應急通信網絡中的異構網絡互聯問題及實現機制研究*

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，國內外頻發的自然災難和突發事件使應急通信再度成為業界關注的焦點。面對這些重大突發事件，如何快速組建可靠、高效的應急通信網絡,已成為迫切需要解決的重大技術問題。與西方發達國家相比,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有的通信基礎設施(包括公眾通信網絡和公眾傳媒網絡),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(wireless self-organizing network)以及利用專用衛星和集群通信系統。因此，在應急通信場合，單一的通信技術手段和通信網絡已不能滿足在復雜多樣的應急環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、衛星等多種通信手段，構建一種融合無基礎設施網絡和有基礎設施網絡的異構應急通信網絡，以便為各種應急突發情況提供有效的通信保障。不難看出，異構網絡互聯是組建應急通信網絡的關鍵技術之一。

無線自組網的典型代表是Ad Hoc網絡、無線傳感網絡和無線Mesh網絡。Ad Hoc網絡是一種特殊的移動通信網絡，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絡基礎設施就可以快速自動組網，具有很強的抗毀性和靈活性，特別適合應急通信突發、臨時性通信場合，是常規通信手段的必要補充和發展。無線傳感網絡有效結合Ad Hoc網絡技術、分布式信息處理技術和傳感器技術，可以實時、有效監控特定目標區域，對異常突發事件及時向相關用戶發出預警，并通過對收集的信息加以處理，進行輔助行動決策。此外，Mesh網絡是Ad Hoc網絡技術的擴展，采用網絡拓撲結構，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絡接入方式。這些技術手段各有特色，但都具有網絡自組織和協同特征，非常適用于組建應急通信網絡。

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

2 支持異構網絡互聯的應急通信網絡結構設計

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。無線自組網可以方便地部署在應急通信場合，支持事件監控、協作通信和指揮控制等多種應用。但是無線自組網中的用戶如何安全、可靠地接入蜂窩網絡和Internet這類有基礎設施網絡的問題，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技術。但是，當前的無線廣域網(WWAN)的特點是時斷時續的連接、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。傳統的移動網絡，如蜂窩網絡可以借助基站與Internet相連，而無線自組網中不存在類似于基站的中心節點，因此，無線自組網中的移動主機必須借助其他方式接入無線廣域網(公共移動網)或Internet。

支持異構網絡互聯的應急通信網絡設計的原則是：依托可用的基礎網絡設施與臨時部署的機動通信系統，構建有機融合的有基礎設施網絡和無基礎設施網絡，涵蓋有線、無線、衛星等多種通信手段的異構應急通信網絡，實現不同通信技術間的優勢互補和協作，以便能夠在復雜多樣的應急環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是按照分級網絡結構組織的，整個網絡由大量用戶子網和一個核心骨干網組成。蜂窩網絡也是一種分級網絡結構，移動終端通過基站與MSC構成的骨干網連接到固定有線網絡。分級結構能夠將節點移動和鏈路質量變化帶來的影響限制在系統的底層，從而使網絡具有較好的可擴展性。考慮到分級網絡結構的諸多好處，支持異構網絡互聯的應急通信網絡也應采用分級結構，以方便無線自組網與固定網絡進行無縫通信，高效管理網絡資源和降低網絡的構建成本。無線自組網可以采用基于簇的分級網絡結構，每個簇可視為一個小型的無線分組網，異構應急通信網絡結構如圖1所示。

圖1中的無線自組網涵蓋Ad Hoc網絡、無線傳感網和無線Mesh網絡。但前，蜂窩網絡已能夠很好地與Internet實現互連互通，這里主要考慮無線自組網與Internet和蜂窩網絡的互聯問題，并以與Internet實現互聯來說明。在無線自組網中，簇頭和網關(包括公共網關和分布式網關，前者指位于多個簇頭通信范圍內的節點，后者指位于相鄰簇中可以直接通信的節點對)可以互相連接構成虛擬骨干網絡(VBN)。與此同時，其中的一些簇頭可以與互聯網關相連(允許多個簇頭同時連接一個或多個互聯網關)，通過互聯網關訪問Internet，甚至在某些情況下簇頭可以直接訪問Internet(如不存在互聯網關或者互聯網關負擔過重，并且簇頭本身可以充當互聯網關時)。互聯網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路由協議和Internet路由協議。借助于互聯網關接入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和Internet。

圖1 一種支持異構網絡互聯的應急通信網絡結構

基于這種分級網絡結構，Internet、蜂窩網絡和無線自組網可以方便地實現互聯互通，距離較遠的兩個獨立運行的無線自組網 (如一個應急通信車輛Ad Hoc網絡和一個無線傳感網)也可以通過Internet或衛星實現互聯，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協議和反向隧道機制，使無線自組網中的移動節點接入Internet。此時，互聯網關作為移動IP中的外地代理。無線自組網中移動主機和Internet中通信對端的通信必須通過外地代理轉發，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中的主機發送分組，移動節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)將分組轉發到其所注冊的外地代理上。然后，外地代理將分組轉發至通信對端。Internet的主機向無線自組網中移動主機發送的數據，按照移動IP協議被家鄉代理截獲，而后家鄉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，也可直接發送給外地代理。此后，外地代理使用無線自組網路由協議將分組傳遞給移動主機。

2.3 其他考慮

以互聯網關為分割點，無線自組網與Internet之間的通信連接可以劃分為有線固定區域和無線移動區域。為了提供有保障的業務服務質量，移動主機和互聯網關之間的虛電路(VC)可以按照軟狀態的方式維護，需要周期性刷新或基于反饋進行動態刷新。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務流量，類似于多路徑傳輸機制。虛電路應能適應節點的移動以減少會話中斷的次數。當節點移動范圍較小時，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，它將發起簇間切換，并向簇頭節點反饋信息。同理，簇頭也可以按照上述方法在不同的互聯網關節點之間進行切換(下文將會詳細描述互聯網關的選擇和允許控制機制)。此外，互聯網關可以通過反饋(周期性或按需發送反饋分組)收集當前鏈路特性和網絡狀況信息，根據業務的QoS要求在移動和固定網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點移動而建立的新連接。

在這種網絡結構中，節點可以基于鏈路狀態信息計算QoS路由，簇頭和網關節點以鏈路狀態的形式分發路由信息。對每個簇而言，鏈路狀態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，節點選擇一個最重要的服務指標作為成本函數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，從而使網絡容納更多的會話，減少由于節點移動而中斷會話的概率。

在這種網絡結構中，可以由簇頭輪詢成員節點，并依次為它們分配無線信道資源。考慮到簇內節點數較少，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吞吐量。另外，在采用TDMA的分簇網絡結構中，節點可在不發送數據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絡協議需要考慮的一個問題。無線自組網可以使用分布式控制算法(節點根據本地信息調節其行為)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點進行處理，如簇頭和互聯網關節點可以執行更多的任務。為了支持QoS，網絡協議不可避免地會引入許多控制開銷。因此對于規模較大的無線自組網，網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

在無線自組網中，本地的信息查詢可以在網絡內部進行，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，為了增強數據可用性和和網絡的連接性，無線自組網中具有與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關，其作用相當于無線自組網的代理服務器。移動雙宿主機一般配置兩個網絡接口，如一個接口是Wi-Fi，另一個接口是GPRS，前者用于無線自組網內部的通信，而后者用于接入無線廣域網和Internet。圖2給出了網絡配置，可以互相進行通信并相互協作的移動主機構成無線自組網(也可以把它視為一個多跳無線局域網)。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接入Internet。考慮到孤立的無線自組網內的信息資源有限，使用這種方法可以提高和增強無線自組網在很多環境下的使用效能，特別是應急通信場合。

在無線自組網中，通過移動主機協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性業務的統計復用特性提高無線連接的利用率；可以減少協作式應用中重復數據的傳輸，節省寶貴的無線網絡資源；可以借助這種機制提高用戶業務的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據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多播路由協議將數據傳輸到屬于一個多播組的其他用戶。這樣做既可以減少數據傳輸量，又增加了網絡的安全性。但是，雙宿移動主機的處理能力有限，無線連接帶寬較低，并且可以動態地加入或離開網絡。因此，需要考慮采用一種基于業務連接請求和網關處理能力及負載狀況的網關選擇和允許控制機制。

4 互聯網關發現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：所有互聯網關的無線WAN連接具有相同的帶寬，網關可以隨時加入或離開網絡，并且所有網關的功能和地位相同。無線自組網中的移動主機通過發送網關查詢消息(query gateway)搜尋可用的網關，網關也可周期性廣播通告消息(announcement)或只在收到網關查詢消息時發送通告消息(基于事件觸發)，聲明自己的存在，并且通告消息中含有此網關無線廣域連接的可用帶寬等信息。網關發現機制分為3類：先驗、反應或混合機制。先驗機制中，網關主動廣播通告，網關發現延時小，但開銷大，適合于小型網絡；反應式機制由移動節點根據需要主動廣播網關查詢消息來發現網關，網關發現延時大，開銷小，適合于大型網絡。混合機制是上述兩種機制的折衷，網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現網關，適合于大型網絡。發現網關后，移動主機依據一定的標準選擇網關 (具體標準見§4.2)，并向選定的網關發送接入請求消息(request access)進行注冊，選定的網關還要根據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務服務質量。

圖3給出了在移動主機進行網關選擇和網關實施允許控制的工作過程。圖3中，假定移動主機A根據可用帶寬準則選定了G2作為其互聯網關，它將向G2發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，應向網關返回確認消息ACK，此后主機A可以基于移動IP協議通過作為外地代理的網關G2訪問。當不需要接入Internet時，主機A可以顯示發送拆鏈信息，或者通過軟狀態機制動態刷新連接，即如果一段時間用戶沒有使用連接，網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訪問Internet并能夠在某個網關不可用時切換到其他網關。

4.2 網關選擇標準

圖2 無線自組網通過雙宿主機接入Internet

圖3 互聯網關選擇和允許控制工作流程

4.3 允許控制機制

由于無線自組網的動態多變特性，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；較高的帶寬利用率；可以為那些具有某種自適應性的業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，估計網關現有業務的負載，如果υ+ra≤μ×β，那么接受連接請求。其中，υ表示現有業務的負載，ra表示業務流的請求連接速率，β為網關的無線廣域連接的帶寬，μ為帶寬利用率。業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，那么網關將對其進行服務，直到服務完成或由于網關、主機的移動而被迫中止。在后一種情況下，業務流將被拒絕并且移動主機簡單地將其丟棄。

4.4 網關選擇和允許控制機制的控制開銷分析

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

5 結束語

應急通信網絡要充分發揮功效，必須綜合各現存網絡基礎設施和臨時部署的網絡設施，并充分利用各種通信技術手段，包括無線自組網、蜂窩網絡、Internet和衛星網絡等。為此，必須有效解決不同網絡的異構互聯問題。本文給出了一種適用于應急通信場合下異構網絡互聯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。通過異構網絡互聯，大大拓展了應急通信的覆蓋范圍，并顯著增強了網絡的可生存性，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，無線自組網內的移動主機可以借助少量充當臨時網關的雙宿主機訪問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，網絡互聯機制還需要進一步解決包括業務優先級控制、系統安全、消耗和協議開銷等一系列問題。

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