链路和地面通信技术，所述地面通信技术包括蜂窝网络和无线电网络；

5、所述高效通信信道管理模块包括动态信道分配子模块和优先级管理子模块；

6、所述动态信道分配子模块设有改进的信道管理算法，根据通信需求和信道状态动态分配通信信道；

7、所述数据安全传输模块包括加密通信子模块和身份认证子模块；

8、所述快速部署和灵活扩展模块包括模块化设计子模块和便携设备子模块。

9、进一步，所述卫星通信备用模块具体包括自动切换单元、双模天线装置以及信号增强处理器；

10、所述自动切换单元用于检测地面通信网络的状态，并在检测到网络中断或损坏时，自动切换至卫星通信链路；

11、所述双模天线装置同时支持ku频段和ka频段通信，提供高宽带和低延迟的通信服务，并具备自动对准功能，确保快速建立卫星链路；

12、所述信号增强处理器设有改进的信号处理算法，在信号弱或者干扰强的环境中，提高链路的稳定性和数据传输率。

13、更进一步，所述改进的信号处理算法具体包括：

14、改进的自适应滤波技术，通过引入动态步长因子调整机制和二阶导数优化接收信号质量：

15、

16、其中，w(n+1)表示第n+1次迭代的滤波器权重向量，w(n)表示第n次迭代的滤波器权重向量，μ(n)表示动态步长因子，e(n)表示第n次迭代的误差信号，x(n)表示第n次迭代的输入信号向量，β表示二阶导数的权重因子，表示误差信号的二阶导数；

17、所述动态步长因子μ(n)根据信号环境动态调整：

18、

19、其中，μ0表示初始步长因子，γ表示步长因子调整的二次项系数，e(n)表示第n次迭代的误差信号，表示误差信号的二阶导数；

20、增强的错误校正编码技术，结合低密度奇偶校验码和卷积码，提高在高干扰环境下的纠错能力：

21、

22、其中，r表示编码率，k表示信息比特的数量，n表示编码比特的总数量；

23、多路径干扰技术消除技术，通过混合时域和频域均衡算法，结合机器学习技术；

24、所述时域均衡：

25、

26、其中，y(n)表示均衡后的输出信号，l表示均衡器的长度，h(i)表示均衡器的系数，x(n-i)表示第n-i次输入信号，m表示反馈均衡器的长度，e(n-j)表示第n-j次的误差信号，g(j)表示反馈均衡器的系数，w(n)表示加性噪声；

27、所述频率均衡：

28、y(f)＝h(f)x(f)+g(f)e(f)+w(f)；

29、其中，y(f)表示频域均衡后的输出信号，h(f)表示频域均衡器的传递函数，x(f)表示输入信号的频域表示，g(f)表示反馈均衡器的频域传递函数，e(f)表示误差信号的频域表示，w(f)表示频域中的噪声。

30、更进一步，所述动态信道分配子模块改进的信道管理算法具体包括：

31、定义信道状态参数矩阵c，其中cij表示第i条信道在第j时刻的状态参数，包括信号强度s、干扰水平i、带宽利用率b和误码率e，表示为：

32、

33、定义通信需求矩阵d，其中元素di表示第i个通信终端的带宽需求bi和优先级pi，表示为：

34、

35、定义初步信道分配矩阵a，其元素aij表示是否将第i条信道分配给第j个通信终端，aij＝0表示不分配，aij＝1表示分配：

36、

37、初步分配的目标函数是最大化通信质量q，其中q是信道状态和需求优先级的加权和：

38、

39、其中，q表示通信质量，ws、wi、wb、we是信道状态参数的权重，pj表示第j个通信终端的优先级，si表示第i个通道终端的信号强度，ii表示第i个通道终端的干扰水平，bi表示第i个通道终端的带宽利用率，ei表示第i个通道终端的误码率；

40、动态调整信道分配，通过实时监测和需求变化优化信道利用，定义调整后的信道分配矩阵a′，目标函数为：

41、

42、使得q′≥q，并且满足带宽需求其中，q′表示调整后的通信质量，a′ij表示a′在第i行第j列的元素值；

43、定义干扰预测函数fi(t)，预测未来t时刻的干扰水平，并调整信道使用：

44、ii(t)＝fi(t)；

45、其中，fi(t)表示干扰预测函数，ii(t)表示第i条信道在未来t时刻的干扰水平，使得新的分配矩阵a″满足最小化干扰：

46、

47、其中，a″ij表示a″在第i行第j列的元素值；

48、利用机器学习算法预测未来通信需求变化，优化信道资源分配，优化后的分配矩阵a″′满足：

49、

50、其中，q″′表示优化后的通信质量，表示预测的第j个通信终端的优先级，aij″′表示a″′在第i行第j列的元素值；

51、定义故障检测函数ff(i)，判断信道i是否故障：

52、

53、若ff(i)＝1，则切换到备用信道k，满足：

54、

55、更进一步，所述数据安全传输模块包括：

56、所述加密通信子模块采用混合加密算法，包括对称加密和非对称加密技术，在保障数据传输速度的同时，提高数据传输的安全性；

57、所述对称加密技术采用高级加密标准，用于大容量数据的高速加密和解密；

58、所述非对称加密技术采用椭圆曲线加密，用于密钥交换和身份验证，确保密钥管理的高效性和安全性；

59、所述身份认证子模块包括密码认证、智能卡认证和生物特征识别技术，以增强系统的安全性和抗攻击能力；

60、所述密码认证基于动态口令生成技术，每次通信均生成一次性密码，有效防止重放攻击；

61、所述智能卡认证结合公钥基础设施，确保智能卡的唯一性和安全性；

62、所述生物特征识别技术采用指纹识别和虹膜扫描，提供高精度的身份验证，防止未经授权的访问。

63、更进一步，所述便携设备子模块包括一体化便携通信终端，具备多模通信能力和自组网功能；高效电源管理系统，包括可充电电池组和太阳能供电模块；采用抗震、防水和防尘设计；具有快速展开和收纳结构，并提供模块化扩展接口，用于连接外部传感器和医疗设备。

64、本发明的有益效果是：

65、(1)通信不中断：本发明中的卫星通信备用模块确保了在地面通信网络受损或中断时，系统能迅速切换至卫星通信，实现通信不中断。这种设计极大地减少了因切换延迟带来的通信中断时间，确保了在紧急情况下，救援指令和重要信息能及时传达，从而提高了救援效率。

66、(2)增强通信的可靠性：本发明的多路径冗余模块通过设计多重通信路径，包括卫星链路、蜂窝网络和无线电网络，提供了高可靠性的通信保障。即使某一路径因灾难受损，其他路径仍能保持通信的连续性和稳定性。这种多路径冗余设计提高了系统在复杂环境下的抗风险能力，确保了救援行动的连续性。

67、(3)高效的信道利用：本发明的高效通信信道管理模块通过动态信道分配子模块和优先级管理子模块，采用先进的信道管理算法，根据通信需求和信道状态动态分配通信信道，确保高优先级通信需求得到优先保障。这种动态分配机制提高了信道资源的利用效率，避免了通信资源的浪费，保证了重要通信需求的及时满足。

68、(4)数据安全保障：本发明的数据安全传输模块通过加密通信子模块和身份认证子模块，采用先进的加密算法和多因素认证技术，确保数据在传输过程中的安全性和通信系统的访问控制。有效防止了数据泄露和非法访问，保护了灾难应急通信中的敏感信息，为救援行动提供了坚实的安全保障。

69、(5)快速部署和灵活扩展：本发明的快速部署和灵活扩展模块通过模块化设计和便携设备子模块，使得系统可以根据实际需求灵活配置和扩展，并能够在灾难发生后迅速建立通信网络。模块化设计使系统具备高度的灵活性，便携设备保证了快速部署的能力，极大地提高了系统应对灾情变化的适应能力。

70、(6)提升系统的稳定性和抗干扰能力：本发明在设计中充分考虑了干扰管理，通过干扰预测和规避技术，动态调整信道使用，减少通信干扰，提高整体通信质量。系统的自适应调整机制和故障切换功能进一步增强了系统的稳定性和可靠性，确保通信网络在灾难情况下的持续运行。

71、(7)智能化资源优化：本发明通过利用机器学习算法预测未来通信需求变化，预先优化信道资源分配，本系统具备了前瞻性和智能化的资源管理能力。提高了系统对突发通信需求的应对能力，保障了在高峰通信需求时段的资源有效分配，提升了系统整体的响应速度和效率。