應急通信網(wǎng)絡中的異構網(wǎng)絡互聯(lián)問題及實現(xiàn)機制研究*

王海濤

(解放軍理工大學通信工程學院 南京 210007)

1 引言

近年來，國內外頻發(fā)的自然災難和突發(fā)事件使應急通信再度成為業(yè)界關注的焦點。面對這些重大突發(fā)事件，如何快速組建可靠、高效的應急通信網(wǎng)絡,已成為迫切需要解決的重大技術問題。與西方發(fā)達國家相比,我國的應急通信技術手段相對滯后。當前國內應急通信主要依托現(xiàn)有的通信基礎設施(包括公眾通信網(wǎng)絡和公眾傳媒網(wǎng)絡),并在基礎設施受損或不能滿足通信需求時,快速部署無線自組網(wǎng)(wireless self-organizing network)以及利用專用衛(wèi)星和集群通信系統(tǒng)。因此，在應急通信場合，單一的通信技術手段和通信網(wǎng)絡已不能滿足在復雜多樣的應急環(huán)境中為各類用戶群體提供快速、靈活、可靠的通信服務保障的要求，必須充分利用有線、無線、衛(wèi)星等多種通信手段，構建一種融合無基礎設施網(wǎng)絡和有基礎設施網(wǎng)絡的異構應急通信網(wǎng)絡，以便為各種應急突發(fā)情況提供有效的通信保障。不難看出，異構網(wǎng)絡互聯(lián)是組建應急通信網(wǎng)絡的關鍵技術之一。

無線自組網(wǎng)的典型代表是Ad Hoc網(wǎng)絡、無線傳感網(wǎng)絡和無線Mesh網(wǎng)絡。Ad Hoc網(wǎng)絡是一種特殊的移動通信網(wǎng)絡，具有自組織、自愈合、無中心、多跳路由等特點，無需依賴預先架設的網(wǎng)絡基礎設施就可以快速自動組網(wǎng)，具有很強的抗毀性和靈活性，特別適合應急通信突發(fā)、臨時性通信場合，是常規(guī)通信手段的必要補充和發(fā)展。無線傳感網(wǎng)絡有效結合Ad Hoc網(wǎng)絡技術、分布式信息處理技術和傳感器技術，可以實時、有效監(jiān)控特定目標區(qū)域，對異常突發(fā)事件及時向相關用戶發(fā)出預警，并通過對收集的信息加以處理，進行輔助行動決策。此外，Mesh網(wǎng)絡是Ad Hoc網(wǎng)絡技術的擴展，采用網(wǎng)絡拓撲結構，具有高可靠性和強自愈能力，借助于Mesh骨干路由器，提供了一種新型的寬帶無線網(wǎng)絡接入方式。這些技術手段各有特色，但都具有網(wǎng)絡自組織和協(xié)同特征，非常適用于組建應急通信網(wǎng)絡。

無線自組網(wǎng)可以以獨立的通信網(wǎng)絡形式存在，不與其他網(wǎng)絡相連，所有節(jié)點之間的通信都在網(wǎng)絡內部進行。但是在實際應用中，特別是應急通信場合下，無線自組網(wǎng)不可避免要與其他網(wǎng)絡互連，特別是與蜂窩網(wǎng)絡和Internet進行互連。由于無線自組網(wǎng)與有基礎設施網(wǎng)絡的路由方式不一樣，如果要在它們之間實現(xiàn)無縫互連，就必須存在一種特殊的網(wǎng)關，它既能適應基礎設施網(wǎng)絡的層次性路由機制，也能適應無線自組網(wǎng)中的特定路由機制，并且能實現(xiàn)不同網(wǎng)絡中節(jié)點間的通信。

2 支持異構網(wǎng)絡互聯(lián)的應急通信網(wǎng)絡結構設計

2.1 設計原則

在應急通信場合，隨時隨地地訪問有基礎設施網(wǎng)絡查詢信息和獲得幫助，已經成為廣大用戶的一種迫切需求。無線自組網(wǎng)可以方便地部署在應急通信場合，支持事件監(jiān)控、協(xié)作通信和指揮控制等多種應用。但是無線自組網(wǎng)中的用戶如何安全、可靠地接入蜂窩網(wǎng)絡和Internet這類有基礎設施網(wǎng)絡的問題，仍需要進行深入的研究。當前，無線技術手段眾多，不同無線傳輸技術的帶寬、時延、頻率和覆蓋范圍各不相同，大體上可以分為兩類：一類是提供較低帶寬的廣域無線傳輸技術，另一類是可以提供較高帶寬的無線局域網(wǎng)技術。但是，當前的無線廣域網(wǎng)(WWAN)的特點是時斷時續(xù)的連接、低比特率、高成本和高時延，并且在近期內不會得到明顯改觀。傳統(tǒng)的移動網(wǎng)絡，如蜂窩網(wǎng)絡可以借助基站與Internet相連，而無線自組網(wǎng)中不存在類似于基站的中心節(jié)點，因此，無線自組網(wǎng)中的移動主機必須借助其他方式接入無線廣域網(wǎng)(公共移動網(wǎng))或Internet。

支持異構網(wǎng)絡互聯(lián)的應急通信網(wǎng)絡設計的原則是：依托可用的基礎網(wǎng)絡設施與臨時部署的機動通信系統(tǒng)，構建有機融合的有基礎設施網(wǎng)絡和無基礎設施網(wǎng)絡，涵蓋有線、無線、衛(wèi)星等多種通信手段的異構應急通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)不同通信技術間的優(yōu)勢互補和協(xié)作，以便能夠在復雜多樣的應急環(huán)境下為不同用戶群體提供各自所需的通信。

2.2 設計方法

當前，Internet是按照分級網(wǎng)絡結構組織的，整個網(wǎng)絡由大量用戶子網(wǎng)和一個核心骨干網(wǎng)組成。蜂窩網(wǎng)絡也是一種分級網(wǎng)絡結構，移動終端通過基站與MSC構成的骨干網(wǎng)連接到固定有線網(wǎng)絡。分級結構能夠將節(jié)點移動和鏈路質量變化帶來的影響限制在系統(tǒng)的底層，從而使網(wǎng)絡具有較好的可擴展性?？紤]到分級網(wǎng)絡結構的諸多好處，支持異構網(wǎng)絡互聯(lián)的應急通信網(wǎng)絡也應采用分級結構，以方便無線自組網(wǎng)與固定網(wǎng)絡進行無縫通信，高效管理網(wǎng)絡資源和降低網(wǎng)絡的構建成本。無線自組網(wǎng)可以采用基于簇的分級網(wǎng)絡結構，每個簇可視為一個小型的無線分組網(wǎng)，異構應急通信網(wǎng)絡結構如圖1所示。

圖1中的無線自組網(wǎng)涵蓋Ad Hoc網(wǎng)絡、無線傳感網(wǎng)和無線Mesh網(wǎng)絡。但前，蜂窩網(wǎng)絡已能夠很好地與Internet實現(xiàn)互連互通，這里主要考慮無線自組網(wǎng)與Internet和蜂窩網(wǎng)絡的互聯(lián)問題，并以與Internet實現(xiàn)互聯(lián)來說明。在無線自組網(wǎng)中，簇頭和網(wǎng)關(包括公共網(wǎng)關和分布式網(wǎng)關，前者指位于多個簇頭通信范圍內的節(jié)點，后者指位于相鄰簇中可以直接通信的節(jié)點對)可以互相連接構成虛擬骨干網(wǎng)絡(VBN)。與此同時，其中的一些簇頭可以與互聯(lián)網(wǎng)關相連(允許多個簇頭同時連接一個或多個互聯(lián)網(wǎng)關)，通過互聯(lián)網(wǎng)關訪問Internet，甚至在某些情況下簇頭可以直接訪問Internet(如不存在互聯(lián)網(wǎng)關或者互聯(lián)網(wǎng)關負擔過重，并且簇頭本身可以充當互聯(lián)網(wǎng)關時)?；ヂ?lián)網(wǎng)關可以是移動或固定路由器，或能夠同時與Internet和無線自組網(wǎng)相連的移動雙宿主機，它需要一個可以被Internet尋址的IP地址，并可以運行MANET路由協(xié)議和Internet路由協(xié)議。借助于互聯(lián)網(wǎng)關接入Internet的好處在于，它通常具有更強的處理和通信能力(相比于簇頭)，減少了簇頭的負擔，并且可以在邏輯上分離無線自組網(wǎng)和Internet。

圖1 一種支持異構網(wǎng)絡互聯(lián)的應急通信網(wǎng)絡結構

基于這種分級網(wǎng)絡結構，Internet、蜂窩網(wǎng)絡和無線自組網(wǎng)可以方便地實現(xiàn)互聯(lián)互通，距離較遠的兩個獨立運行的無線自組網(wǎng) (如一個應急通信車輛Ad Hoc網(wǎng)絡和一個無線傳感網(wǎng))也可以通過Internet或衛(wèi)星實現(xiàn)互聯(lián)，從而擴展了應急通信場合下各類用戶群體的通信范圍和服務支持能力。另外，可以使用移動IP協(xié)議和反向隧道機制，使無線自組網(wǎng)中的移動節(jié)點接入Internet。此時，互聯(lián)網(wǎng)關作為移動IP中的外地代理。無線自組網(wǎng)中移動主機和Internet中通信對端的通信必須通過外地代理轉發(fā)，并且外地代理的選擇需考慮處理能力和負載均衡等因素。為了向Internet中的主機發(fā)送分組，移動節(jié)點需要通過隧道機制(外層為外地代理的IP地址，而內層為通信對端的IP地址)將分組轉發(fā)到其所注冊的外地代理上。然后，外地代理將分組轉發(fā)至通信對端。Internet的主機向無線自組網(wǎng)中移動主機發(fā)送的數(shù)據(jù)，按照移動IP協(xié)議被家鄉(xiāng)代理截獲，而后家鄉(xiāng)代理通過隧道傳送給外地代理，在已獲悉外地代理地址的情況下，也可直接發(fā)送給外地代理。此后，外地代理使用無線自組網(wǎng)路由協(xié)議將分組傳遞給移動主機。

2.3 其他考慮

以互聯(lián)網(wǎng)關為分割點，無線自組網(wǎng)與Internet之間的通信連接可以劃分為有線固定區(qū)域和無線移動區(qū)域。為了提供有保障的業(yè)務服務質量，移動主機和互聯(lián)網(wǎng)關之間的虛電路(VC)可以按照軟狀態(tài)的方式維護，需要周期性刷新或基于反饋進行動態(tài)刷新。另外，對于那些要求較高吞吐量或較低丟失率的會話，可以使用多條獨立的虛電路傳輸業(yè)務流量，類似于多路徑傳輸機制。虛電路應能適應節(jié)點的移動以減少會話中斷的次數(shù)。當節(jié)點移動范圍較小時，可以使用自適應鏈路控制機制維護鏈路的有效性，否則需要采用可替代路徑或虛電路修復機制維護連接。移動節(jié)點周期性地測量收到的來自簇頭的傳輸功率，當功率低于門限值時，它將發(fā)起簇間切換，并向簇頭節(jié)點反饋信息。同理，簇頭也可以按照上述方法在不同的互聯(lián)網(wǎng)關節(jié)點之間進行切換(下文將會詳細描述互聯(lián)網(wǎng)關的選擇和允許控制機制)。此外，互聯(lián)網(wǎng)關可以通過反饋(周期性或按需發(fā)送反饋分組)收集當前鏈路特性和網(wǎng)絡狀況信息，根據(jù)業(yè)務的QoS要求在移動和固定網(wǎng)絡之間實施接入控制，并且可以預留部分帶寬用于處理由于節(jié)點移動而建立的新連接。

在這種網(wǎng)絡結構中，節(jié)點可以基于鏈路狀態(tài)信息計算QoS路由，簇頭和網(wǎng)關節(jié)點以鏈路狀態(tài)的形式分發(fā)路由信息。對每個簇而言，鏈路狀態(tài)信息包括與簇間和簇內連接相關的服務特性值，如時延、時延抖動、分組丟失率、鏈路容量和簇連接的穩(wěn)定性等。QoS路由的計算可以使用改進的Dijkstra最短生成樹算法，節(jié)點選擇一個最重要的服務指標作為成本函數(shù)計算最短生成樹路由，而其他服務指標可以作為路由選擇的附加限制條件。路由選擇需要考慮會話的服務要求，并盡量減少資源的使用和會話活動期間重路由的次數(shù)，從而使網(wǎng)絡容納更多的會話，減少由于節(jié)點移動而中斷會話的概率。

在這種網(wǎng)絡結構中，可以由簇頭輪詢成員節(jié)點，并依次為它們分配無線信道資源。考慮到簇內節(jié)點數(shù)較少，采用基于TDMA的信道接入機制，可以保證多個用戶無競爭地共享信道，并且相鄰簇可以使用正交碼字來提高系統(tǒng)吞吐量。另外，在采用TDMA的分簇網(wǎng)絡結構中，節(jié)點可在不發(fā)送數(shù)據(jù)的時隙轉入休眠模式，進而減少能量耗費。可擴展性也是設計網(wǎng)絡協(xié)議需要考慮的一個問題。無線自組網(wǎng)可以使用分布式控制算法(節(jié)點根據(jù)本地信息調節(jié)其行為)獲得自組織性，由于沒有采用集中式的信息處理和控制，可擴展性較好。但是分布式協(xié)議也會消耗大量的能量和帶寬用于本地信息收集、處理和交換，因此可以考慮將信息進行聚集并將部分本地處理任務轉移到一些功能較強的中心節(jié)點進行處理，如簇頭和互聯(lián)網(wǎng)關節(jié)點可以執(zhí)行更多的任務。為了支持QoS，網(wǎng)絡協(xié)議不可避免地會引入許多控制開銷。因此對于規(guī)模較大的無線自組網(wǎng)，網(wǎng)絡的可擴展性問題有待進一步研究。

3 基于連接共享的Internet接入方案

在無線自組網(wǎng)中，本地的信息查詢可以在網(wǎng)絡內部進行，而如果想與Internet上的通信對端進行通信或訪問Internet的資源，則需要接入Internet。因此，為了增強數(shù)據(jù)可用性和和網(wǎng)絡的連接性，無線自組網(wǎng)中具有與Internet無線連接的雙宿移動主機可以作為其他移動主機的臨時網(wǎng)關，其作用相當于無線自組網(wǎng)的代理服務器。移動雙宿主機一般配置兩個網(wǎng)絡接口，如一個接口是Wi-Fi，另一個接口是GPRS，前者用于無線自組網(wǎng)內部的通信，而后者用于接入無線廣域網(wǎng)和Internet。圖2給出了網(wǎng)絡配置，可以互相進行通信并相互協(xié)作的移動主機構成無線自組網(wǎng)(也可以把它視為一個多跳無線局域網(wǎng))。其中，一些移動主機配備額外的無線接口，可以通過無線廣域網(wǎng)接入Internet?？紤]到孤立的無線自組網(wǎng)內的信息資源有限，使用這種方法可以提高和增強無線自組網(wǎng)在很多環(huán)境下的使用效能，特別是應急通信場合。

在無線自組網(wǎng)中，通過移動主機協(xié)作和共享連接資源可獲得以下好處：能夠利用暫時空閑的連接和突發(fā)性業(yè)務的統(tǒng)計復用特性提高無線連接的利用率；可以減少協(xié)作式應用中重復數(shù)據(jù)的傳輸，節(jié)省寶貴的無線網(wǎng)絡資源；可以借助這種機制提高用戶業(yè)務的QoS；由于廣域連接的費用較高，對于那些臨時使用Internet的移動用戶而言，借助雙宿主機接入Internet的方式更加經濟。例如，當一個可連接到Internet的移動雙宿主機的連接空閑時，鄰近的移動主機可以臨時通過該主機接入Internet。另外，當無線自組網(wǎng)中的一組用戶想獲得Internet上的某一信息時，Internet中的服務器沒有必要傳輸相同數(shù)據(jù)的多個拷貝到不同的移動主機，而只需向該組的某一個移動主機傳輸信息即可，而后該主機可以借助無線自組網(wǎng)多播路由協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄儆谝粋€多播組的其他用戶。這樣做既可以減少數(shù)據(jù)傳輸量，又增加了網(wǎng)絡的安全性。但是，雙宿移動主機的處理能力有限，無線連接帶寬較低，并且可以動態(tài)地加入或離開網(wǎng)絡。因此，需要考慮采用一種基于業(yè)務連接請求和網(wǎng)關處理能力及負載狀況的網(wǎng)關選擇和允許控制機制。

4 互聯(lián)網(wǎng)關發(fā)現(xiàn)和選擇過程及允許控制機制

4.1 工作流程

為了簡化分析，假定：所有互聯(lián)網(wǎng)關的無線WAN連接具有相同的帶寬，網(wǎng)關可以隨時加入或離開網(wǎng)絡，并且所有網(wǎng)關的功能和地位相同。無線自組網(wǎng)中的移動主機通過發(fā)送網(wǎng)關查詢消息(query gateway)搜尋可用的網(wǎng)關，網(wǎng)關也可周期性廣播通告消息(announcement)或只在收到網(wǎng)關查詢消息時發(fā)送通告消息(基于事件觸發(fā))，聲明自己的存在，并且通告消息中含有此網(wǎng)關無線廣域連接的可用帶寬等信息。網(wǎng)關發(fā)現(xiàn)機制分為3類：先驗、反應或混合機制。先驗機制中，網(wǎng)關主動廣播通告，網(wǎng)關發(fā)現(xiàn)延時小，但開銷大，適合于小型網(wǎng)絡；反應式機制由移動節(jié)點根據(jù)需要主動廣播網(wǎng)關查詢消息來發(fā)現(xiàn)網(wǎng)關，網(wǎng)關發(fā)現(xiàn)延時大，開銷小，適合于大型網(wǎng)絡。混合機制是上述兩種機制的折衷，網(wǎng)關在一定范圍內定期廣播通告，在此范圍之外，移動主機使用反應式方法主動發(fā)現(xiàn)網(wǎng)關，適合于大型網(wǎng)絡。發(fā)現(xiàn)網(wǎng)關后，移動主機依據(jù)一定的標準選擇網(wǎng)關 (具體標準見§4.2)，并向選定的網(wǎng)關發(fā)送接入請求消息(request access)進行注冊，選定的網(wǎng)關還要根據(jù)自己是否有足夠的資源以及安全策略決定是否響應此主機的接入請求。也就是說，網(wǎng)關需要實施某種允許控制機制，以便在一定程度上保證用戶的業(yè)務服務質量。

圖3給出了在移動主機進行網(wǎng)關選擇和網(wǎng)關實施允許控制的工作過程。圖3中，假定移動主機A根據(jù)可用帶寬準則選定了G2作為其互聯(lián)網(wǎng)關，它將向G2發(fā)送包含用戶相關要求(如連接速率為ra)的接入請求消息。然后，G2發(fā)送accept/reject消息通知主機A是否接受了該請求。當主機A收到accept消息后，應向網(wǎng)關返回確認消息ACK，此后主機A可以基于移動IP協(xié)議通過作為外地代理的網(wǎng)關G2訪問。當不需要接入Internet時，主機A可以顯示發(fā)送拆鏈信息，或者通過軟狀態(tài)機制動態(tài)刷新連接，即如果一段時間用戶沒有使用連接，網(wǎng)關將自動釋放此連接，以此提高資源的利用率。上述方案可以用于移動主機動態(tài)訪問Internet并能夠在某個網(wǎng)關不可用時切換到其他網(wǎng)關。

4.2 網(wǎng)關選擇標準

圖2 無線自組網(wǎng)通過雙宿主機接入Internet

圖3 互聯(lián)網(wǎng)關選擇和允許控制工作流程

4.3 允許控制機制

由于無線自組網(wǎng)的動態(tài)多變特性，應用很難獲得嚴格的硬QoS保證，因此，允許控制機制的設計應遵守以下原則：操作簡單和易于實現(xiàn)；較高的帶寬利用率；可以為那些具有某種自適應性的業(yè)務提供一定的服務質量保證，但不確保應用一定能夠獲得所請求的帶寬。例如，可以采用基于測量的允許控制機制，估計網(wǎng)關現(xiàn)有業(yè)務的負載，如果υ+ra≤μ×β，那么接受連接請求。其中，υ表示現(xiàn)有業(yè)務的負載，ra表示業(yè)務流的請求連接速率，β為網(wǎng)關的無線廣域連接的帶寬，μ為帶寬利用率。業(yè)務負載測量周期性進行，測量的間隔時間越短，越能夠及時地反映連接的可用帶寬，但是計算開銷越大，使得允許控制過于保守，帶寬利用率較低；而測量周期過大可能會接納過多的連接請求，造成連接擁塞，使得業(yè)務的服務性能降低。因此，應合理選擇測量周期和μ值。如果連接請求被接納，那么網(wǎng)關將對其進行服務，直到服務完成或由于網(wǎng)關、主機的移動而被迫中止。在后一種情況下，業(yè)務流將被拒絕并且移動主機簡單地將其丟棄。

4.4 網(wǎng)關選擇和允許控制機制的控制開銷分析

其中，Ta表示通告消息的發(fā)送時間間隔。假設無線自組網(wǎng)中的無線鏈路帶寬為B，要求流經所有網(wǎng)關的業(yè)務流的帶寬之和不能超過網(wǎng)絡的總帶寬，那么網(wǎng)關的數(shù)量需滿足。從這個意義上說，該無線自組網(wǎng)所能承載的最大網(wǎng)關數(shù)量為：

5 結束語

應急通信網(wǎng)絡要充分發(fā)揮功效，必須綜合各現(xiàn)存網(wǎng)絡基礎設施和臨時部署的網(wǎng)絡設施，并充分利用各種通信技術手段，包括無線自組網(wǎng)、蜂窩網(wǎng)絡、Internet和衛(wèi)星網(wǎng)絡等。為此，必須有效解決不同網(wǎng)絡的異構互聯(lián)問題。本文給出了一種適用于應急通信場合下異構網(wǎng)絡互聯(lián)的設計方案和基于連接共享的Internet接入方案，詳細說明了連接共享接入方案中的網(wǎng)關選擇和允許控制機制，并分析了控制消息開銷。通過異構網(wǎng)絡互聯(lián)，大大拓展了應急通信的覆蓋范圍，并顯著增強了網(wǎng)絡的可生存性，從而能夠更好地為不同用戶群體提供各自所需的應急服務。此外，基于連接共享機制，無線自組網(wǎng)內的移動主機可以借助少量充當臨時網(wǎng)關的雙宿主機訪問Internet，然后通過信息共享機制快捷地獲取所需的信息，非常有助于應急行動的實施。今后，網(wǎng)絡互聯(lián)機制還需要進一步解決包括業(yè)務優(yōu)先級控制、系統(tǒng)安全、消耗和協(xié)議開銷等一系列問題。

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