无线自组织网络在应急通信的应用
（郭彦男 2111604165）
摘要
无线局域网技术正在以惊人速度覆盖我们生活的各个领域，但由于技术的局限性和较高的配置成本，现有的无线网技术并不适用于当前的市场。随着技术的提高，自组织网络在局域网技术的基础上进行飞速的发展，并在应急通信领域取得了巨大的突破。
关键字：路由技术；自组织网络；应急通信
一．绪论
1.无线自组织网络的起源
无线自组织网络的研究起源于美国军方 DARPA 计划中
MANET(MobileAd-hoc Network，移动自组织网络)的研究，应用于海湾战争的作战通信指挥系统。08年我国的863计划和自然科学基金等也开始针对该技术进行了研究。在《863计划信息技术领域2008年度专题课题申请指南》中设置“智能感知与先进计算技术”、“自组织网络与通信技术”、“虚拟现实技术”和“信息安全技术”四个专题。国内外许多知名公司都对无线自组织网络技术展开研究，部分阶段性研究成果已形成产品用于建设商用网络。目前已经商用的无线自组织网络产品基本上都是基于Wi Fi，称之为Wi Fi-Mesh。纽约、巴黎等国际性大都市都已经采用或计划采用基于Wi Fi的无线自组织网络技术来建设城域无线自组织网络，用于无线宽带接入、小区覆盖及建设平安城市。
2.无线自组织网络的发展历史
在无线自组织网络技术发展过程中，出现了三个阶段代表性的体系。
1）第一阶段的典型代表是基于交换技术的无线自组织网络。采用交换技术的无线自组织网络产品是一个无线交换机和AP 的结合，它本身没有路由功能，必须有一个根节点来进行数据交换。这一阶段的产品主要特征是适合小规模组网、连接多个热点。
2）第二阶段的典型代表是基于路由技术的无线自组织网络。具有路由功能的无线自组织网络真正体现了网状路由的特性。每个无线网络中的路由器不仅为覆盖区内连接的用户提供网络接入，同时作为该网络的基本设施将数据通过无线自组织网络路由到目的地。但由于使用的是来自于有线网络被广泛应用的3 层路由技术，并不完全适用于无线网络，无线自组织网络的真正潜力没有发挥出来。
3）第三代无线自组织网络产品，采用多种技术，在无线性能（传输距离、移动速率、抗干扰、穿透等）方面具有大幅增强，能够适应于更多更复杂的应用场景。第三代自组织网络具备灵活性高和容错能力强的特点。它简化了视距通信问题并以最少量的网络基础设施和互联成本大大扩展了网络的覆盖范围。相对于现有的有线系统，无线系统在信号质量、覆盖程度、传输距离、通讯安全、服务质量等方面遭遇了更为苛刻的挑战。如何克服这些瓶颈一直是无线自组织网络领域的核心问题。此外，如何与Wi MAX、Zigbee 等其他新技术进行融合也是当前
无线自组织网络的重要研究课题。
二．无线自组织网络的构成与结构类型 1.无线自组织网络的构成
无线自组织网络有两类节点构成：Mesh 路由器和 Mesh 客户端。 1）Mesh 路由器
路由器之间通过无线链路形成多跳自组织网络，构成骨干网络，并和有线的 internet网络连接，负责为 Mesh 客户端提供多跳的无线网络连接。
2）Mesh 客户端
Mesh客户端接入网络的方式有：1）直接连接 mesh 路由器接入 mesh 网络，2）通过其它 mesh 客户端接入 mesh 网络。采用无线自组织网络作为接入网络时，多个 Mesh 客户端通过相互的无线链路形成网络，并可以无线多跳的方式与因特网相连。
这种 MP2MP 的结构，使得无线自组织网络具有以下优点：
[1]自组织：各个节点通过无线互相连接，形成单跳或多跳连接，网络自动完成；
[2]自调节：业务传输可以通过多条通信路径中的最佳(例如最短路径、最少干扰，速率最快等)路径进行传输；
[3]自愈合：网络中的业务可以选择绕开鼓掌的节点或链路，从而保障业务传输的可靠性；
[4]可扩展性：自组织的特性可以方便的进行添加或删除网络节点，使得网络覆盖范围可以随时调节。 2.无线自组织网络的结构类型
1）对等式无线自组织网络（对等式 WMN） 这种结构仅由 mesh 客户机组成。对等式网络的形成主要是由多个 mesh 客户机通过无线链路形成的，其中每个 mesh 客户机均包含相同的路由、管理和安全协议，同时也具有转发业务功能，如图所示：
2）架构/骨干式无线自组织网络（Infrastructure/backbone WMN）
在这种结构中，网络中的路由和转发功能全部是通过形成网状互联的 mesh路由器和 mesh 网关完成，而 mesh 客户机主要任务是通过 mesh 路由器接入
WMN，并提供终端应用，如图所示。Mesh 网络中有一台或多台和以太网连接的 mesh路由器，通过这个 mesh 网络，其他的无线用户（如电脑、手机等）可以通过接入各自的 mesh 节点连接到以太网。
3）混合式 WMN（Hybrid WMN）
这种结构是架构式 WMN 和对等式 WMN 的结合，mesh 客户机可以直接接入 mesh骨干网或通过其它 mesh 客户接入网络，如图 1-4 所示。在这种结构中，mesh 主干可以与其它网络（如以太网等）的连接，而 mesh 客户机增加了路由和转发功能。
三．无线自组织网络与传统网络的拓扑结构对比与对比 1.拓扑结构对比
1）传统无线接入网的拓扑结构：主要是点到点(P2P)或点到多点(P2MP)，如蜂窝网属于 P2MP 的拓扑结构，无线局域网(WLAN)的拓扑结构有有中心和自组织两种结构，分别属于 P2MP 和 P2P 类型。如图所示：
2）无线自组织网络的拓扑结构是网状的，也被称为多点到多点(MP2MP)。如图所示：
这种网络结构，使无线自组织网络能更好地解决传统无线接入网络中的一些问题。蜂窝网主要提供语音业务，也附带提供多媒体业务，但是其提供的速率比较低，而且其要求覆盖范围也比较大，造成构建和维护的成本较高。WLAN 的出现主要是为了能提供较高的通信速率，以适于多媒体数据接入业务。在无线局域网中，由于每个接入点的覆盖范围有限，为了能够扩大覆盖范围，需要布置多个接入点，从而使得建设和维护成本较高；而对于自组织网络，由于网络结构特性，每个节点都能进行路由和转发，覆盖范围很大，建设成本也较低。
2.无线自组织网络与传统网络的技术特点对比
与其他的传统无线通信网络相比，无线自组织网络有以下显著特点。 1）无中心和自组织
蜂窝网的节点之间有主从之分，每个节点只与它直接有主从关系的节点联
系，一旦主节点故障将导致其所有从节点无法正常工作。而无线自组织网络 中没有绝对的控制中心，所有节点的地位平等，只要在无线发射功率及可及 范围之内的节点都可以直接通信，网络中的节点通过分布式算法来协调彼此 的行为，无需人工干预和任何其它预置的网络设施，可以在任何时刻任何地 方快速展开并自动组网。由于网络的分布式特征、节点的冗余性和不存在单 点故障点，使得网络的健壮性和抗毁性很好。 2）自动适应动态变化的网络拓扑
无线自组织网络中，设备终端能够以任意速度和任意方式在网中移动，并可 以随时关闭设备，只要在无线发射功率可及范围内的节点都可以直接通信， 一个节点的故障只会影响到与它相关的无线链路，其它链路可以照常通信。 无线发送装置的天线类型多种多样、发送功率的变化、无线信道间的互相干 扰、地形和天气等综合因素的影响，设备终端间通过无线信道形成的网络拓 扑随时可能发生变化，而且变化的方式和速度都难以预测，路由协议必须能 够管理这种快速变化，使任一时刻任意两点之间通信能够找到最佳路径。 3）多跳路由
由于节点发射功率的限制，从而导致节点的无线覆盖范围有限。在传统的无 线网络中，只能在相邻节点间通信，但无线自组织网络节点要与其覆盖范围 之外的节点进行通信时，可以通过中间节点的转发。此外，无线自组织网络 中的多跳路由是由普通节点协作完成的，而不是由专用的路由设备（如路由 器）完成的。借助多跳功能，无线自组织网络可以把 Wi Fi 的单点覆盖扩充 到区域覆盖，大大提高其应用范围。 4）受限的无线传输带宽
无线自组织网络采用无线传输技术作为底层通信手段，由于无线信道本身的 物理特性，它所能提供的网络带宽相对有线信道要低得多。此外，考虑到竞 争共享无线信道产生的冲突、信号衰减、噪音和信道之间干扰等多种因素， 移动终端得到的实际带宽远远小于理论上的最大带宽。
四．无线自组织网络在应急通信中的应用 1.应急通信系统的介绍与特点
应急通信突出体现在“应急”二个字上，在面对公共安全、救助自然灾害及 重要国事活动发生的时候，公众通信网络处于瘫痪或中断状态，造成应急响应能力下降，这时急需现场能够提供及时的通信保障，应急通信系统正是应用于此。当今社会的公共安全已成为国家的重要安全战略，近年来，在世界各地，日益增 多的的大型集会和突发的灾害或事故不仅考验政府的应急响应能力，同时也考验 了通信网络的应急通信保障能力。现如今，我国对建立应急通信网络体系的重视 程度大大提高，国家已经把建立应急通信网络体系作为事关国家安危的重要课题 来抓，因此，加强对应急通信的研究具有重要的现实意义。
应急通信的特点有以下四点：
（1）需要应急通信的时间和地点具有不确定性。
（2）通信网络本身受紧急事件破坏的程度具有不确定性。 （3）应急通信的容量需求也是不均衡及不可预测的。 （4）对通信能力的需求也是不确定的。 2.基于无线自组织网络的应急通信系统
无线自组织网络应急通信系统通常由应急指挥多媒体平台软件、无线自组织