基于DTN的地震應急通信路由協議的研究

薛莉思，張 杰，杜 江

(成都信息工程大學 通信工程學院，四川 成都 610225)

基于DTN的地震應急通信路由協議的研究

薛莉思，張 杰，杜 江

(成都信息工程大學 通信工程學院，四川 成都 610225)

四川省作為中國地震多發省之一，擁有多山地、丘陵、高原的復雜地勢特點。大地震發生后，地震災區的電力、通信設施以及交通環境都將遭受到巨大的損害，這時的地震應急通信網絡呈現出DTN網絡的特性。如何針對四川特殊的地勢情況選擇適宜的路由協議以保證地震后應急通信的質量，將對災后的指揮、救援起到至關重要的作用。對地震應急通信系統的通信需求進行了分類，以雅安大地震為例，針對四川特殊的地形，建立不同的地震應急通信環境模型并結合模型用ONE等相關軟件對多副本路由協議進行仿真。篩選出最適宜四川地形的路由協議，并通過分析不同情況下路由協議對通信傳輸質量的影響，得出地震后的救援部署策略的相關參考。

延遲容忍網絡；應急通信；路由協議；路由算法

0 引 言

地震是人類無法避免的自然災害，而地震后如何有效快速地減輕地震造成的人員傷害、經濟損失及相關惡劣影響成為了相關科學工作者們學習研究的重點內容。中國作為多條地震帶經過的國家，大陸地震幾乎占了全世界大陸地震總量的三分之一，由地震災害帶來的人員傷亡近乎是其他國家地震傷亡的總合。

四川位于中國的西南部，位于中國南北地震帶中段，是中國地震多發省區之一。根據對全國M≥6級地震次數的統計,四川的地震活動居全國第五。相關資料顯示,僅在1900年-1990年間,四川境內就發生里氏5級以上有破壞的地震174次,平均每年發生5級地震2次,每10年發生7級地震1次[1]。而四川省的地形十分多樣化，包含了山地、丘陵、高原、平原等多種地形，且平原面積不足1/10，這樣的地形特點為地震的應急救援帶來了諸多挑戰。

如何在地形復雜的四川地域可靠快速地獲得地震現場的災后情況，成為救援的先決條件以及重中之重。例如雅安大地震發生后，現有的通信基礎設施、當地的電力系統等等都受到了不同程度的破壞，甚至造成通信系統的大癱瘓，此時現場救援人員所能快速搭建起的自組織網絡很多情況都呈現DTN網絡[2]的特性。而路由協議作為DTN網絡的研究重點，它的有效性和可靠性很大程度上影響了地震應急救援的實時性和有效性。所以針對四川多山地多丘陵的地形特點，以雅安地震為例，基于DTN網絡建立地震應急通信模型，研究不同因素對路由協議作用于地震應急通信網絡的通信質量的影響，篩選出最適用的通信協議并給相關的救援策略提供參考。

1 地震應急通信系統

1.1 組織結構

地震應急通信系統主要包含地震現場指揮所、地震現場救援隊以及地震后方應急指揮中心之間的有關通信。

其中，地震現場指揮所負責完成對現場第一手信息的接收、分析，以及作為通信中繼將這些災區信息傳遞給后方應急指揮中心。地震現場救援隊負責深入地震災區現場，對災民進行解救、援助，并收集災區的人員傷亡情況、災后房屋道路的損毀情況等信息回送給現場指揮所。地震后方應急指揮負責整合各種災后信息，分析并迅速制作救援方案并下放到地震現場，同時也負責與當地政府和武警等相關部門進行聯絡，做到同步管理、救援，以快速高效地減小災后損失和人員傷亡。

1.2 需求分析

地震應急通信包含很多方面，按照地震的組織結構和相應的通信需求分為三類，如圖1所示。

圖1 地震應急通信的組織結構

第一類和第三類的通信環境較為良好、穩定，而第二類的通信情況較為復雜，且通信環境、基礎較為惡劣。第二類—地震現場救援隊之間的通信在震后的黃金救援時間中往往是最為關鍵的，保證該類通信間傳輸的有效和可靠尤為重要。因此文中主要針對第二類的通信狀況進行分析。

2 DTN網絡及其路由協議

不同于傳統的自組織網絡(無線傳感網[3]、AdHoc網絡[4]、無線MESH網絡[5]等)，DTN網絡不需要在源節點和目標節點之間存在完整的端對端鏈路，而是利用節點移動帶來的相遇機會實現通信的時延和間歇連接可容忍的自組織網絡[6-7]此網絡路由具有“存儲-攜帶-轉發”[8]的特點。

在地震無線應急通信網絡中不可避免會遇到節點有限的傳輸半徑、稀疏的分布、有限的能源以及頻繁的移動等情形，此時網絡呈現DTN[9]的特性。

DTN網絡的研究核心就是路由協議，針對其路由協議，研究人員已經從多角度進行了各種分類。由于在地震災區的救援中，救援人員常會分成幾組，移動的速度較慢，通信環境較差、較不穩定。而基于副本的路由協議作為最常用的機會路由協議，能很好地適應這種通信環境，所以文中主要對基于副本的路由協議進行研究。它的基本思想是在網絡中注入一個或者多個消息副本，依靠節點的移動性由源節點開始，向目的節點分發報文。

2.1 單副本路由協議

單副本路由協議，顧名思義在網絡中只有一份原始報文在節點之間流動。而DTN網絡的單副本路由協議主要包括Direct delivery和First contact。由于以上兩種路由協議都對網絡拓撲結構的變化有很高要求，所以在地震通信環境惡劣的情況下，其報文遞交率會相當低，所以單副本路由協議不適于地震應急通信。

2.2 多副本路由協議

多副本路由有很多種路由協議，主要包含基礎的Epidemic路由算法、SprayAndWait路由算法以及Prophet路由算法。

Epidemic路由協議的算法從本質上講是一種洪泛路由算法。Epidemic算法[10-11]的基本思想是當兩個節點相遇時，進行數據包的對比檢查，然后與對方交換自己沒有的數據包。理論上來說，經過足夠的交換次數后，每個非孤立的節點將收到所有的數據包，從而實現數據包在節點中的傳輸。

在網絡中，每個節點都會維護一個摘要矢量SV，用以判斷、交換兩個節點互相缺失的信息。如節點X、Y相遇之后，發生SV矢量的比對。其中節點Y收到節點X的SVX后，與自身的SVY進行對比，計算方式如式(1)。

RequestX=SVX&～SVY

(1)

計算后節點Y得到RequestX控制分組，并向節點X發送，完成對自身(Y)缺少的數據分組的請求，達到缺失信息在兩節點間交換的目的。

SprayAndWait路由算法[12-13]也叫做轉發等待路由算法，包含兩個過程。一是轉發過程：源節點先將數據報文進行拷貝，將拷貝的多個副本轉發到網路中的相鄰幾個節點中，接收到報文副本的中繼節點也在之后繼續轉發。轉發中當源節點或中繼節點自己只含有一個報文副本時，停止轉發，進入第二個過程-直接傳輸遞交過程，即攜帶報文的節點自由移動但是不轉發報文，直至遇到目的節點才轉發報文。

Prophet路由協議的轉發策略就是當兩個節點相遇，比較兩個節點到達目的節點的遞交預期值，選擇遞交預期值較高的節點作為轉發節點。它的特點是概率的更新使用概率的傳遞性，該方法有效降低了傳染轉發廣播引起的擁塞而導致的性能影響。算法中，假設源節點為a，目的節點為d，中間節點為b。當節點a、b相遇后，它們間的傳輸預測概率的運算方法如式(2)。

P(a,b)=P(a,b)old+(1-P(a,b)old)*Pinit

(2)

其中，P(a,b)代表a的某個報文成功傳輸到b的概率；Pinit是初始化常數。

如果經過一段時間，兩個節點一直沒有相遇，則隨著間斷時間變長，它們間的遞交預測值會衰減，衰減的遞交預測值的計算方法如式(3)所示。

P(a,b)=P(a,b)old*γk

(3)

其中，γ∈(0,1]為衰減常數，γ的最優值為0.98[14]；k為衰減的時間間隔。

3 地震應急通信環境模型的建立

北京時間2013年4月20日8時02分四川省雅安市蘆山縣發生7.0級地震。其震源深度13公里，震中距成都約100公里，地震強度大，給通訊、電力、交通等造成了巨大影響。

文中的地震應急通信環境模型基于雅安大地震中距震源較近的雅安市蘆山縣(北緯30.3°,東經103.0°)附近3 000m*2 000m的區域，如圖2所示。然后找出仿真地區地理環境的特征后，得到的地理特征圖如圖3所示。

圖2 雅安市蘆山縣局部衛星實拍圖

由于震后仿真區域的道路、電力損毀比較嚴重，以及山體滑坡等原因，許多交通道路損毀嚴重，已經無法正常行駛車輛。文中的環境模型假設極端情況，只有救援人員徒步攜帶無線設備進行探測、救援，配以一架無人機協助中繼傳輸。將救援小組分為4個小分隊，其中步行人員有3隊，分別在區域1、區域2、區域3進行救援，無人機自成1隊，在區域4內移動。用以上的移動模型為基本的節點移動模型，以完成在分隊內部、分隊之間以及分隊與無人機的信息傳遞。之后將在此節點移動模型的基礎上，改變模型的節點個數、節點的緩存大小以及數據信息的生存周期條件，生成三種不同的模型，并運用這些模型對幾種DTN網絡協議進行仿真、分析。

圖3 雅安市蘆山縣局部地理特征圖

4 仿 真

4.1 仿真工具的選擇

ONE是專門針對DTN網絡發明的仿真軟件，是Opportunistic Network Environment simulator的英文縮寫[15]。ONE會同時結合節點的移動模型，對DTN路由和應用協議等進行仿真，其基本原理框圖如圖4所示。

圖4 ONE軟件的基本原理框圖

文中選擇ONE仿真軟件對地震應急通信中的DTN路由協議進行仿真和分析，并用OPENJUMP軟件對仿真環境的地理位置、節點移動模型等進行繪制。

4.2 仿真結果與分析

4.2.1 仿真設置

文中選擇“4.20雅安大地震”中距震源較近的雅安市蘆山縣3 000 m*2 000 m的區域(如圖2)為仿真的地震受災救援地點，對地震中第二類通信進行節點的布置。保持四組節點(三組救援人員、一組無人機)的移動范圍不變，從節點個數、節點緩存大小和節點數據的生存時間三個方面對DTN網絡的三種多副本路由協議進行了仿真與分析研究。得到仿真結果后，從報文的成功遞交率、網絡開銷和平均延遲著手，對三種多副本路由協議進行分析與評估。

報文的成功遞交率(DP)計算方法如式(4)。

(4)

其中，∑Nde為網絡中成功遞交的消息個數；∑Ncreat為網絡中產生的消息個數。

網絡開銷率是網絡中被轉發的數據報個數減去成功遞交給目的節點的數據包個數的差值與成功遞交給目的節點的數據包個數之比。其計算方法如式(5)。

(5)

其中，Nhop為所有消息一共被轉發的次數；Ndes為消息成功到達目的節點的個數。

平均延遲是被成功遞交信息的平均時延，用于衡量網絡的通信質量。

4.2.2 結果與分析

現在開始對三種不同地震應急通信模型進行仿真。圖5(a)～(c)中分別是三種基本地震應急系統模型-基于不同節點個數、不同的節點緩存大小以及不同的數據消息生存時間下的三種多副本路由協議對報文成功遞交率的影響。

從圖中可以看出，節點總數增加后，SprayAndWait路由的遞交率有較明顯的上升，而Epidemic和Prophet路由的遞交率有所下降。節點緩存增大后，三種路由協議作用下的報文成功遞交率從趨勢上看都是上升的，其中節點緩存對Epidemic和Prophet路由的影響比SprayAndWait更大。數據消息的生存周期越大，Epidemic和Prophet路由的報文成功遞交率有顯著的下降，SprayAndWait路由的遞交率則沒有顯著變化。

接下來比較三種多副本路由協議在不同模型下所形成的網絡開銷。多副本路由協議下的網絡中存在大量的消息副本，隨著時間推移，大量的消息洪范所造成的網絡開銷對網絡通信環境的影響不容忽視。仿真結果表明，無論哪種模型下，SprayAndWait路由的網絡開銷都是最小的，并且變化趨勢不明顯。節點個數增加和數據生存周期的增大都會造成Epidemic和Prophet路由網絡開銷的增加，尤其當節點個數增加到某一程度后，網絡開銷會陡增。節點緩存的增大會減小Epidemic和Prophet路由的網絡開銷且降幅明顯。數據生存周期增長后，Epidemic和Prophet路由的網絡開銷也會顯著增加。

圖5 不同模型下的報文成功遞交率

最后，比較三種多副本路由協議在不同模型下的網絡平均延遲。實驗中可得知，節點個數增加、節點緩存變大、數據的生存周期變長都會不同程度地提升網絡的平均延遲。其中節點緩存對平均延遲的影響最大，尤其是節點緩存比較小時，影響最為明顯。

總體實驗的仿真結果說明，當救援人員人數較少、攜帶無線設備緩存較小、發送數據的生存周期較短時，三種路由協議的作用效果區別不大，都可以適用。當救援人員人數開始增多，起初三種路由的報文成功遞交率有所上升，一定程度后遞交率開始下降，同時Epidemic和Prophet伴隨急速上升的網絡開銷和網絡延遲的增長，SprayAndWait相應性能也有緩慢增長。增大便攜無線設備的緩存有利于報文成功遞交率的提升和網絡開銷的下降，但是過大的緩存空間會增加網絡延遲，這點對Epidemic和SprayAndWait的影響很大。發送數據的生存時間變長后，SprayAndWait作用下的報文成功遞交率變化不大，但Epidemic和Prophet的成功遞交率有明顯下降，同時三種路由下的網絡開銷和平均延遲都有增大。

總體來看，SprayAndWait在各種情況下的網絡性能都比較好，更適宜四川多山地、丘陵的地勢情況。同時適當增多救援人數，適當增大便攜無線設備的緩存，適當減少數據的生存時間，都有益于使地震應急通信中數據完成快速、可靠的傳輸。

5 結束語

對地震應急通信系統進行了通信分類，同時針對四川省內多山地、丘陵的特殊地勢情況，以四川雅安大地震為例，建立幾種不同的地震應急通信環境模型。根據地震應急通信呈現出DTN網絡的特性，在不同地震應急環境模型下對DTN路由協議進行仿真，發現SprayAndWait路由協議更適合四川的特殊地形，網絡性能較好，并通過分析不同情況下路由協議對通信傳輸質量的影響，得出地震后的救援部署策略的有益參考。

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Research on DTN-based Routing Protocol of Earthquake Emergency Communication

XUE Li-si,ZHANG Jie,DU Jiang

(Dept. of Communication Engineering,Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225,China)

Sichuan is one of Chinese earthquake-prone provinces,which has the complex topography including lots of mountains,hills and highlands.After the earthquake,the electric power,communications facilities and traffic environment of earthquake-stricken areas have suffered great damage where the earthquake emergency communication exhibit the characters alike DTN.And it’s important for commanding and relief work after the disaster to choose the appropriate kind of routing protocol,aiming at the special landform of Sichuan Province,to guarantee the quality of earthquake emergency communication.The communication needs of earthquake emergency communication system are classified and different communication environment models of earthquake emergency communication,applying to Ya’an as an example,are built.Then the routing protocols which is optimum for Sichuan Province’s special terrain are simulated and selected by the tools such as ONE.Besides,the DTN’s routing protocols’ influence is analyzed on the communication qualities in different circumstances based on the different communication environment models,making contributions to the references of relief deployment strategies.

delay tolerant network;emergency communication;routing protocol;routing algorithm

2015-06-15

2015-11-16

時間：2017-01-10

四川省科技創新研發專項-科技支撐計劃(2014RZ0017)

薛莉思(1989-)，女，碩士研究生，研究方向為通信與信息系統；張 杰，副教授，碩士研究生導師，研究方向為嵌入式系統應用和圖像多媒體通信；杜 江，副教授，博士后，碩士研究生導師，研究方向為無線通信技術與應用。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170110.1010.030.html

TP393

A

1673-629X(2017)02-0182-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.02.042