无线自组网络在应急通信中的研究与应用

程德怿，乔健

（上海市信息网络有限公司, 上海 200081）

近年来，随着信息化的不断发展，应急通信环境下指挥调度模式得到普及，但传统的通信系统受局部地域网络覆盖盲区影响，数据传输中断的问题时有发生，给开展现场指挥工作带来极大困难。再加上实时传输音视频信息的困难，使得指挥中心很难及时对各终端反馈的问题做出相应指挥，很可能造成突发事件处理最佳时期的延误。针对上述技术缺陷进行完善和优化，实已成为本技术领域亟待解决的问题

1 应急通信的需求

在当今复杂的国际及社会环境下，公共安全重大突发事件频频出现，其中有国家安全、自然灾害、重大事故、突发疫情、环境污染等，如何快速有效及时有序地实施各项指挥方案和下达指令，就显得尤为重要。由于各类紧急事件的特点是突然发生，影响范围巨大，指挥处置中心和各级领导需要第一时间知晓突发事件现场情况，以实现快速反应和快速处置等措施，对事件行动进行全程监控并适时发出新的指令。应急通信系统需要将实时的现场视频信息快速传输到指挥中枢和领导所在的办公室、指挥通信车，使得指挥人员犹如亲临现场增加了应急情况下的快速反应能力、指挥能力和处置能力。为此应急通信系统应是一套集采集、传输、指挥调度一体化的先进全功能性通信平台。

2 应急通信系统改进的关键技术

针对传统应急通信的缺陷，综合运用Ad Hoc无线自组技术对应急通信进行优化改造，由此实现改进的目标。本文使用Ad Hoc无线自组技术设计了一套具有无线收发装置的移动通信网元，使得若干个网元终端可组成一个智能、多跳、移动、对等、分布式去中心化的临时性自治网络通信系统，设备之间采用动态网状连接，无中心节点，能更有效的分摊网络流量，且具有更强的网络健壮性。自组网络中的任意终端节点互相平等，任何一个节点的离开或消失不会影响整个网络的运行。网络上层可支持的基本业务包括监控、定位、数据采集，实时语音视频传送。动态无中心的无线自组网系统无疑是需要快速部署和临时安装的应急通信中最方便、经济、有效的组网方式。

3 整体方案设计

3.1 应急通信无线方案规划

由于应急通信的特殊需求，在特殊场景下采用方便、灵活且成本较低的无线自组网系统，使得原先几乎无法使用网络资源的环境可以进行实时音视频信息网络无线传输。在一些不便安装网络设备的场所，可以通过无线自组网元迅速建立起一个小区域的无线局域网络，通过无线信号进行交流，实现资源共享的目的。无线自组网应急通信系统由无线自组网元、自组网链路、指挥中心组成，此系统解决了传统通信系统架设的复杂局面，能快速形成应急指挥系统。只要信息采集设备工作，即可通过任一网元的无线链路传至指挥中心，让指挥调度功能不受中心与相对区域的约束。组网规划图如图1所示。

3.2 无线自组网络架构设计

目前的无线自组网传输设备，仅提供单频的自组网功能，然而此种单频自组设备并不适合于应急通信遇到的地点不确定的特性，不同的事件现场可能对于无线频率的特性要求不一样，比如在高楼林立的城市需要更好的穿透和绕射性能，在野外可能更需要远距离的高质量无线传输性能，而且在突发事件现场很有可能遇见各单位设备之间的频率干扰问题，这最终可能造成无法为现场提供基础的信息通道支撑，延误处理救援的时机。另一方面传统的单频自组网技术由于同频组网的技术原理，在多跳后带宽损失严重，无法承载高质量远距离的视音频的通信。

图1 组网规划图

图2 双频无线自组网系统架构示意图

为解决上述问题，本文设计了一种具有双频的无线自组网能力的网元设备。网元设备采用LOW-BAND和VHF双通道设计，VHF采用超短波频率范围为335～345 MHz，波长较长，具有较强的穿透和绕射性能，近距离单跳可穿透两栋建筑物，适合于城市建筑物比较密集的场景。HIGH-BAND采用1 428～1 448 MHz频率范围，波长较短，手持高度的单跳传输距离可达2 km以上，具有较大的带宽和远距离通视传输性能，适合于野外空旷地区使用。采用独特的端口捆绑技术分别实现主从模式和均衡模式的双频通道捆绑，在主从模式下，当主通道无法连接时，系统会自动切换至副通道，根据使用场景不同，可设置LOW-BAND或VHF为主通道，另一个为副通道。在均衡模式下，通过端口绑定技术使得两个通道同时工作，进一步增加节点间的传输速率，并最大限度的满足各种复杂地理环境的需要。双频无线自组网传输设备同时采用VHF/LOW-BAND双通道进行通信时，可以同时满足视距和非视距的传输，适合于建筑物内部，森林等复杂现场的使用，并有效解决多跳后带宽损失严重的问题。通过双链路自组网协议，实现两个通道的链路双备份，与单频自组网技术相比，对复杂环境具有更好的适应性，同时可提供更大的传输带宽，满足应急通信中各类通信业务的现实需求。

如图2所示，系统架构中包含了若干个双频自组网元设备。设备之间通过平面距离矢量路由协议（AODV）形成多点对多点的网状连接。图2中各网元设备处于双频通道捆绑主从模式，实线表示根据双链路路由协议计算得出的网络质量较好的当前主链路，虚线表示备用链路，在设备动态移动过程中，平面距离矢量路由协议根据现场不同环境干扰因素，实时通过路由算法计算调整主备链路，使得保持整体网络质量最优。

3.3 无线自组应急通信网元设计

下面结合附图和实施案例说明网元设计是如何实现的。

图3显示了一种双频自组网传输设备的硬件组成。包括电源管理单元、VHF无线通信模块、LBAND无线通信模块、LED指示单元、处理器模块、按键输入、以太网接口。双频无线自组网元设备之间使用无线互联取代了传统的有线连接方式，其无线网络工作方式不对应用产生影响，以前的上层应用均可无缝移植到新的网络环境内并正常工作。本无线自组网元兼容IEEE 802.11无线网络标准，根据应用环境及对带宽的需要选择不同的标准满足适应的通信需求，例如在IEEE 802.11系列标准中的不同的无线协议的示例可包括IEEE 802.11A/B/G/N/AC、IEEE 802.11s。可分别提供11 Mbit/s、54 Mbit/s、150 Mbit/s、400 Mbit/s等不同等级带宽。

VHF无线通信模块可以包括300～700 MHz不同频率，LBAND无线通信模块可以包括1.4～5.8 GHz不同频率，两者都支持Ad Hoc工作模式。VHF和LBAND无线通信模块采用总线接口与中央处理器连接；两种不同频率的无线通信模块采用MMCX接口，并通过馈线连接外置全向天线。VHF、LBAND无线通信模块射频部分可采用功率放大电路，进一步扩大无线自组网的通信覆盖距离。传统的点对点无线通信都是一味通过加大功率增加传输距离，但是利用自组网技术需要注意多节点同频干扰的问题，自组网优势是通过邻居节点多跳中继，不需要通过增加功率来增加传输距离，通过多跳可以实现远距离传输，控制功率反而会有更好的效果。功率放大电路中有负反馈设计，可以稳定功率输出，可以通过按键输入单元调节功率输出大小，在无线通信模块中有同频干扰检测电路，当多节点同频干扰超过设定值可能影响通信质量时会通过LED灯闪烁进行提示。当信号值大于-50 dBm时，可以按1 dBm步进调低发射功率减少同频干扰。

图3 双频无线自组网传输设备硬件框架示意图

VHF、LBAND无线通信模块射频可以预设多种不同的无线射频信道，并可在不同信道之间自由切换，对于不同的频率设定优先级。LED指示包括网络连接状态指示、电源及电量状态指示，所述网络指示灯可区别显示系统是否加入自组织网络，分别以闪烁和常量显示，并以不同颜色区分当前的网络质量等级。所述电源及电量状态灯，在工作状态常量显示，并以不同颜色区分当前电量等级。

电源单元为整个电路提供工作能源，采用适配器直流供电和锂电池供电两种工作方式。电源模块采用DC接口的电路提供15V直流输入，同时支持14.8V锂电池供电方式。

3.4 软件算法设计

网元系统采用Open WRT嵌入式Linux开源系统，通过C语言编程实现了平面距离矢量路由协议（AODV）。无线网络连接建立后形成无中心自组网结构，每个网络节点以一定的时间间隔不断的执行路由决策算法。每个节点具有的分布式智能以信号强度和网络性能为指标，在多条无线链路中选取最优路径路由流量，并且不断动态调整数据路径，限制了广播并且消除了瓶颈。这保证了任何由于网络单元被增加或是移除导致的网络拓扑变化都可以立即被检测到并进行相关路由计算，保证网络总是处于最优的性能和运行状态。这样，网络具备了性能自我调节和链路自动修复两个自组网特性，如图4所示，在故障发生前，自组网节点保持主链路、备选链路的信息，并且不断的动态的更新链路信息列表。当网络中的某一点由于供电、损毁等原因出现故障，其它周边设备会迅速的在备选链路表中，选取具有最优参数的备选链路作为主链路。本系统的算法提供迅速的链路修复，在毫秒级别即完成主备链路的切换，整个过程对于网络中的最终用户都是透明的，不会造成用户的数据、语音或视频等应用的中断。

图4 智能路由切换图

本系统具有自动配置能力，当网元节点设备启动后，网元操作系统开始引导加载，最后路由协议服务启动，无线通信模块进入Ad Hoc工作模式，网元的系统服务程序，会开始搜索分析无线网络环境。判断是否存在等待加入的双频无线自组网元设备。如果网络中存在两个以上新网元时互相协商获取网络参数，并形成自组织网络，后续新的网元则加入此网络。网元节点设备加入自组织网络后设备的网络状态灯进入常亮状态，如果未有发现自组网网络则保持搜索状态，网络状态灯一直保持闪烁。本系统自动配置和自动发现的能力适合于应急处突和快速部署的场景需求。本系统可以通过管理界面对网元设备进行IP地址等网络参数的预先配置，并且可以对网元节点进行组网授权，防止未经允许的自组网元加入网络。

3.5 安全性和多业务分组功能

本系统Wi-Fi接入支持多无线SSID功能，每个SSID对应不同VLAN，每个VLAN都可以具有不同的认证和加密的安全配置。这样，通过为不同应急服务部门如公安，消防等设置各自的VLAN就能实现多业务分组，不同的访问和安全策略的接入，然后配合3层设备将不同组群的流量路由到相应的网络中。

本文设计系统及其配合的标准软件/硬件安全系统提供完整的用户认证、鉴权，无线流量加密并且实时监测网络活动等；通过节点间的通信加密、新节点认证授权等多种机制，保证无线网络骨干的安全。在加密方式上支持WEP、TKIP和AES，认证方式上支持明文、共享密钥、MAC地址白名单等多种方式，确保仅有被授权的无线终端才能接入到网络中。自组网系统架构和N路由协议优化了节点设备之间的快速无缝切换，保证了网络内无缝的应用、数据和会话的持续性，为网络接入控制和安全数据传输提供了可靠的保障。

4 实验数据

实验环境主要配置如下：思博伦Sprien TestCenter网络流量测试仪，40个无线Ad Hoc无线自组网元，网元节点硬件基于Cortex-A72 CPU，具有64 M内存，4G存储，OS系统基于Open WRT，搭载平面距离矢量路由协议（AODV）和拥塞避免算法软件模块。本文的实验数据来源于思博伦测试仪表，并根据本实验需求对原始的结果样本重新进行了标注和处理。点对点速率测试表如表1所示。40节点自组网测试表如表2所示。

表1 点对点速率测试表（架高2 m）

表2 40节点自组网测试表

本实验证明无线自组网元具有较强的通信带宽，具备很强的可拓展性，适合较大规模网络组网，并具备较强的网络性能。

5 结束语

本文设计的系统目前已经在国内国防、公安、消防系统中行进行试用。用户反馈该系统能很好地支撑作战指挥协同系统，能提供数据和语音、视频信息的双向传递，实现了各个作战单元的态势图动态显示。由于本系统具有双向大带宽对称传输的能力，点对点带宽最大可达60 Mbit/s，可以容纳同时传输多路视频信息，目前也已经被中国移动湖南公司用于偏远基站开通。综合而言本系统具有网络覆盖范围大、频谱利用率高、可靠性高、组网灵活、具备网络自组自愈能力和支持与其它无线网络兼容和互操作等优点，能支持高速移动中的数据传输。本文对无线自组网络的研究为应急通信领域提供了重要的技术理论基础，相关研究成果已经申请专利，并将进一步完善优化和改进。