摘 要：在基礎通信設施受到破壞以后，各部門之間的通信交流受到阻礙，不但會延誤救援工作的開展，并且可能會帶來更大的損失。面對不同類型的數據格式和不同頻率的無線電設備，如何實現多部門多領域的通信系統(tǒng)互操作性成為一個亟待解決的問題。分析了毀傷條件下實現通信系統(tǒng)互操作性的特點及面臨的挑戰(zhàn)，建立了一種在毀傷條件下實現通信系統(tǒng)互操作性的模型，并闡述了該模型的工作原理及其在不同類型的通信網絡中的應用。最后通過兩個應用實例驗證了該模型的有效性和正確性。



關鍵詞：毀傷；互操作性；模型；通信系統(tǒng)

中圖分類號：TP301 文獻標識碼：B

文章編號：1004373X(2008)0109003

Design and Application of Communication Interoperability Model in Disaster Situations



LIU Xinsheng，CHEN Bo

(Institute of Command Automation，PLA University of Science and Technology，Nanjing，210007，China)



Abstract：When the communication infrastructure has been disrupted severely，the communication float may be embarrassed，this will delay as the emergency response and will even cause more loss.So，how to ensure interoperability among multi-agency and multiple communication systems using various data format and frequency radio has been a critical issue.This paper discusses the characteristics and challenges to achieve communication systems interoperability，and gives an interoperability model to achieve communication system interoperability in crisis situations.Finally，two instances are introduced here to demonstrate the validity and correctness of the model.



Keywords：disaster;interoperability;model;communication system



1 引 言

互操作性是指兩個或多個系統(tǒng)相互使用所交換的信息的能力。就其本質而言，互操作性是對異質實體(包括異構體系結構、異構操作系統(tǒng)、異構網絡和異構語言等)中可獲得資源的透明調用的能力^[1]。狹義上講，通信系統(tǒng)互操作性是指各種類型的通信系統(tǒng)之間不但可以進行信息交換，并且這些交換來的信息可以為自己所用。

在各個通信系統(tǒng)正常運轉時，其互操作性的實現基本不存在問題，但是當地震、火災、戰(zhàn)爭等緊急事件發(fā)生后，基本的通信設施很可能遭到嚴重破壞，各個通信系統(tǒng)之間的互操作就受到了限制，不但阻礙救援工作的開展，甚至左右整個行動全局的勝負^[2]。針對這一現實問題，有一個簡單的方案曾經被廣泛使用，就是建立臨時指揮中心，各個部門的通信頻率由指揮中心統(tǒng)一分配。然而，這種人工轉換的手段不僅耗費時間而且容易出現錯誤，同時由于一些解決通信系統(tǒng)互操作性的技術實現在很大程度上依賴于通信帶寬和基礎通信設施，當基礎設備遭到毀傷后，通信系統(tǒng)的互操作性通常無法正常實現。因此，發(fā)生毀傷情況后，如何實現多部門多領域的通信系統(tǒng)互操作性已成為應對各類突發(fā)事件中亟待解決的問題。

實現通信系統(tǒng)可互操作主要解決兩個方面的技術難題，一是在大量異構系統(tǒng)之間如何將數據交換的格式達成一致；二是如何與不同類型的通信設備兼容。目前，關于系統(tǒng)之間數據交換的基本格式，隨著HTTP和XML數據交換格式的出現，基于Web的應用接口已經在某種程度上緩解了這個問題^[3]。然而許多指揮控制系統(tǒng)依然在很大程度上依靠獨立的數據格式在內部各個組成部分之間進行數據交換，這種對特定數據格式的依賴性導致當這些系統(tǒng)和外界進行通信時會出現“數據隔閡”?；赪eb的應用程序接口也不能完全地解決這個問題，并且還可能導致出現更多的問題。近幾年來，數據連通的交替方法得到了開發(fā)和利用，利用該方法建立的技術方案提高了遠程帶寬的速度和數據交換的效能，可以連通包括局域網和廣域網在內的大量的通信設施，已有效解決數據交換格式的問題。本文將重點分析如何在毀傷條件下構建通信系統(tǒng)互操作性模型及其工作原理，有效解決不同類型通信設備的兼容使用問題。

2 互操作性模型應用的主要時機

在受到某些人為或自然因素的破壞后，各單位可能僅保留一些能夠在內部有效運行的通信設施。軍隊、武警、警察、醫(yī)院、消防等單位都可能會在現場執(zhí)行任務，他們可能會攜帶各種頻段、各種性能、各種加密手段的無線電通信設備。電磁空間內充斥著各種不同類型的無線電信號，經常因無線電通信頻譜不充分或分配混亂，缺少統(tǒng)一的系統(tǒng)運行標準，殘存的通信設備不能夠再次以統(tǒng)一的方式被系統(tǒng)重新使用，對通信設備不熟悉等原因造成通信混亂^[4]。在此情況下，原本能夠有效實現互操作的通信系統(tǒng)必將無法繼續(xù)正常工作，必須采用相應的手段以實現通信系統(tǒng)的互操作性，以滿足應急需要。

基于以上情況，毀傷條件下建立通信系統(tǒng)互操作模型的主要時機是：

(1) 最基礎的通信設施如：有線電話和無線電話，已被破壞，喪失服務功能。

(2) 語音通信交流的恢復擁有最高優(yōu)先權。

(3) 數據網絡功能被消減或不存在。

(4) 基于網絡合作的任何應用軟件已無法使用。

(5) 系統(tǒng)中的每個單元都將自己所有的通信系統(tǒng)投入使用，且這些通信系統(tǒng)在各自的無線電頻率上運行，難以有效建立通暢協調的通信體系。

3 構建模型

3.1 可互操作組件

為了自動化解決毀傷條件下的通信系統(tǒng)互操作性問題，文中建立了一個互操作性組件模型。該模型是一個軟、硬件配套系統(tǒng)，具有在基礎設施受到嚴重損傷時快速的部署可互操作系統(tǒng)的功能。他可以通過在廣泛類型的通信設備和協議之間使用自組織移動網絡技術來提供環(huán)境感知、行動規(guī)劃、指揮控制等功能，并且可以允許各通信參與者進行自適應的配置，使系統(tǒng)幾乎不需要人工的協調即可正常運行^[5]。模型設計的關鍵是定義一個支持互操作性的體系結構，有效的實現異構系統(tǒng)間的互操作性，同時他還能為所有互連的系統(tǒng)提供一個共同的操作界面。

如圖1所示，可互操作系統(tǒng)組件（ISC）對外部系統(tǒng)（SA）來講就象系統(tǒng)SA外部的一個節(jié)點。該節(jié)點和系統(tǒng)SA相互交換數據，同時使用系統(tǒng)SA固有的通信渠道、格式和協議。如果組件（ISC）連接的是兩個類型相同的系統(tǒng)，那么數據就不經過任何改變直接傳輸。然而，如果與之相連的系統(tǒng)類型不相同，他會將接收到的數據轉換成自己的內部格式，然后提供給本地用戶或其他系統(tǒng)^[6]。他可以以這種方式在任意數量的系統(tǒng)之間建立連接，并且可以將數據展現給指揮部，從而在異構系統(tǒng)之間創(chuàng)建一個共同的操作界面。



3.2 工作原理

模型有以下5個核心功能領域必須在異構的系統(tǒng)之間實現：

數據庫功能域;

通信功能域;

圖形功能域;

用戶接口功能域;

體系制度(鑒定、訪問控制、線程等) 功能域。

除此之外還要實現3個關鍵的處理模式：

(1) 轉換：數據從一種格式轉換為另一種格式；

(2) 更新：一些數據狀態(tài)的改變引起另一些數據狀態(tài)的改變；

(3) 關系：系統(tǒng)內的數據項相互關聯。

通過實現這五個關鍵功能域和三種處理模式，可以建立系統(tǒng)的核心功能以支持在異構的系統(tǒng)之間快速地實現互操作性?；ゲ僮餍杂袃煞N不同的部分：通信互操作性，即使用任何可用的通信手段將數據在系統(tǒng)之間進行傳輸；應用程序互操作性，在不同的應用程序之間交換數據。該模型的設計是為了使用任何的通信手段來傳輸數據，而其底層使用的通信基礎設施如：無線電、移動網絡、有線和無線的局域網對用戶都是透明的，系統(tǒng)自動發(fā)現和使用合適的接口。每一個功能領域都是系統(tǒng)的一個獨立組成部分，創(chuàng)造一個可互操作的應用軟件的實質是把這些組成部分連接到一起。通過實現這些處理方式和創(chuàng)造獨立的核心組成部分，開發(fā)者能夠獨立的工作，彼此之間不互相影響，并且給開發(fā)新的功能留下空間。

3.3 微型網絡控制器(MINC)

前面曾提過實現互操作性的一個障礙是每一個部門都有自己獨特的通信設備，而且這些設備經常無法和其他部門的設備兼容。如果在兩個系統(tǒng)之間不能建立最基本的語音和數據通信，那么僅為互操作性建立一個軟件系統(tǒng)是毫無意義的。為了克服這一障礙，我們使用一個無線電接口設備來連通各種類型的無線電通信設備和加密裝置，同時為希望通過無線電進行交流的應用程序提供一個應用程序接口。該設備的一個原型就是微型網絡控制器（MINC）。

一個典型的MINC為應用軟件提供一個共同的接口，還可以包含嵌入的GPS接收器，可以提供通信和定位功能^[7]。MINC設計支持不同無線網絡之間的快速、低消耗的互操作性。MINC基本不包括網絡協議代碼，當主機對其發(fā)出指令時，僅對無線電信號進行轉換和傳輸。這一點有以下幾點好處：

(1) 因為MINC是一個嵌入式設備，即使在比較有限的條件下他的固件也較易開發(fā)。

(2) MINC的代碼具有更長的生命期，因為MINC的固件很少因為無線電信號的改變而改變。

(3) MINC和應用程序的接口也具有更長的生命期?，F實中MINC和主機的接口在過去十幾年中一直沒有變化。

所有這些特性都支持了在異構的通信裝置之間快速的配置可互操作的數據通信網絡。

4 模型在不同類型的網絡上的應用

4.1 無線電

應用程序和無線電的接口有很多類型。假如無線電提供標準的串口、PPP或是IP，那么應用程序可以直接通過無線電相連;如果無線電使用專有的串口，可以使用MINC進行相應的轉換。無線網絡使用的協議取決于其性能要求，該系統(tǒng)可以對數據進行壓縮或加密，數據采用前向校錯，并且進行分組以適應網絡的速度和出錯率，帶有選擇確認的滑動窗口協議被用來提供可靠數據傳輸。

4.2 LANs

對于有線或是無線LANs，有許多不同的協議和格式可以采用，取決于配置可用設施。UDP用來進行無連接的不可靠傳輸，如網絡發(fā)現信息和位置報告;TCP用來進行對可靠性有較高要求的傳輸。該系統(tǒng)使用OLSR協議通過無線LANs建立自組織的移動網絡。對于有線的LANs使用OLSR協議來發(fā)現節(jié)點并路由數據。有線的LANs被作為移動自組織網絡進行處理，使用此技術，該系統(tǒng)可以無需預先配置和網絡管理的提供互操作性通信環(huán)境。

4.3 蜂窩電話和衛(wèi)星通訊

蜂窩電話和衛(wèi)星通訊的使用方式也根據其性能存在很大差異，對于一個使用Hayes類型調制解調器的衛(wèi)星電話來講，該系統(tǒng)可能直接在其間通過撥號建立連接從而傳輸數據。如果一個蜂窩電話使用提供Java支持，那么他可以直接下載一個該系統(tǒng)的應用程序。該程序將報告電話所處的位置，支持通過簡單的文本信息傳輸環(huán)境信息以及基本的指揮控制命令。

4.4 服務

外部的應用程序可以通過LAN來調用該系統(tǒng)的API，服務可以被動態(tài)發(fā)現或是直接存在于一些周知的端口。外部應用程序通過發(fā)送和接收SOAP/XML的文檔來調用服務和接收結果，服務提供者和客戶端之間以自組織的方式配置。這種松綁定和自動發(fā)現的機制使得該系統(tǒng)可以被任意數量的客戶端使用而無需特殊的配置。

4.5 應用實例

圖2 MINC卡連接移動通信小組和指揮服務器示意圖

在該配置中，一個移動通信小組使用802.11無線設備，這些設備建立了一個移動的自組織的網絡使得小組成員之間可以進行數據交換。其中的一個成員配有衛(wèi)星無線通信終端，該系統(tǒng)可以在高速的無線移動網絡和低速的衛(wèi)星網絡之間建立連接。在另外一端，該系統(tǒng)在衛(wèi)星通信網絡和有線的LAN之間建立連接，使得和LAN相連的指

揮中心可以和使用移動電話的小組之間進行有效通信。

圖3是一個通過MINC卡連接地面人員和Internet的部署圖。圖中地面的救援人員持有具有GPS功能的蜂窩電話，電話可以通過蜂窩數據網絡報告自身所處的位置信息。該系統(tǒng)接收這一信息并通過衛(wèi)星通信將其傳給另外一個可以提供Internet功能的模型，該模型也可以作為一個Web服務器，被授權的用戶可以與其建立連接來接收信息。

5 結 語

本文提出了一種在通信設備發(fā)生毀傷的條件下快速實現各個系統(tǒng)間通信互操作性的模型，給出了該模型的工作原理及應用。隨著技術的進步，下一代的可互操作組件將集成更多的附加功能，可以為環(huán)境感知提供更為便捷的解

決方案?；谠撃Ｐ偷囊讛U展性，必將在更多網絡系統(tǒng)中得到應用。

參 考 文 獻

［1］吳斌.論數字圖書館的互操作性[J].電腦知識與技術(學術交流)，2006(10):172-173.

［2］張雪麗.應急通信的不同場景和技術需求[J].電信科學，2007，23(2):56-58.

［3］李珍輝，段斌，陳世清.基于安全互操作的教育信息系統(tǒng)構建及研究[J].網絡科技時代，2007(2):82-84.

［4］王平，陸磊，王獻剛.通信系統(tǒng)電磁兼容技術探討[J].電子產品可靠性與環(huán)境實驗，2007，25(1):11-14.

［5］巍歌.工作流互操作基本模型的關聯性劃分[J].計算機與現代化，2006(10):17-19.

［6］王之梁，吳建平，尹霞.基于通信多端口有限狀態(tài)機的協議互操作性測試生成研究[J].計算機學報，2006，29(11):1 909-1 919.

［7］Krémer P，Dibuz S.Framework and Model for Automated Interoperability Test and Its Application to ROHC[C].In:Proceed ings of t he 15th IFIP International Conference on Testing of Communicating Systems ( TestCom 2003 )，Sophia Antipolis，France，2003:243-257.

［8］蘇森，唐雪飛.開放系統(tǒng)中的互操作性[J].計算機應用，1997，17(6):25-27.



作者簡介

劉新盛 女，1978年出生，河北冀州人。防空兵指揮學院助理工程師，現為解放軍理工大學指揮自動化學院碩士研究生。研究方向為軍事通信學。

陳 博 男，1980年出生，河南南陽人，碩士研究生。研究方向為軍事通信學。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”