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2017-9-20
無線自組網(wǎng)技術的先驅———AdHoc網(wǎng)絡最早出現(xiàn)于上世紀70年代，并主要用于軍事通信。AdHoc網(wǎng)絡是一種特殊的無線通信網(wǎng)，無需依賴任何預先架設的網(wǎng)絡設施就可以快速自動組網(wǎng)，并具有很強的抗毀性和靈活性，對于搶險救災、野外考察、油田礦山、軍事等特殊場合的網(wǎng)絡通信具有非常重要的意義。早期的AdHoc網(wǎng)絡主要用于軍事通信領域，研究也主要集中在如何保證在多跳無線網(wǎng)絡環(huán)境中高效和可靠地傳送數(shù)據(jù)，在此期間眾多學者針對各種通信環(huán)境提出了大量卓有成效的信道接入?yún)f(xié)議和路由算法。隨著研究的深入和信息技術的進步，AdHoc網(wǎng)絡的應用逐漸轉向民用和商業(yè)領域，研究的內(nèi)容也更為寬泛，包括網(wǎng)絡體系結構、分簇算法、跨層設計、QoS支持、服務發(fā)現(xiàn)、網(wǎng)絡互聯(lián)和信息安全傳輸?shù)取?
隨著研究的進一步深入和信息技術的發(fā)展，針對實際應用需求在AdHoc網(wǎng)絡技術的基礎上衍生出了其他無線自組網(wǎng)技術，其中最重要的當屬無線傳感網(wǎng)絡WSN（WirelessSensorNetwork）和無線網(wǎng)狀網(wǎng)WMN(WirelessMeshNetwork)。WSN整合了AdHoc網(wǎng)絡技術、傳感器技術和分布式信息處理技術，可視為一種具有傳感功能的小型移動設備構造的用于收集、傳播和處理傳感信息的AdHoc網(wǎng)絡。在WSN中，節(jié)點不僅能夠借助于中間節(jié)點的轉發(fā)來實現(xiàn)通信，還可以監(jiān)測本地環(huán)境的變化和收集相關的傳感信息，增強了AdHoc網(wǎng)絡的功能。在無線傳感網(wǎng)絡中，各傳感節(jié)點協(xié)作運行來完成某項任務，并根據(jù)網(wǎng)絡規(guī)模和應用需求選用合適的信息預處理機制和路由協(xié)議來高效傳輸特定區(qū)域的傳感信息。由于傳感節(jié)點通常需要長時間的持續(xù)工作，因此無線傳感網(wǎng)絡還特別關注節(jié)能機制。WMN也是AdHoc網(wǎng)絡在商業(yè)應用領域的發(fā)展，是一種新型寬帶無線分布式網(wǎng)狀網(wǎng)。Mesh網(wǎng)絡具有高可靠性和強自愈能力，借助于mesh骨干路由器，提供了一種新型的寬帶無線網(wǎng)絡接入方式。這些技術手段各有特色，但都具有網(wǎng)絡自組織和協(xié)同特征，非常適合組建應急通信網(wǎng)絡來協(xié)調各類人員展開救援行動和應對突發(fā)事件。這些無線自組網(wǎng)將在應急通信場合發(fā)揮重要作用。例如，利用AdHoc網(wǎng)絡和WMN可以快速構建高抗毀性的應急救援網(wǎng)絡，協(xié)調各救援群體，同時可以部署WSN來實時監(jiān)控事發(fā)區(qū)域的各種情況并把相關信息及時通知現(xiàn)場人員和上報指揮中心。
應急通信保障中無線自組網(wǎng)的應用
1集成蜂窩網(wǎng)絡和AdHoc網(wǎng)絡的混合式無線通信網(wǎng)絡
在發(fā)生重大自然災害時，蜂窩網(wǎng)絡中的部分基站設備會受損或無法正常工作，即使基站可用，由于信道條件惡化或急劇增加的業(yè)務量也會使得許多移動終端不能訪問基站。此時，可以考慮綜合利用adhoc網(wǎng)絡和蜂窩網(wǎng)絡的技術優(yōu)勢來組建混合式無線應急通信網(wǎng)絡。在這種混合式無線通信網(wǎng)絡中，移動終端（MT）可以選擇操作在蜂窩模式或adhoc模式，前者直接向基站（BS）發(fā)送數(shù)據(jù)，后者需要逐跳構建到BS的路由。正常情況下節(jié)點操作在蜂窩模式并直接向BS傳輸數(shù)據(jù)。在緊急突發(fā)事件發(fā)生時，節(jié)點發(fā)現(xiàn)無法與BS直接通信時會切換到adhoc模式，并設法通過多跳轉發(fā)來構建一條到BS的路由。舉例來說，當基站B出現(xiàn)故障時，移動節(jié)點4可以通過中繼轉發(fā)節(jié)點2或5來訪問基站A或C，從而避免通信中斷。即使基站B沒有故障而只是其所在小區(qū)出現(xiàn)網(wǎng)絡擁塞，通過上述這種方式也可以減輕基站B的業(yè)務處理負擔。當應急通信區(qū)域的基站數(shù)量不足時，還可以部署適當數(shù)量的應急通信車ECV充當臨時的基站，滿足基本的吞吐量和網(wǎng)絡覆蓋要求。
混合式應急通信網(wǎng)絡可以視為分級網(wǎng)絡結構：低層是移動終端自組構成的多跳通信網(wǎng)絡，高層是基站和應急通信車之間構成的骨干網(wǎng)絡。
混合式無線網(wǎng)絡中的應急通信過程分為兩個階段：
首先，移動終端按照蜂窩模式正常訪問基站，如果接收到的功率過小，嘗試采用多跳中繼方式；再多跳中繼轉發(fā)下，移動終端基于信道質量和路由跳數(shù)查找和選擇到基站的多跳路由，并定期更新路由表。在這種混合式應急通信網(wǎng)絡中，移動終端至少應配備兩個無線網(wǎng)絡接口，其中一個蜂窩網(wǎng)絡接口用于和基站通信，而另一個藍牙或802.11接口用于和其他移動終端進行通信。此外，移動終端應存儲必要的應急信息，包括位置、狀態(tài)、緊急程度等。為了提供更有效的通信服務保障，應急通信車和基站還可以充當訪問因特網(wǎng)的網(wǎng)關。網(wǎng)關不僅充當內(nèi)外網(wǎng)之間的業(yè)務轉發(fā)節(jié)點，而且擔當內(nèi)部網(wǎng)絡地址和外部全局可路由地址的翻譯節(jié)點。
2實施安全監(jiān)控和預警的無線傳感網(wǎng)絡
應急通信系統(tǒng)必須對應急事發(fā)區(qū)域實施全面有效的監(jiān)控，以預防和管理可能的風險。事發(fā)地區(qū)很可能在出現(xiàn)意外突發(fā)事件之前就沒有通信基礎設施，為此可以事先或事后及時部署無線傳感網(wǎng)絡實施監(jiān)控和預警任務。無線傳感網(wǎng)絡包含大量分散部署的傳感節(jié)點、具有適應場合多、覆蓋范圍大、監(jiān)視精度高和無需人工干預等優(yōu)點。無線傳感網(wǎng)絡可以提供可靠的數(shù)據(jù)獲取和傳輸、較強的錯誤容忍性和與現(xiàn)存異質通信網(wǎng)絡的互操作性。為了提高網(wǎng)關向遠程服務器傳遞傳感數(shù)據(jù)的可靠性，可以選用IEEE802.16e技術。此外，鑒于傳感節(jié)點容易出故障并且會遭受拒絕服務等攻擊，必須考慮提高傳感網(wǎng)絡的容錯性和安全性，即網(wǎng)絡可生存性。一種解決方案是部署冗余的傳感節(jié)點，但是會增加網(wǎng)絡成本。另一種方案是使整個系統(tǒng)能夠在整個生命期以協(xié)作的方式執(zhí)行自測試、自調整、自維護、自恢復操作。為了提供健壯的無線傳感網(wǎng)絡信息收集和傳遞服務，可以采用基于簇的分級網(wǎng)絡結構。
3基于可移動基站的便攜式移動通信網(wǎng)絡
基于可移動基站的便攜式移動通信網(wǎng)絡充分利用無線自組網(wǎng)的技術優(yōu)勢，可以提供如下供能：在任何時間任何地點確?？煽康耐ㄐ牛惶峁╆懙?、水面和空中通信平臺，通過無線mesh網(wǎng)絡隨時隨地按需提供網(wǎng)絡容量和覆蓋范圍；自配置性和相對獨立性，不需要任何網(wǎng)絡基礎設施就可以支持有效的本地通信；需要最小的人為干預，支持靈活可擴展的網(wǎng)絡部署；支持多種空中接口技術，包括GSM(全球移動通信系統(tǒng))、UMTS（通用移動通信系統(tǒng)）、WiMAX（全球微波接入互操作性）；可以部署在多種應急救援和災難恢復通信場合，提供基本的話音和數(shù)據(jù)服務以及多媒體通信服務和增強的態(tài)勢感知能力；基于IP（因特網(wǎng)協(xié)議）的網(wǎng)絡互操作性。舉例來說，便攜式移動網(wǎng)絡可以方便地實現(xiàn)現(xiàn)場救援人員之間的通信以及現(xiàn)場救援人員和指揮中心之間的通信。如果采用傳統(tǒng)無線通信方式，即使應急現(xiàn)場的救援人員相距很近，他們之間的通信仍需涉及無線網(wǎng)絡中的各種基礎網(wǎng)絡設施，包括BTS（基站收發(fā)臺）、BSC（基站控制器）、RNC（無線網(wǎng)絡控制器）和MSC（移動交換中心）等。而在便攜式移動網(wǎng)絡中，距離較近的救援人員可借助移動基站方便快捷地建立通信，不依賴于現(xiàn)有網(wǎng)絡基礎設施。在便攜式移動網(wǎng)絡中，需要定期維護和更新移動終端和相連的基站路由器（BSR）的關聯(lián)表，從而快速準確找到轉發(fā)分組需要經(jīng)過的BSR。BSR之間構成健壯的網(wǎng)狀骨干網(wǎng)，采用類似于OSPF（開放最短路徑優(yōu)先路由）的觸發(fā)更新鏈路狀態(tài)路由協(xié)議來計算和維護路由。移動終端之間的通信借助BSR構成的網(wǎng)狀網(wǎng)以及移動終端和BSR之間的關聯(lián)表完成。
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