基于網絡分簇和信息擺渡的無線自組應急通信網服務增強方案*

王海濤，宋麗華，李建州，鄧加新

（1.解放軍理工大學通信工程學院 南京 210007；2.解放軍理工大學指揮自動化學院 南京 210007）

1 引言

當發生戰爭、大型自然災害或突發公共事件時，在突發公共事件發生區域，現有的通信網絡設施很可能遭到破壞，即使存在少量可用的通信基礎設施，由于天氣、地形等因素的影響和短時間激增的通信量，往往無法滿足應急通信時間突發性、地點不確定性、業務緊急性和信息多樣性的特殊需求[1,2]。無線自組網（wireless self-organizing network）是近年來得到廣泛關注和研究的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，特別適合應急通信這類突發、臨時性通信場合。為此，可以在突發事件發生后在事發現場利用無線自組網技術快速部署自組織、自配置的應急通信網絡，為復雜多樣的應急環境下各類用戶群體提供快速、可靠、健壯的通信服務保障[3]。

在無線自組網中需要多個節點之間協作來維護網絡連接和提供網絡服務，現有的研究工作大都假設無線自組網是連通的，也就是假定任何兩個節點之間在任何時候都存在端到端路徑。但是在實際的應用場景中，特別是在大規模自然災害（如地震和洪災）發生后臨時部署的無線自組應急通信網中，由于災害事件發生突然且波及區域較大，難以在短時間內部署足夠數量的網絡節點，加之普通用戶終端的通信范圍很有限，使得構建的無線自組網是一種節點稀疏分布（密度較低）的難以保持網絡全連通的Ad Hoc網絡，在這種網絡中常會出現較長時間的網絡分割現象（即存在多個不能互相連通的子網），甚至整個網絡也不能滿足區域覆蓋要求，從而不能保證數據在全網內的可靠投遞，即使能夠投遞到目的節點，往往也具有較低的數據投遞率和較大的時延。雖然通過增加節點密度或發送功率的方法可以消除網絡分割，但是前者會大大增加網絡部署成本，而后者則會過快消耗稀缺的節點能量，進而降低網絡壽命。為此，迫切需要一種有效的網絡組織和數據投遞機制來增強數據投遞的可靠性，提高數據投遞率和降低投遞時延，進而改善網絡的服務性能。基于這種考慮，本文設計了一種基于網絡分簇和信息擺渡的無線自組應急通信網服務增強機制，能夠提升網絡的服務性能，增強信息投遞的可靠性和時效性。

2 相關工作簡介

當前研究成果表明，Ad Hoc網絡可以采用平面式和分級式網絡結構[4]。平面式網絡結構中所有節點的功能和地位平等，存在控制開銷大、路由經常出現中斷等缺點，主要適用于中小型網絡。分級式網絡結構中，網絡被劃分成簇，每個簇由一個簇頭和多個普通節點組成，如圖1所示。簇頭間的通信需要借助網關節點完成，簇頭和網關形成了虛擬骨干網。分級網絡結構的可擴充性好，路由和控制開銷較小，適用于規模較大的網絡。采用分簇網絡結構，Ad Hoc網絡還可以采用類似于蜂窩網絡中的資源分配方法，在簇內，簇頭可以控制節點的業務接入請求并合理分配帶寬[5]。此外，在分簇結構中，簇內可以采用先驗式路由算法，而簇間使用反應式路由協議來減少通信和路由開銷。因此通過分簇算法將網絡劃分成簇，可以在很大程度上提高Ad Hoc網絡的性能，非常適合于規模較大的無線應急通信網絡環境。迄今為止，已經提出了大量的分簇算法來構建和維護分級網絡結構。分簇算法的選擇依賴于應用的需求、網絡的環境和節點的特征，各種分簇算法具有不同的優化目標，包括最小化簇計算和維護開銷、最小化簇頭、最大化簇穩定性和最大化網絡生存時間等[6]。

除此之外，有些學者提出利用節點的移動性來輔助數據投遞。例如，無線傳感網絡中的DataMule機制使用移動實體，將傳感器感知采集的數據快速投遞到接收節點，但是該機制針對相對靜態的傳感網絡并且目的節點位置固定[7]。時延容忍網絡（delay tolerant network，DTN）利用消息存儲轉發機制試圖通過犧牲信息傳輸時延來保證信息投遞的可靠性，具體來說，在出現網絡分割時攜帶數據的節點暫時緩存數據，并當網絡合并時將數據轉發到其他子網中[8]。這種緩存轉發方式是一種被動式投遞機制，適用于時延容忍型應用，卻不適合時延敏感型應用。另外，有些研究工作提出采用空中基礎設施，如低空飛行器或衛星來互聯隔離的地面 MANET（mobile ad hoc network），但是網絡部署復雜，成本過高[9]。還有的學者提出采用數據復制機制來解決稀疏MANET的數據投遞問題，如基于洪泛廣播的傳染路由，但是這種方法的網絡控制開銷較大，可擴展性和能效較低[4]。相比而言，Zhao W等人提出的信息擺渡（message ferrying，MF）機制通過中繼節點的主動移動提供臨時性網絡連接，可以提高網絡服務性能[10]。但是，現有的MF機制主要是面向DTN考慮擺渡路由的設計問題，并沒有針對應急通信場合提出滿足各類用戶群體通信需求的組網方式和數據投遞方法。

3 基于網絡分簇和信息擺渡的無線自組應急通信網設計

3.1 設計思想和目標

為了改善無線自組織應急通信網絡中數據投遞的可靠性和網絡服務性能，提出結合使用分簇算法和信息擺渡機制來解決大規模應急通信場景下的網絡可擴展性和網絡連通性問題，通過建立基于簇的分級網絡結構和基于信息擺渡的主動式移動中繼機制來提高數據傳輸的可靠性和時效性。網絡分簇有利于提高網絡的可擴展性和支持業務QoS保障，信息擺渡將傳統的被動緩存轉發變為主動有意識的移動攜帶轉發，可以有效減少能量、控制消息開銷和投遞時延。在分簇網絡中應用信息擺渡機制可以根據業務投遞的需要連通分割的子簇子網，并且分簇子網之間的通信只需借助網關和擺渡節點，不僅可以降低擺渡機制實現的復雜性，還可以進一步提高分簇網絡的服務性能。舉例來說，在大型自然災害發生后的救災應急通信場合，部署的低空飛行器和地面應急通信車輛都可以充當擺渡節點，在事發區域及時地、可靠地收集和投遞應急數據。借助于擺渡機制，無需大量部署專用移動通信設備，受災群眾和救援人員可以利用普通移動設備進行通信連通和協同救援。分簇網絡結構和信息擺渡機制的結合使得無線自組網在支持應急通信上的技術優勢得以有效發揮，以便使應急現場內各類人員之間以及應急現場到應急指揮中心的信息交互可靠及時，在復雜多樣的應急環境下為不同用戶群體提供有區分的通信服務保障。

3.2 網絡分簇方法

分簇算法的目標是根據系統要求按照某種規則將網絡劃分成可以覆蓋所有節點的多個簇，并且在網絡結構發生變化時進行簇結構的更新，以維護網絡的正常功能。簇的大小應對網絡性能有較大影響：如果簇過大，簇頭的負擔較重，并且普通節點到簇頭的距離過遠會消耗過多能量；如果簇較小，可以相應增加信道的空間重用率，提高系統容量，并可以減少節點的傳輸功耗。但是簇的尺寸過小會導致網絡中簇的數目較多，源目的節點對之間的路由所經過的跳數較多，從而會增加分組的投遞時延和中轉業務量。此外，在選擇簇的大小時還應考慮簇頭的處理能力、功率損耗和地理環境等約束條件。分簇形成是指按照某種規則選舉簇頭并劃分簇的過程，各種分簇算法的不同之處主要體現于此。需要說明的是，如果網絡由異質節點構成，那么簇頭的確定比較容易，可以選擇功能較強、功率較大的節點作為簇頭，但前提是分簇大都針對同質網絡。分簇連接是指相鄰的簇選擇關聯節點的過程，關聯節點包括網關節點和分布式網關節點，如圖1所示。

實際上，與傳統Ad Hoc網絡不同，無線自組網應急通信網絡環境具有如下顯著特點。

·具有大量的移動速度和處理能力不同的異質節點，包含大量靜態的監視傳感設備、低移動性的普通用戶通信設備和專用應急通信設備以及高移動性的應急通信車和應急救援飛機等通信單元。

·事發區域內大量的通信單元需要協調通信，地面通信單元之間可以采用分簇算法構造地面分級網絡，并可利用空中飛行器提供高效的信息中繼能力，連通隔離的子網和覆蓋孤立的網絡區域。

·多樣的不對稱的信息傳輸。在應急通信環境中，業務種類繁多，并且信息的傳輸具有不對稱的特點，現場普通用戶單元和營救單元接收和發送的信息量往往有很大差別。例如，現場營救單元會向現場指揮中心/后方指揮中心發送少量監測到的數據和請求消息，而需要接收大量的信息以獲得現場的環境信息。

由以上特點不難看出，無線自組應急通信網是一種面向應急通信服務的分級異構通信網絡。對于這種異構Ad Hoc網絡，較好的組網方式是采用分簇網絡結構。簇頭的選擇比較容易，一般由功能較強的骨干節點充當簇頭節點（類似可移動的基站），一個簇通常由一個骨干節點及與其直接通信的用戶節點組成。這種基于分簇的無線異構應急自組網通信網絡包括3個層次，如圖2所示。最高層由功率和處理能力很強的一臺（或兩臺，其中一臺備用）應急通信車充當臨時性的應急現場指揮中心（emergency command center，ECC），ECC應該盡快予以部署，其位置相對固定并且可以與后方指揮中心建立雙向通信連接；第二層是由事發區域內部署的一定數量的功率和處理能力較強的應急通信車充當應急救援專用通信節點（emergency communication node,ECN），這些ECN可以是應急通信車或功率較大的通信電臺，并且可以通過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備充當普通通信節點（ordinary communication node,OCN），這些節點盡可能以附近計算和通信功能相對較強的ECN為簇頭構成分簇子網。無線應急通信網中ECN和OCN配置的數量由通信要求、覆蓋區域、地形、通信設備的處理能力和傳輸功率及無線信道質量等因素確定。OCN的功率和處理能力較弱，充當普通用戶節點，ECN具有更大的功率和更強的處理能力，充當其覆蓋范圍內OCN的簇頭。如果OCN周圍沒有可用的ECN，鄰近的OCN也可以按照某種分簇算法（如AOW算法）自組織地構成分簇子網。簇之間的通信借助于簇頭及/或網關完成。這種異構分級應急無線網只需考慮到簇一級，而不需考慮簇內部的細節，大大減少了維護和管理開銷。此外，分級網絡便于定位節點和檢索信息。ECC收集所有簇的相關信息并維護整個網絡的視圖，而ECN只需維護簇內的節點信息和鄰居簇頭的信息。

3.3 信息擺渡機制

由于應急通信網絡往往是針對較大的區域臨時性部署的，考慮到網絡要求及時快速部署和減低成本的要求，網絡節點密度相對稀疏，往往會出現網絡分割現象，即整個網絡不是全聯通的，不同的簇之間可能無法互相通信。針對這種情況，采用信息擺渡機制來解決上述問題。具體來說，在應急網絡中部署一些特殊的移動節點（稱為擺渡節點），如專用應急通信車或低空飛行器，為整個網絡區域中隔離的分簇子網或節點提供必要的通信服務。即使網絡本身是連通的，借助于主動性的信息擺渡機制也可以增強網絡的性能。通過這些擺渡節點的主動、有針對性的移動可以高效及時地傳遞應急數據，達到共享關鍵信息和協調救援行動的目的。

與被動的伺機信息投遞方式不同，信息擺渡機制采用一種主動式移動消息投遞模式，擺渡節點類似于主動網絡中的移動代理，它可以主動更改自身的運動模式（包括移動軌跡和移動速度）以便最小化消息傳輸時延和最大化消息投遞率[11]。具體而言，在大范圍無線自組應急通信網中部署適當數量的擺渡節點，通過這些擺渡節點有意識的主動移動、存儲和轉發數據來支持常規節點（非擺渡節點）之間高效的有針對性的數據投遞。舉例來說，當某個子網中的常規節點希望向另一個非連通的子網中的常規節點投遞數據時，它可以通過其簇頭主動向鄰近的擺渡節點發送服務請求（允許用較大的功率和特殊的頻段），鄰近可用的擺渡節點接收此請求后，可以按照某種方式快速接近希望發送緊急數據的子網，然后接收其要轉發的數據并繼續移動到目的節點所在子網將數據轉發給目的節點。一般來說，擺渡節點的功率和存儲空間相對富裕，可以先驗式地記錄各分簇子網節點的位置，以便在與這些子網節點交互時根據這些位置信息做出合理的有意識的移動。采用網絡分簇和信息擺渡機制對常規節點要求很低，常規節點在簇內使用常規MANET路由協議即可，但是對功能較強的擺渡節點要求較高，需要同時支持MANET路由協議和特殊的擺渡路由。信息擺渡機制的兩個關鍵要素是位置意識和主動移動，擺渡節點需要隨時了解自身及隔離的需要相互通信的節點位置，以便確定最優的移動路線。擺渡節點的移動可以是任務驅動的或消息驅動的，前者是指擺渡節點先驗式按照任務要求和既定的路線移動，后者是指擺渡節點根據收到的請求消息確定移動路線，目的都是及時可靠地在彼此隔離的子網之間投遞信息。

在大規模分簇應急無線自組網中，信息擺渡機制主要用于根據節點之間的業務需求連通迫切需要通信但相互隔離的分簇子網 （或無線干線網 （wireless backbone network,WBN））。圖3給出了分簇網絡結構中應用信息擺渡機制的一種情景，擺渡節點初始時部署在ECC處。假設圖3中存在兩個彼此隔離的分簇子網WBN1和WBN2，WBN1中的普通節點1希望向WBN2中的普通節點8投遞數據。參照圖3，信息擺渡機制的一種可能的工作過程簡述如下。

（1）節點 1向它的簇頭節點 H1發送消息 M，H1通過查詢其所在子網發現節點8不在WBN1中。

（2）H1向ECC發送包含其位置信息的擺渡請求消息R1，ECC收到R1后，如果有可用的擺渡節點，則將擺渡節點F1派遣到H1附近；如果沒有可用的擺渡節點，則告知H1需要等待。

（3）H1將消息M轉發到其通信范圍內的F1，F1根據消息的目的地址確定目的節點所在的分簇子網WBN2。

（4）F1攜帶消息M主動移動到節點8的簇頭H2的通信范圍內，并將M轉發給H2。

（5）H2將M投遞給節點8，與此同時完成信息擺渡任務的F1立即返回ECC處。

信息擺渡機制中可能存在多個發送節點在同一時段發送擺渡請求消息的情況，在這種情況下ECC及擺渡節點可以根據帶轉發的每種消息的來源（如指揮員、救援人員和普通用戶）、消息的內容（如指揮控制信息、態勢感知信息和常規信息）、消息的數據類型（視頻、話音、數據）和消息的超時時間等來確定消息的轉發優先級，以便為應急通信場景下各種用戶（包括待援者、救援者和指揮者）提供支持服務區分的通信服務。具體實施時，信息擺渡機制可以采用的消息優先級配置見表1，表中的優先級共有12個級別，從高到低分別是1～12。在消息優先級相同的情況下，消息的超時時間越短，轉發優先級相對越高。

表1 擺渡節點轉發消息時遵循的消息優先級配置

實際上，為了提高信息投遞的時效性，還可以在網絡中部署按照既定路線移動的擺渡節點，并且要求擺渡節點能夠在一定的時間內遍歷整個網絡區域，并事先由應急現場指揮中心ECC將其移動路線廣播給全網。擺渡節點可以在執行信息投遞時臨時更改移動路線，但在執行完任務后，立即返回既定的移動路線繼續遍歷整個網絡。在任何一種情況下，擺渡節點都會定期與應急現場指揮中心ECC聯系。因此，擺渡節點還可以在游走的過程中收集部分孤立的子網 （不能與應急現場指揮中心ECC及時通信的子網），等待上報給應急現場指揮中心ECC的態勢感知信息或其他應急數據。也就是說，擺渡節點可以根據應急通信場景配置初始狀態：固定部署在應急現場指揮中心ECC處或按照既定路線在網絡中游走，將這兩種情況統稱為默認配置模式。隨后，當收到擺渡服務請求消息并且經過認證確認能夠提供服務后（考慮擺渡機制的安全性），切換到主動移動轉發模式，移動到等待服務的節點附近或子網邊緣，完成信息承載轉發任務，然后再返回到默認配置模式。需要提到的是，在大規模應急通信網絡中往往存在多個應急救援區域，此時可以根據業務量需求的變化靈活部署多個擺渡節點：其中一些擺渡節點部署在特定的網絡區域中按照既定的移動路線游走，負責所屬區域內的信息投遞任務；另一些擺渡節點部署在應急現場指揮中心ECC處待命，負責各網絡區域間的信息投遞。此外，不同網絡區域中游走的擺渡節點還可以在應急現場指揮中心ECC的控制下協作完成數據采集和投遞任務。

4 結束語

應急通信網絡要充分發揮功效，必須充分利用各種通信技術手段并綜合運用各種現存的網絡基礎設施和臨時部署的網絡設施。本文設計的基于網絡分簇和信息擺渡的無線自組應急通信網服務增強方案能夠充分發揮無限自組網的技術優勢，體現在以下幾個方面。

（1）強適應性

能適應各種應急突發場合，包括戰場通信、搶險救災、環境監控等，尤其適合區域覆蓋范圍較廣、網絡規模較大和節點密度稀疏的異構無線自組應急通信網環境。

（2）高生存性

具有很強的網絡容錯和容斷能力，能根據應用需要在任何時間任何地點提供網絡覆蓋和可靠的數據投遞服務，并可延長網絡的使用壽命。

（3）可擴展性好

基于分簇的分級網絡結構和主動信息擺渡機制可以減少擴展網絡的規模，并能有效減少網絡控制開銷。

（4）自配置性

網絡分簇形成、拓撲結構控制和信息投遞均可由不同角色的節點自動協作完成，幾乎無需人工干預。

網絡分簇和信息擺渡機制的有機結合提升了網絡的服務性能，增強了無線自組應急通信網的信息服務能力，減少了信息傳輸時延并提高了信息投遞率，能夠為應急場合下各類用戶群體提供有區分的服務保障能力，并可以滿足最低限度通信服務的需求。

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