基于网络分簇和信息摆渡的无线自组应急通信网服务增强方案*

王海涛，宋丽华，李建州，邓加新

（1.解放军理工大学通信工程学院 南京 210007；2.解放军理工大学指挥自动化学院 南京 210007）

1 引言

当发生战争、大型自然灾害或突发公共事件时，在突发公共事件发生区域，现有的通信网络设施很可能遭到破坏，即使存在少量可用的通信基础设施，由于天气、地形等因素的影响和短时间激增的通信量，往往无法满足应急通信时间突发性、地点不确定性、业务紧急性和信息多样性的特殊需求[1,2]。无线自组网（wireless self-organizing network）是近年来得到广泛关注和研究的一种特殊的移动通信网络，具有自组织、自愈合、无中心、多跳路由等特点，无需依赖预先架设的网络基础设施就可以快速自动组网，特别适合应急通信这类突发、临时性通信场合。为此，可以在突发事件发生后在事发现场利用无线自组网技术快速部署自组织、自配置的应急通信网络，为复杂多样的应急环境下各类用户群体提供快速、可靠、健壮的通信服务保障[3]。

在无线自组网中需要多个节点之间协作来维护网络连接和提供网络服务，现有的研究工作大都假设无线自组网是连通的，也就是假定任何两个节点之间在任何时候都存在端到端路径。但是在实际的应用场景中，特别是在大规模自然灾害（如地震和洪灾）发生后临时部署的无线自组应急通信网中，由于灾害事件发生突然且波及区域较大，难以在短时间内部署足够数量的网络节点，加之普通用户终端的通信范围很有限，使得构建的无线自组网是一种节点稀疏分布（密度较低）的难以保持网络全连通的Ad Hoc网络，在这种网络中常会出现较长时间的网络分割现象（即存在多个不能互相连通的子网），甚至整个网络也不能满足区域覆盖要求，从而不能保证数据在全网内的可靠投递，即使能够投递到目的节点，往往也具有较低的数据投递率和较大的时延。虽然通过增加节点密度或发送功率的方法可以消除网络分割，但是前者会大大增加网络部署成本，而后者则会过快消耗稀缺的节点能量，进而降低网络寿命。为此，迫切需要一种有效的网络组织和数据投递机制来增强数据投递的可靠性，提高数据投递率和降低投递时延，进而改善网络的服务性能。基于这种考虑，本文设计了一种基于网络分簇和信息摆渡的无线自组应急通信网服务增强机制，能够提升网络的服务性能，增强信息投递的可靠性和时效性。

2 相关工作简介

当前研究成果表明，Ad Hoc网络可以采用平面式和分级式网络结构[4]。平面式网络结构中所有节点的功能和地位平等，存在控制开销大、路由经常出现中断等缺点，主要适用于中小型网络。分级式网络结构中，网络被划分成簇，每个簇由一个簇头和多个普通节点组成，如图1所示。簇头间的通信需要借助网关节点完成，簇头和网关形成了虚拟骨干网。分级网络结构的可扩充性好，路由和控制开销较小，适用于规模较大的网络。采用分簇网络结构，Ad Hoc网络还可以采用类似于蜂窝网络中的资源分配方法，在簇内，簇头可以控制节点的业务接入请求并合理分配带宽[5]。此外，在分簇结构中，簇内可以采用先验式路由算法，而簇间使用反应式路由协议来减少通信和路由开销。因此通过分簇算法将网络划分成簇，可以在很大程度上提高Ad Hoc网络的性能，非常适合于规模较大的无线应急通信网络环境。迄今为止，已经提出了大量的分簇算法来构建和维护分级网络结构。分簇算法的选择依赖于应用的需求、网络的环境和节点的特征，各种分簇算法具有不同的优化目标，包括最小化簇计算和维护开销、最小化簇头、最大化簇稳定性和最大化网络生存时间等[6]。

除此之外，有些学者提出利用节点的移动性来辅助数据投递。例如，无线传感网络中的DataMule机制使用移动实体，将传感器感知采集的数据快速投递到接收节点，但是该机制针对相对静态的传感网络并且目的节点位置固定[7]。时延容忍网络（delay tolerant network，DTN）利用消息存储转发机制试图通过牺牲信息传输时延来保证信息投递的可靠性，具体来说，在出现网络分割时携带数据的节点暂时缓存数据，并当网络合并时将数据转发到其他子网中[8]。这种缓存转发方式是一种被动式投递机制，适用于时延容忍型应用，却不适合时延敏感型应用。另外，有些研究工作提出采用空中基础设施，如低空飞行器或卫星来互联隔离的地面 MANET（mobile ad hoc network），但是网络部署复杂，成本过高[9]。还有的学者提出采用数据复制机制来解决稀疏MANET的数据投递问题，如基于洪泛广播的传染路由，但是这种方法的网络控制开销较大，可扩展性和能效较低[4]。相比而言，Zhao W等人提出的信息摆渡（message ferrying，MF）机制通过中继节点的主动移动提供临时性网络连接，可以提高网络服务性能[10]。但是，现有的MF机制主要是面向DTN考虑摆渡路由的设计问题，并没有针对应急通信场合提出满足各类用户群体通信需求的组网方式和数据投递方法。

3 基于网络分簇和信息摆渡的无线自组应急通信网设计

3.1 设计思想和目标

为了改善无线自组织应急通信网络中数据投递的可靠性和网络服务性能，提出结合使用分簇算法和信息摆渡机制来解决大规模应急通信场景下的网络可扩展性和网络连通性问题，通过建立基于簇的分级网络结构和基于信息摆渡的主动式移动中继机制来提高数据传输的可靠性和时效性。网络分簇有利于提高网络的可扩展性和支持业务QoS保障，信息摆渡将传统的被动缓存转发变为主动有意识的移动携带转发，可以有效减少能量、控制消息开销和投递时延。在分簇网络中应用信息摆渡机制可以根据业务投递的需要连通分割的子簇子网，并且分簇子网之间的通信只需借助网关和摆渡节点，不仅可以降低摆渡机制实现的复杂性，还可以进一步提高分簇网络的服务性能。举例来说，在大型自然灾害发生后的救灾应急通信场合，部署的低空飞行器和地面应急通信车辆都可以充当摆渡节点，在事发区域及时地、可靠地收集和投递应急数据。借助于摆渡机制，无需大量部署专用移动通信设备，受灾群众和救援人员可以利用普通移动设备进行通信连通和协同救援。分簇网络结构和信息摆渡机制的结合使得无线自组网在支持应急通信上的技术优势得以有效发挥，以便使应急现场内各类人员之间以及应急现场到应急指挥中心的信息交互可靠及时，在复杂多样的应急环境下为不同用户群体提供有区分的通信服务保障。

3.2 网络分簇方法

分簇算法的目标是根据系统要求按照某种规则将网络划分成可以覆盖所有节点的多个簇，并且在网络结构发生变化时进行簇结构的更新，以维护网络的正常功能。簇的大小应对网络性能有较大影响：如果簇过大，簇头的负担较重，并且普通节点到簇头的距离过远会消耗过多能量；如果簇较小，可以相应增加信道的空间重用率，提高系统容量，并可以减少节点的传输功耗。但是簇的尺寸过小会导致网络中簇的数目较多，源目的节点对之间的路由所经过的跳数较多，从而会增加分组的投递时延和中转业务量。此外，在选择簇的大小时还应考虑簇头的处理能力、功率损耗和地理环境等约束条件。分簇形成是指按照某种规则选举簇头并划分簇的过程，各种分簇算法的不同之处主要体现于此。需要说明的是，如果网络由异质节点构成，那么簇头的确定比较容易，可以选择功能较强、功率较大的节点作为簇头，但前提是分簇大都针对同质网络。分簇连接是指相邻的簇选择关联节点的过程，关联节点包括网关节点和分布式网关节点，如图1所示。

实际上，与传统Ad Hoc网络不同，无线自组网应急通信网络环境具有如下显著特点。

·具有大量的移动速度和处理能力不同的异质节点，包含大量静态的监视传感设备、低移动性的普通用户通信设备和专用应急通信设备以及高移动性的应急通信车和应急救援飞机等通信单元。

·事发区域内大量的通信单元需要协调通信，地面通信单元之间可以采用分簇算法构造地面分级网络，并可利用空中飞行器提供高效的信息中继能力，连通隔离的子网和覆盖孤立的网络区域。

·多样的不对称的信息传输。在应急通信环境中，业务种类繁多，并且信息的传输具有不对称的特点，现场普通用户单元和营救单元接收和发送的信息量往往有很大差别。例如，现场营救单元会向现场指挥中心/后方指挥中心发送少量监测到的数据和请求消息，而需要接收大量的信息以获得现场的环境信息。

由以上特点不难看出，无线自组应急通信网是一种面向应急通信服务的分级异构通信网络。对于这种异构Ad Hoc网络，较好的组网方式是采用分簇网络结构。簇头的选择比较容易，一般由功能较强的骨干节点充当簇头节点（类似可移动的基站），一个簇通常由一个骨干节点及与其直接通信的用户节点组成。这种基于分簇的无线异构应急自组网通信网络包括3个层次，如图2所示。最高层由功率和处理能力很强的一台（或两台，其中一台备用）应急通信车充当临时性的应急现场指挥中心（emergency command center，ECC），ECC应该尽快予以部署，其位置相对固定并且可以与后方指挥中心建立双向通信连接；第二层是由事发区域内部署的一定数量的功率和处理能力较强的应急通信车充当应急救援专用通信节点（emergency communication node,ECN），这些ECN可以是应急通信车或功率较大的通信电台，并且可以通过单跳或多跳中继方式与ECC相连；最底层是由大量功率和处理能力较低的用户终端通信设备充当普通通信节点（ordinary communication node,OCN），这些节点尽可能以附近计算和通信功能相对较强的ECN为簇头构成分簇子网。无线应急通信网中ECN和OCN配置的数量由通信要求、覆盖区域、地形、通信设备的处理能力和传输功率及无线信道质量等因素确定。OCN的功率和处理能力较弱，充当普通用户节点，ECN具有更大的功率和更强的处理能力，充当其覆盖范围内OCN的簇头。如果OCN周围没有可用的ECN，邻近的OCN也可以按照某种分簇算法（如AOW算法）自组织地构成分簇子网。簇之间的通信借助于簇头及/或网关完成。这种异构分级应急无线网只需考虑到簇一级，而不需考虑簇内部的细节，大大减少了维护和管理开销。此外，分级网络便于定位节点和检索信息。ECC收集所有簇的相关信息并维护整个网络的视图，而ECN只需维护簇内的节点信息和邻居簇头的信息。

3.3 信息摆渡机制

由于应急通信网络往往是针对较大的区域临时性部署的，考虑到网络要求及时快速部署和减低成本的要求，网络节点密度相对稀疏，往往会出现网络分割现象，即整个网络不是全联通的，不同的簇之间可能无法互相通信。针对这种情况，采用信息摆渡机制来解决上述问题。具体来说，在应急网络中部署一些特殊的移动节点（称为摆渡节点），如专用应急通信车或低空飞行器，为整个网络区域中隔离的分簇子网或节点提供必要的通信服务。即使网络本身是连通的，借助于主动性的信息摆渡机制也可以增强网络的性能。通过这些摆渡节点的主动、有针对性的移动可以高效及时地传递应急数据，达到共享关键信息和协调救援行动的目的。

与被动的伺机信息投递方式不同，信息摆渡机制采用一种主动式移动消息投递模式，摆渡节点类似于主动网络中的移动代理，它可以主动更改自身的运动模式（包括移动轨迹和移动速度）以便最小化消息传输时延和最大化消息投递率[11]。具体而言，在大范围无线自组应急通信网中部署适当数量的摆渡节点，通过这些摆渡节点有意识的主动移动、存储和转发数据来支持常规节点（非摆渡节点）之间高效的有针对性的数据投递。举例来说，当某个子网中的常规节点希望向另一个非连通的子网中的常规节点投递数据时，它可以通过其簇头主动向邻近的摆渡节点发送服务请求（允许用较大的功率和特殊的频段），邻近可用的摆渡节点接收此请求后，可以按照某种方式快速接近希望发送紧急数据的子网，然后接收其要转发的数据并继续移动到目的节点所在子网将数据转发给目的节点。一般来说，摆渡节点的功率和存储空间相对富裕，可以先验式地记录各分簇子网节点的位置，以便在与这些子网节点交互时根据这些位置信息做出合理的有意识的移动。采用网络分簇和信息摆渡机制对常规节点要求很低，常规节点在簇内使用常规MANET路由协议即可，但是对功能较强的摆渡节点要求较高，需要同时支持MANET路由协议和特殊的摆渡路由。信息摆渡机制的两个关键要素是位置意识和主动移动，摆渡节点需要随时了解自身及隔离的需要相互通信的节点位置，以便确定最优的移动路线。摆渡节点的移动可以是任务驱动的或消息驱动的，前者是指摆渡节点先验式按照任务要求和既定的路线移动，后者是指摆渡节点根据收到的请求消息确定移动路线，目的都是及时可靠地在彼此隔离的子网之间投递信息。

在大规模分簇应急无线自组网中，信息摆渡机制主要用于根据节点之间的业务需求连通迫切需要通信但相互隔离的分簇子网 （或无线干线网 （wireless backbone network,WBN））。图3给出了分簇网络结构中应用信息摆渡机制的一种情景，摆渡节点初始时部署在ECC处。假设图3中存在两个彼此隔离的分簇子网WBN1和WBN2，WBN1中的普通节点1希望向WBN2中的普通节点8投递数据。参照图3，信息摆渡机制的一种可能的工作过程简述如下。

（1）节点 1向它的簇头节点 H1发送消息 M，H1通过查询其所在子网发现节点8不在WBN1中。

（2）H1向ECC发送包含其位置信息的摆渡请求消息R1，ECC收到R1后，如果有可用的摆渡节点，则将摆渡节点F1派遣到H1附近；如果没有可用的摆渡节点，则告知H1需要等待。

（3）H1将消息M转发到其通信范围内的F1，F1根据消息的目的地址确定目的节点所在的分簇子网WBN2。

（4）F1携带消息M主动移动到节点8的簇头H2的通信范围内，并将M转发给H2。

（5）H2将M投递给节点8，与此同时完成信息摆渡任务的F1立即返回ECC处。

信息摆渡机制中可能存在多个发送节点在同一时段发送摆渡请求消息的情况，在这种情况下ECC及摆渡节点可以根据带转发的每种消息的来源（如指挥员、救援人员和普通用户）、消息的内容（如指挥控制信息、态势感知信息和常规信息）、消息的数据类型（视频、话音、数据）和消息的超时时间等来确定消息的转发优先级，以便为应急通信场景下各种用户（包括待援者、救援者和指挥者）提供支持服务区分的通信服务。具体实施时，信息摆渡机制可以采用的消息优先级配置见表1，表中的优先级共有12个级别，从高到低分别是1～12。在消息优先级相同的情况下，消息的超时时间越短，转发优先级相对越高。

表1 摆渡节点转发消息时遵循的消息优先级配置

实际上，为了提高信息投递的时效性，还可以在网络中部署按照既定路线移动的摆渡节点，并且要求摆渡节点能够在一定的时间内遍历整个网络区域，并事先由应急现场指挥中心ECC将其移动路线广播给全网。摆渡节点可以在执行信息投递时临时更改移动路线，但在执行完任务后，立即返回既定的移动路线继续遍历整个网络。在任何一种情况下，摆渡节点都会定期与应急现场指挥中心ECC联系。因此，摆渡节点还可以在游走的过程中收集部分孤立的子网 （不能与应急现场指挥中心ECC及时通信的子网），等待上报给应急现场指挥中心ECC的态势感知信息或其他应急数据。也就是说，摆渡节点可以根据应急通信场景配置初始状态：固定部署在应急现场指挥中心ECC处或按照既定路线在网络中游走，将这两种情况统称为默认配置模式。随后，当收到摆渡服务请求消息并且经过认证确认能够提供服务后（考虑摆渡机制的安全性），切换到主动移动转发模式，移动到等待服务的节点附近或子网边缘，完成信息承载转发任务，然后再返回到默认配置模式。需要提到的是，在大规模应急通信网络中往往存在多个应急救援区域，此时可以根据业务量需求的变化灵活部署多个摆渡节点：其中一些摆渡节点部署在特定的网络区域中按照既定的移动路线游走，负责所属区域内的信息投递任务；另一些摆渡节点部署在应急现场指挥中心ECC处待命，负责各网络区域间的信息投递。此外，不同网络区域中游走的摆渡节点还可以在应急现场指挥中心ECC的控制下协作完成数据采集和投递任务。

4 结束语

应急通信网络要充分发挥功效，必须充分利用各种通信技术手段并综合运用各种现存的网络基础设施和临时部署的网络设施。本文设计的基于网络分簇和信息摆渡的无线自组应急通信网服务增强方案能够充分发挥无限自组网的技术优势，体现在以下几个方面。

（1）强适应性

能适应各种应急突发场合，包括战场通信、抢险救灾、环境监控等，尤其适合区域覆盖范围较广、网络规模较大和节点密度稀疏的异构无线自组应急通信网环境。

（2）高生存性

具有很强的网络容错和容断能力，能根据应用需要在任何时间任何地点提供网络覆盖和可靠的数据投递服务，并可延长网络的使用寿命。

（3）可扩展性好

基于分簇的分级网络结构和主动信息摆渡机制可以减少扩展网络的规模，并能有效减少网络控制开销。

（4）自配置性

网络分簇形成、拓扑结构控制和信息投递均可由不同角色的节点自动协作完成，几乎无需人工干预。

网络分簇和信息摆渡机制的有机结合提升了网络的服务性能，增强了无线自组应急通信网的信息服务能力，减少了信息传输时延并提高了信息投递率，能够为应急场合下各类用户群体提供有区分的服务保障能力，并可以满足最低限度通信服务的需求。

1 Chiti F,Fantacci R,Maccari L,et al.A broadband wireless communications system foremergency management.IEEE Wireless Communications,2008,15(3):8～14

2 Ansari N,Chao Zhang,Rojas-Cessa R.Networking for critical conditions.IEEE Wireless Communications,2008,15(2):73～81

3 王海涛，刘涛.无线自组网及其在应急通信保障中的应用.世界宽带网络，2011（5）：68～71

4 郑少仁，王海涛，赵志峰等.Ad Hoc网络技术.北京：人民邮电出版社，2005

5 王海涛，郑少仁，宋丽华.Ad Hoc网络的体系结构和分簇算法研究.通信学报，2002,23(12A)：145～149

6 王海涛.移动Ad Hoc网络的分簇算法及性能比较.北京邮电大学学报，2004，27（1）：93～97

7 王雪.无线传感网络测量系统.北京：机械工业出版社，2008

8 Jain S,Shah R,Brunette W,et al.Exploiting mobility for energy efficient data collection in wireless sensor networks.Mobile Networks and Applications,2006,11(3):327～339

9 Wang Haitao,Song Lihua.Conceive of integrative emergency communication network for dealing with unexpected events.Proceedings of ICCNT2011,Taiyuan,2011：477～481

10 Zhao W,Ammar M,Zegura E.A message ferrying approach for data delivery in sparse mobile ad hoc networks.Proceedings of the 5th ACM International Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Computing (MobiHoc04),Roppongi,Japan,2004:187～198

11 Zhao W,Ammar M,Zegura E.Controlling the mobility of multiple data transportferriesin a delay-tolerantnetwork.Proceedings of INFOCOM05,Miami,USA,2005:1 407～1 418