王巍，趙文紅

（1. 通信信息控制和安全技術(shù)重點實驗室，浙江 嘉興 314033；2. 江南通信技術(shù)研究所，浙江 嘉興 314033）

1 引言

應(yīng)急通信指在出現(xiàn)自然的或人為的突發(fā)性緊急情況時，同時包括重要節(jié)假日、重要會議等通信需求驟增時，綜合利用各種通信資源，保障救援、緊急救助和必要通信所需的通信手段和方法，是一種具有暫時性的、為應(yīng)對自然或人為緊急情況而提供的特殊通信機制。應(yīng)急通信突出體現(xiàn)在“應(yīng)急”二字上，在面對公共安全、緊急事件處理、大型集會活動、救助自然災(zāi)害、抵御敵對勢力攻擊、預(yù)防恐怖襲擊和眾多突發(fā)情況的應(yīng)急反應(yīng)，均可以納入應(yīng)急通信的范疇。

在國際上，許多國家非常重視應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的研究和開發(fā)工作，特別是歐美發(fā)達國家和亞洲的日本。美國從20世紀70年代開始建設(shè)應(yīng)急通信網(wǎng)，并利用自由空間光通信（FSO, free space optics）、WiMAX和Wi-Fi等技術(shù)來提高應(yīng)急通信保障能力，目的是為了滿足美國政府對于緊急事件的指揮調(diào)度需求[1]。日本已建立起較為完善的防災(zāi)通信網(wǎng)絡(luò)體系，如中央防災(zāi)無線網(wǎng)、防災(zāi)互聯(lián)通信網(wǎng)等。此外，國際上許多標準化組織（例如ITU-R、ITU-T、ETSI和IETF等）也在積極推進應(yīng)急通信標準的研究。ITU-R主要從預(yù)警和減災(zāi)的角度對應(yīng)急通信展開研究，包括利用固定衛(wèi)星、無線電廣播、移動定位等向公眾提供應(yīng)急業(yè)務(wù)、預(yù)警信息和減災(zāi)服務(wù)；ITU-T從開展國際緊急呼叫以及增強網(wǎng)絡(luò)支持能力等方面進行研究，主要包括緊急通信業(yè)務(wù)（ETS,emergency telecommunications service）和減災(zāi)通信業(yè)務(wù)（TDR, telecommunication for disaster relief）2大領(lǐng)域；ETSI主要關(guān)注緊急情況下組織之間以及組織和個人之間的通信需求；IETF對應(yīng)急通信的研究涵蓋通信服務(wù)需求、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議等多個方面。

近年來，我國應(yīng)急通信研究重點圍繞公眾通信網(wǎng)支持應(yīng)急通信來展開，對于現(xiàn)有的固定和移動通信網(wǎng)，主要研究公眾到政府、政府到公眾的應(yīng)急通信業(yè)務(wù)要求和網(wǎng)絡(luò)能力要求，包括定位、就近接入、電力供應(yīng)、基站協(xié)同、消息源標志等，除此之外研究在互聯(lián)網(wǎng)上支持緊急呼叫，包括用戶終端位置上報、用戶終端位置獲取、路由尋址等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。雖然我國的應(yīng)急通信保障體系建設(shè)有了很大發(fā)展，但是依然存在技術(shù)體制落后、資金投入不足等問題，與應(yīng)急通信的實際要求還有較大差距。此外，應(yīng)急通信保障的研究工作大都沒有充分關(guān)注和利用無線自組網(wǎng)技術(shù)，也沒有考慮融合多種通信技術(shù)手段來提供全方位、可靠的應(yīng)急通信保障，而是過多強調(diào)發(fā)展集群通信、短波無線通信和衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

現(xiàn)有應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)方面的研究主要關(guān)注于專項組網(wǎng)技術(shù)方面。如文獻[2]介紹了基于策略的接納控制技術(shù)，并在該技術(shù)的基礎(chǔ)上分析了利用資源預(yù)留協(xié)議的策略控制信息提高高優(yōu)先級業(yè)務(wù)接納率的方法。文獻[3,4]從系統(tǒng)角度對應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)進行研究，但沒有對其拓撲模型進行分析。而現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)拓撲方面的研究[5～13]主要集中在Internet網(wǎng)絡(luò)拓撲建模、控制、分割、與發(fā)現(xiàn)方面，沒有針對應(yīng)急通信的特點對網(wǎng)絡(luò)拓撲模型本身進行分析。本文通過分析應(yīng)急通信網(wǎng)的特點，從拓撲建模入手，研究應(yīng)急通信網(wǎng)的容量和拓撲特性，以求為應(yīng)急通信網(wǎng)的研究提供一些參考依據(jù)。

2 應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)拓撲模型

一般來說，應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)主要包括高空平臺、地面接入系統(tǒng)、用戶終端3部分。對應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)進行建模時，本文將這3個部分分別對應(yīng)于骨干節(jié)點組成的骨干網(wǎng)絡(luò)、接入節(jié)點組成的接入網(wǎng)絡(luò)和終端節(jié)點組成的終端網(wǎng)絡(luò)。同時，由于無線自組網(wǎng)具有網(wǎng)絡(luò)自組織和協(xié)同合作特征，非常適合組建應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)來協(xié)調(diào)各類人員展開救援行動和應(yīng)對突發(fā)事件，所以本文主要考慮以無線自組網(wǎng)的典型實例：ad hoc網(wǎng)絡(luò)和Mesh網(wǎng)絡(luò)進行應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的模型構(gòu)建，以加強應(yīng)急突發(fā)場合下的通信保障能力。

應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)模型中，骨干節(jié)點主要進行網(wǎng)絡(luò)信息中繼和路由；接入節(jié)點主要為終端節(jié)點提供接入服務(wù)，同時也提供路由功能；終端節(jié)點主要進行網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的接收和發(fā)送。考慮到應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)建立時的突發(fā)性，網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點往往沒有遠距離通信能力，只有骨干節(jié)點和接入節(jié)點可以進行遠距離通信，所以本文提出的網(wǎng)絡(luò)模型中終端節(jié)點功能受限，具體包括：其中終端節(jié)點一般直接通過接入節(jié)點共享網(wǎng)絡(luò)資源，若終端節(jié)點無法直接連接到接入節(jié)點，則通過本地接入節(jié)點下的其他終端節(jié)點接入網(wǎng)絡(luò)；終端節(jié)點只能通過本地接入節(jié)點和其他接入節(jié)點下的終端節(jié)點進行通信，而不能直接連接骨干節(jié)點訪問網(wǎng)絡(luò)。此外，由于骨干節(jié)點往往還承載著其他區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，不能將應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的主要流量全部置于骨干節(jié)點，而應(yīng)該由接入節(jié)點盡量承載網(wǎng)絡(luò)流量。

本文提出的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建過程分為4個部分，分別是初始化、生成骨干節(jié)點、生成接入節(jié)點、生成終端節(jié)點。在模型構(gòu)建過程中，主要考慮了節(jié)點位置、節(jié)點通信距離、節(jié)點連接關(guān)系等因素。具體過程如表1所示。

表1 應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建過程

圖1給出了一個應(yīng)急通信網(wǎng)拓撲模型的實例，其中五角星節(jié)點為骨干節(jié)點，圓形節(jié)點為接入節(jié)點，方形節(jié)點為終端節(jié)點，骨干節(jié)點與終端節(jié)點通過接入節(jié)點相連。骨干節(jié)點和接入節(jié)點組成Mesh網(wǎng)絡(luò)，提供路由和接入功能；終端節(jié)點或者通過接入節(jié)點直接接入到Mesh網(wǎng)絡(luò)，或者通過與其他終端節(jié)點組成ad hoc網(wǎng)絡(luò)后通過其他終端節(jié)點的中繼功能接入到Mesh網(wǎng)絡(luò)。

圖2～圖4分別給出了骨干節(jié)點、接入節(jié)點和終端節(jié)點的生成過程。在節(jié)點的生成過程中，主要考慮了網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、節(jié)點通信半徑、節(jié)點數(shù)量等參數(shù)，最后給出了3種節(jié)點的地理位置和連接矩陣。在應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)生成模型中，節(jié)點生成過程遵循網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍逐步擴張、骨干→接入→終端逐級建立的原則，可以滿足大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)建模的需求。

圖1 應(yīng)急通信網(wǎng)拓撲模型實例

圖2 骨干節(jié)點生成過程

圖3 接入節(jié)點生成過程

圖4 終端節(jié)點生成過程

3 模型容量分析

在應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點以自組織的方式進行互相通信，節(jié)點間的通信經(jīng)常受到動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓撲變化的影響。同時由于無線信道本身的物理特性，它所能提供的網(wǎng)絡(luò)帶寬相對有線信道要低很多。此外，考慮到競爭共享信道產(chǎn)生的碰撞、信號衰減、干擾等因素，節(jié)點可能獲得的帶寬將遠小于理論最大值。

假定骨干網(wǎng)絡(luò)、接入網(wǎng)絡(luò)、終端網(wǎng)絡(luò)中的各自節(jié)點的地位平等且無線傳輸范圍相同。

如下列條件滿足，則認為來自節(jié)點xi的數(shù)據(jù)被節(jié)點xj成功接收。

1) 節(jié)點xj在節(jié)點xi的傳輸范圍之內(nèi)，即|xi-xj|＜=r，其中r為傳輸半徑；

2) 在同一信道上同時傳輸?shù)钠渌?jié)點xk滿足|xk-xj|＞=(1+Δ)|xi-xj|

上述條件為接收點提供了一個有效區(qū)域。在有效區(qū)域內(nèi)，臨近節(jié)點產(chǎn)生的同信道干擾被限制。有效區(qū)域的半徑是發(fā)送者和接收者距離的(1+Δ)倍。Δ是同信道復(fù)用時無干擾傳輸所需要的空間傳輸范圍的保護冗余量，它和節(jié)點數(shù)量、傳輸損耗、節(jié)點的發(fā)射功率等特性密切相關(guān)。

假設(shè)源節(jié)點的發(fā)射功率、信道損耗和天線增益相同，且應(yīng)急通信網(wǎng)的總信道W分為M個子信道，滿足

根據(jù)文獻[14]分析可知。

1) 若應(yīng)急通信網(wǎng)中各節(jié)點的位置固定，則網(wǎng)絡(luò)傳輸容量上界可以表示為

其中，nb為骨干節(jié)點數(shù)量，na為接入節(jié)點數(shù)量，ns為終端節(jié)點數(shù)量，rb為骨干節(jié)點傳輸半徑，ra為接入節(jié)點傳輸半徑，rs為終端節(jié)點傳輸半徑。

2) 若應(yīng)急通信網(wǎng)中各節(jié)點的位置隨機，則網(wǎng)絡(luò)傳輸容量上界可以表示為

4 模型拓撲特性的實驗分析

在對應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)模型進行特性分析時，我們通過多次實驗從最短路徑、節(jié)點度、富人俱樂部特性、介數(shù)、流中心性、偏心度、緊密活性等幾方面開展研究工作。實驗參數(shù)包括：骨干節(jié)點數(shù)量numBNode為10，接入節(jié)點數(shù)量numANode為60，終端節(jié)點numSNode為200，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍scaleX為100，scaleY為100，骨干節(jié)點通信半徑radiusBN為25，接入節(jié)點通信半徑radiusAN為15，終端節(jié)點radiusSN通信半徑為5，實驗共進行了1 000次。

1) 最短路徑分析

最短路徑的分布和平均值取決于網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，但并不隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加而急劇增大，這些統(tǒng)計量可以度量網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸效率和代價。從圖5中可以看出，本文提出的應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)拓撲模型中大部分最短路徑的長度為2～7之間。

圖5 最短路徑的分布

2) 節(jié)點度分析

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的度反映了節(jié)點和其他節(jié)點的連接緊密程度。本文主要從度分布、相稱性（assortativity）、度中心性、度連通性幾個方面進行分析。從圖6中可以看出，本文建立的應(yīng)急通信網(wǎng)模型中，大部分節(jié)點的度都在5以下，保證了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不會同時與多個鄰居節(jié)點進行通信，避免了網(wǎng)絡(luò)通信信號的相互干擾，可以保證網(wǎng)絡(luò)的整體吞吐量；度中心性被定義為一個節(jié)點的邊數(shù)。圖7給出了網(wǎng)絡(luò)模型的度中心性分析結(jié)果。從圖7中可以看出，骨干節(jié)點和接入節(jié)點的度中心性較大，而終端節(jié)點較小，同時骨干節(jié)點和接入節(jié)點的度中心性隨著網(wǎng)絡(luò)建立的過程逐步降低。

平均度連通性是指具有某個度數(shù)的節(jié)點的最近鄰居節(jié)點的度數(shù)的平均值，其值反映了網(wǎng)絡(luò)中具有哪些度數(shù)的節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)連通性貢獻較大。圖8給出了網(wǎng)絡(luò)模型的節(jié)點度連通性分析結(jié)果。從圖8中可以看出，節(jié)點度連通性最大的節(jié)點集中于度為10～30的節(jié)點，這一結(jié)果與下文富人俱樂部特性分析結(jié)果相符合，此外度為1的節(jié)點度連通性較大是因為節(jié)點較多的原因。

圖6 節(jié)點度分布分析

圖7 度中心性分析

圖8 平均度連通性分析

3) 富人俱樂部特性分析

富節(jié)點指網(wǎng)絡(luò)中具有大量的邊的少量節(jié)點，他們傾向于彼此間相互連接。網(wǎng)絡(luò)中用富人俱樂部刻畫這種特性，它表示的是網(wǎng)絡(luò)中前幾個度最大的節(jié)點間實際存在的邊數(shù)與這幾個節(jié)點間總的可能存在的邊數(shù)的比值。圖9給出了網(wǎng)絡(luò)模型的富人俱樂部特性分析結(jié)果。從圖9中可以看出，度為1～35的節(jié)點更傾向于彼此間相互連接，其中又以度為20～25的節(jié)點為最。

圖9 富人俱樂部特性分析

4) 介數(shù)分析

節(jié)點的介數(shù)衡量了網(wǎng)絡(luò)中通過該節(jié)點的最短路徑的數(shù)量，可以在很大程度上反映節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的重要程度。圖10給出了網(wǎng)絡(luò)模型的介數(shù)分析結(jié)果。從圖10中可以看出，骨干節(jié)點的介數(shù)最大，其次是接入節(jié)點，而終端節(jié)點的介數(shù)最小，這一實驗結(jié)果符合實際網(wǎng)絡(luò)的真實情況。

圖10 介數(shù)分析

5) 流中心性分析

節(jié)點的流介數(shù)是指通過節(jié)點的流量占所有節(jié)點間流量的百分比，圖11給出了網(wǎng)絡(luò)模型的流介數(shù)分析結(jié)果。從圖11中可以看出，骨干節(jié)點的流介數(shù)最大，其次是接入節(jié)點，而終端節(jié)點的流介數(shù)最小，這一實驗結(jié)果和節(jié)點的介數(shù)分析結(jié)果類似，但與之不同的是骨干節(jié)點和接入節(jié)點的流介數(shù)差別不是很大，這是因為網(wǎng)絡(luò)中的流量更集中于接入節(jié)點，而不是骨干節(jié)點。

緊密中心性(closeness centrality)是中心性的一種復(fù)雜度量，它被定義為結(jié)點到其它可達結(jié)點的平均測地距離（比如最短路徑），在網(wǎng)絡(luò)分析中，緊密度傾向于表示最小路徑長度，因為這樣會對更多的中心結(jié)點賦予更高的值，而且它通常與其它度量（如，度）相聯(lián)系。流緊密中心性（也稱為信息中心性information centrality）將兩點間的距離定義為兩節(jié)點間的流量差，擴展了緊密中心性，在最短路徑的基礎(chǔ)上考慮了節(jié)點信息流量對節(jié)點重要性的影響因素。從圖12中可以看出，骨干節(jié)點和接入節(jié)點的流緊密中心性類似，而終端節(jié)點的流緊密中心性較小，這一實驗結(jié)果說明網(wǎng)絡(luò)流量更集中的接入節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)的影響也是很大的，其影響力度甚至可以和骨干節(jié)點相當。

圖11 流介數(shù)分析

圖12 流緊密中心性分析

6) 偏心度分析

每個節(jié)點的偏心度是它到其他節(jié)點距離中的最大值。平均偏心度（average eccentricity）就是指所有節(jié)點偏心度的平均值，反映了圖的直徑。圖13給出了平均偏心度的分析結(jié)果，從圖13中可以看出骨干節(jié)點和接入節(jié)點的偏心度較小，這是因為網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建過程是先建立骨干節(jié)點和接入節(jié)點，后建立終端節(jié)點；且隨著各種節(jié)點越來越多，節(jié)點的偏心度也越來越大。

圖13 平均偏心度分析

7) 緊密活性分析

令網(wǎng)絡(luò)中2個節(jié)點之間的距離表示節(jié)點間發(fā)送信息的代價，緊密活性（closeness vitality）表明了若某個節(jié)點離開網(wǎng)絡(luò)后所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間通信代價提高的程度。圖14給出了1 000次實驗中網(wǎng)絡(luò)的平均緊密活性變化情況。從圖14中可以看到接入節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)的緊密活性影響最大，而骨干節(jié)點影響較小，這說明網(wǎng)絡(luò)流量將主要通過接入節(jié)點和終端節(jié)點，保證了少數(shù)骨干節(jié)點不會因為流量太大而中斷服務(wù)。

圖14 平均緊密活性分析

5 結(jié)束語

在突如其來的大型自然災(zāi)害和公共突發(fā)事件面前，常規(guī)的通信手段往往無法滿足通信需求。應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)正是為應(yīng)對自然或人為緊急情況而提供的特殊通信機制，在公眾通信網(wǎng)設(shè)施遭受破壞、性能降低、話務(wù)量突增的情況下，采用非常規(guī)的、多種通信手段組合的方式來恢復(fù)通信能力。本文從拓撲模型建立、容量分析、拓撲分析等幾方面開展應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)模型研究。在模型建立方面，主要考慮了骨干節(jié)點、接入節(jié)點和終端節(jié)點在應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中的不同之處，并進行分別建模；在容量分析方面，分別給出了固定節(jié)點和隨機節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)容量上限；在拓撲分析方面，主要從最短路徑、節(jié)點度、富人俱樂部特性、介數(shù)、流中心性、偏心度、緊密活性等拓撲特性入手，通過多次實驗進行應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)特性研究。容量分析和拓撲分析的結(jié)果表明，本文提出的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)模型建立方法具有較高的容量和符合實際應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)特性的特點，對建立真實應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)有一定的參考價值。

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