應(yīng)急通信中無(wú)線自組網(wǎng)的運(yùn)用范文

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無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)簡(jiǎn)述

無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)的先驅(qū)———AdHoc網(wǎng)絡(luò)最早出現(xiàn)于上世紀(jì)70年代，并主要用于軍事通信。AdHoc網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的無(wú)線通信網(wǎng)，無(wú)需依賴(lài)任何預(yù)先架設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施就可以快速自動(dòng)組網(wǎng)，并具有很強(qiáng)的抗毀性和靈活性，對(duì)于搶險(xiǎn)救災(zāi)、野外考察、油田礦山、軍事等特殊場(chǎng)合的網(wǎng)絡(luò)通信具有非常重要的意義。早期的AdHoc網(wǎng)絡(luò)主要用于軍事通信領(lǐng)域，研究也主要集中在如何保證在多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中高效和可靠地傳送數(shù)據(jù)，在此期間眾多學(xué)者針對(duì)各種通信環(huán)境提出了大量卓有成效的信道接入?yún)f(xié)議和路由算法。隨著研究的深入和信息技術(shù)的進(jìn)步，AdHoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用逐漸轉(zhuǎn)向民用和商業(yè)領(lǐng)域，研究的內(nèi)容也更為寬泛，包括網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、分簇算法、跨層設(shè)計(jì)、QoS支持、服務(wù)發(fā)現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和信息安全傳輸?shù)取?/p>

隨著研究的進(jìn)一步深入和信息技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求在AdHoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上衍生出了其他無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)，其中最重要的當(dāng)屬無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)WSN（WirelessSensorNetwork）和無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)WMN(WirelessMeshNetwork)。WSN整合了AdHoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)，可視為一種具有傳感功能的小型移動(dòng)設(shè)備構(gòu)造的用于收集、傳播和處理傳感信息的AdHoc網(wǎng)絡(luò)。在WSN中，節(jié)點(diǎn)不僅能夠借助于中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)通信，還可以監(jiān)測(cè)本地環(huán)境的變化和收集相關(guān)的傳感信息，增強(qiáng)了AdHoc網(wǎng)絡(luò)的功能。在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中，各傳感節(jié)點(diǎn)協(xié)作運(yùn)行來(lái)完成某項(xiàng)任務(wù)，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和應(yīng)用需求選用合適的信息預(yù)處理機(jī)制和路由協(xié)議來(lái)高效傳輸特定區(qū)域的傳感信息。由于傳感節(jié)點(diǎn)通常需要長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)工作，因此無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)還特別關(guān)注節(jié)能機(jī)制。WMN也是AdHoc網(wǎng)絡(luò)在商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，是一種新型寬帶無(wú)線分布式網(wǎng)狀網(wǎng)。Mesh網(wǎng)絡(luò)具有高可靠性和強(qiáng)自愈能力，借助于mesh骨干路由器，提供了一種新型的寬帶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入方式。這些技術(shù)手段各有特色，但都具有網(wǎng)絡(luò)自組織和協(xié)同特征，非常適合組建應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)協(xié)調(diào)各類(lèi)人員展開(kāi)救援行動(dòng)和應(yīng)對(duì)突發(fā)事件。這些無(wú)線自組網(wǎng)將在應(yīng)急通信場(chǎng)合發(fā)揮重要作用。例如，利用AdHoc網(wǎng)絡(luò)和WMN可以快速構(gòu)建高抗毀性的應(yīng)急救援網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)各救援群體，同時(shí)可以部署WSN來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控事發(fā)區(qū)域的各種情況并把相關(guān)信息及時(shí)通知現(xiàn)場(chǎng)人員和上報(bào)指揮中心。

應(yīng)急通信保障中無(wú)線自組網(wǎng)的應(yīng)用

1集成蜂窩網(wǎng)絡(luò)和AdHoc網(wǎng)絡(luò)的混合式無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)

在發(fā)生重大自然災(zāi)害時(shí)，蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的部分基站設(shè)備會(huì)受損或無(wú)法正常工作，即使基站可用，由于信道條件惡化或急劇增加的業(yè)務(wù)量也會(huì)使得許多移動(dòng)終端不能訪問(wèn)基站。此時(shí)，可以考慮綜合利用adhoc網(wǎng)絡(luò)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)來(lái)組建混合式無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)。在這種混合式無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)終端（MT）可以選擇操作在蜂窩模式或adhoc模式，前者直接向基站（BS）發(fā)送數(shù)據(jù)，后者需要逐跳構(gòu)建到BS的路由。正常情況下節(jié)點(diǎn)操作在蜂窩模式并直接向BS傳輸數(shù)據(jù)。在緊急突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)無(wú)法與BS直接通信時(shí)會(huì)切換到adhoc模式，并設(shè)法通過(guò)多跳轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)構(gòu)建一條到BS的路由。舉例來(lái)說(shuō)，在圖2中，當(dāng)基站B出現(xiàn)故障時(shí)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)4可以通過(guò)中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)2或5來(lái)訪問(wèn)基站A或C，從而避免通信中斷。即使基站B沒(méi)有故障而只是其所在小區(qū)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞，通過(guò)上述這種方式也可以減輕基站B的業(yè)務(wù)處理負(fù)擔(dān)。當(dāng)應(yīng)急通信區(qū)域的基站數(shù)量不足時(shí)，還可以部署適當(dāng)數(shù)量的應(yīng)急通信車(chē)ECV（EmergencyCommu-nicationVehicle）充當(dāng)臨時(shí)的基站，滿足基本的吞吐量和網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求，如圖3所示。混合式應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)可以視為分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：低層是移動(dòng)終端自組構(gòu)成的多跳通信網(wǎng)絡(luò)，高層是基站和應(yīng)急通信車(chē)之間構(gòu)成的骨干網(wǎng)絡(luò)。混合式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)急通信過(guò)程分為兩個(gè)階段：首先，移動(dòng)終端按照蜂窩模式正常訪問(wèn)基站，如果接收到的功率過(guò)小，嘗試采用多跳中繼方式；再多跳中繼轉(zhuǎn)發(fā)下，移動(dòng)終端基于信道質(zhì)量和路由跳數(shù)查找和選擇到基站的多跳路由，并定期更新路由表。在這種混合式應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)終端至少應(yīng)配備兩個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接口，其中一個(gè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)接口用于和基站通信，而另一個(gè)藍(lán)牙或802.11接口用于和其他移動(dòng)終端進(jìn)行通信。此外，移動(dòng)終端應(yīng)存儲(chǔ)必要的應(yīng)急信息，包括位置、狀態(tài)、緊急程度等。為了提供更有效的通信服務(wù)保障，應(yīng)急通信車(chē)和基站還可以充當(dāng)訪問(wèn)因特網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)不僅充當(dāng)內(nèi)外網(wǎng)之間的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，而且擔(dān)當(dāng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)地址和外部全局可路由地址的翻譯節(jié)點(diǎn)。

2實(shí)施安全監(jiān)控和預(yù)警的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)

應(yīng)急通信系統(tǒng)必須對(duì)應(yīng)急事發(fā)區(qū)域?qū)嵤┤嬗行У谋O(jiān)控，以預(yù)防和管理可能的風(fēng)險(xiǎn)。事發(fā)地區(qū)很可能在出現(xiàn)意外突發(fā)事件之前就沒(méi)有通信基礎(chǔ)設(shè)施，為此可以事先或事后及時(shí)部署無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)施監(jiān)控和預(yù)警任務(wù)。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)包含大量分散部署的傳感節(jié)點(diǎn)、具有適應(yīng)場(chǎng)合多、覆蓋范圍大、監(jiān)視精度高和無(wú)需人工干預(yù)等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)可以提供可靠的數(shù)據(jù)獲取和傳輸、較強(qiáng)的錯(cuò)誤容忍性和與現(xiàn)存異質(zhì)通信網(wǎng)絡(luò)的互操作性。為了提高網(wǎng)關(guān)向遠(yuǎn)程服務(wù)器傳遞傳感數(shù)據(jù)的可靠性，可以選用IEEE802.16e技術(shù)。此外，鑒于傳感節(jié)點(diǎn)容易出故障并且會(huì)遭受拒絕服務(wù)等攻擊，必須考慮提高傳感網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性和安全性，即網(wǎng)絡(luò)可生存性。一種解決方案是部署冗余的傳感節(jié)點(diǎn)，但是會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)成本。另一種方案是使整個(gè)系統(tǒng)能夠在整個(gè)生命期以協(xié)作的方式執(zhí)行自測(cè)試、自調(diào)整、自維護(hù)、自恢復(fù)操作。為了提供健壯的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)信息收集和傳遞服務(wù)，可以采用基于簇的分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3基于可移動(dòng)基站的便攜式移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)

基于可移動(dòng)基站的便攜式移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)充分利用無(wú)線自組網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以提供如下供能：在任何時(shí)間任何地點(diǎn)確保可靠的通信；提供陸地、水面和空中通信平臺(tái)，通過(guò)無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)隨地按需提供網(wǎng)絡(luò)容量和覆蓋范圍；自配置性和相對(duì)獨(dú)立性，不需要任何網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施就可以支持有效的本地通信；需要最小的人為干預(yù)，支持靈活可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)部署；支持多種空中接口技術(shù)，包括GSM(全球移動(dòng)通信系統(tǒng))、UMTS（通用移動(dòng)通信系統(tǒng)）、WiMAX（全球微波接入互操作性）；可以部署在多種應(yīng)急救援和災(zāi)難恢復(fù)通信場(chǎng)合，提供基本的話音和數(shù)據(jù)服務(wù)以及多媒體通信服務(wù)和增強(qiáng)的態(tài)勢(shì)感知能力；基于IP（因特網(wǎng)協(xié)議）的網(wǎng)絡(luò)互操作性。舉例來(lái)說(shuō)，便攜式移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)可以方便地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)救援人員之間的通信以及現(xiàn)場(chǎng)救援人員和指揮中心之間的通信。如果采用傳統(tǒng)無(wú)線通信方式，即使應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)的救援人員相距很近，他們之間的通信仍需涉及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的各種基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，包括BTS（基站收發(fā)臺(tái)）、BSC（基站控制器）、RNC（無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器）和MSC（移動(dòng)交換中心）等。而在便攜式移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，距離較近的救援人員可借助移動(dòng)基站方便快捷地建立通信，不依賴(lài)于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。在便攜式移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，需要定期維護(hù)和更新移動(dòng)終端和相連的基站路由器（BSR）的關(guān)聯(lián)表，從而快速準(zhǔn)確找到轉(zhuǎn)發(fā)分組需要經(jīng)過(guò)的BSR。BSR之間構(gòu)成健壯的網(wǎng)狀骨干網(wǎng)，采用類(lèi)似于OSPF（開(kāi)放最短路徑優(yōu)先路由）的觸發(fā)更新鏈路狀態(tài)路由協(xié)議來(lái)計(jì)算和維護(hù)路由。移動(dòng)終端之間的通信借助BSR構(gòu)成的網(wǎng)狀網(wǎng)以及移動(dòng)終端和BSR之間的關(guān)聯(lián)表完成。

結(jié)論

當(dāng)前，無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)已成為業(yè)界關(guān)注和研究的熱點(diǎn)技術(shù)。可以利用AdHoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)快速組織和動(dòng)態(tài)維護(hù)，并可以通過(guò)多跳中繼改善蜂窩網(wǎng)絡(luò)的性能，還可以借助mesh網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)寬帶無(wú)線接入。但是，目前很少有研究工作關(guān)注無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)之間以及無(wú)線自組網(wǎng)與現(xiàn)有基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)之間的內(nèi)在聯(lián)系和有機(jī)融合，更缺乏針對(duì)應(yīng)急通信保障實(shí)際應(yīng)用需求組建和維護(hù)異質(zhì)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性研究。為此，應(yīng)該綜合運(yùn)用這類(lèi)無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)支持應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的快速組建和有效維護(hù)，并引入認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的理念來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)適應(yīng)性和應(yīng)用效能，使應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)和到應(yīng)急指揮中心之間的信息交互及時(shí)順暢。今后一種可行的研究思路是基于應(yīng)急通信場(chǎng)合可用的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施與臨時(shí)部署的機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)，充分發(fā)揮這類(lèi)無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種有機(jī)結(jié)合有線、無(wú)線、衛(wèi)星等多種通信手段的異構(gòu)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)體系，實(shí)現(xiàn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)和協(xié)作，從而快速組建可靠、高效、健壯的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)多種應(yīng)急突發(fā)情況提供有效的通信保障。（本文作者：王海濤、吳連才、武媛媛單位：解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院）