基于網(wǎng)絡(luò)分簇和信息擺渡的無(wú)線自組應(yīng)急通信網(wǎng)服務(wù)增強(qiáng)方案*

王海濤，宋麗華，李建州，鄧加新

（1.解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院 南京 210007；2.解放軍理工大學(xué)指揮自動(dòng)化學(xué)院 南京 210007）

1 引言

當(dāng)發(fā)生戰(zhàn)爭(zhēng)、大型自然災(zāi)害或突發(fā)公共事件時(shí)，在突發(fā)公共事件發(fā)生區(qū)域，現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施很可能遭到破壞，即使存在少量可用的通信基礎(chǔ)設(shè)施，由于天氣、地形等因素的影響和短時(shí)間激增的通信量，往往無(wú)法滿足應(yīng)急通信時(shí)間突發(fā)性、地點(diǎn)不確定性、業(yè)務(wù)緊急性和信息多樣性的特殊需求[1,2]。無(wú)線自組網(wǎng)（wireless self-organizing network）是近年來(lái)得到廣泛關(guān)注和研究的一種特殊的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，具有自組織、自愈合、無(wú)中心、多跳路由等特點(diǎn)，無(wú)需依賴預(yù)先架設(shè)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施就可以快速自動(dòng)組網(wǎng)，特別適合應(yīng)急通信這類突發(fā)、臨時(shí)性通信場(chǎng)合。為此，可以在突發(fā)事件發(fā)生后在事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)利用無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)快速部署自組織、自配置的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，為復(fù)雜多樣的應(yīng)急環(huán)境下各類用戶群體提供快速、可靠、健壯的通信服務(wù)保障[3]。

在無(wú)線自組網(wǎng)中需要多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間協(xié)作來(lái)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接和提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，現(xiàn)有的研究工作大都假設(shè)無(wú)線自組網(wǎng)是連通的，也就是假定任何兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間在任何時(shí)候都存在端到端路徑。但是在實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景中，特別是在大規(guī)模自然災(zāi)害（如地震和洪災(zāi)）發(fā)生后臨時(shí)部署的無(wú)線自組應(yīng)急通信網(wǎng)中，由于災(zāi)害事件發(fā)生突然且波及區(qū)域較大，難以在短時(shí)間內(nèi)部署足夠數(shù)量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，加之普通用戶終端的通信范圍很有限，使得構(gòu)建的無(wú)線自組網(wǎng)是一種節(jié)點(diǎn)稀疏分布（密度較低）的難以保持網(wǎng)絡(luò)全連通的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，在這種網(wǎng)絡(luò)中常會(huì)出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的網(wǎng)絡(luò)分割現(xiàn)象（即存在多個(gè)不能互相連通的子網(wǎng)），甚至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)也不能滿足區(qū)域覆蓋要求，從而不能保證數(shù)據(jù)在全網(wǎng)內(nèi)的可靠投遞，即使能夠投遞到目的節(jié)點(diǎn)，往往也具有較低的數(shù)據(jù)投遞率和較大的時(shí)延。雖然通過(guò)增加節(jié)點(diǎn)密度或發(fā)送功率的方法可以消除網(wǎng)絡(luò)分割，但是前者會(huì)大大增加網(wǎng)絡(luò)部署成本，而后者則會(huì)過(guò)快消耗稀缺的節(jié)點(diǎn)能量，進(jìn)而降低網(wǎng)絡(luò)壽命。為此，迫切需要一種有效的網(wǎng)絡(luò)組織和數(shù)據(jù)投遞機(jī)制來(lái)增強(qiáng)數(shù)據(jù)投遞的可靠性，提高數(shù)據(jù)投遞率和降低投遞時(shí)延，進(jìn)而改善網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)性能。基于這種考慮，本文設(shè)計(jì)了一種基于網(wǎng)絡(luò)分簇和信息擺渡的無(wú)線自組應(yīng)急通信網(wǎng)服務(wù)增強(qiáng)機(jī)制，能夠提升網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)性能，增強(qiáng)信息投遞的可靠性和時(shí)效性。

2 相關(guān)工作簡(jiǎn)介

當(dāng)前研究成果表明，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)可以采用平面式和分級(jí)式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[4]。平面式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中所有節(jié)點(diǎn)的功能和地位平等，存在控制開(kāi)銷大、路由經(jīng)常出現(xiàn)中斷等缺點(diǎn)，主要適用于中小型網(wǎng)絡(luò)。分級(jí)式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)被劃分成簇，每個(gè)簇由一個(gè)簇頭和多個(gè)普通節(jié)點(diǎn)組成，如圖1所示。簇頭間的通信需要借助網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)完成，簇頭和網(wǎng)關(guān)形成了虛擬骨干網(wǎng)。分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)充性好，路由和控制開(kāi)銷較小，適用于規(guī)模較大的網(wǎng)絡(luò)。采用分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)還可以采用類似于蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的資源分配方法，在簇內(nèi)，簇頭可以控制節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)接入請(qǐng)求并合理分配帶寬[5]。此外，在分簇結(jié)構(gòu)中，簇內(nèi)可以采用先驗(yàn)式路由算法，而簇間使用反應(yīng)式路由協(xié)議來(lái)減少通信和路由開(kāi)銷。因此通過(guò)分簇算法將網(wǎng)絡(luò)劃分成簇，可以在很大程度上提高Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的性能，非常適合于規(guī)模較大的無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。迄今為止，已經(jīng)提出了大量的分簇算法來(lái)構(gòu)建和維護(hù)分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。分簇算法的選擇依賴于應(yīng)用的需求、網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境和節(jié)點(diǎn)的特征，各種分簇算法具有不同的優(yōu)化目標(biāo)，包括最小化簇計(jì)算和維護(hù)開(kāi)銷、最小化簇頭、最大化簇穩(wěn)定性和最大化網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間等[6]。

除此之外，有些學(xué)者提出利用節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性來(lái)輔助數(shù)據(jù)投遞。例如，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的DataMule機(jī)制使用移動(dòng)實(shí)體，將傳感器感知采集的數(shù)據(jù)快速投遞到接收節(jié)點(diǎn)，但是該機(jī)制針對(duì)相對(duì)靜態(tài)的傳感網(wǎng)絡(luò)并且目的節(jié)點(diǎn)位置固定[7]。時(shí)延容忍網(wǎng)絡(luò)（delay tolerant network，DTN）利用消息存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制試圖通過(guò)犧牲信息傳輸時(shí)延來(lái)保證信息投遞的可靠性，具體來(lái)說(shuō)，在出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分割時(shí)攜帶數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)暫時(shí)緩存數(shù)據(jù)，并當(dāng)網(wǎng)絡(luò)合并時(shí)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到其他子網(wǎng)中[8]。這種緩存轉(zhuǎn)發(fā)方式是一種被動(dòng)式投遞機(jī)制，適用于時(shí)延容忍型應(yīng)用，卻不適合時(shí)延敏感型應(yīng)用。另外，有些研究工作提出采用空中基礎(chǔ)設(shè)施，如低空飛行器或衛(wèi)星來(lái)互聯(lián)隔離的地面 MANET（mobile ad hoc network），但是網(wǎng)絡(luò)部署復(fù)雜，成本過(guò)高[9]。還有的學(xué)者提出采用數(shù)據(jù)復(fù)制機(jī)制來(lái)解決稀疏MANET的數(shù)據(jù)投遞問(wèn)題，如基于洪泛廣播的傳染路由，但是這種方法的網(wǎng)絡(luò)控制開(kāi)銷較大，可擴(kuò)展性和能效較低[4]。相比而言，Zhao W等人提出的信息擺渡（message ferrying，MF）機(jī)制通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)的主動(dòng)移動(dòng)提供臨時(shí)性網(wǎng)絡(luò)連接，可以提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)性能[10]。但是，現(xiàn)有的MF機(jī)制主要是面向DTN考慮擺渡路由的設(shè)計(jì)問(wèn)題，并沒(méi)有針對(duì)應(yīng)急通信場(chǎng)合提出滿足各類用戶群體通信需求的組網(wǎng)方式和數(shù)據(jù)投遞方法。

3 基于網(wǎng)絡(luò)分簇和信息擺渡的無(wú)線自組應(yīng)急通信網(wǎng)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思想和目標(biāo)

為了改善無(wú)線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)投遞的可靠性和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)性能，提出結(jié)合使用分簇算法和信息擺渡機(jī)制來(lái)解決大規(guī)模應(yīng)急通信場(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性和網(wǎng)絡(luò)連通性問(wèn)題，通過(guò)建立基于簇的分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和基于信息擺渡的主動(dòng)式移動(dòng)中繼機(jī)制來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蜁r(shí)效性。網(wǎng)絡(luò)分簇有利于提高網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和支持業(yè)務(wù)QoS保障，信息擺渡將傳統(tǒng)的被動(dòng)緩存轉(zhuǎn)發(fā)變?yōu)橹鲃?dòng)有意識(shí)的移動(dòng)攜帶轉(zhuǎn)發(fā)，可以有效減少能量、控制消息開(kāi)銷和投遞時(shí)延。在分簇網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用信息擺渡機(jī)制可以根據(jù)業(yè)務(wù)投遞的需要連通分割的子簇子網(wǎng)，并且分簇子網(wǎng)之間的通信只需借助網(wǎng)關(guān)和擺渡節(jié)點(diǎn)，不僅可以降低擺渡機(jī)制實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，還可以進(jìn)一步提高分簇網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)性能。舉例來(lái)說(shuō)，在大型自然災(zāi)害發(fā)生后的救災(zāi)應(yīng)急通信場(chǎng)合，部署的低空飛行器和地面應(yīng)急通信車輛都可以充當(dāng)擺渡節(jié)點(diǎn)，在事發(fā)區(qū)域及時(shí)地、可靠地收集和投遞應(yīng)急數(shù)據(jù)。借助于擺渡機(jī)制，無(wú)需大量部署專用移動(dòng)通信設(shè)備，受災(zāi)群眾和救援人員可以利用普通移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行通信連通和協(xié)同救援。分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和信息擺渡機(jī)制的結(jié)合使得無(wú)線自組網(wǎng)在支持應(yīng)急通信上的技術(shù)優(yōu)勢(shì)得以有效發(fā)揮，以便使應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)各類人員之間以及應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)到應(yīng)急指揮中心的信息交互可靠及時(shí)，在復(fù)雜多樣的應(yīng)急環(huán)境下為不同用戶群體提供有區(qū)分的通信服務(wù)保障。

3.2 網(wǎng)絡(luò)分簇方法

分簇算法的目標(biāo)是根據(jù)系統(tǒng)要求按照某種規(guī)則將網(wǎng)絡(luò)劃分成可以覆蓋所有節(jié)點(diǎn)的多個(gè)簇，并且在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)進(jìn)行簇結(jié)構(gòu)的更新，以維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的正常功能。簇的大小應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能有較大影響：如果簇過(guò)大，簇頭的負(fù)擔(dān)較重，并且普通節(jié)點(diǎn)到簇頭的距離過(guò)遠(yuǎn)會(huì)消耗過(guò)多能量；如果簇較小，可以相應(yīng)增加信道的空間重用率，提高系統(tǒng)容量，并可以減少節(jié)點(diǎn)的傳輸功耗。但是簇的尺寸過(guò)小會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中簇的數(shù)目較多，源目的節(jié)點(diǎn)對(duì)之間的路由所經(jīng)過(guò)的跳數(shù)較多，從而會(huì)增加分組的投遞時(shí)延和中轉(zhuǎn)業(yè)務(wù)量。此外，在選擇簇的大小時(shí)還應(yīng)考慮簇頭的處理能力、功率損耗和地理環(huán)境等約束條件。分簇形成是指按照某種規(guī)則選舉簇頭并劃分簇的過(guò)程，各種分簇算法的不同之處主要體現(xiàn)于此。需要說(shuō)明的是，如果網(wǎng)絡(luò)由異質(zhì)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，那么簇頭的確定比較容易，可以選擇功能較強(qiáng)、功率較大的節(jié)點(diǎn)作為簇頭，但前提是分簇大都針對(duì)同質(zhì)網(wǎng)絡(luò)。分簇連接是指相鄰的簇選擇關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)的過(guò)程，關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)包括網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和分布式網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。

實(shí)際上，與傳統(tǒng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)不同，無(wú)線自組網(wǎng)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境具有如下顯著特點(diǎn)。

·具有大量的移動(dòng)速度和處理能力不同的異質(zhì)節(jié)點(diǎn)，包含大量靜態(tài)的監(jiān)視傳感設(shè)備、低移動(dòng)性的普通用戶通信設(shè)備和專用應(yīng)急通信設(shè)備以及高移動(dòng)性的應(yīng)急通信車和應(yīng)急救援飛機(jī)等通信單元。

·事發(fā)區(qū)域內(nèi)大量的通信單元需要協(xié)調(diào)通信，地面通信單元之間可以采用分簇算法構(gòu)造地面分級(jí)網(wǎng)絡(luò)，并可利用空中飛行器提供高效的信息中繼能力，連通隔離的子網(wǎng)和覆蓋孤立的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域。

·多樣的不對(duì)稱的信息傳輸。在應(yīng)急通信環(huán)境中，業(yè)務(wù)種類繁多，并且信息的傳輸具有不對(duì)稱的特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)普通用戶單元和營(yíng)救單元接收和發(fā)送的信息量往往有很大差別。例如，現(xiàn)場(chǎng)營(yíng)救單元會(huì)向現(xiàn)場(chǎng)指揮中心/后方指揮中心發(fā)送少量監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)和請(qǐng)求消息，而需要接收大量的信息以獲得現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境信息。

由以上特點(diǎn)不難看出，無(wú)線自組應(yīng)急通信網(wǎng)是一種面向應(yīng)急通信服務(wù)的分級(jí)異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于這種異構(gòu)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，較好的組網(wǎng)方式是采用分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。簇頭的選擇比較容易，一般由功能較強(qiáng)的骨干節(jié)點(diǎn)充當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)（類似可移動(dòng)的基站），一個(gè)簇通常由一個(gè)骨干節(jié)點(diǎn)及與其直接通信的用戶節(jié)點(diǎn)組成。這種基于分簇的無(wú)線異構(gòu)應(yīng)急自組網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)包括3個(gè)層次，如圖2所示。最高層由功率和處理能力很強(qiáng)的一臺(tái)（或兩臺(tái)，其中一臺(tái)備用）應(yīng)急通信車充當(dāng)臨時(shí)性的應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)指揮中心（emergency command center，ECC），ECC應(yīng)該盡快予以部署，其位置相對(duì)固定并且可以與后方指揮中心建立雙向通信連接；第二層是由事發(fā)區(qū)域內(nèi)部署的一定數(shù)量的功率和處理能力較強(qiáng)的應(yīng)急通信車充當(dāng)應(yīng)急救援專用通信節(jié)點(diǎn)（emergency communication node,ECN），這些ECN可以是應(yīng)急通信車或功率較大的通信電臺(tái)，并且可以通過(guò)單跳或多跳中繼方式與ECC相連；最底層是由大量功率和處理能力較低的用戶終端通信設(shè)備充當(dāng)普通通信節(jié)點(diǎn)（ordinary communication node,OCN），這些節(jié)點(diǎn)盡可能以附近計(jì)算和通信功能相對(duì)較強(qiáng)的ECN為簇頭構(gòu)成分簇子網(wǎng)。無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)中ECN和OCN配置的數(shù)量由通信要求、覆蓋區(qū)域、地形、通信設(shè)備的處理能力和傳輸功率及無(wú)線信道質(zhì)量等因素確定。OCN的功率和處理能力較弱，充當(dāng)普通用戶節(jié)點(diǎn)，ECN具有更大的功率和更強(qiáng)的處理能力，充當(dāng)其覆蓋范圍內(nèi)OCN的簇頭。如果OCN周圍沒(méi)有可用的ECN，鄰近的OCN也可以按照某種分簇算法（如AOW算法）自組織地構(gòu)成分簇子網(wǎng)。簇之間的通信借助于簇頭及/或網(wǎng)關(guān)完成。這種異構(gòu)分級(jí)應(yīng)急無(wú)線網(wǎng)只需考慮到簇一級(jí)，而不需考慮簇內(nèi)部的細(xì)節(jié)，大大減少了維護(hù)和管理開(kāi)銷。此外，分級(jí)網(wǎng)絡(luò)便于定位節(jié)點(diǎn)和檢索信息。ECC收集所有簇的相關(guān)信息并維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的視圖，而ECN只需維護(hù)簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)信息和鄰居簇頭的信息。

3.3 信息擺渡機(jī)制

由于應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)往往是針對(duì)較大的區(qū)域臨時(shí)性部署的，考慮到網(wǎng)絡(luò)要求及時(shí)快速部署和減低成本的要求，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度相對(duì)稀疏，往往會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分割現(xiàn)象，即整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不是全聯(lián)通的，不同的簇之間可能無(wú)法互相通信。針對(duì)這種情況，采用信息擺渡機(jī)制來(lái)解決上述問(wèn)題。具體來(lái)說(shuō)，在應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)中部署一些特殊的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（稱為擺渡節(jié)點(diǎn)），如專用應(yīng)急通信車或低空飛行器，為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中隔離的分簇子網(wǎng)或節(jié)點(diǎn)提供必要的通信服務(wù)。即使網(wǎng)絡(luò)本身是連通的，借助于主動(dòng)性的信息擺渡機(jī)制也可以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的性能。通過(guò)這些擺渡節(jié)點(diǎn)的主動(dòng)、有針對(duì)性的移動(dòng)可以高效及時(shí)地傳遞應(yīng)急數(shù)據(jù)，達(dá)到共享關(guān)鍵信息和協(xié)調(diào)救援行動(dòng)的目的。

與被動(dòng)的伺機(jī)信息投遞方式不同，信息擺渡機(jī)制采用一種主動(dòng)式移動(dòng)消息投遞模式，擺渡節(jié)點(diǎn)類似于主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)代理，它可以主動(dòng)更改自身的運(yùn)動(dòng)模式（包括移動(dòng)軌跡和移動(dòng)速度）以便最小化消息傳輸時(shí)延和最大化消息投遞率[11]。具體而言，在大范圍無(wú)線自組應(yīng)急通信網(wǎng)中部署適當(dāng)數(shù)量的擺渡節(jié)點(diǎn)，通過(guò)這些擺渡節(jié)點(diǎn)有意識(shí)的主動(dòng)移動(dòng)、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)來(lái)支持常規(guī)節(jié)點(diǎn)（非擺渡節(jié)點(diǎn)）之間高效的有針對(duì)性的數(shù)據(jù)投遞。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)某個(gè)子網(wǎng)中的常規(guī)節(jié)點(diǎn)希望向另一個(gè)非連通的子網(wǎng)中的常規(guī)節(jié)點(diǎn)投遞數(shù)據(jù)時(shí)，它可以通過(guò)其簇頭主動(dòng)向鄰近的擺渡節(jié)點(diǎn)發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求（允許用較大的功率和特殊的頻段），鄰近可用的擺渡節(jié)點(diǎn)接收此請(qǐng)求后，可以按照某種方式快速接近希望發(fā)送緊急數(shù)據(jù)的子網(wǎng)，然后接收其要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)并繼續(xù)移動(dòng)到目的節(jié)點(diǎn)所在子網(wǎng)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，擺渡節(jié)點(diǎn)的功率和存儲(chǔ)空間相對(duì)富裕，可以先驗(yàn)式地記錄各分簇子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的位置，以便在與這些子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)交互時(shí)根據(jù)這些位置信息做出合理的有意識(shí)的移動(dòng)。采用網(wǎng)絡(luò)分簇和信息擺渡機(jī)制對(duì)常規(guī)節(jié)點(diǎn)要求很低，常規(guī)節(jié)點(diǎn)在簇內(nèi)使用常規(guī)MANET路由協(xié)議即可，但是對(duì)功能較強(qiáng)的擺渡節(jié)點(diǎn)要求較高，需要同時(shí)支持MANET路由協(xié)議和特殊的擺渡路由。信息擺渡機(jī)制的兩個(gè)關(guān)鍵要素是位置意識(shí)和主動(dòng)移動(dòng)，擺渡節(jié)點(diǎn)需要隨時(shí)了解自身及隔離的需要相互通信的節(jié)點(diǎn)位置，以便確定最優(yōu)的移動(dòng)路線。擺渡節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)可以是任務(wù)驅(qū)動(dòng)的或消息驅(qū)動(dòng)的，前者是指擺渡節(jié)點(diǎn)先驗(yàn)式按照任務(wù)要求和既定的路線移動(dòng)，后者是指擺渡節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的請(qǐng)求消息確定移動(dòng)路線，目的都是及時(shí)可靠地在彼此隔離的子網(wǎng)之間投遞信息。

在大規(guī)模分簇應(yīng)急無(wú)線自組網(wǎng)中，信息擺渡機(jī)制主要用于根據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的業(yè)務(wù)需求連通迫切需要通信但相互隔離的分簇子網(wǎng) （或無(wú)線干線網(wǎng) （wireless backbone network,WBN））。圖3給出了分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用信息擺渡機(jī)制的一種情景，擺渡節(jié)點(diǎn)初始時(shí)部署在ECC處。假設(shè)圖3中存在兩個(gè)彼此隔離的分簇子網(wǎng)WBN1和WBN2，WBN1中的普通節(jié)點(diǎn)1希望向WBN2中的普通節(jié)點(diǎn)8投遞數(shù)據(jù)。參照?qǐng)D3，信息擺渡機(jī)制的一種可能的工作過(guò)程簡(jiǎn)述如下。

（1）節(jié)點(diǎn) 1向它的簇頭節(jié)點(diǎn) H1發(fā)送消息 M，H1通過(guò)查詢其所在子網(wǎng)發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)8不在WBN1中。

（2）H1向ECC發(fā)送包含其位置信息的擺渡請(qǐng)求消息R1，ECC收到R1后，如果有可用的擺渡節(jié)點(diǎn)，則將擺渡節(jié)點(diǎn)F1派遣到H1附近；如果沒(méi)有可用的擺渡節(jié)點(diǎn)，則告知H1需要等待。

（3）H1將消息M轉(zhuǎn)發(fā)到其通信范圍內(nèi)的F1，F(xiàn)1根據(jù)消息的目的地址確定目的節(jié)點(diǎn)所在的分簇子網(wǎng)WBN2。

（4）F1攜帶消息M主動(dòng)移動(dòng)到節(jié)點(diǎn)8的簇頭H2的通信范圍內(nèi)，并將M轉(zhuǎn)發(fā)給H2。

（5）H2將M投遞給節(jié)點(diǎn)8，與此同時(shí)完成信息擺渡任務(wù)的F1立即返回ECC處。

信息擺渡機(jī)制中可能存在多個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)段發(fā)送擺渡請(qǐng)求消息的情況，在這種情況下ECC及擺渡節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)帶轉(zhuǎn)發(fā)的每種消息的來(lái)源（如指揮員、救援人員和普通用戶）、消息的內(nèi)容（如指揮控制信息、態(tài)勢(shì)感知信息和常規(guī)信息）、消息的數(shù)據(jù)類型（視頻、話音、數(shù)據(jù)）和消息的超時(shí)時(shí)間等來(lái)確定消息的轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級(jí)，以便為應(yīng)急通信場(chǎng)景下各種用戶（包括待援者、救援者和指揮者）提供支持服務(wù)區(qū)分的通信服務(wù)。具體實(shí)施時(shí)，信息擺渡機(jī)制可以采用的消息優(yōu)先級(jí)配置見(jiàn)表1，表中的優(yōu)先級(jí)共有12個(gè)級(jí)別，從高到低分別是1～12。在消息優(yōu)先級(jí)相同的情況下，消息的超時(shí)時(shí)間越短，轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級(jí)相對(duì)越高。

表1 擺渡節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)消息時(shí)遵循的消息優(yōu)先級(jí)配置

實(shí)際上，為了提高信息投遞的時(shí)效性，還可以在網(wǎng)絡(luò)中部署按照既定路線移動(dòng)的擺渡節(jié)點(diǎn)，并且要求擺渡節(jié)點(diǎn)能夠在一定的時(shí)間內(nèi)遍歷整個(gè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，并事先由應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)指揮中心ECC將其移動(dòng)路線廣播給全網(wǎng)。擺渡節(jié)點(diǎn)可以在執(zhí)行信息投遞時(shí)臨時(shí)更改移動(dòng)路線，但在執(zhí)行完任務(wù)后，立即返回既定的移動(dòng)路線繼續(xù)遍歷整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。在任何一種情況下，擺渡節(jié)點(diǎn)都會(huì)定期與應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)指揮中心ECC聯(lián)系。因此，擺渡節(jié)點(diǎn)還可以在游走的過(guò)程中收集部分孤立的子網(wǎng) （不能與應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)指揮中心ECC及時(shí)通信的子網(wǎng)），等待上報(bào)給應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)指揮中心ECC的態(tài)勢(shì)感知信息或其他應(yīng)急數(shù)據(jù)。也就是說(shuō)，擺渡節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)應(yīng)急通信場(chǎng)景配置初始狀態(tài)：固定部署在應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)指揮中心ECC處或按照既定路線在網(wǎng)絡(luò)中游走，將這兩種情況統(tǒng)稱為默認(rèn)配置模式。隨后，當(dāng)收到擺渡服務(wù)請(qǐng)求消息并且經(jīng)過(guò)認(rèn)證確認(rèn)能夠提供服務(wù)后（考慮擺渡機(jī)制的安全性），切換到主動(dòng)移動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)模式，移動(dòng)到等待服務(wù)的節(jié)點(diǎn)附近或子網(wǎng)邊緣，完成信息承載轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，然后再返回到默認(rèn)配置模式。需要提到的是，在大規(guī)模應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中往往存在多個(gè)應(yīng)急救援區(qū)域，此時(shí)可以根據(jù)業(yè)務(wù)量需求的變化靈活部署多個(gè)擺渡節(jié)點(diǎn)：其中一些擺渡節(jié)點(diǎn)部署在特定的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中按照既定的移動(dòng)路線游走，負(fù)責(zé)所屬區(qū)域內(nèi)的信息投遞任務(wù)；另一些擺渡節(jié)點(diǎn)部署在應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)指揮中心ECC處待命，負(fù)責(zé)各網(wǎng)絡(luò)區(qū)域間的信息投遞。此外，不同網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中游走的擺渡節(jié)點(diǎn)還可以在應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)指揮中心ECC的控制下協(xié)作完成數(shù)據(jù)采集和投遞任務(wù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)要充分發(fā)揮功效，必須充分利用各種通信技術(shù)手段并綜合運(yùn)用各種現(xiàn)存的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和臨時(shí)部署的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。本文設(shè)計(jì)的基于網(wǎng)絡(luò)分簇和信息擺渡的無(wú)線自組應(yīng)急通信網(wǎng)服務(wù)增強(qiáng)方案能夠充分發(fā)揮無(wú)限自組網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）強(qiáng)適應(yīng)性

能適應(yīng)各種應(yīng)急突發(fā)場(chǎng)合，包括戰(zhàn)場(chǎng)通信、搶險(xiǎn)救災(zāi)、環(huán)境監(jiān)控等，尤其適合區(qū)域覆蓋范圍較廣、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大和節(jié)點(diǎn)密度稀疏的異構(gòu)無(wú)線自組應(yīng)急通信網(wǎng)環(huán)境。

（2）高生存性

具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)和容斷能力，能根據(jù)應(yīng)用需要在任何時(shí)間任何地點(diǎn)提供網(wǎng)絡(luò)覆蓋和可靠的數(shù)據(jù)投遞服務(wù)，并可延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。

（3）可擴(kuò)展性好

基于分簇的分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和主動(dòng)信息擺渡機(jī)制可以減少擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，并能有效減少網(wǎng)絡(luò)控制開(kāi)銷。

（4）自配置性

網(wǎng)絡(luò)分簇形成、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制和信息投遞均可由不同角色的節(jié)點(diǎn)自動(dòng)協(xié)作完成，幾乎無(wú)需人工干預(yù)。

網(wǎng)絡(luò)分簇和信息擺渡機(jī)制的有機(jī)結(jié)合提升了網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)性能，增強(qiáng)了無(wú)線自組應(yīng)急通信網(wǎng)的信息服務(wù)能力，減少了信息傳輸時(shí)延并提高了信息投遞率，能夠?yàn)閼?yīng)急場(chǎng)合下各類用戶群體提供有區(qū)分的服務(wù)保障能力，并可以滿足最低限度通信服務(wù)的需求。

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