應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究

李鐘全

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

[關(guān)鍵詞]應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)；無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)；服務(wù)；質(zhì)量；AdHoc網(wǎng)絡(luò)

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2018.06.025

[中圖分類(lèi)號(hào)]TN929.5 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1673-0194（2018）06-00-02

應(yīng)急通信網(wǎng)（ECN）實(shí)為一種為有效應(yīng)對(duì)突發(fā)性公共事件、災(zāi)害等，而快速構(gòu)建的一種具有臨時(shí)性、有效性的通信網(wǎng)絡(luò)。此網(wǎng)絡(luò)可以提供應(yīng)對(duì)突發(fā)事件需要的通信服務(wù)，能夠?yàn)樘囟ㄓ脩簟?zāi)組織等，提供準(zhǔn)確、豐富，具有實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)與信息服務(wù)，因而能夠最大程度、最大限度降低災(zāi)難、事件所造成的損失。ECN能為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行安全，提供切實(shí)性、高效化保障。本文就應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)思路及關(guān)鍵技術(shù)作一探討。

1 應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的基本特點(diǎn)

1.1 快速部署

在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與部署過(guò)程中須做到快捷與簡(jiǎn)單，而對(duì)于相關(guān)通信設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)而言，則需要以更快效率、更高速度運(yùn)至目標(biāo)區(qū)域，盡可能不依賴(lài)復(fù)雜的配置過(guò)程與專(zhuān)業(yè)人員，另外，設(shè)備容錯(cuò)性應(yīng)高。

1.2 可擴(kuò)展性與健壯性

如果變化過(guò)于頻繁，或者處在一種快速部署的基本網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，均會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能形成強(qiáng)烈沖擊，使之承受更多挑戰(zhàn)。所以，在選購(gòu)與之配套的基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)，需做到滿足實(shí)需。針對(duì)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(yīng)，以此來(lái)為客戶提供更加優(yōu)質(zhì)、全面的服務(wù)。

1.3 可移植性與便捷性

由于網(wǎng)絡(luò)部署速度較快，其要求網(wǎng)絡(luò)設(shè)備要便于實(shí)際操作，并非一味地注重專(zhuān)用設(shè)備的運(yùn)用，而是要大膽且積極地推動(dòng)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(hù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，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(yīng)用。另外，對(duì)于應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)而言，針對(duì)用戶所存在的高速移動(dòng)性，需要對(duì)此給予切實(shí)的支持，對(duì)于外界環(huán)境中的異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)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(wù)。

2 應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的基本架構(gòu)與設(shè)計(jì)

近年來(lái)，應(yīng)急通信系統(tǒng)的全面化、深層次構(gòu)建，已經(jīng)成為當(dāng)今世界普遍關(guān)注、高度重視的熱點(diǎn)。對(duì)于應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)講，其須具備如下特點(diǎn)：①能夠?qū)窈罂赡馨l(fā)生的災(zāi)害加以預(yù)測(cè)與防范，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)特定區(qū)域，開(kāi)展數(shù)據(jù)分析，能夠支持異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的互連；②快速恢復(fù)通信，對(duì)災(zāi)后重建加以輔助；③切實(shí)、有針對(duì)性地實(shí)施應(yīng)急行動(dòng)，能夠?qū)Ω鞣N救援力量進(jìn)行合理性協(xié)調(diào)。比較常見(jiàn)、通用的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（如圖1所示），主要包含3個(gè)層次，即實(shí)現(xiàn)信息關(guān)聯(lián)與收集的中間件層、分布式計(jì)算層及通信基礎(chǔ)設(shè)施層。在3層架構(gòu)當(dāng)中，通信基礎(chǔ)設(shè)施層利用通信網(wǎng)絡(luò)（臨時(shí)性的或現(xiàn)有的），為各種通信業(yè)務(wù)提供支持，包含用作受災(zāi)區(qū)域監(jiān)視的傳感器網(wǎng)絡(luò)、臨時(shí)部署的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)及現(xiàn)有的蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)。而中間件層負(fù)責(zé)通信基礎(chǔ)設(shè)施層當(dāng)中的各種信息的收集與關(guān)聯(lián)。

圖1 應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)圖

通信基礎(chǔ)設(shè)施層準(zhǔn)允受災(zāi)范圍內(nèi)用戶，通過(guò)各種終端與移動(dòng)設(shè)備，對(duì)各種服務(wù)與異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訪問(wèn)。因此，需采取一種有效、實(shí)用且簡(jiǎn)單的方式，將通信與處理設(shè)備部署在受災(zāi)區(qū)；可以集成于現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)，以便能夠提供更為實(shí)用、高效的服務(wù)平臺(tái)，更好地滿足實(shí)際通信服務(wù)。另外，對(duì)于通信基礎(chǔ)設(shè)施層來(lái)講，可選用一種比較傳統(tǒng)的異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)結(jié)構(gòu)，其主要包含無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）、臨時(shí)部署的移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)以及既有蜂窩網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)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(diǎn)（FN）、多個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)（SN）及一個(gè)中心控制單元（CCU），如果處于極端環(huán)境中，還需要利用無(wú)人機(jī)或者衛(wèi)星來(lái)提供緊急情況下的應(yīng)急通信服務(wù)。CCU在通信與計(jì)算能力方面比較強(qiáng)，在維護(hù)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(duì)于一些比較特殊的情況下，其能夠根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行移動(dòng)，而且還可以與外部網(wǎng)相連接，能夠根據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)況及當(dāng)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(shí)時(shí)傳輸給節(jié)點(diǎn)。SN除了可以固定之外，還能移動(dòng)，不僅通信能力強(qiáng)，計(jì)算能力也比較強(qiáng)，在供電方面，其能夠提供可靠保障。當(dāng)處于CCU控制情況下，SN可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)提供各項(xiàng)服務(wù)。

3 應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)

無(wú)線自組網(wǎng)實(shí)際上是一種圍繞計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線通信，經(jīng)過(guò)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(diǎn)，如Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線傳感網(wǎng)及無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)等均為無(wú)線組織網(wǎng)的基礎(chǔ)框架內(nèi)。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，從本質(zhì)上來(lái)講，其就是一種相比其他網(wǎng)絡(luò)形式，具有一定特殊性的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，在不需要進(jìn)行相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施預(yù)設(shè)的前提下，便可以快速組網(wǎng)。無(wú)線自組網(wǎng)的基本特點(diǎn)是高毀性、自愈合、自組織等，尤其是那些具有臨時(shí)性或突發(fā)性的應(yīng)急通信場(chǎng)合，其比較適合。隨著此方面研究的日漸深入，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用變得越發(fā)廣泛，除了已經(jīng)應(yīng)用在民用領(lǐng)域之外，還逐漸應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域。另外，在研究?jī)?nèi)容方面，其更加寬泛，囊括諸多內(nèi)容，比如網(wǎng)絡(luò)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(luò)技術(shù)為支撐，已經(jīng)有多種形式或類(lèi)型的無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)出現(xiàn)，如無(wú)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(jìn)技術(shù)。通過(guò)這些先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)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(shí)際需要，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。除此之外，其能夠?qū)μ囟繕?biāo)區(qū)域進(jìn)行有效監(jiān)控，將所得到監(jiān)控信息，實(shí)時(shí)傳送至相關(guān)用戶，以此來(lái)為行動(dòng)決策提供更加全面、準(zhǔn)確的輔助。在WSN中，在其內(nèi)部，設(shè)置有多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)協(xié)作運(yùn)行，還能依據(jù)實(shí)際需要及網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，選擇滿足當(dāng)前實(shí)況的路由協(xié)議，實(shí)現(xiàn)傳輸任務(wù)、信息監(jiān)測(cè)等工作的快速、高效完成。

3.2 WiMAX技術(shù)

在當(dāng)前已建成的完善通信基礎(chǔ)設(shè)施的驅(qū)動(dòng)下，已經(jīng)出現(xiàn)了基于WiMAX技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這些技術(shù)不僅高效，而且還充分運(yùn)用了寬帶應(yīng)急通信技術(shù)，因而有著高效化的實(shí)用價(jià)值。之所以會(huì)選用此技術(shù)，最終目的即為更好地、更加全面地滿足當(dāng)前應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)組網(wǎng)方面的實(shí)際需要。WiMAX，從本質(zhì)上來(lái)講，其是一種良好的寬帶無(wú)線通信技術(shù)，其技術(shù)為IP技術(shù)，因而可以提供與實(shí)際相符、能更好地滿足現(xiàn)實(shí)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(yīng)用的不同，提供相應(yīng)QoS保證。

為了實(shí)現(xiàn)在各應(yīng)急環(huán)境下均有可靠通信支持，需要不斷優(yōu)化WiMAX網(wǎng)絡(luò)，以此來(lái)提供高速、可移動(dòng)性的OFDMA機(jī)制。從物理層角度來(lái)分析，其在OFDMA機(jī)制的相關(guān)作用與影響下，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量的最大化提升，但是，由于其具有移動(dòng)性特點(diǎn)，其會(huì)對(duì)多普勒頻移效應(yīng)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(huì)使子載波間正交性降低，而且還會(huì)被引入載波間干擾。因此，需采取有效措施，提升精度，將移動(dòng)性所造成的影響降至最低，且應(yīng)用反饋與補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ瑢?duì)CFO引入所造成的多址干擾（MAI）予以克服。為確保整個(gè)的通信的安全性，可以選用融合有前向糾錯(cuò)（FEC）與綜合自動(dòng)重傳請(qǐng)求（ARQ）技術(shù)的混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求（HARQ）技術(shù)。此外，通過(guò)空間多路復(fù)用（MIMO）技術(shù)的高效化應(yīng)用，能夠較大程度提升鏈路吞吐量，還能促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的擴(kuò)展。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文依據(jù)應(yīng)急通信的基本特點(diǎn)，探討了一種圍繞應(yīng)急通信運(yùn)作的基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，另外，還分別從WiMax寬帶無(wú)線技術(shù)、無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)兩方面，探討了應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)需切實(shí)運(yùn)用時(shí)下先進(jìn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與商業(yè)技術(shù)，通過(guò)將之集成，來(lái)構(gòu)建一個(gè)方便管理與攜帶的安全、可靠的應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)。

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