王海濤，宋麗華，李建州，鄧加新

（1.解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院 南京 210007；2.解放軍理工大學(xué)指揮自動化學(xué)院 南京 210007）

1 引言

當發(fā)生戰(zhàn)爭、大型自然災(zāi)害或突發(fā)公共事件時，在突發(fā)公共事件發(fā)生區(qū)域，現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施很可能遭到破壞，即使存在少量可用的通信基礎(chǔ)設(shè)施，由于天氣、地形等因素的影響和短時間激增的通信量，往往無法滿足應(yīng)急通信時間突發(fā)性、地點不確定性、業(yè)務(wù)緊急性和信息多樣性的特殊需求[1,2]。無線自組網(wǎng)（wireless self-organizing network）是近年來得到廣泛關(guān)注和研究的一種特殊的移動通信網(wǎng)絡(luò)，具有自組織、自愈合、無中心、多跳路由等特點，無需依賴預(yù)先架設(shè)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施就可以快速自動組網(wǎng)，特別適合應(yīng)急通信這類突發(fā)、臨時性通信場合。為此，可以在突發(fā)事件發(fā)生后在事發(fā)現(xiàn)場利用無線自組網(wǎng)技術(shù)快速部署自組織、自配置的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，為復(fù)雜多樣的應(yīng)急環(huán)境下各類用戶群體提供快速、可靠、健壯的通信服務(wù)保障[3]。

在無線自組網(wǎng)中需要多個節(jié)點之間協(xié)作來維護網(wǎng)絡(luò)連接和提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，現(xiàn)有的研究工作大都假設(shè)無線自組網(wǎng)是連通的，也就是假定任何兩個節(jié)點之間在任何時候都存在端到端路徑。但是在實際的應(yīng)用場景中，特別是在大規(guī)模自然災(zāi)害（如地震和洪災(zāi)）發(fā)生后臨時部署的無線自組應(yīng)急通信網(wǎng)中，由于災(zāi)害事件發(fā)生突然且波及區(qū)域較大，難以在短時間內(nèi)部署足夠數(shù)量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，加之普通用戶終端的通信范圍很有限，使得構(gòu)建的無線自組網(wǎng)是一種節(jié)點稀疏分布（密度較低）的難以保持網(wǎng)絡(luò)全連通的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，在這種網(wǎng)絡(luò)中常會出現(xiàn)較長時間的網(wǎng)絡(luò)分割現(xiàn)象（即存在多個不能互相連通的子網(wǎng)），甚至整個網(wǎng)絡(luò)也不能滿足區(qū)域覆蓋要求，從而不能保證數(shù)據(jù)在全網(wǎng)內(nèi)的可靠投遞，即使能夠投遞到目的節(jié)點，往往也具有較低的數(shù)據(jù)投遞率和較大的時延。雖然通過增加節(jié)點密度或發(fā)送功率的方法可以消除網(wǎng)絡(luò)分割，但是前者會大大增加網(wǎng)絡(luò)部署成本，而后者則會過快消耗稀缺的節(jié)點能量，進而降低網(wǎng)絡(luò)壽命。為此，迫切需要一種有效的網(wǎng)絡(luò)組織和數(shù)據(jù)投遞機制來增強數(shù)據(jù)投遞的可靠性，提高數(shù)據(jù)投遞率和降低投遞時延，進而改善網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)性能?；谶@種考慮，本文設(shè)計了一種基于網(wǎng)絡(luò)分簇和信息擺渡的無線自組應(yīng)急通信網(wǎng)服務(wù)增強機制，能夠提升網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)性能，增強信息投遞的可靠性和時效性。

2 相關(guān)工作簡介

當前研究成果表明，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)可以采用平面式和分級式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[4]。平面式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中所有節(jié)點的功能和地位平等，存在控制開銷大、路由經(jīng)常出現(xiàn)中斷等缺點，主要適用于中小型網(wǎng)絡(luò)。分級式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)被劃分成簇，每個簇由一個簇頭和多個普通節(jié)點組成，如圖1所示。簇頭間的通信需要借助網(wǎng)關(guān)節(jié)點完成，簇頭和網(wǎng)關(guān)形成了虛擬骨干網(wǎng)。分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可擴充性好，路由和控制開銷較小，適用于規(guī)模較大的網(wǎng)絡(luò)。采用分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)還可以采用類似于蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的資源分配方法，在簇內(nèi)，簇頭可以控制節(jié)點的業(yè)務(wù)接入請求并合理分配帶寬[5]。此外，在分簇結(jié)構(gòu)中，簇內(nèi)可以采用先驗式路由算法，而簇間使用反應(yīng)式路由協(xié)議來減少通信和路由開銷。因此通過分簇算法將網(wǎng)絡(luò)劃分成簇，可以在很大程度上提高Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的性能，非常適合于規(guī)模較大的無線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。迄今為止，已經(jīng)提出了大量的分簇算法來構(gòu)建和維護分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。分簇算法的選擇依賴于應(yīng)用的需求、網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境和節(jié)點的特征，各種分簇算法具有不同的優(yōu)化目標，包括最小化簇計算和維護開銷、最小化簇頭、最大化簇穩(wěn)定性和最大化網(wǎng)絡(luò)生存時間等[6]。

除此之外，有些學(xué)者提出利用節(jié)點的移動性來輔助數(shù)據(jù)投遞。例如，無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的DataMule機制使用移動實體，將傳感器感知采集的數(shù)據(jù)快速投遞到接收節(jié)點，但是該機制針對相對靜態(tài)的傳感網(wǎng)絡(luò)并且目的節(jié)點位置固定[7]。時延容忍網(wǎng)絡(luò)（delay tolerant network，DTN）利用消息存儲轉(zhuǎn)發(fā)機制試圖通過犧牲信息傳輸時延來保證信息投遞的可靠性，具體來說，在出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分割時攜帶數(shù)據(jù)的節(jié)點暫時緩存數(shù)據(jù)，并當網(wǎng)絡(luò)合并時將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到其他子網(wǎng)中[8]。這種緩存轉(zhuǎn)發(fā)方式是一種被動式投遞機制，適用于時延容忍型應(yīng)用，卻不適合時延敏感型應(yīng)用。另外，有些研究工作提出采用空中基礎(chǔ)設(shè)施，如低空飛行器或衛(wèi)星來互聯(lián)隔離的地面 MANET（mobile ad hoc network），但是網(wǎng)絡(luò)部署復(fù)雜，成本過高[9]。還有的學(xué)者提出采用數(shù)據(jù)復(fù)制機制來解決稀疏MANET的數(shù)據(jù)投遞問題，如基于洪泛廣播的傳染路由，但是這種方法的網(wǎng)絡(luò)控制開銷較大，可擴展性和能效較低[4]。相比而言，Zhao W等人提出的信息擺渡（message ferrying，MF）機制通過中繼節(jié)點的主動移動提供臨時性網(wǎng)絡(luò)連接，可以提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)性能[10]。但是，現(xiàn)有的MF機制主要是面向DTN考慮擺渡路由的設(shè)計問題，并沒有針對應(yīng)急通信場合提出滿足各類用戶群體通信需求的組網(wǎng)方式和數(shù)據(jù)投遞方法。

3 基于網(wǎng)絡(luò)分簇和信息擺渡的無線自組應(yīng)急通信網(wǎng)設(shè)計

3.1 設(shè)計思想和目標

為了改善無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)投遞的可靠性和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)性能，提出結(jié)合使用分簇算法和信息擺渡機制來解決大規(guī)模應(yīng)急通信場景下的網(wǎng)絡(luò)可擴展性和網(wǎng)絡(luò)連通性問題，通過建立基于簇的分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和基于信息擺渡的主動式移動中繼機制來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蜁r效性。網(wǎng)絡(luò)分簇有利于提高網(wǎng)絡(luò)的可擴展性和支持業(yè)務(wù)QoS保障，信息擺渡將傳統(tǒng)的被動緩存轉(zhuǎn)發(fā)變?yōu)橹鲃佑幸庾R的移動攜帶轉(zhuǎn)發(fā)，可以有效減少能量、控制消息開銷和投遞時延。在分簇網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用信息擺渡機制可以根據(jù)業(yè)務(wù)投遞的需要連通分割的子簇子網(wǎng)，并且分簇子網(wǎng)之間的通信只需借助網(wǎng)關(guān)和擺渡節(jié)點，不僅可以降低擺渡機制實現(xiàn)的復(fù)雜性，還可以進一步提高分簇網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)性能。舉例來說，在大型自然災(zāi)害發(fā)生后的救災(zāi)應(yīng)急通信場合，部署的低空飛行器和地面應(yīng)急通信車輛都可以充當擺渡節(jié)點，在事發(fā)區(qū)域及時地、可靠地收集和投遞應(yīng)急數(shù)據(jù)。借助于擺渡機制，無需大量部署專用移動通信設(shè)備，受災(zāi)群眾和救援人員可以利用普通移動設(shè)備進行通信連通和協(xié)同救援。分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和信息擺渡機制的結(jié)合使得無線自組網(wǎng)在支持應(yīng)急通信上的技術(shù)優(yōu)勢得以有效發(fā)揮，以便使應(yīng)急現(xiàn)場內(nèi)各類人員之間以及應(yīng)急現(xiàn)場到應(yīng)急指揮中心的信息交互可靠及時，在復(fù)雜多樣的應(yīng)急環(huán)境下為不同用戶群體提供有區(qū)分的通信服務(wù)保障。

3.2 網(wǎng)絡(luò)分簇方法

分簇算法的目標是根據(jù)系統(tǒng)要求按照某種規(guī)則將網(wǎng)絡(luò)劃分成可以覆蓋所有節(jié)點的多個簇，并且在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時進行簇結(jié)構(gòu)的更新，以維護網(wǎng)絡(luò)的正常功能。簇的大小應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)性能有較大影響：如果簇過大，簇頭的負擔(dān)較重，并且普通節(jié)點到簇頭的距離過遠會消耗過多能量；如果簇較小，可以相應(yīng)增加信道的空間重用率，提高系統(tǒng)容量，并可以減少節(jié)點的傳輸功耗。但是簇的尺寸過小會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中簇的數(shù)目較多，源目的節(jié)點對之間的路由所經(jīng)過的跳數(shù)較多，從而會增加分組的投遞時延和中轉(zhuǎn)業(yè)務(wù)量。此外，在選擇簇的大小時還應(yīng)考慮簇頭的處理能力、功率損耗和地理環(huán)境等約束條件。分簇形成是指按照某種規(guī)則選舉簇頭并劃分簇的過程，各種分簇算法的不同之處主要體現(xiàn)于此。需要說明的是，如果網(wǎng)絡(luò)由異質(zhì)節(jié)點構(gòu)成，那么簇頭的確定比較容易，可以選擇功能較強、功率較大的節(jié)點作為簇頭，但前提是分簇大都針對同質(zhì)網(wǎng)絡(luò)。分簇連接是指相鄰的簇選擇關(guān)聯(lián)節(jié)點的過程，關(guān)聯(lián)節(jié)點包括網(wǎng)關(guān)節(jié)點和分布式網(wǎng)關(guān)節(jié)點，如圖1所示。

實際上，與傳統(tǒng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)不同，無線自組網(wǎng)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境具有如下顯著特點。

·具有大量的移動速度和處理能力不同的異質(zhì)節(jié)點，包含大量靜態(tài)的監(jiān)視傳感設(shè)備、低移動性的普通用戶通信設(shè)備和專用應(yīng)急通信設(shè)備以及高移動性的應(yīng)急通信車和應(yīng)急救援飛機等通信單元。

·事發(fā)區(qū)域內(nèi)大量的通信單元需要協(xié)調(diào)通信，地面通信單元之間可以采用分簇算法構(gòu)造地面分級網(wǎng)絡(luò)，并可利用空中飛行器提供高效的信息中繼能力，連通隔離的子網(wǎng)和覆蓋孤立的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域。

·多樣的不對稱的信息傳輸。在應(yīng)急通信環(huán)境中，業(yè)務(wù)種類繁多，并且信息的傳輸具有不對稱的特點，現(xiàn)場普通用戶單元和營救單元接收和發(fā)送的信息量往往有很大差別。例如，現(xiàn)場營救單元會向現(xiàn)場指揮中心/后方指揮中心發(fā)送少量監(jiān)測到的數(shù)據(jù)和請求消息，而需要接收大量的信息以獲得現(xiàn)場的環(huán)境信息。

由以上特點不難看出，無線自組應(yīng)急通信網(wǎng)是一種面向應(yīng)急通信服務(wù)的分級異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)。對于這種異構(gòu)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，較好的組網(wǎng)方式是采用分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。簇頭的選擇比較容易，一般由功能較強的骨干節(jié)點充當簇頭節(jié)點（類似可移動的基站），一個簇通常由一個骨干節(jié)點及與其直接通信的用戶節(jié)點組成。這種基于分簇的無線異構(gòu)應(yīng)急自組網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)包括3個層次，如圖2所示。最高層由功率和處理能力很強的一臺（或兩臺，其中一臺備用）應(yīng)急通信車充當臨時性的應(yīng)急現(xiàn)場指揮中心（emergency command center，ECC），ECC應(yīng)該盡快予以部署，其位置相對固定并且可以與后方指揮中心建立雙向通信連接；第二層是由事發(fā)區(qū)域內(nèi)部署的一定數(shù)量的功率和處理能力較強的應(yīng)急通信車充當應(yīng)急救援專用通信節(jié)點（emergency communication node,ECN），這些ECN可以是應(yīng)急通信車或功率較大的通信電臺，并且可以通過單跳或多跳中繼方式與ECC相連；最底層是由大量功率和處理能力較低的用戶終端通信設(shè)備充當普通通信節(jié)點（ordinary communication node,OCN），這些節(jié)點盡可能以附近計算和通信功能相對較強的ECN為簇頭構(gòu)成分簇子網(wǎng)。無線應(yīng)急通信網(wǎng)中ECN和OCN配置的數(shù)量由通信要求、覆蓋區(qū)域、地形、通信設(shè)備的處理能力和傳輸功率及無線信道質(zhì)量等因素確定。OCN的功率和處理能力較弱，充當普通用戶節(jié)點，ECN具有更大的功率和更強的處理能力，充當其覆蓋范圍內(nèi)OCN的簇頭。如果OCN周圍沒有可用的ECN，鄰近的OCN也可以按照某種分簇算法（如AOW算法）自組織地構(gòu)成分簇子網(wǎng)。簇之間的通信借助于簇頭及/或網(wǎng)關(guān)完成。這種異構(gòu)分級應(yīng)急無線網(wǎng)只需考慮到簇一級，而不需考慮簇內(nèi)部的細節(jié)，大大減少了維護和管理開銷。此外，分級網(wǎng)絡(luò)便于定位節(jié)點和檢索信息。ECC收集所有簇的相關(guān)信息并維護整個網(wǎng)絡(luò)的視圖，而ECN只需維護簇內(nèi)的節(jié)點信息和鄰居簇頭的信息。

3.3 信息擺渡機制

由于應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)往往是針對較大的區(qū)域臨時性部署的，考慮到網(wǎng)絡(luò)要求及時快速部署和減低成本的要求，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點密度相對稀疏，往往會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分割現(xiàn)象，即整個網(wǎng)絡(luò)不是全聯(lián)通的，不同的簇之間可能無法互相通信。針對這種情況，采用信息擺渡機制來解決上述問題。具體來說，在應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)中部署一些特殊的移動節(jié)點（稱為擺渡節(jié)點），如專用應(yīng)急通信車或低空飛行器，為整個網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中隔離的分簇子網(wǎng)或節(jié)點提供必要的通信服務(wù)。即使網(wǎng)絡(luò)本身是連通的，借助于主動性的信息擺渡機制也可以增強網(wǎng)絡(luò)的性能。通過這些擺渡節(jié)點的主動、有針對性的移動可以高效及時地傳遞應(yīng)急數(shù)據(jù)，達到共享關(guān)鍵信息和協(xié)調(diào)救援行動的目的。

與被動的伺機信息投遞方式不同，信息擺渡機制采用一種主動式移動消息投遞模式，擺渡節(jié)點類似于主動網(wǎng)絡(luò)中的移動代理，它可以主動更改自身的運動模式（包括移動軌跡和移動速度）以便最小化消息傳輸時延和最大化消息投遞率[11]。具體而言，在大范圍無線自組應(yīng)急通信網(wǎng)中部署適當數(shù)量的擺渡節(jié)點，通過這些擺渡節(jié)點有意識的主動移動、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)來支持常規(guī)節(jié)點（非擺渡節(jié)點）之間高效的有針對性的數(shù)據(jù)投遞。舉例來說，當某個子網(wǎng)中的常規(guī)節(jié)點希望向另一個非連通的子網(wǎng)中的常規(guī)節(jié)點投遞數(shù)據(jù)時，它可以通過其簇頭主動向鄰近的擺渡節(jié)點發(fā)送服務(wù)請求（允許用較大的功率和特殊的頻段），鄰近可用的擺渡節(jié)點接收此請求后，可以按照某種方式快速接近希望發(fā)送緊急數(shù)據(jù)的子網(wǎng)，然后接收其要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)并繼續(xù)移動到目的節(jié)點所在子網(wǎng)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點。一般來說，擺渡節(jié)點的功率和存儲空間相對富裕，可以先驗式地記錄各分簇子網(wǎng)節(jié)點的位置，以便在與這些子網(wǎng)節(jié)點交互時根據(jù)這些位置信息做出合理的有意識的移動。采用網(wǎng)絡(luò)分簇和信息擺渡機制對常規(guī)節(jié)點要求很低，常規(guī)節(jié)點在簇內(nèi)使用常規(guī)MANET路由協(xié)議即可，但是對功能較強的擺渡節(jié)點要求較高，需要同時支持MANET路由協(xié)議和特殊的擺渡路由。信息擺渡機制的兩個關(guān)鍵要素是位置意識和主動移動，擺渡節(jié)點需要隨時了解自身及隔離的需要相互通信的節(jié)點位置，以便確定最優(yōu)的移動路線。擺渡節(jié)點的移動可以是任務(wù)驅(qū)動的或消息驅(qū)動的，前者是指擺渡節(jié)點先驗式按照任務(wù)要求和既定的路線移動，后者是指擺渡節(jié)點根據(jù)收到的請求消息確定移動路線，目的都是及時可靠地在彼此隔離的子網(wǎng)之間投遞信息。

在大規(guī)模分簇應(yīng)急無線自組網(wǎng)中，信息擺渡機制主要用于根據(jù)節(jié)點之間的業(yè)務(wù)需求連通迫切需要通信但相互隔離的分簇子網(wǎng) （或無線干線網(wǎng) （wireless backbone network,WBN））。圖3給出了分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用信息擺渡機制的一種情景，擺渡節(jié)點初始時部署在ECC處。假設(shè)圖3中存在兩個彼此隔離的分簇子網(wǎng)WBN1和WBN2，WBN1中的普通節(jié)點1希望向WBN2中的普通節(jié)點8投遞數(shù)據(jù)。參照圖3，信息擺渡機制的一種可能的工作過程簡述如下。

（1）節(jié)點 1向它的簇頭節(jié)點 H1發(fā)送消息 M，H1通過查詢其所在子網(wǎng)發(fā)現(xiàn)節(jié)點8不在WBN1中。

（2）H1向ECC發(fā)送包含其位置信息的擺渡請求消息R1，ECC收到R1后，如果有可用的擺渡節(jié)點，則將擺渡節(jié)點F1派遣到H1附近；如果沒有可用的擺渡節(jié)點，則告知H1需要等待。

（3）H1將消息M轉(zhuǎn)發(fā)到其通信范圍內(nèi)的F1，F(xiàn)1根據(jù)消息的目的地址確定目的節(jié)點所在的分簇子網(wǎng)WBN2。

（4）F1攜帶消息M主動移動到節(jié)點8的簇頭H2的通信范圍內(nèi)，并將M轉(zhuǎn)發(fā)給H2。

（5）H2將M投遞給節(jié)點8，與此同時完成信息擺渡任務(wù)的F1立即返回ECC處。

信息擺渡機制中可能存在多個發(fā)送節(jié)點在同一時段發(fā)送擺渡請求消息的情況，在這種情況下ECC及擺渡節(jié)點可以根據(jù)帶轉(zhuǎn)發(fā)的每種消息的來源（如指揮員、救援人員和普通用戶）、消息的內(nèi)容（如指揮控制信息、態(tài)勢感知信息和常規(guī)信息）、消息的數(shù)據(jù)類型（視頻、話音、數(shù)據(jù)）和消息的超時時間等來確定消息的轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級，以便為應(yīng)急通信場景下各種用戶（包括待援者、救援者和指揮者）提供支持服務(wù)區(qū)分的通信服務(wù)。具體實施時，信息擺渡機制可以采用的消息優(yōu)先級配置見表1，表中的優(yōu)先級共有12個級別，從高到低分別是1～12。在消息優(yōu)先級相同的情況下，消息的超時時間越短，轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級相對越高。

表1 擺渡節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)消息時遵循的消息優(yōu)先級配置

實際上，為了提高信息投遞的時效性，還可以在網(wǎng)絡(luò)中部署按照既定路線移動的擺渡節(jié)點，并且要求擺渡節(jié)點能夠在一定的時間內(nèi)遍歷整個網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，并事先由應(yīng)急現(xiàn)場指揮中心ECC將其移動路線廣播給全網(wǎng)。擺渡節(jié)點可以在執(zhí)行信息投遞時臨時更改移動路線，但在執(zhí)行完任務(wù)后，立即返回既定的移動路線繼續(xù)遍歷整個網(wǎng)絡(luò)。在任何一種情況下，擺渡節(jié)點都會定期與應(yīng)急現(xiàn)場指揮中心ECC聯(lián)系。因此，擺渡節(jié)點還可以在游走的過程中收集部分孤立的子網(wǎng) （不能與應(yīng)急現(xiàn)場指揮中心ECC及時通信的子網(wǎng)），等待上報給應(yīng)急現(xiàn)場指揮中心ECC的態(tài)勢感知信息或其他應(yīng)急數(shù)據(jù)。也就是說，擺渡節(jié)點可以根據(jù)應(yīng)急通信場景配置初始狀態(tài)：固定部署在應(yīng)急現(xiàn)場指揮中心ECC處或按照既定路線在網(wǎng)絡(luò)中游走，將這兩種情況統(tǒng)稱為默認配置模式。隨后，當收到擺渡服務(wù)請求消息并且經(jīng)過認證確認能夠提供服務(wù)后（考慮擺渡機制的安全性），切換到主動移動轉(zhuǎn)發(fā)模式，移動到等待服務(wù)的節(jié)點附近或子網(wǎng)邊緣，完成信息承載轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，然后再返回到默認配置模式。需要提到的是，在大規(guī)模應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中往往存在多個應(yīng)急救援區(qū)域，此時可以根據(jù)業(yè)務(wù)量需求的變化靈活部署多個擺渡節(jié)點：其中一些擺渡節(jié)點部署在特定的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中按照既定的移動路線游走，負責(zé)所屬區(qū)域內(nèi)的信息投遞任務(wù)；另一些擺渡節(jié)點部署在應(yīng)急現(xiàn)場指揮中心ECC處待命，負責(zé)各網(wǎng)絡(luò)區(qū)域間的信息投遞。此外，不同網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中游走的擺渡節(jié)點還可以在應(yīng)急現(xiàn)場指揮中心ECC的控制下協(xié)作完成數(shù)據(jù)采集和投遞任務(wù)。

4 結(jié)束語

應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)要充分發(fā)揮功效，必須充分利用各種通信技術(shù)手段并綜合運用各種現(xiàn)存的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和臨時部署的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。本文設(shè)計的基于網(wǎng)絡(luò)分簇和信息擺渡的無線自組應(yīng)急通信網(wǎng)服務(wù)增強方案能夠充分發(fā)揮無限自組網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢，體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）強適應(yīng)性

能適應(yīng)各種應(yīng)急突發(fā)場合，包括戰(zhàn)場通信、搶險救災(zāi)、環(huán)境監(jiān)控等，尤其適合區(qū)域覆蓋范圍較廣、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大和節(jié)點密度稀疏的異構(gòu)無線自組應(yīng)急通信網(wǎng)環(huán)境。

（2）高生存性

具有很強的網(wǎng)絡(luò)容錯和容斷能力，能根據(jù)應(yīng)用需要在任何時間任何地點提供網(wǎng)絡(luò)覆蓋和可靠的數(shù)據(jù)投遞服務(wù)，并可延長網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。

（3）可擴展性好

基于分簇的分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和主動信息擺渡機制可以減少擴展網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，并能有效減少網(wǎng)絡(luò)控制開銷。

（4）自配置性

網(wǎng)絡(luò)分簇形成、拓撲結(jié)構(gòu)控制和信息投遞均可由不同角色的節(jié)點自動協(xié)作完成，幾乎無需人工干預(yù)。

網(wǎng)絡(luò)分簇和信息擺渡機制的有機結(jié)合提升了網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)性能，增強了無線自組應(yīng)急通信網(wǎng)的信息服務(wù)能力，減少了信息傳輸時延并提高了信息投遞率，能夠為應(yīng)急場合下各類用戶群體提供有區(qū)分的服務(wù)保障能力，并可以滿足最低限度通信服務(wù)的需求。

1 Chiti F,Fantacci R,Maccari L,et al.A broadband wireless communications system foremergency management.IEEE Wireless Communications,2008,15(3):8～14

2 Ansari N,Chao Zhang,Rojas-Cessa R.Networking for critical conditions.IEEE Wireless Communications,2008,15(2):73～81

3 王海濤，劉濤.無線自組網(wǎng)及其在應(yīng)急通信保障中的應(yīng)用.世界寬帶網(wǎng)絡(luò)，2011（5）：68～71

4 鄭少仁，王海濤，趙志峰等.Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù).北京：人民郵電出版社，2005

5 王海濤，鄭少仁，宋麗華.Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)和分簇算法研究.通信學(xué)報，2002,23(12A)：145～149

6 王海濤.移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的分簇算法及性能比較.北京郵電大學(xué)學(xué)報，2004，27（1）：93～97

7 王雪.無線傳感網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng).北京：機械工業(yè)出版社，2008

8 Jain S,Shah R,Brunette W,et al.Exploiting mobility for energy efficient data collection in wireless sensor networks.Mobile Networks and Applications,2006,11(3):327～339

9 Wang Haitao,Song Lihua.Conceive of integrative emergency communication network for dealing with unexpected events.Proceedings of ICCNT2011,Taiyuan,2011：477～481

10 Zhao W,Ammar M,Zegura E.A message ferrying approach for data delivery in sparse mobile ad hoc networks.Proceedings of the 5th ACM International Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Computing (MobiHoc04),Roppongi,Japan,2004:187～198

11 Zhao W,Ammar M,Zegura E.Controlling the mobility of multiple data transportferriesin a delay-tolerantnetwork.Proceedings of INFOCOM05,Miami,USA,2005:1 407～1 418