王海濤

(解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院 南京 210007)

1 引言

近年來，國內(nèi)外頻發(fā)的自然災(zāi)難和突發(fā)事件使應(yīng)急通信再度成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。面對這些重大突發(fā)事件，如何快速組建可靠、高效的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò),已成為迫切需要解決的重大技術(shù)問題。與西方發(fā)達(dá)國家相比,我國的應(yīng)急通信技術(shù)手段相對滯后。當(dāng)前國內(nèi)應(yīng)急通信主要依托現(xiàn)有的通信基礎(chǔ)設(shè)施(包括公眾通信網(wǎng)絡(luò)和公眾傳媒網(wǎng)絡(luò)),并在基礎(chǔ)設(shè)施受損或不能滿足通信需求時(shí),快速部署無線自組網(wǎng)(wireless self-organizing network)以及利用專用衛(wèi)星和集群通信系統(tǒng)。因此，在應(yīng)急通信場合，單一的通信技術(shù)手段和通信網(wǎng)絡(luò)已不能滿足在復(fù)雜多樣的應(yīng)急環(huán)境中為各類用戶群體提供快速、靈活、可靠的通信服務(wù)保障的要求，必須充分利用有線、無線、衛(wèi)星等多種通信手段，構(gòu)建一種融合無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)和有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，以便為各種應(yīng)急突發(fā)情況提供有效的通信保障。不難看出，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)是組建應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

無線自組網(wǎng)的典型代表是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)和無線Mesh網(wǎng)絡(luò)。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，具有自組織、自愈合、無中心、多跳路由等特點(diǎn)，無需依賴預(yù)先架設(shè)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施就可以快速自動(dòng)組網(wǎng)，具有很強(qiáng)的抗毀性和靈活性，特別適合應(yīng)急通信突發(fā)、臨時(shí)性通信場合，是常規(guī)通信手段的必要補(bǔ)充和發(fā)展。無線傳感網(wǎng)絡(luò)有效結(jié)合Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和傳感器技術(shù)，可以實(shí)時(shí)、有效監(jiān)控特定目標(biāo)區(qū)域，對異常突發(fā)事件及時(shí)向相關(guān)用戶發(fā)出預(yù)警，并通過對收集的信息加以處理，進(jìn)行輔助行動(dòng)決策。此外，Mesh網(wǎng)絡(luò)是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的擴(kuò)展，采用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有高可靠性和強(qiáng)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(luò)接入方式。這些技術(shù)手段各有特色，但都具有網(wǎng)絡(luò)自組織和協(xié)同特征，非常適用于組建應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)。

無線自組網(wǎng)可以以獨(dú)立的通信網(wǎng)絡(luò)形式存在，不與其他網(wǎng)絡(luò)相連，所有節(jié)點(diǎn)之間的通信都在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部進(jìn)行。但是在實(shí)際應(yīng)用中，特別是應(yīng)急通信場合下，無線自組網(wǎng)不可避免要與其他網(wǎng)絡(luò)互連，特別是與蜂窩網(wǎng)絡(luò)和Internet進(jìn)行互連。由于無線自組網(wǎng)與有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的路由方式不一樣，如果要在它們之間實(shí)現(xiàn)無縫互連，就必須存在一種特殊的網(wǎng)關(guān)，它既能適應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的層次性路由機(jī)制，也能適應(yīng)無線自組網(wǎng)中的特定路由機(jī)制，并且能實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間的通信。

2 支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

在應(yīng)急通信場合，隨時(shí)隨地地訪問有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)查詢信息和獲得幫助，已經(jīng)成為廣大用戶的一種迫切需求。無線自組網(wǎng)可以方便地部署在應(yīng)急通信場合，支持事件監(jiān)控、協(xié)作通信和指揮控制等多種應(yīng)用。但是無線自組網(wǎng)中的用戶如何安全、可靠地接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)和Internet這類有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的問題，仍需要進(jìn)行深入的研究。當(dāng)前，無線技術(shù)手段眾多，不同無線傳輸技術(shù)的帶寬、時(shí)延、頻率和覆蓋范圍各不相同，大體上可以分為兩類：一類是提供較低帶寬的廣域無線傳輸技術(shù)，另一類是可以提供較高帶寬的無線局域網(wǎng)技術(shù)。但是，當(dāng)前的無線廣域網(wǎng)(WWAN)的特點(diǎn)是時(shí)斷時(shí)續(xù)的連接、低比特率、高成本和高時(shí)延，并且在近期內(nèi)不會(huì)得到明顯改觀。傳統(tǒng)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，如蜂窩網(wǎng)絡(luò)可以借助基站與Internet相連，而無線自組網(wǎng)中不存在類似于基站的中心節(jié)點(diǎn)，因此，無線自組網(wǎng)中的移動(dòng)主機(jī)必須借助其他方式接入無線廣域網(wǎng)(公共移動(dòng)網(wǎng))或Internet。

支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的原則是：依托可用的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施與臨時(shí)部署的機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)，構(gòu)建有機(jī)融合的有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)和無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，涵蓋有線、無線、衛(wèi)星等多種通信手段的異構(gòu)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)不同通信技術(shù)間的優(yōu)勢互補(bǔ)和協(xié)作，以便能夠在復(fù)雜多樣的應(yīng)急環(huán)境下為不同用戶群體提供各自所需的通信。

2.2 設(shè)計(jì)方法

當(dāng)前，Internet是按照分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組織的，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由大量用戶子網(wǎng)和一個(gè)核心骨干網(wǎng)組成。蜂窩網(wǎng)絡(luò)也是一種分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，移動(dòng)終端通過基站與MSC構(gòu)成的骨干網(wǎng)連接到固定有線網(wǎng)絡(luò)。分級結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒐?jié)點(diǎn)移動(dòng)和鏈路質(zhì)量變化帶來的影響限制在系統(tǒng)的底層，從而使網(wǎng)絡(luò)具有較好的可擴(kuò)展性?？紤]到分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的諸多好處，支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)也應(yīng)采用分級結(jié)構(gòu)，以方便無線自組網(wǎng)與固定網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無縫通信，高效管理網(wǎng)絡(luò)資源和降低網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建成本。無線自組網(wǎng)可以采用基于簇的分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每個(gè)簇可視為一個(gè)小型的無線分組網(wǎng)，異構(gòu)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中的無線自組網(wǎng)涵蓋Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)、無線傳感網(wǎng)和無線Mesh網(wǎng)絡(luò)。但前，蜂窩網(wǎng)絡(luò)已能夠很好地與Internet實(shí)現(xiàn)互連互通，這里主要考慮無線自組網(wǎng)與Internet和蜂窩網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)問題，并以與Internet實(shí)現(xiàn)互聯(lián)來說明。在無線自組網(wǎng)中，簇頭和網(wǎng)關(guān)(包括公共網(wǎng)關(guān)和分布式網(wǎng)關(guān)，前者指位于多個(gè)簇頭通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，后者指位于相鄰簇中可以直接通信的節(jié)點(diǎn)對)可以互相連接構(gòu)成虛擬骨干網(wǎng)絡(luò)(VBN)。與此同時(shí)，其中的一些簇頭可以與互聯(lián)網(wǎng)關(guān)相連(允許多個(gè)簇頭同時(shí)連接一個(gè)或多個(gè)互聯(lián)網(wǎng)關(guān))，通過互聯(lián)網(wǎng)關(guān)訪問Internet，甚至在某些情況下簇頭可以直接訪問Internet(如不存在互聯(lián)網(wǎng)關(guān)或者互聯(lián)網(wǎng)關(guān)負(fù)擔(dān)過重，并且簇頭本身可以充當(dāng)互聯(lián)網(wǎng)關(guān)時(shí))?；ヂ?lián)網(wǎng)關(guān)可以是移動(dòng)或固定路由器，或能夠同時(shí)與Internet和無線自組網(wǎng)相連的移動(dòng)雙宿主機(jī)，它需要一個(gè)可以被Internet尋址的IP地址，并可以運(yùn)行MANET路由協(xié)議和Internet路由協(xié)議。借助于互聯(lián)網(wǎng)關(guān)接入Internet的好處在于，它通常具有更強(qiáng)的處理和通信能力(相比于簇頭)，減少了簇頭的負(fù)擔(dān)，并且可以在邏輯上分離無線自組網(wǎng)和Internet。

圖1 一種支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

基于這種分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，Internet、蜂窩網(wǎng)絡(luò)和無線自組網(wǎng)可以方便地實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，距離較遠(yuǎn)的兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的無線自組網(wǎng) (如一個(gè)應(yīng)急通信車輛Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)無線傳感網(wǎng))也可以通過Internet或衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，從而擴(kuò)展了應(yīng)急通信場合下各類用戶群體的通信范圍和服務(wù)支持能力。另外，可以使用移動(dòng)IP協(xié)議和反向隧道機(jī)制，使無線自組網(wǎng)中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接入Internet。此時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)關(guān)作為移動(dòng)IP中的外地代理。無線自組網(wǎng)中移動(dòng)主機(jī)和Internet中通信對端的通信必須通過外地代理轉(zhuǎn)發(fā)，并且外地代理的選擇需考慮處理能力和負(fù)載均衡等因素。為了向Internet中的主機(jī)發(fā)送分組，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)需要通過隧道機(jī)制(外層為外地代理的IP地址，而內(nèi)層為通信對端的IP地址)將分組轉(zhuǎn)發(fā)到其所注冊的外地代理上。然后，外地代理將分組轉(zhuǎn)發(fā)至通信對端。Internet的主機(jī)向無線自組網(wǎng)中移動(dòng)主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，按照移動(dòng)IP協(xié)議被家鄉(xiāng)代理截獲，而后家鄉(xiāng)代理通過隧道傳送給外地代理，在已獲悉外地代理地址的情況下，也可直接發(fā)送給外地代理。此后，外地代理使用無線自組網(wǎng)路由協(xié)議將分組傳遞給移動(dòng)主機(jī)。

2.3 其他考慮

以互聯(lián)網(wǎng)關(guān)為分割點(diǎn)，無線自組網(wǎng)與Internet之間的通信連接可以劃分為有線固定區(qū)域和無線移動(dòng)區(qū)域。為了提供有保障的業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量，移動(dòng)主機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)關(guān)之間的虛電路(VC)可以按照軟狀態(tài)的方式維護(hù)，需要周期性刷新或基于反饋進(jìn)行動(dòng)態(tài)刷新。另外，對于那些要求較高吞吐量或較低丟失率的會(huì)話，可以使用多條獨(dú)立的虛電路傳輸業(yè)務(wù)流量，類似于多路徑傳輸機(jī)制。虛電路應(yīng)能適應(yīng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)以減少會(huì)話中斷的次數(shù)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)范圍較小時(shí)，可以使用自適應(yīng)鏈路控制機(jī)制維護(hù)鏈路的有效性，否則需要采用可替代路徑或虛電路修復(fù)機(jī)制維護(hù)連接。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)周期性地測量收到的來自簇頭的傳輸功率，當(dāng)功率低于門限值時(shí)，它將發(fā)起簇間切換，并向簇頭節(jié)點(diǎn)反饋信息。同理，簇頭也可以按照上述方法在不同的互聯(lián)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行切換(下文將會(huì)詳細(xì)描述互聯(lián)網(wǎng)關(guān)的選擇和允許控制機(jī)制)。此外，互聯(lián)網(wǎng)關(guān)可以通過反饋(周期性或按需發(fā)送反饋分組)收集當(dāng)前鏈路特性和網(wǎng)絡(luò)狀況信息，根據(jù)業(yè)務(wù)的QoS要求在移動(dòng)和固定網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)施接入控制，并且可以預(yù)留部分帶寬用于處理由于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)而建立的新連接。

在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)可以基于鏈路狀態(tài)信息計(jì)算QoS路由，簇頭和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)以鏈路狀態(tài)的形式分發(fā)路由信息。對每個(gè)簇而言，鏈路狀態(tài)信息包括與簇間和簇內(nèi)連接相關(guān)的服務(wù)特性值，如時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)、分組丟失率、鏈路容量和簇連接的穩(wěn)定性等。QoS路由的計(jì)算可以使用改進(jìn)的Dijkstra最短生成樹算法，節(jié)點(diǎn)選擇一個(gè)最重要的服務(wù)指標(biāo)作為成本函數(shù)計(jì)算最短生成樹路由，而其他服務(wù)指標(biāo)可以作為路由選擇的附加限制條件。路由選擇需要考慮會(huì)話的服務(wù)要求，并盡量減少資源的使用和會(huì)話活動(dòng)期間重路由的次數(shù)，從而使網(wǎng)絡(luò)容納更多的會(huì)話，減少由于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)而中斷會(huì)話的概率。

在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，可以由簇頭輪詢成員節(jié)點(diǎn)，并依次為它們分配無線信道資源?？紤]到簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)較少，采用基于TDMA的信道接入機(jī)制，可以保證多個(gè)用戶無競爭地共享信道，并且相鄰簇可以使用正交碼字來提高系統(tǒng)吞吐量。另外，在采用TDMA的分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)可在不發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)隙轉(zhuǎn)入休眠模式，進(jìn)而減少能量耗費(fèi)?？蓴U(kuò)展性也是設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需要考慮的一個(gè)問題。無線自組網(wǎng)可以使用分布式控制算法(節(jié)點(diǎn)根據(jù)本地信息調(diào)節(jié)其行為)獲得自組織性，由于沒有采用集中式的信息處理和控制，可擴(kuò)展性較好。但是分布式協(xié)議也會(huì)消耗大量的能量和帶寬用于本地信息收集、處理和交換，因此可以考慮將信息進(jìn)行聚集并將部分本地處理任務(wù)轉(zhuǎn)移到一些功能較強(qiáng)的中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，如簇頭和互聯(lián)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可以執(zhí)行更多的任務(wù)。為了支持QoS，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不可避免地會(huì)引入許多控制開銷。因此對于規(guī)模較大的無線自組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性問題有待進(jìn)一步研究。

3 基于連接共享的Internet接入方案

在無線自組網(wǎng)中，本地的信息查詢可以在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部進(jìn)行，而如果想與Internet上的通信對端進(jìn)行通信或訪問Internet的資源，則需要接入Internet。因此，為了增強(qiáng)數(shù)據(jù)可用性和和網(wǎng)絡(luò)的連接性，無線自組網(wǎng)中具有與Internet無線連接的雙宿移動(dòng)主機(jī)可以作為其他移動(dòng)主機(jī)的臨時(shí)網(wǎng)關(guān)，其作用相當(dāng)于無線自組網(wǎng)的代理服務(wù)器。移動(dòng)雙宿主機(jī)一般配置兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，如一個(gè)接口是Wi-Fi，另一個(gè)接口是GPRS，前者用于無線自組網(wǎng)內(nèi)部的通信，而后者用于接入無線廣域網(wǎng)和Internet。圖2給出了網(wǎng)絡(luò)配置，可以互相進(jìn)行通信并相互協(xié)作的移動(dòng)主機(jī)構(gòu)成無線自組網(wǎng)(也可以把它視為一個(gè)多跳無線局域網(wǎng))。其中，一些移動(dòng)主機(jī)配備額外的無線接口，可以通過無線廣域網(wǎng)接入Internet。考慮到孤立的無線自組網(wǎng)內(nèi)的信息資源有限，使用這種方法可以提高和增強(qiáng)無線自組網(wǎng)在很多環(huán)境下的使用效能，特別是應(yīng)急通信場合。

在無線自組網(wǎng)中，通過移動(dòng)主機(jī)協(xié)作和共享連接資源可獲得以下好處：能夠利用暫時(shí)空閑的連接和突發(fā)性業(yè)務(wù)的統(tǒng)計(jì)復(fù)用特性提高無線連接的利用率；可以減少協(xié)作式應(yīng)用中重復(fù)數(shù)據(jù)的傳輸，節(jié)省寶貴的無線網(wǎng)絡(luò)資源；可以借助這種機(jī)制提高用戶業(yè)務(wù)的QoS；由于廣域連接的費(fèi)用較高，對于那些臨時(shí)使用Internet的移動(dòng)用戶而言，借助雙宿主機(jī)接入Internet的方式更加經(jīng)濟(jì)。例如，當(dāng)一個(gè)可連接到Internet的移動(dòng)雙宿主機(jī)的連接空閑時(shí)，鄰近的移動(dòng)主機(jī)可以臨時(shí)通過該主機(jī)接入Internet。另外，當(dāng)無線自組網(wǎng)中的一組用戶想獲得Internet上的某一信息時(shí)，Internet中的服務(wù)器沒有必要傳輸相同數(shù)據(jù)的多個(gè)拷貝到不同的移動(dòng)主機(jī)，而只需向該組的某一個(gè)移動(dòng)主機(jī)傳輸信息即可，而后該主機(jī)可以借助無線自組網(wǎng)多播路由協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄儆谝粋€(gè)多播組的其他用戶。這樣做既可以減少數(shù)據(jù)傳輸量，又增加了網(wǎng)絡(luò)的安全性。但是，雙宿移動(dòng)主機(jī)的處理能力有限，無線連接帶寬較低，并且可以動(dòng)態(tài)地加入或離開網(wǎng)絡(luò)。因此，需要考慮采用一種基于業(yè)務(wù)連接請求和網(wǎng)關(guān)處理能力及負(fù)載狀況的網(wǎng)關(guān)選擇和允許控制機(jī)制。

4 互聯(lián)網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)和選擇過程及允許控制機(jī)制

4.1 工作流程

為了簡化分析，假定：所有互聯(lián)網(wǎng)關(guān)的無線WAN連接具有相同的帶寬，網(wǎng)關(guān)可以隨時(shí)加入或離開網(wǎng)絡(luò)，并且所有網(wǎng)關(guān)的功能和地位相同。無線自組網(wǎng)中的移動(dòng)主機(jī)通過發(fā)送網(wǎng)關(guān)查詢消息(query gateway)搜尋可用的網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)也可周期性廣播通告消息(announcement)或只在收到網(wǎng)關(guān)查詢消息時(shí)發(fā)送通告消息(基于事件觸發(fā))，聲明自己的存在，并且通告消息中含有此網(wǎng)關(guān)無線廣域連接的可用帶寬等信息。網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)機(jī)制分為3類：先驗(yàn)、反應(yīng)或混合機(jī)制。先驗(yàn)機(jī)制中，網(wǎng)關(guān)主動(dòng)廣播通告，網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)延時(shí)小，但開銷大，適合于小型網(wǎng)絡(luò)；反應(yīng)式機(jī)制由移動(dòng)節(jié)點(diǎn)根據(jù)需要主動(dòng)廣播網(wǎng)關(guān)查詢消息來發(fā)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)延時(shí)大，開銷小，適合于大型網(wǎng)絡(luò)。混合機(jī)制是上述兩種機(jī)制的折衷，網(wǎng)關(guān)在一定范圍內(nèi)定期廣播通告，在此范圍之外，移動(dòng)主機(jī)使用反應(yīng)式方法主動(dòng)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)，適合于大型網(wǎng)絡(luò)。發(fā)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)后，移動(dòng)主機(jī)依據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)選擇網(wǎng)關(guān) (具體標(biāo)準(zhǔn)見§4.2)，并向選定的網(wǎng)關(guān)發(fā)送接入請求消息(request access)進(jìn)行注冊，選定的網(wǎng)關(guān)還要根據(jù)自己是否有足夠的資源以及安全策略決定是否響應(yīng)此主機(jī)的接入請求。也就是說，網(wǎng)關(guān)需要實(shí)施某種允許控制機(jī)制，以便在一定程度上保證用戶的業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量。

圖3給出了在移動(dòng)主機(jī)進(jìn)行網(wǎng)關(guān)選擇和網(wǎng)關(guān)實(shí)施允許控制的工作過程。圖3中，假定移動(dòng)主機(jī)A根據(jù)可用帶寬準(zhǔn)則選定了G2作為其互聯(lián)網(wǎng)關(guān)，它將向G2發(fā)送包含用戶相關(guān)要求(如連接速率為ra)的接入請求消息。然后，G2發(fā)送accept/reject消息通知主機(jī)A是否接受了該請求。當(dāng)主機(jī)A收到accept消息后，應(yīng)向網(wǎng)關(guān)返回確認(rèn)消息ACK，此后主機(jī)A可以基于移動(dòng)IP協(xié)議通過作為外地代理的網(wǎng)關(guān)G2訪問。當(dāng)不需要接入Internet時(shí)，主機(jī)A可以顯示發(fā)送拆鏈信息，或者通過軟狀態(tài)機(jī)制動(dòng)態(tài)刷新連接，即如果一段時(shí)間用戶沒有使用連接，網(wǎng)關(guān)將自動(dòng)釋放此連接，以此提高資源的利用率。上述方案可以用于移動(dòng)主機(jī)動(dòng)態(tài)訪問Internet并能夠在某個(gè)網(wǎng)關(guān)不可用時(shí)切換到其他網(wǎng)關(guān)。

4.2 網(wǎng)關(guān)選擇標(biāo)準(zhǔn)

圖2 無線自組網(wǎng)通過雙宿主機(jī)接入Internet

圖3 互聯(lián)網(wǎng)關(guān)選擇和允許控制工作流程

4.3 允許控制機(jī)制

由于無線自組網(wǎng)的動(dòng)態(tài)多變特性，應(yīng)用很難獲得嚴(yán)格的硬QoS保證，因此，允許控制機(jī)制的設(shè)計(jì)應(yīng)遵守以下原則：操作簡單和易于實(shí)現(xiàn)；較高的帶寬利用率；可以為那些具有某種自適應(yīng)性的業(yè)務(wù)提供一定的服務(wù)質(zhì)量保證，但不確保應(yīng)用一定能夠獲得所請求的帶寬。例如，可以采用基于測量的允許控制機(jī)制，估計(jì)網(wǎng)關(guān)現(xiàn)有業(yè)務(wù)的負(fù)載，如果υ+ra≤μ×β，那么接受連接請求。其中，υ表示現(xiàn)有業(yè)務(wù)的負(fù)載，ra表示業(yè)務(wù)流的請求連接速率，β為網(wǎng)關(guān)的無線廣域連接的帶寬，μ為帶寬利用率。業(yè)務(wù)負(fù)載測量周期性進(jìn)行，測量的間隔時(shí)間越短，越能夠及時(shí)地反映連接的可用帶寬，但是計(jì)算開銷越大，使得允許控制過于保守，帶寬利用率較低；而測量周期過大可能會(huì)接納過多的連接請求，造成連接擁塞，使得業(yè)務(wù)的服務(wù)性能降低。因此，應(yīng)合理選擇測量周期和μ值。如果連接請求被接納，那么網(wǎng)關(guān)將對其進(jìn)行服務(wù)，直到服務(wù)完成或由于網(wǎng)關(guān)、主機(jī)的移動(dòng)而被迫中止。在后一種情況下，業(yè)務(wù)流將被拒絕并且移動(dòng)主機(jī)簡單地將其丟棄。

4.4 網(wǎng)關(guān)選擇和允許控制機(jī)制的控制開銷分析

其中，Ta表示通告消息的發(fā)送時(shí)間間隔。假設(shè)無線自組網(wǎng)中的無線鏈路帶寬為B，要求流經(jīng)所有網(wǎng)關(guān)的業(yè)務(wù)流的帶寬之和不能超過網(wǎng)絡(luò)的總帶寬，那么網(wǎng)關(guān)的數(shù)量需滿足。從這個(gè)意義上說，該無線自組網(wǎng)所能承載的最大網(wǎng)關(guān)數(shù)量為：

5 結(jié)束語

應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)要充分發(fā)揮功效，必須綜合各現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和臨時(shí)部署的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，并充分利用各種通信技術(shù)手段，包括無線自組網(wǎng)、蜂窩網(wǎng)絡(luò)、Internet和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等。為此，必須有效解決不同網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)互聯(lián)問題。本文給出了一種適用于應(yīng)急通信場合下異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的設(shè)計(jì)方案和基于連接共享的Internet接入方案，詳細(xì)說明了連接共享接入方案中的網(wǎng)關(guān)選擇和允許控制機(jī)制，并分析了控制消息開銷。通過異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，大大拓展了應(yīng)急通信的覆蓋范圍，并顯著增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的可生存性，從而能夠更好地為不同用戶群體提供各自所需的應(yīng)急服務(wù)。此外，基于連接共享機(jī)制，無線自組網(wǎng)內(nèi)的移動(dòng)主機(jī)可以借助少量充當(dāng)臨時(shí)網(wǎng)關(guān)的雙宿主機(jī)訪問Internet，然后通過信息共享機(jī)制快捷地獲取所需的信息，非常有助于應(yīng)急行動(dòng)的實(shí)施。今后，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)機(jī)制還需要進(jìn)一步解決包括業(yè)務(wù)優(yōu)先級控制、系統(tǒng)安全、消耗和協(xié)議開銷等一系列問題。

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