應急通信網拓撲模型及其分析

王巍，趙文紅

（1. 通信信息控制和安全技術重點實驗室，浙江 嘉興 314033；2. 江南通信技術研究所，浙江 嘉興 314033）

1 引言

應急通信指在出現自然的或人為的突發性緊急情況時，同時包括重要節假日、重要會議等通信需求驟增時，綜合利用各種通信資源，保障救援、緊急救助和必要通信所需的通信手段和方法，是一種具有暫時性的、為應對自然或人為緊急情況而提供的特殊通信機制。應急通信突出體現在“應急”二字上，在面對公共安全、緊急事件處理、大型集會活動、救助自然災害、抵御敵對勢力攻擊、預防恐怖襲擊和眾多突發情況的應急反應，均可以納入應急通信的范疇。

在國際上，許多國家非常重視應急通信網絡的研究和開發工作，特別是歐美發達國家和亞洲的日本。美國從20世紀70年代開始建設應急通信網，并利用自由空間光通信（FSO, free space optics）、WiMAX和Wi-Fi等技術來提高應急通信保障能力，目的是為了滿足美國政府對于緊急事件的指揮調度需求[1]。日本已建立起較為完善的防災通信網絡體系，如中央防災無線網、防災互聯通信網等。此外，國際上許多標準化組織（例如ITU-R、ITU-T、ETSI和IETF等）也在積極推進應急通信標準的研究。ITU-R主要從預警和減災的角度對應急通信展開研究，包括利用固定衛星、無線電廣播、移動定位等向公眾提供應急業務、預警信息和減災服務；ITU-T從開展國際緊急呼叫以及增強網絡支持能力等方面進行研究，主要包括緊急通信業務（ETS,emergency telecommunications service）和減災通信業務（TDR, telecommunication for disaster relief）2大領域；ETSI主要關注緊急情況下組織之間以及組織和個人之間的通信需求；IETF對應急通信的研究涵蓋通信服務需求、網絡架構和協議等多個方面。

近年來，我國應急通信研究重點圍繞公眾通信網支持應急通信來展開，對于現有的固定和移動通信網，主要研究公眾到政府、政府到公眾的應急通信業務要求和網絡能力要求，包括定位、就近接入、電力供應、基站協同、消息源標志等，除此之外研究在互聯網上支持緊急呼叫，包括用戶終端位置上報、用戶終端位置獲取、路由尋址等關鍵環節。雖然我國的應急通信保障體系建設有了很大發展，但是依然存在技術體制落后、資金投入不足等問題，與應急通信的實際要求還有較大差距。此外，應急通信保障的研究工作大都沒有充分關注和利用無線自組網技術，也沒有考慮融合多種通信技術手段來提供全方位、可靠的應急通信保障，而是過多強調發展集群通信、短波無線通信和衛星通信系統。

現有應急通信網絡方面的研究主要關注于專項組網技術方面。如文獻[2]介紹了基于策略的接納控制技術，并在該技術的基礎上分析了利用資源預留協議的策略控制信息提高高優先級業務接納率的方法。文獻[3,4]從系統角度對應急通信網絡的關鍵技術進行研究，但沒有對其拓撲模型進行分析。而現有的網絡拓撲方面的研究[5～13]主要集中在Internet網絡拓撲建模、控制、分割、與發現方面，沒有針對應急通信的特點對網絡拓撲模型本身進行分析。本文通過分析應急通信網的特點，從拓撲建模入手，研究應急通信網的容量和拓撲特性，以求為應急通信網的研究提供一些參考依據。

2 應急通信網絡拓撲模型

一般來說，應急通信網絡主要包括高空平臺、地面接入系統、用戶終端3部分。對應急通信網絡進行建模時，本文將這3個部分分別對應于骨干節點組成的骨干網絡、接入節點組成的接入網絡和終端節點組成的終端網絡。同時，由于無線自組網具有網絡自組織和協同合作特征，非常適合組建應急通信網絡來協調各類人員展開救援行動和應對突發事件，所以本文主要考慮以無線自組網的典型實例：ad hoc網絡和Mesh網絡進行應急通信網絡的模型構建，以加強應急突發場合下的通信保障能力。

應急通信網絡模型中，骨干節點主要進行網絡信息中繼和路由；接入節點主要為終端節點提供接入服務，同時也提供路由功能；終端節點主要進行網絡業務的接收和發送。考慮到應急通信網絡建立時的突發性，網絡終端節點往往沒有遠距離通信能力，只有骨干節點和接入節點可以進行遠距離通信，所以本文提出的網絡模型中終端節點功能受限，具體包括：其中終端節點一般直接通過接入節點共享網絡資源，若終端節點無法直接連接到接入節點，則通過本地接入節點下的其他終端節點接入網絡；終端節點只能通過本地接入節點和其他接入節點下的終端節點進行通信，而不能直接連接骨干節點訪問網絡。此外，由于骨干節點往往還承載著其他區域的網絡業務，不能將應急通信網絡的主要流量全部置于骨干節點，而應該由接入節點盡量承載網絡流量。

本文提出的應急通信網絡模型構建過程分為4個部分，分別是初始化、生成骨干節點、生成接入節點、生成終端節點。在模型構建過程中，主要考慮了節點位置、節點通信距離、節點連接關系等因素。具體過程如表1所示。

表1 應急通信網絡模型構建過程

圖1給出了一個應急通信網拓撲模型的實例，其中五角星節點為骨干節點，圓形節點為接入節點，方形節點為終端節點，骨干節點與終端節點通過接入節點相連。骨干節點和接入節點組成Mesh網絡，提供路由和接入功能；終端節點或者通過接入節點直接接入到Mesh網絡，或者通過與其他終端節點組成ad hoc網絡后通過其他終端節點的中繼功能接入到Mesh網絡。

圖2～圖4分別給出了骨干節點、接入節點和終端節點的生成過程。在節點的生成過程中，主要考慮了網絡覆蓋范圍、節點通信半徑、節點數量等參數，最后給出了3種節點的地理位置和連接矩陣。在應急通信網絡生成模型中，節點生成過程遵循網絡覆蓋范圍逐步擴張、骨干→接入→終端逐級建立的原則，可以滿足大規模網絡建模的需求。

圖1 應急通信網拓撲模型實例

圖2 骨干節點生成過程

圖3 接入節點生成過程

圖4 終端節點生成過程

3 模型容量分析

在應急通信網絡中，節點以自組織的方式進行互相通信，節點間的通信經常受到動態網絡拓撲變化的影響。同時由于無線信道本身的物理特性，它所能提供的網絡帶寬相對有線信道要低很多。此外，考慮到競爭共享信道產生的碰撞、信號衰減、干擾等因素，節點可能獲得的帶寬將遠小于理論最大值。

假定骨干網絡、接入網絡、終端網絡中的各自節點的地位平等且無線傳輸范圍相同。

如下列條件滿足，則認為來自節點xi的數據被節點xj成功接收。

1) 節點xj在節點xi的傳輸范圍之內，即|xi-xj|＜=r，其中r為傳輸半徑；

2) 在同一信道上同時傳輸的其他節點xk滿足|xk-xj|＞=(1+Δ)|xi-xj|

上述條件為接收點提供了一個有效區域。在有效區域內，臨近節點產生的同信道干擾被限制。有效區域的半徑是發送者和接收者距離的(1+Δ)倍。Δ是同信道復用時無干擾傳輸所需要的空間傳輸范圍的保護冗余量，它和節點數量、傳輸損耗、節點的發射功率等特性密切相關。

假設源節點的發射功率、信道損耗和天線增益相同，且應急通信網的總信道W分為M個子信道，滿足

根據文獻[14]分析可知。

1) 若應急通信網中各節點的位置固定，則網絡傳輸容量上界可以表示為

其中，nb為骨干節點數量，na為接入節點數量，ns為終端節點數量，rb為骨干節點傳輸半徑，ra為接入節點傳輸半徑，rs為終端節點傳輸半徑。

2) 若應急通信網中各節點的位置隨機，則網絡傳輸容量上界可以表示為

4 模型拓撲特性的實驗分析

在對應急通信網絡模型進行特性分析時，我們通過多次實驗從最短路徑、節點度、富人俱樂部特性、介數、流中心性、偏心度、緊密活性等幾方面開展研究工作。實驗參數包括：骨干節點數量numBNode為10，接入節點數量numANode為60，終端節點numSNode為200，網絡覆蓋范圍scaleX為100，scaleY為100，骨干節點通信半徑radiusBN為25，接入節點通信半徑radiusAN為15，終端節點radiusSN通信半徑為5，實驗共進行了1 000次。

1) 最短路徑分析

最短路徑的分布和平均值取決于網絡的規模，但并不隨著網絡規模的增加而急劇增大，這些統計量可以度量網絡的信息傳輸效率和代價。從圖5中可以看出，本文提出的應急網絡拓撲模型中大部分最短路徑的長度為2～7之間。

圖5 最短路徑的分布

2) 節點度分析

網絡節點的度反映了節點和其他節點的連接緊密程度。本文主要從度分布、相稱性（assortativity）、度中心性、度連通性幾個方面進行分析。從圖6中可以看出，本文建立的應急通信網模型中，大部分節點的度都在5以下，保證了網絡節點不會同時與多個鄰居節點進行通信，避免了網絡通信信號的相互干擾，可以保證網絡的整體吞吐量；度中心性被定義為一個節點的邊數。圖7給出了網絡模型的度中心性分析結果。從圖7中可以看出，骨干節點和接入節點的度中心性較大，而終端節點較小，同時骨干節點和接入節點的度中心性隨著網絡建立的過程逐步降低。

平均度連通性是指具有某個度數的節點的最近鄰居節點的度數的平均值，其值反映了網絡中具有哪些度數的節點對網絡連通性貢獻較大。圖8給出了網絡模型的節點度連通性分析結果。從圖8中可以看出，節點度連通性最大的節點集中于度為10～30的節點，這一結果與下文富人俱樂部特性分析結果相符合，此外度為1的節點度連通性較大是因為節點較多的原因。

圖6 節點度分布分析

圖7 度中心性分析

圖8 平均度連通性分析

3) 富人俱樂部特性分析

富節點指網絡中具有大量的邊的少量節點，他們傾向于彼此間相互連接。網絡中用富人俱樂部刻畫這種特性，它表示的是網絡中前幾個度最大的節點間實際存在的邊數與這幾個節點間總的可能存在的邊數的比值。圖9給出了網絡模型的富人俱樂部特性分析結果。從圖9中可以看出，度為1～35的節點更傾向于彼此間相互連接，其中又以度為20～25的節點為最。

圖9 富人俱樂部特性分析

4) 介數分析

節點的介數衡量了網絡中通過該節點的最短路徑的數量，可以在很大程度上反映節點在網絡中的重要程度。圖10給出了網絡模型的介數分析結果。從圖10中可以看出，骨干節點的介數最大，其次是接入節點，而終端節點的介數最小，這一實驗結果符合實際網絡的真實情況。

圖10 介數分析

5) 流中心性分析

節點的流介數是指通過節點的流量占所有節點間流量的百分比，圖11給出了網絡模型的流介數分析結果。從圖11中可以看出，骨干節點的流介數最大，其次是接入節點，而終端節點的流介數最小，這一實驗結果和節點的介數分析結果類似，但與之不同的是骨干節點和接入節點的流介數差別不是很大，這是因為網絡中的流量更集中于接入節點，而不是骨干節點。

緊密中心性(closeness centrality)是中心性的一種復雜度量，它被定義為結點到其它可達結點的平均測地距離（比如最短路徑），在網絡分析中，緊密度傾向于表示最小路徑長度，因為這樣會對更多的中心結點賦予更高的值，而且它通常與其它度量（如，度）相聯系。流緊密中心性（也稱為信息中心性information centrality）將兩點間的距離定義為兩節點間的流量差，擴展了緊密中心性，在最短路徑的基礎上考慮了節點信息流量對節點重要性的影響因素。從圖12中可以看出，骨干節點和接入節點的流緊密中心性類似，而終端節點的流緊密中心性較小，這一實驗結果說明網絡流量更集中的接入節點對網絡的影響也是很大的，其影響力度甚至可以和骨干節點相當。

圖11 流介數分析

圖12 流緊密中心性分析

6) 偏心度分析

每個節點的偏心度是它到其他節點距離中的最大值。平均偏心度（average eccentricity）就是指所有節點偏心度的平均值，反映了圖的直徑。圖13給出了平均偏心度的分析結果，從圖13中可以看出骨干節點和接入節點的偏心度較小，這是因為網絡的構建過程是先建立骨干節點和接入節點，后建立終端節點；且隨著各種節點越來越多，節點的偏心度也越來越大。

圖13 平均偏心度分析

7) 緊密活性分析

令網絡中2個節點之間的距離表示節點間發送信息的代價，緊密活性（closeness vitality）表明了若某個節點離開網絡后所有網絡節點間通信代價提高的程度。圖14給出了1 000次實驗中網絡的平均緊密活性變化情況。從圖14中可以看到接入節點對網絡的緊密活性影響最大，而骨干節點影響較小，這說明網絡流量將主要通過接入節點和終端節點，保證了少數骨干節點不會因為流量太大而中斷服務。

圖14 平均緊密活性分析

5 結束語

在突如其來的大型自然災害和公共突發事件面前，常規的通信手段往往無法滿足通信需求。應急通信網絡正是為應對自然或人為緊急情況而提供的特殊通信機制，在公眾通信網設施遭受破壞、性能降低、話務量突增的情況下，采用非常規的、多種通信手段組合的方式來恢復通信能力。本文從拓撲模型建立、容量分析、拓撲分析等幾方面開展應急通信網絡模型研究。在模型建立方面，主要考慮了骨干節點、接入節點和終端節點在應急通信網絡中的不同之處，并進行分別建模；在容量分析方面，分別給出了固定節點和隨機節點的網絡容量上限；在拓撲分析方面，主要從最短路徑、節點度、富人俱樂部特性、介數、流中心性、偏心度、緊密活性等拓撲特性入手，通過多次實驗進行應急通信網絡特性研究。容量分析和拓撲分析的結果表明，本文提出的應急通信網絡模型建立方法具有較高的容量和符合實際應急通信網絡特性的特點，對建立真實應急通信網絡有一定的參考價值。

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