應急通信網(wǎng)絡設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)研究

李鐘全

[摘 要]本文首先簡要分析了應急通信網(wǎng)絡的基本特點與要求，指出了應急通信網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)；然后以怎樣切實構(gòu)建高度安全、可靠、實用的應急通信網(wǎng)絡為著眼點，從WiMAX技術(shù)、無線自組網(wǎng)技術(shù)兩方面，探討了組建應急通信網(wǎng)絡的關(guān)鍵技術(shù)，以期為此領(lǐng)域應用研究提供參考。

[關(guān)鍵詞]應急通信網(wǎng)絡；無線傳感網(wǎng)絡；服務；質(zhì)量；AdHoc網(wǎng)絡

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2018.06.025

[中圖分類號]TN929.5 [文獻標識碼]A [文章編號]1673-0194（2018）06-00-02

應急通信網(wǎng)（ECN）實為一種為有效應對突發(fā)性公共事件、災害等，而快速構(gòu)建的一種具有臨時性、有效性的通信網(wǎng)絡。此網(wǎng)絡可以提供應對突發(fā)事件需要的通信服務，能夠為特定用戶、災組織等，提供準確、豐富，具有實時性的數(shù)據(jù)與信息服務，因而能夠最大程度、最大限度降低災難、事件所造成的損失。ECN能為整個網(wǎng)絡的運行安全，提供切實性、高效化保障。本文就應急通信網(wǎng)絡的設(shè)計思路及關(guān)鍵技術(shù)作一探討。

1 應急通信網(wǎng)絡的基本特點

1.1 快速部署

在網(wǎng)絡規(guī)劃與部署過程中須做到快捷與簡單，而對于相關(guān)通信設(shè)備與網(wǎng)絡而言，則需要以更快效率、更高速度運至目標區(qū)域，盡可能不依賴復雜的配置過程與專業(yè)人員，另外，設(shè)備容錯性應高。

1.2 可擴展性與健壯性

如果變化過于頻繁，或者處在一種快速部署的基本網(wǎng)絡環(huán)境中，均會對網(wǎng)絡功能形成強烈沖擊，使之承受更多挑戰(zhàn)。所以，在選購與之配套的基礎(chǔ)設(shè)施時，需做到滿足實需。針對外界所出現(xiàn)的變化情況，能夠比較快速地給予調(diào)整與適應，以此來為客戶提供更加優(yōu)質(zhì)、全面的服務。

1.3 可移植性與便捷性

由于網(wǎng)絡部署速度較快，其要求網(wǎng)絡設(shè)備要便于實際操作，并非一味地注重專用設(shè)備的運用，而是要大膽且積極地推動各種品質(zhì)良好的商用產(chǎn)品的使用。

1.4 成本

在部署與維護網(wǎng)絡時，需投入一定的成本，所以，一些商用且比較成熟的技術(shù)與產(chǎn)品得到了廣泛應用。另外，對于應急通信網(wǎng)絡而言，針對用戶所存在的高速移動性，需要對此給予切實的支持，對于外界環(huán)境中的異質(zhì)網(wǎng)絡，實現(xiàn)其互聯(lián)，并提供高品質(zhì)、可靠且穩(wěn)定的信息傳輸服務。

2 應急通信網(wǎng)絡的基本架構(gòu)與設(shè)計

近年來，應急通信系統(tǒng)的全面化、深層次構(gòu)建，已經(jīng)成為當今世界普遍關(guān)注、高度重視的熱點。對于應急通信網(wǎng)絡來講，其須具備如下特點：①能夠?qū)窈罂赡馨l(fā)生的災害加以預測與防范，實時監(jiān)測特定區(qū)域，開展數(shù)據(jù)分析，能夠支持異質(zhì)網(wǎng)絡的互連；②快速恢復通信，對災后重建加以輔助；③切實、有針對性地實施應急行動，能夠?qū)Ω鞣N救援力量進行合理性協(xié)調(diào)。比較常見、通用的應急通信網(wǎng)絡架構(gòu)（如圖1所示），主要包含3個層次，即實現(xiàn)信息關(guān)聯(lián)與收集的中間件層、分布式計算層及通信基礎(chǔ)設(shè)施層。在3層架構(gòu)當中，通信基礎(chǔ)設(shè)施層利用通信網(wǎng)絡（臨時性的或現(xiàn)有的），為各種通信業(yè)務提供支持，包含用作受災區(qū)域監(jiān)視的傳感器網(wǎng)絡、臨時部署的Ad Hoc網(wǎng)絡及現(xiàn)有的蜂窩通信網(wǎng)絡。而中間件層負責通信基礎(chǔ)設(shè)施層當中的各種信息的收集與關(guān)聯(lián)。

圖1 應急通信網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)圖

通信基礎(chǔ)設(shè)施層準允受災范圍內(nèi)用戶，通過各種終端與移動設(shè)備，對各種服務與異質(zhì)網(wǎng)絡進行訪問。因此，需采取一種有效、實用且簡單的方式，將通信與處理設(shè)備部署在受災區(qū)；可以集成于現(xiàn)有通信網(wǎng)絡，以便能夠提供更為實用、高效的服務平臺，更好地滿足實際通信服務。另外，對于通信基礎(chǔ)設(shè)施層來講，可選用一種比較傳統(tǒng)的異質(zhì)網(wǎng)絡互聯(lián)結(jié)構(gòu)，其主要包含無線傳感網(wǎng)絡（WSN）、臨時部署的移動AdHoc網(wǎng)絡以及既有蜂窩網(wǎng)絡。當前已經(jīng)完成部署工作的通信設(shè)施主要由3部分組成，即大量野外節(jié)點（FN）、多個超級節(jié)點（SN）及一個中心控制單元（CCU），如果處于極端環(huán)境中，還需要利用無人機或者衛(wèi)星來提供緊急情況下的應急通信服務。CCU在通信與計算能力方面比較強，在維護與管理方面，要想使其變得更加可靠、安全，通常情況下，可選用固定式。但對于一些比較特殊的情況下，其能夠根據(jù)實際需要進行移動，而且還可以與外部網(wǎng)相連接，能夠根據(jù)運轉(zhuǎn)實況及當前需要，不間斷地收集各種所需信息，然后將所得到的信息實時傳輸給節(jié)點。SN除了可以固定之外，還能移動，不僅通信能力強，計算能力也比較強，在供電方面，其能夠提供可靠保障。當處于CCU控制情況下，SN可以實現(xiàn)實時互連，并且還能組建系統(tǒng)的骨干網(wǎng)，為那些處理臨近狀態(tài)的FN，實時提供各項服務。

3 應急通信網(wǎng)絡的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 無線自組網(wǎng)技術(shù)

無線自組網(wǎng)實際上是一種圍繞計算機網(wǎng)絡與無線通信，經(jīng)過不斷發(fā)展、更新與完善而最終形成的創(chuàng)新產(chǎn)物，其有著諸多突出特點，如Ad Hoc網(wǎng)絡、無線傳感網(wǎng)及無線網(wǎng)狀網(wǎng)等均為無線組織網(wǎng)的基礎(chǔ)框架內(nèi)。Ad Hoc網(wǎng)絡，從本質(zhì)上來講，其就是一種相比其他網(wǎng)絡形式，具有一定特殊性的移動通信網(wǎng)絡，在不需要進行相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施預設(shè)的前提下，便可以快速組網(wǎng)。無線自組網(wǎng)的基本特點是高毀性、自愈合、自組織等，尤其是那些具有臨時性或突發(fā)性的應急通信場合，其比較適合。隨著此方面研究的日漸深入，Ad Hoc網(wǎng)絡的應用變得越發(fā)廣泛，除了已經(jīng)應用在民用領(lǐng)域之外，還逐漸應用于商業(yè)領(lǐng)域。另外，在研究內(nèi)容方面，其更加寬泛，囊括諸多內(nèi)容，比如網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)、信息安全傳輸及QoS支持等。

另外，以Ad Hoc網(wǎng)絡技術(shù)為支撐，已經(jīng)有多種形式或類型的無線自組網(wǎng)技術(shù)出現(xiàn)，如無線網(wǎng)狀網(wǎng)（WMN）與WSN。WSN不僅融合了Ad Hoc技術(shù)，還大范圍融合了分布式信息處理、傳感器技術(shù)等先進技術(shù)。通過這些先進技術(shù)的應用，其除了可以有效完成諸如傳感信息的收集等工作之外，還能根據(jù)實際需要，對其進行實時處理。除此之外，其能夠?qū)μ囟繕藚^(qū)域進行有效監(jiān)控，將所得到監(jiān)控信息，實時傳送至相關(guān)用戶，以此來為行動決策提供更加全面、準確的輔助。在WSN中，在其內(nèi)部，設(shè)置有多個傳感節(jié)點，這些節(jié)點可以實現(xiàn)協(xié)作運行，還能依據(jù)實際需要及網(wǎng)絡規(guī)模，選擇滿足當前實況的路由協(xié)議，實現(xiàn)傳輸任務、信息監(jiān)測等工作的快速、高效完成。

3.2 WiMAX技術(shù)

在當前已建成的完善通信基礎(chǔ)設(shè)施的驅(qū)動下，已經(jīng)出現(xiàn)了基于WiMAX技術(shù)的無線網(wǎng)絡技術(shù)，這些技術(shù)不僅高效，而且還充分運用了寬帶應急通信技術(shù)，因而有著高效化的實用價值。之所以會選用此技術(shù)，最終目的即為更好地、更加全面地滿足當前應急通信網(wǎng)絡業(yè)務組網(wǎng)方面的實際需要。WiMAX，從本質(zhì)上來講，其是一種良好的寬帶無線通信技術(shù)，其技術(shù)為IP技術(shù)，因而可以提供與實際相符、能更好地滿足現(xiàn)實需要的通信覆蓋（5～6 km），還能提供比較高的數(shù)據(jù)速率。另外，WiMAX通信設(shè)備便于部署，而且能根據(jù)應用的不同，提供相應QoS保證。

為了實現(xiàn)在各應急環(huán)境下均有可靠通信支持，需要不斷優(yōu)化WiMAX網(wǎng)絡，以此來提供高速、可移動性的OFDMA機制。從物理層角度來分析，其在OFDMA機制的相關(guān)作用與影響下，可實現(xiàn)系統(tǒng)容量的最大化提升，但是，由于其具有移動性特點，其會對多普勒頻移效應產(chǎn)生不良影響。另外，在接收器與發(fā)送器間所存在的載波頻移（CFO），會使子載波間正交性降低，而且還會被引入載波間干擾。因此，需采取有效措施，提升精度，將移動性所造成的影響降至最低，且應用反饋與補償?shù)姆椒?，對CFO引入所造成的多址干擾（MAI）予以克服。為確保整個的通信的安全性，可以選用融合有前向糾錯（FEC）與綜合自動重傳請求（ARQ）技術(shù)的混合自動重傳請求（HARQ）技術(shù)。此外，通過空間多路復用（MIMO）技術(shù)的高效化應用，能夠較大程度提升鏈路吞吐量，還能促進網(wǎng)絡覆蓋范圍的擴展。

4 結(jié) 語

本文依據(jù)應急通信的基本特點，探討了一種圍繞應急通信運作的基本網(wǎng)絡架構(gòu)，另外，還分別從WiMax寬帶無線技術(shù)、無線自組網(wǎng)技術(shù)兩方面，探討了應急通信網(wǎng)絡的關(guān)鍵技術(shù)。應急通信網(wǎng)絡需切實運用時下先進的無線網(wǎng)絡設(shè)備與商業(yè)技術(shù)，通過將之集成，來構(gòu)建一個方便管理與攜帶的安全、可靠的應急網(wǎng)絡。

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