一种基于机会网络的火场应急数据传输方案

朱 健

（公安消防部队士官学校 灭火救援系，江苏 南京 211133）

机会网络（Opportunistic Network，ON），是一种源节点与目的节点之间没有固定的通信信道，而是依靠节点移动产生相遇机会从而实现数据传输的自组织网络。一般情况下，机会网络中节点应用于一些节点稀疏的场景下，节点的相遇机会较少。因此，基于机会网络的数据传输方案的投递性能较差，网络延迟比较高。随着智慧城市与物联网技术的发展，基于机会网络的应用大量出现在了城市区域。机会网络由于不需要基础设施，组网快，容灾性好，在各种应用中得到了较多的讨论。在火场环境中，大部分情况下基础通信设施被破坏，因此极其缺乏通信方案，而机会网络在应急情况下的快速组建，将有利于火场快速通信系统的建立[1-2]。

因此，本文提出一种基于机会网络的应急通信方案，解决火场中基础通信设施无法工作而急需数据传输的问题。通过大量网络仿真实验发现，在小场景的机会网络中，使用单副本方式进行数据传输相较使用多副本方式，单副本方式的通信系统网络传输效率更优。

1 火场无线数据传输方案

由于在火场场景中，传统的基础通信设施无法发挥其通信功能。而机会网络是利用节点之间相遇的机会进行数据投递的网络，节点之间采用“存储—携带—转发”的数据传输方式，并不需要基础通信设施。因此，在火场环境下，快速建立数据传输系统可以通过机会网络的数据传输技术来实现。

基于机会网络的火场中，消防员穿戴具备短距无线通信功能的装备，即构成机会网络中的移动节点。这些移动节点施救过程中实时采集总指挥需要的数据，以及施救现场情况影像资料，这些数据通过移动的消防员节点跑动之间相遇的机会，实现节点间投递数据。

为提高整个通信系统的数据传输效率，该火场无线数据的传输方案由3类节点构成。（1）数据采集节点：该部分节点作为数据采集节点，主要实现数据采集的功能。（2）中继节点：该部分节点主要实现数据的转发和临时存储的功能，提高数据传输到指挥中心的传输效率。（3）数据汇聚节点：该类节点作为数据中心接收或分发火场中的通信数据[3-4]。其网络拓扑如图1所示。

图1 基于机会网络的火场网络拓扑结构

由图1可知，在实际的火场区域的通信网通信网络由消防员节点与指挥车组成，消防员节点中一部分主要负责采集数据，一部分主要负责转发数据。他们利用移动的每次相遇机会，在相互通信覆盖范围中进行数据传输。一般来说，消防员中继节点在火场指挥系统中，处于数据中继桥梁的作用，数据转发压力较大，因此所携带的通信设备功率更高，使其无线传输覆盖范围更大，有利于该临时通信网络的性能。

2 在火场数据传输方案中基于机会网络的数据转发方式

由于在火场中基于机会网络技术进行的网络架构的设计，消防员所携带的短距无线通信设备其缓冲区大小有限，对该系统的关键性能具有较大的影响。在机会网络中，节点相遇后节点中的数据包按照一定的规则进行转发，机会网络中数据转发方式主要分为两种：单副本方式与多副本方式。单副本方式即节点间数据包转发时不采取复制的方式，而是直接投递，这里采用First Contact算法的投递方式。假设Mj={m1,m2}，代表节点j中有m1，m2这两个数据包，而Mi=。当节点i与节点j相遇时，两个节点建立连接，节点j将缓存中的数据包全部投递给i，其结果为Mj=，Mi={m1,m2}。这样的方式优点是可以减轻网络负载，节约节点中的缓存。

多副本方式可以一定程度保证网络的传输延迟，这里我们采用基本的数据洪范算法进行数据的转发。即节点相遇后，节点间交换数据包列表，检查对方数据包中有没有自身没有携带的，如果有就相互复制自身节点中没有的数据包。例如Mj={m1,m2}，Mi={m3,m4}，当节点i与节点j相遇后，分别复制自己没有的数据包，连接时间充裕则会得到Mj={m1,m2,m3,m4}，Mi={m1,m2,m3,m4}。

这两种数据转发方式在不同的应用场景中对网络性能有着不同表现，本文在下文的仿真实验中着重对比了这两种数据转发方式对火场中的数据传输效率的影响。

3 仿真与性能分析

此次仿真采用ONE平台仿真，模拟楼层中突发大火如图1所示，其中指挥车通信范围最大设置为20 m，为贴近现实中的楼层，仿真中设置了与真实的场景相似的关键参数，如节点移动速度，通信覆盖范围等。其场景大小设置为20 m×80 m的地图大小。

其他主要参数配置如表1所示。

表1 ONE仿真平台关键参数设置

一般说来，在火场应急指挥系统中，需要数据传输率高，延迟低，才有利于火场的应急指挥，而这样的传输指标与副本关系密切。因此在仿真试验场景的设施中，采用单副本与多副本两种转发方式分别进行仿真。通过火场救援中小节点密度群，进行了多次仿真分析，分析了不同数量中继节点下该通信系统的传输效率。实验结果如图2所示。

如图2所示，本文所提出的基于短距无线通信的数据传输系统，在采用单副本方式进行转发数据相较于采用多副本方式而言，单副本方式高出多副本50%以上。单副本方式的投递成功率随着中继节点密度的增加还在呈现逐步上升的趋势，并稳定在80%以上。这意味着，在火灾救援的小场景中，利用本文所提出的网络架构下，由专用设备构建的自组织网络能够满足基本的通信需求。

在火场快速构建的网络传输系统中，数据的延迟是一个较为重要的指标。结果如图3所示，可以发现，采用单副本转发方式在平均时延上不及多副本转发方式。经过仿真实验发现在小场景中，单副本转发方式与多副本随中继节点密度增大平均时延均有下降趋势。多副本转发方式在平均时延上有较为突出的表现，较单副本方式少50%～80%，这意味在小场景中采用多副本转发方式，数据能够更快速地投递给目的地，实时性更高，更有利于该火场指挥系统的数据传输实时性。

图2 两种转发方式的数据传输效率结果

图3 两种转发方式的平均时延结果

4 结语

综上所述，在火灾现场的救援工作中，基础通信系统无法正常工作时，机会网络是一个较好的选择。它能够适应较为恶劣的通信环境，又具有灵活的组网方式。通过实验发现，在此基于机会网络的火场通信方案中，选择单副本方式对救援现场指挥的指挥工作提供更全面、更完整的信息。选择多副本方式进行数据转发，时延更低，系统实时性较好。因此，基于该短距离无线通信方案适用于火场环境，可以满足快速建立应急指挥或数据传输系统的需求。

[参考文献]

[1]陆伟.浅谈基层指挥员火场指挥能力的重要性[J].科研，2016（8）：259.

[2]任智，黄勇，陈前斌.机会网络路由协议[J].计算机应用，2010（3）：723-727.

[3]ZHANG F Q，JOE I，GAO D，et al.A simulative study on the factors affecting single-copy and multi-copy protocols in DTN[J].Advanced Science and Technology Letters，2016（123）：16-20.

[4]ILIR S，TETSUYA O，EVJOLA S，et al.A simulation system based on ONE and SUMO simulators: performance evaluation of first contact, prophet and spray-and-wait DTN protocols[C].Fukuoka：Conference on Broadband and Wireless Computing，2015：139-142.