一種基于機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)的火場(chǎng)應(yīng)急數(shù)據(jù)傳輸方案

朱 健

（公安消防部隊(duì)士官學(xué)校 滅火救援系，江蘇 南京 211133）

機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)（Opportunistic Network，ON），是一種源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間沒(méi)有固定的通信信道，而是依靠節(jié)點(diǎn)移動(dòng)產(chǎn)生相遇機(jī)會(huì)從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖越M織網(wǎng)絡(luò)。一般情況下，機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)應(yīng)用于一些節(jié)點(diǎn)稀疏的場(chǎng)景下，節(jié)點(diǎn)的相遇機(jī)會(huì)較少。因此，基于機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方案的投遞性能較差，網(wǎng)絡(luò)延遲比較高。隨著智慧城市與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，基于機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用大量出現(xiàn)在了城市區(qū)域。機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)由于不需要基礎(chǔ)設(shè)施，組網(wǎng)快，容災(zāi)性好，在各種應(yīng)用中得到了較多的討論。在火場(chǎng)環(huán)境中，大部分情況下基礎(chǔ)通信設(shè)施被破壞，因此極其缺乏通信方案，而機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)急情況下的快速組建，將有利于火場(chǎng)快速通信系統(tǒng)的建立[1-2]。

因此，本文提出一種基于機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)急通信方案，解決火場(chǎng)中基礎(chǔ)通信設(shè)施無(wú)法工作而急需數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?wèn)題。通過(guò)大量網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在小場(chǎng)景的機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)中，使用單副本方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸相較使用多副本方式，單副本方式的通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸效率更優(yōu)。

1 火場(chǎng)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方案

由于在火場(chǎng)場(chǎng)景中，傳統(tǒng)的基礎(chǔ)通信設(shè)施無(wú)法發(fā)揮其通信功能。而機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)是利用節(jié)點(diǎn)之間相遇的機(jī)會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)投遞的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)之間采用“存儲(chǔ)—攜帶—轉(zhuǎn)發(fā)”的數(shù)據(jù)傳輸方式，并不需要基礎(chǔ)通信設(shè)施。因此，在火場(chǎng)環(huán)境下，快速建立數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可以通過(guò)機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

基于機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)的火場(chǎng)中，消防員穿戴具備短距無(wú)線通信功能的裝備，即構(gòu)成機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。這些移動(dòng)節(jié)點(diǎn)施救過(guò)程中實(shí)時(shí)采集總指揮需要的數(shù)據(jù)，以及施救現(xiàn)場(chǎng)情況影像資料，這些數(shù)據(jù)通過(guò)移動(dòng)的消防員節(jié)點(diǎn)跑動(dòng)之間相遇的機(jī)會(huì)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間投遞數(shù)據(jù)。

為提高整個(gè)通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率，該火場(chǎng)無(wú)線數(shù)據(jù)的傳輸方案由3類節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。（1）數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)：該部分節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的功能。（2）中繼節(jié)點(diǎn)：該部分節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和臨時(shí)存儲(chǔ)的功能，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)街笓]中心的傳輸效率。（3）數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)：該類節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)中心接收或分發(fā)火場(chǎng)中的通信數(shù)據(jù)[3-4]。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 基于機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)的火場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由圖1可知，在實(shí)際的火場(chǎng)區(qū)域的通信網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)由消防員節(jié)點(diǎn)與指揮車組成，消防員節(jié)點(diǎn)中一部分主要負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，一部分主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。他們利用移動(dòng)的每次相遇機(jī)會(huì)，在相互通信覆蓋范圍中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。一般來(lái)說(shuō)，消防員中繼節(jié)點(diǎn)在火場(chǎng)指揮系統(tǒng)中，處于數(shù)據(jù)中繼橋梁的作用，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)壓力較大，因此所攜帶的通信設(shè)備功率更高，使其無(wú)線傳輸覆蓋范圍更大，有利于該臨時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)的性能。

2 在火場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸方案中基于機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式

由于在火場(chǎng)中基于機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)，消防員所攜帶的短距無(wú)線通信設(shè)備其緩沖區(qū)大小有限，對(duì)該系統(tǒng)的關(guān)鍵性能具有較大的影響。在機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)相遇后節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)包按照一定的規(guī)則進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式主要分為兩種：?jiǎn)胃北痉绞脚c多副本方式。單副本方式即節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)不采取復(fù)制的方式，而是直接投遞，這里采用First Contact算法的投遞方式。假設(shè)Mj={m1,m2}，代表節(jié)點(diǎn)j中有m1，m2這兩個(gè)數(shù)據(jù)包，而Mi=。當(dāng)節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j相遇時(shí)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)建立連接，節(jié)點(diǎn)j將緩存中的數(shù)據(jù)包全部投遞給i，其結(jié)果為Mj=，Mi={m1,m2}。這樣的方式優(yōu)點(diǎn)是可以減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，節(jié)約節(jié)點(diǎn)中的緩存。

多副本方式可以一定程度保證網(wǎng)絡(luò)的傳輸延遲，這里我們采用基本的數(shù)據(jù)洪范算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。即節(jié)點(diǎn)相遇后，節(jié)點(diǎn)間交換數(shù)據(jù)包列表，檢查對(duì)方數(shù)據(jù)包中有沒(méi)有自身沒(méi)有攜帶的，如果有就相互復(fù)制自身節(jié)點(diǎn)中沒(méi)有的數(shù)據(jù)包。例如Mj={m1,m2}，Mi={m3,m4}，當(dāng)節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j相遇后，分別復(fù)制自己沒(méi)有的數(shù)據(jù)包，連接時(shí)間充裕則會(huì)得到Mj={m1,m2,m3,m4}，Mi={m1,m2,m3,m4}。

這兩種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能有著不同表現(xiàn)，本文在下文的仿真實(shí)驗(yàn)中著重對(duì)比了這兩種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式對(duì)火場(chǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸效率的影響。

3 仿真與性能分析

此次仿真采用ONE平臺(tái)仿真，模擬樓層中突發(fā)大火如圖1所示，其中指揮車通信范圍最大設(shè)置為20 m，為貼近現(xiàn)實(shí)中的樓層，仿真中設(shè)置了與真實(shí)的場(chǎng)景相似的關(guān)鍵參數(shù)，如節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度，通信覆蓋范圍等。其場(chǎng)景大小設(shè)置為20 m×80 m的地圖大小。

其他主要參數(shù)配置如表1所示。

表1 ONE仿真平臺(tái)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

一般說(shuō)來(lái)，在火場(chǎng)應(yīng)急指揮系統(tǒng)中，需要數(shù)據(jù)傳輸率高，延遲低，才有利于火場(chǎng)的應(yīng)急指揮，而這樣的傳輸指標(biāo)與副本關(guān)系密切。因此在仿真試驗(yàn)場(chǎng)景的設(shè)施中，采用單副本與多副本兩種轉(zhuǎn)發(fā)方式分別進(jìn)行仿真。通過(guò)火場(chǎng)救援中小節(jié)點(diǎn)密度群，進(jìn)行了多次仿真分析，分析了不同數(shù)量中繼節(jié)點(diǎn)下該通信系統(tǒng)的傳輸效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

如圖2所示，本文所提出的基于短距無(wú)線通信的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，在采用單副本方式進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)相較于采用多副本方式而言，單副本方式高出多副本50%以上。單副本方式的投遞成功率隨著中繼節(jié)點(diǎn)密度的增加還在呈現(xiàn)逐步上升的趨勢(shì)，并穩(wěn)定在80%以上。這意味著，在火災(zāi)救援的小場(chǎng)景中，利用本文所提出的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，由專用設(shè)備構(gòu)建的自組織網(wǎng)絡(luò)能夠滿足基本的通信需求。

在火場(chǎng)快速構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的延遲是一個(gè)較為重要的指標(biāo)。結(jié)果如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)，采用單副本轉(zhuǎn)發(fā)方式在平均時(shí)延上不及多副本轉(zhuǎn)發(fā)方式。經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在小場(chǎng)景中，單副本轉(zhuǎn)發(fā)方式與多副本隨中繼節(jié)點(diǎn)密度增大平均時(shí)延均有下降趨勢(shì)。多副本轉(zhuǎn)發(fā)方式在平均時(shí)延上有較為突出的表現(xiàn)，較單副本方式少50%～80%，這意味在小場(chǎng)景中采用多副本轉(zhuǎn)發(fā)方式，數(shù)據(jù)能夠更快速地投遞給目的地，實(shí)時(shí)性更高，更有利于該火場(chǎng)指揮系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性。

圖2 兩種轉(zhuǎn)發(fā)方式的數(shù)據(jù)傳輸效率結(jié)果

圖3 兩種轉(zhuǎn)發(fā)方式的平均時(shí)延結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的救援工作中，基礎(chǔ)通信系統(tǒng)無(wú)法正常工作時(shí)，機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)較好的選擇。它能夠適應(yīng)較為惡劣的通信環(huán)境，又具有靈活的組網(wǎng)方式。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在此基于機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)的火場(chǎng)通信方案中，選擇單副本方式對(duì)救援現(xiàn)場(chǎng)指揮的指揮工作提供更全面、更完整的信息。選擇多副本方式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，時(shí)延更低，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較好。因此，基于該短距離無(wú)線通信方案適用于火場(chǎng)環(huán)境，可以滿足快速建立應(yīng)急指揮或數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的需求。

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