移動自組網(wǎng)在災后營救中的應用研究

摘 要： 介紹移動自組網(wǎng)的特點、發(fā)展與現(xiàn)狀，并與現(xiàn)有通信手段進行分析對比，指明移動自組網(wǎng)在各類災后營救中的相比傳統(tǒng)通信手段所更能發(fā)揮的積極作用，展望移動自組網(wǎng)在各個領域中的應用前景。

關鍵詞： 移動自組網(wǎng)；災后營救；實時通信；通信系統(tǒng)

中圖分類號： TP393 文獻標識碼： A doi：10.3969/j.issn.1006-2475.

Research on application of mobile ad hoc network in rescue after disaster

HUANG Chengbing1

（Computer Science Department， Aba Teachers College ， Wenchuan Sichuan 623002， China）

Abstract： Through the introduction of Mobile Ad Hoc network features、development and current situation， and with the comparison with existing means of communication， the paper indicates that， to a greater extent the mobile ad hoc could guarantee the smooth communication networking system during the process of tourism field position or post disaster rescue and modern war more. After that， the application prospect of mobile ad hoc networks in various fields are also presented.

Key words： mobile ad hoc； disaster rescue； real time communication； communication system

0 引言

近年來在世界范圍內(nèi)，災后營救的話題已成為攸關民生與發(fā)展的熱點與焦點。當嚴重自然災害發(fā)生時，原有的基礎通信設施大多受到損毀，從而給災后營救的順利開展形成障礙與阻力。當前，我國對各類人員實施營救位置確定以及災難營救時所使用的通信聯(lián)絡方式主要有無線電臺、衛(wèi)星通訊、 3G圖像傳輸這3種常規(guī)方式。但是，當被營救人員身處洪水、森林大火、地質(zhì)災害等危險區(qū)域時，由于這些災害通常具備的突發(fā)性、毀滅性，將會給地面通信基站或交通樞紐等造成重大損壞，導致常規(guī)使用的通信手段已然無法滿足救援人員的應急通訊需求。同時，傳統(tǒng)的通訊大多基于TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議，在通信過程中需要始終保存一條穩(wěn)定的端到端通信鏈路。但在災后應急通訊的條件下，由于通信環(huán)境將會轉(zhuǎn)為極度惡劣，鏈路的頻繁中斷即會導致這樣一條滿足如上要求的鏈路必將難以獲得全程暢通保障[1]。因而，如何建立并保持災后營救過程中的及時通訊即已成為當前頗具研究實用價值的重要課題。

隨著通信技術的飛速發(fā)展，對移動通信設備進行重新組合并構建臨時通信網(wǎng)絡 （即移動自組網(wǎng)）已經(jīng)廣泛應用于災后營救應急通訊、軍事通訊以及野外旅游通訊等各種過程與場合。與此同時，硬件設計方面正日趨完善，組成的移動自組網(wǎng)（Mobile Ad Hoc Network）也可稱為 MANET，已經(jīng)表現(xiàn)出諸多的優(yōu)勢特點。具體地，移動自組網(wǎng)不受時間、地點的限制，通訊時也不需依靠地面基站或者是控制中心的支持，而是只需利用多個可以實現(xiàn)路由功能的獨立終端數(shù)據(jù)節(jié)點，建立臨時的移動通信環(huán)境即可。綜上可知，移動自組網(wǎng)具備了不需基礎通訊環(huán)境、可自由移動、可任意增加或刪除通訊節(jié)點等優(yōu)良性質(zhì)?；诖耍疚募瘁槍σ苿幼越M網(wǎng)的綜合應用給出研究綜述。

1 移動自組網(wǎng)的發(fā)展與現(xiàn)狀

1.1 移動自組網(wǎng)的發(fā)展

移動自組網(wǎng)是美國國防部遠景規(guī)劃局（DARPA）在20 世紀 70 年代通過“在戰(zhàn)場環(huán)境下采用分組無線網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信”研究時產(chǎn)生的新的網(wǎng)絡技術手段。1983 年，DARPA即已開始啟 動 SURAN （ Survivable Adaptive Network）以高效拓展 PRNET （ Packet Radio Network）項目中的各種技術手段，研究開發(fā)大型網(wǎng)絡系統(tǒng)，并且設計提出網(wǎng)絡自適應協(xié)議，從而滿足不同地域戰(zhàn)爭的需要，為打贏戰(zhàn)爭提供通信技術保障。1994 年，DARPA正式提出了全球移動信息GloMo（Global Mobile Information System）項目，該項目的研發(fā)主要是為海陸空三軍提供指揮中心與前沿陣地網(wǎng)絡連接，保證通信聯(lián)絡暢通無阻，方便軍隊首長進行作戰(zhàn)指揮。隨著戰(zhàn)爭信息化條件的逐步提高，很多發(fā)達國家為作戰(zhàn)軍隊配備了尖端的通信系統(tǒng)，保證作戰(zhàn)的極速協(xié)調(diào)與完備指揮。因此，移動自組網(wǎng)的研究開發(fā)將為軍隊打贏高技術條件下的現(xiàn)代戰(zhàn)爭提供堅實有力保障。

由于最初移動自組網(wǎng)技術的產(chǎn)生主要是為滿足軍事領域的通信需求，而且相對于民用通信系統(tǒng)在各方面要求更高，軍隊通信系統(tǒng)同時還必須滿足抗毀性、自組織性和機動靈活性這3個特殊要求。由此則必須使用通信節(jié)點能夠任意移動并且自由組合的通信網(wǎng)絡，從而形成新的移動通信自組網(wǎng)。

1.2 移動自組網(wǎng)的現(xiàn)狀

隨著通信技術的發(fā)展，無線移動終端進入了更新?lián)Q代，體現(xiàn)在藍牙技術的開發(fā)使用、遠程紅外技術的發(fā)展進步、Wi-Fi等無線通訊技術上，這就為移動自組網(wǎng)的開拓進步制造了有利契機，自組網(wǎng)在各領域的應用正日趨廣闊，已經(jīng)陸續(xù)應用在軍事通訊、災后營救、航海、航天、車載安全[2]通訊等多個方面。

1.3 移動自組網(wǎng)的結(jié)構

移動自組網(wǎng)是指通信中的多個移動節(jié)點或節(jié)點簇通過無線信號傳輸連接在一起的通信系統(tǒng)。通信過程中的每個節(jié)點都可以自由移動，每個通信節(jié)點既是信號接收點又是中繼節(jié)點，在移動過程中完成信息的收發(fā)功能，正因為移動自組網(wǎng)的這一優(yōu)點，才可保證其在網(wǎng)絡結(jié)構發(fā)生變動時，通信聯(lián)絡不致出現(xiàn)中斷[3]。在對旅游人員進行趨于地點定位或者是災難發(fā)生后提供營救的過程中，當由于特殊工作環(huán)境限制了通信系統(tǒng)的使用效果時，就可以啟用移動終端的自組網(wǎng)來完成需求信息的傳遞交流，并快速鎖定目標所在位置，彌補原有固定通信系統(tǒng)的不足。

2 移動自組網(wǎng)的特點

2.1 廣泛的環(huán)境適應性

移動自組網(wǎng)不類似傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)，因其沒有中心控制節(jié)點，采用的卻是分布式通信技術，移動自組網(wǎng)中的每個移動節(jié)點都可以自由移動、相互組合，不依賴任何設備。當網(wǎng)絡中的某個節(jié)點發(fā)生了通信故障，其他節(jié)點還可以與臨近節(jié)點隨機組合保障通信暢通。移動自組網(wǎng)與傳統(tǒng)的無線通信網(wǎng)相比，具有獨立性和組合開放性，不受時間、地點的限制，隨時構建，而且也無需再有其他基礎設施的功能匹配輔助，在自身可調(diào)節(jié)掌握范圍內(nèi)即可完成通信任務。綜上可知，在搶險救災等重大任務的通訊聯(lián)絡中，移動自組網(wǎng)只需通過自身組網(wǎng)，而再無需借助地面基站或者是控制中心的基本支持。此時，救援隊員只要隨身攜帶手機、PDA、圖像或者是語音傳輸系統(tǒng)等無線通信設備進入該地區(qū)，就能自由組網(wǎng)，實現(xiàn)通信指揮網(wǎng)絡的全程暢通。

2.2 網(wǎng)絡機動靈活

由于災后營救行動過程的現(xiàn)場通信或?qū)Ρ皇┚热藛T的野外環(huán)境位置區(qū)域方位確定，或者是營救人員在各區(qū)域來回移動所需的實時通信，都在表明網(wǎng)絡拓撲結(jié)構的組織力度仍有待完善，同時也要一并增強其擴展能力。而網(wǎng)絡拓撲結(jié)構沒有中心控制節(jié)點，任何2個相鄰節(jié)點之間有一個位置發(fā)生了變化，都不會影響到通信功能，而是隨機調(diào)用另一個臨近節(jié)點的中繼功能來實現(xiàn)通信網(wǎng)絡的顯示暢通。由此可見，移動自組網(wǎng)中的節(jié)點能夠以任意速度、方式自由移動或者是以自身的原因加入、退出該自組織網(wǎng)絡，而且都不會影響到通信的過程質(zhì)量。由此得出自組網(wǎng)具有良好的機動性，能夠保證災后營救人員在營救時進行定位搜救，并保持與指揮中心通信聯(lián)絡的優(yōu)質(zhì)連續(xù)，便于指揮中心完成指揮調(diào)度，實現(xiàn)指揮中心對前沿的全局性合理督導。

2.3 組網(wǎng)成本低廉

通信網(wǎng)絡有2種，分別是：無線通信網(wǎng)絡和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡兩種，實現(xiàn)方式均為單跳型，由于在這些傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡中，節(jié)點收發(fā)設備信號的傳播范圍并非廣闊，即使得多數(shù)情況下需要通過一定的技術措施來擴大網(wǎng)絡的覆蓋面積。一是對于基站和終端，要加大發(fā)射功率，二是可以創(chuàng)建多個基站，但這些做法最終都將造成組網(wǎng)成本的大幅提升。而對于移動自組網(wǎng)技術來說，其中使用的通信方式為多跳型。多跳型的通信方式主要是指當遇到節(jié)點和目的地出現(xiàn)不能成功對接通信的情況時，可以利用中間的節(jié)點分組轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點和目的地的信號。通過對比這2種網(wǎng)絡方式，可以明確知道，多跳組網(wǎng)具有顯著優(yōu)越性，一是其成本很低，二是功耗、電磁干擾等通信缺陷相對較少。多跳組網(wǎng)對移動終端發(fā)揮的作用則尤為顯著，可使移動終端更趨靈活、且呈現(xiàn)更佳的便攜性。

2.4 網(wǎng)絡可靠性強

移動自組網(wǎng)主要通過網(wǎng)絡分布的方式來實際控制和操作，這即使得移動自組網(wǎng)中的每一個節(jié)點都將居于同等地位和作用，因而這些節(jié)點都將具有相同的功能，具體就是要求每一個節(jié)點都能夠具有路由和主機的功能。在移動自組網(wǎng)中，通信的傳輸鏈路不只是一條，而是會有很多條。因此，在傳輸過程中，可以采用路由算法來選擇得到一條最佳的傳輸鏈路[4]。實際情形是：如果這個傳輸?shù)逆溌烦霈F(xiàn)了問題，假設其中的一個節(jié)點發(fā)生了損壞，那么系統(tǒng)就會選擇另外一條鏈路來代替先前的鏈路，從而確保網(wǎng)絡的正常工作運行。綜上分析可得，移動自組網(wǎng)具有強大的抗破壞能力。這一特性將能可靠應用到執(zhí)行野外作業(yè)以及災后營救的過程中，可以使任何一個節(jié)點隨時隨地地加入和退出，從而確保了前方指揮中心通信網(wǎng)絡不致因任何事件陷于故障或者摧毀。

2.5 移動自組網(wǎng)缺點

對比傳統(tǒng)有線通信網(wǎng)絡以及衛(wèi)星通信網(wǎng)絡，雖然移動自組網(wǎng)技術表現(xiàn)出顯著鮮明優(yōu)勢，但卻也仍然存在一定的問題，具體闡述如下：一是其無線傳輸帶寬較低；二是容易受到一些自然因素的不利影響，通信鏈路的容量也并非恒定，在設計實現(xiàn)就會時常降級為單向無線信道；三是移動終端設備不一定都能滿足要求；四是采用移動電源供電，能源極其有限；此外，還由于移動自組網(wǎng)的獨特設計更使其同時存在一定的安全缺陷，諸如通道脆弱、拓撲結(jié)構動態(tài)、集中監(jiān)控難于實現(xiàn)以及移動節(jié)點自身的安全性也未臻理想等方面。這些問題使得移動自組網(wǎng)在實施構建中面臨嚴峻處境，因而在今后的課題研究中，需要逐步解決這些問題[5]。

3 移動自組網(wǎng)在災后營救中的具體應用

3.1 移動自組網(wǎng)與常規(guī)無線電臺的對比

在位置定位、災后營救過程中，高頻首選的通信手段就是常規(guī)無線電臺，因其攜帶方便、成本較低，最重要的就是還可以進行遠距離通信，但在如上優(yōu)勢背后還需看到，這一技術手段的通信帶寬卻有著一定局限，只能使用單通道進行傳輸。在此情況下，只有語音信號能夠完成傳輸，而圖像信號卻只會處于傳輸范圍外，這就使得前方指揮中心并不能充分了解前方現(xiàn)場的情況，從而無法作出最佳決策。而且，不僅如此，常規(guī)無線電臺還表現(xiàn)出頻道數(shù)量少、通信方式組播的缺點，由此將使得多方力量協(xié)同救援時，就會產(chǎn)生通信混亂。

相比常規(guī)無線電臺來，移動自組網(wǎng)通信的優(yōu)點就愈加明顯。一方面，其通信帶寬足夠大，既能夠傳輸圖像信號，又能夠多方位、多角度地報道現(xiàn)場情況，從而能夠助力后方指揮中心精準制定關鍵決策，為救援現(xiàn)場提供了現(xiàn)實理想的技術保障。另一方面，在傳統(tǒng)的組播通信方式的基礎上，移動自組網(wǎng)通信融入了點對點的方式，使得上級對下級發(fā)出命令時可以同時進行安排部署，避免了通信混亂，從而更加快速、高效地調(diào)動集結(jié)救援隊伍。

3.2 移動自組網(wǎng)與 3G 圖像傳輸對比

目前，公安消防部隊在組建現(xiàn)場通信時，通常使用3G 圖像傳輸方式，這種方式主要是通過便攜式終端采集圖像信息，并由無線基站接收信號，再通過有線通信線路進行傳輸，進而抵達指揮中心。但是，由于災害降臨時，無線通信基站以及有線線路一般均會中斷，使得此時將無法正常使用3G 圖像的傳輸方式[6]。而移動自組網(wǎng)技術具有適應性強、網(wǎng)絡可靠的特點，所以就能夠在這些相對極端的環(huán)境下，依然保持良好通信傳輸，最終，在搶險救援中發(fā)揮重要的作用。

3.3 應用范圍

眾所周知，災難營救現(xiàn)場大多將遭遇道路不通、通信中斷、基礎設施損毀、工作人員稀少等考驗，此時要使營救工作快速有效展開，基礎的通信保障將是必不可少、至關重要的。然而原有的通信設施大多損毀，重新架設即使在電力正常、道路優(yōu)良的情況都需要花費大量時間、 人力、物力。移動自組網(wǎng)則具有無需基礎設施、能夠方便快捷地增加或刪除一個節(jié)點（施救人員）、各個節(jié)點可以隨意移動、能夠快速實效地地建立起一個臨時通信網(wǎng)絡等優(yōu)點，因此尤為適合這一類的災后營救現(xiàn)場。移動自組網(wǎng)通過采用“存儲/攜帶/轉(zhuǎn)發(fā)” 的方式進行信息的傳遞，同時可以采用稱之為擺渡節(jié)點的外界節(jié)點進行輔助路由[7]。在災難營救現(xiàn)場，為了盡量縮短消息延遲，同時還可以在空中規(guī)劃一定數(shù)量的攜帶有通信設備的無人機增強消息的傳輸效率，保持與指揮部的及時通信。

4 結(jié)束語

針對移動自組網(wǎng)技術，文中以其發(fā)展過程以及其自身具有的一些優(yōu)勢為主要內(nèi)容線索，通過對比野外環(huán)境的地域定位功能以及災后營救通訊使用的相關手段，可以得出，即使在無線基站損毀、通信線路癱瘓、道路不通等極端環(huán)境中，移動自組網(wǎng)也能夠高效率運轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)緊急狀況下的通信指揮功能。另外，雖然目前移動自組網(wǎng)技術還存在著一些現(xiàn)實問題，主要表現(xiàn)在動態(tài)路由算法的工作效率低、功耗高，通信系統(tǒng)生存時間較短等方面，但是在今后的實踐研究過程中，移動自組網(wǎng)必將逐漸躍升為災后通信指揮應用中核心重要的技術組成部分，從而獲得未來廣闊的應用發(fā)展空間。

參考文獻：

[1] 王勇.面向災難營救場景的延遲容忍網(wǎng)絡路由技術研究[D]. 長沙：國防科學技術大學，2013：1-9

[2]馮瑋，范業(yè)仙，林峰.NS2在車載自組網(wǎng)仿真中應用研究[J]. 韶關學院學報，2015，36（8）：22-26.

[3] 張程.移動自組網(wǎng)的關鍵技術研究[D].重慶：重慶大學，2010：2-5.

[4] 楊銘熙.移動自組網(wǎng)安全路由技術的研究[D].武漢：武漢理工大學，2007：1-4.

[5] 黃清元.移動自組網(wǎng)可信安全路由技術研究[D].長沙：國防科學技術大學，2008：1-9.

[6] 劉超慧，吳慶濤.基于衛(wèi)星通信和 3G 技術的消防通信指揮系統(tǒng)[J].新鄉(xiāng)學院學報（自然科學版），2011，28（4）：346-348.

[7] 陳超.移動自組網(wǎng)技術在消防部隊搶險救援通信保障中的應用[J].消防技術與產(chǎn)品信息，2012（10）：16-19.

作者聯(lián)系方式：

姓 名：黃成兵

出生年月：1980年11月

出 生 地：四川省宜賓市

單位全稱：阿壩師范學院計算機科學系

職 稱：副教授

學 位：碩士

研究方向：計算機網(wǎng)絡技術

通訊地址：四川省阿壩州汶川縣水磨鎮(zhèn) 阿壩師范學院

郵 編：623002

作者Email：24951699@qq.com

聯(lián)系電話：18942828000

基金來源： 四川省教育廳自然科學重點基金資助項目（14ZA0306）；阿壩師范學院重點基金項（ASA12-23）

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