無線自組網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)急通信中的研究與應(yīng)用

程德懌，喬健

（上海市信息網(wǎng)絡(luò)有限公司, 上海 200081）

近年來，隨著信息化的不斷發(fā)展，應(yīng)急通信環(huán)境下指揮調(diào)度模式得到普及，但傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)受局部地域網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)影響，數(shù)據(jù)傳輸中斷的問題時有發(fā)生，給開展現(xiàn)場指揮工作帶來極大困難。再加上實(shí)時傳輸音視頻信息的困難，使得指揮中心很難及時對各終端反饋的問題做出相應(yīng)指揮，很可能造成突發(fā)事件處理最佳時期的延誤。針對上述技術(shù)缺陷進(jìn)行完善和優(yōu)化，實(shí)已成為本技術(shù)領(lǐng)域亟待解決的問題

1 應(yīng)急通信的需求

在當(dāng)今復(fù)雜的國際及社會環(huán)境下，公共安全重大突發(fā)事件頻頻出現(xiàn)，其中有國家安全、自然災(zāi)害、重大事故、突發(fā)疫情、環(huán)境污染等，如何快速有效及時有序地實(shí)施各項(xiàng)指揮方案和下達(dá)指令，就顯得尤為重要。由于各類緊急事件的特點(diǎn)是突然發(fā)生，影響范圍巨大，指揮處置中心和各級領(lǐng)導(dǎo)需要第一時間知曉突發(fā)事件現(xiàn)場情況，以實(shí)現(xiàn)快速反應(yīng)和快速處置等措施，對事件行動進(jìn)行全程監(jiān)控并適時發(fā)出新的指令。應(yīng)急通信系統(tǒng)需要將實(shí)時的現(xiàn)場視頻信息快速傳輸?shù)街笓]中樞和領(lǐng)導(dǎo)所在的辦公室、指揮通信車，使得指揮人員猶如親臨現(xiàn)場增加了應(yīng)急情況下的快速反應(yīng)能力、指揮能力和處置能力。為此應(yīng)急通信系統(tǒng)應(yīng)是一套集采集、傳輸、指揮調(diào)度一體化的先進(jìn)全功能性通信平臺。

2 應(yīng)急通信系統(tǒng)改進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)

針對傳統(tǒng)應(yīng)急通信的缺陷，綜合運(yùn)用Ad Hoc無線自組技術(shù)對應(yīng)急通信進(jìn)行優(yōu)化改造，由此實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的目標(biāo)。本文使用Ad Hoc無線自組技術(shù)設(shè)計(jì)了一套具有無線收發(fā)裝置的移動通信網(wǎng)元，使得若干個網(wǎng)元終端可組成一個智能、多跳、移動、對等、分布式去中心化的臨時性自治網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，設(shè)備之間采用動態(tài)網(wǎng)狀連接，無中心節(jié)點(diǎn)，能更有效的分?jǐn)偩W(wǎng)絡(luò)流量，且具有更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性。自組網(wǎng)絡(luò)中的任意終端節(jié)點(diǎn)互相平等，任何一個節(jié)點(diǎn)的離開或消失不會影響整個網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)上層可支持的基本業(yè)務(wù)包括監(jiān)控、定位、數(shù)據(jù)采集，實(shí)時語音視頻傳送。動態(tài)無中心的無線自組網(wǎng)系統(tǒng)無疑是需要快速部署和臨時安裝的應(yīng)急通信中最方便、經(jīng)濟(jì)、有效的組網(wǎng)方式。

3 整體方案設(shè)計(jì)

3.1 應(yīng)急通信無線方案規(guī)劃

由于應(yīng)急通信的特殊需求，在特殊場景下采用方便、靈活且成本較低的無線自組網(wǎng)系統(tǒng)，使得原先幾乎無法使用網(wǎng)絡(luò)資源的環(huán)境可以進(jìn)行實(shí)時音視頻信息網(wǎng)絡(luò)無線傳輸。在一些不便安裝網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的場所，可以通過無線自組網(wǎng)元迅速建立起一個小區(qū)域的無線局域網(wǎng)絡(luò)，通過無線信號進(jìn)行交流，實(shí)現(xiàn)資源共享的目的。無線自組網(wǎng)應(yīng)急通信系統(tǒng)由無線自組網(wǎng)元、自組網(wǎng)鏈路、指揮中心組成，此系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)通信系統(tǒng)架設(shè)的復(fù)雜局面，能快速形成應(yīng)急指揮系統(tǒng)。只要信息采集設(shè)備工作，即可通過任一網(wǎng)元的無線鏈路傳至指揮中心，讓指揮調(diào)度功能不受中心與相對區(qū)域的約束。組網(wǎng)規(guī)劃圖如圖1所示。

3.2 無線自組網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

目前的無線自組網(wǎng)傳輸設(shè)備，僅提供單頻的自組網(wǎng)功能，然而此種單頻自組設(shè)備并不適合于應(yīng)急通信遇到的地點(diǎn)不確定的特性，不同的事件現(xiàn)場可能對于無線頻率的特性要求不一樣，比如在高樓林立的城市需要更好的穿透和繞射性能，在野外可能更需要遠(yuǎn)距離的高質(zhì)量無線傳輸性能，而且在突發(fā)事件現(xiàn)場很有可能遇見各單位設(shè)備之間的頻率干擾問題，這最終可能造成無法為現(xiàn)場提供基礎(chǔ)的信息通道支撐，延誤處理救援的時機(jī)。另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的單頻自組網(wǎng)技術(shù)由于同頻組網(wǎng)的技術(shù)原理，在多跳后帶寬損失嚴(yán)重，無法承載高質(zhì)量遠(yuǎn)距離的視音頻的通信。

圖1 組網(wǎng)規(guī)劃圖

圖2 雙頻無線自組網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

為解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種具有雙頻的無線自組網(wǎng)能力的網(wǎng)元設(shè)備。網(wǎng)元設(shè)備采用LOW-BAND和VHF雙通道設(shè)計(jì)，VHF采用超短波頻率范圍為335～345 MHz，波長較長，具有較強(qiáng)的穿透和繞射性能，近距離單跳可穿透兩棟建筑物，適合于城市建筑物比較密集的場景。HIGH-BAND采用1 428～1 448 MHz頻率范圍，波長較短，手持高度的單跳傳輸距離可達(dá)2 km以上，具有較大的帶寬和遠(yuǎn)距離通視傳輸性能，適合于野外空曠地區(qū)使用。采用獨(dú)特的端口捆綁技術(shù)分別實(shí)現(xiàn)主從模式和均衡模式的雙頻通道捆綁，在主從模式下，當(dāng)主通道無法連接時，系統(tǒng)會自動切換至副通道，根據(jù)使用場景不同，可設(shè)置LOW-BAND或VHF為主通道，另一個為副通道。在均衡模式下，通過端口綁定技術(shù)使得兩個通道同時工作，進(jìn)一步增加節(jié)點(diǎn)間的傳輸速率，并最大限度的滿足各種復(fù)雜地理環(huán)境的需要。雙頻無線自組網(wǎng)傳輸設(shè)備同時采用VHF/LOW-BAND雙通道進(jìn)行通信時，可以同時滿足視距和非視距的傳輸，適合于建筑物內(nèi)部，森林等復(fù)雜現(xiàn)場的使用，并有效解決多跳后帶寬損失嚴(yán)重的問題。通過雙鏈路自組網(wǎng)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)兩個通道的鏈路雙備份，與單頻自組網(wǎng)技術(shù)相比，對復(fù)雜環(huán)境具有更好的適應(yīng)性，同時可提供更大的傳輸帶寬，滿足應(yīng)急通信中各類通信業(yè)務(wù)的現(xiàn)實(shí)需求。

如圖2所示，系統(tǒng)架構(gòu)中包含了若干個雙頻自組網(wǎng)元設(shè)備。設(shè)備之間通過平面距離矢量路由協(xié)議（AODV）形成多點(diǎn)對多點(diǎn)的網(wǎng)狀連接。圖2中各網(wǎng)元設(shè)備處于雙頻通道捆綁主從模式，實(shí)線表示根據(jù)雙鏈路路由協(xié)議計(jì)算得出的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量較好的當(dāng)前主鏈路，虛線表示備用鏈路，在設(shè)備動態(tài)移動過程中，平面距離矢量路由協(xié)議根據(jù)現(xiàn)場不同環(huán)境干擾因素，實(shí)時通過路由算法計(jì)算調(diào)整主備鏈路，使得保持整體網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量最優(yōu)。

3.3 無線自組應(yīng)急通信網(wǎng)元設(shè)計(jì)

下面結(jié)合附圖和實(shí)施案例說明網(wǎng)元設(shè)計(jì)是如何實(shí)現(xiàn)的。

圖3顯示了一種雙頻自組網(wǎng)傳輸設(shè)備的硬件組成。包括電源管理單元、VHF無線通信模塊、LBAND無線通信模塊、LED指示單元、處理器模塊、按鍵輸入、以太網(wǎng)接口。雙頻無線自組網(wǎng)元設(shè)備之間使用無線互聯(lián)取代了傳統(tǒng)的有線連接方式，其無線網(wǎng)絡(luò)工作方式不對應(yīng)用產(chǎn)生影響，以前的上層應(yīng)用均可無縫移植到新的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境內(nèi)并正常工作。本無線自組網(wǎng)元兼容IEEE 802.11無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)應(yīng)用環(huán)境及對帶寬的需要選擇不同的標(biāo)準(zhǔn)滿足適應(yīng)的通信需求，例如在IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)中的不同的無線協(xié)議的示例可包括IEEE 802.11A/B/G/N/AC、IEEE 802.11s。可分別提供11 Mbit/s、54 Mbit/s、150 Mbit/s、400 Mbit/s等不同等級帶寬。

VHF無線通信模塊可以包括300～700 MHz不同頻率，LBAND無線通信模塊可以包括1.4～5.8 GHz不同頻率，兩者都支持Ad Hoc工作模式。VHF和LBAND無線通信模塊采用總線接口與中央處理器連接；兩種不同頻率的無線通信模塊采用MMCX接口，并通過饋線連接外置全向天線。VHF、LBAND無線通信模塊射頻部分可采用功率放大電路，進(jìn)一步擴(kuò)大無線自組網(wǎng)的通信覆蓋距離。傳統(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)無線通信都是一味通過加大功率增加傳輸距離，但是利用自組網(wǎng)技術(shù)需要注意多節(jié)點(diǎn)同頻干擾的問題，自組網(wǎng)優(yōu)勢是通過鄰居節(jié)點(diǎn)多跳中繼，不需要通過增加功率來增加傳輸距離，通過多跳可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，控制功率反而會有更好的效果。功率放大電路中有負(fù)反饋設(shè)計(jì)，可以穩(wěn)定功率輸出，可以通過按鍵輸入單元調(diào)節(jié)功率輸出大小，在無線通信模塊中有同頻干擾檢測電路，當(dāng)多節(jié)點(diǎn)同頻干擾超過設(shè)定值可能影響通信質(zhì)量時會通過LED燈閃爍進(jìn)行提示。當(dāng)信號值大于-50 dBm時，可以按1 dBm步進(jìn)調(diào)低發(fā)射功率減少同頻干擾。

圖3 雙頻無線自組網(wǎng)傳輸設(shè)備硬件框架示意圖

VHF、LBAND無線通信模塊射頻可以預(yù)設(shè)多種不同的無線射頻信道，并可在不同信道之間自由切換，對于不同的頻率設(shè)定優(yōu)先級。LED指示包括網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)指示、電源及電量狀態(tài)指示，所述網(wǎng)絡(luò)指示燈可區(qū)別顯示系統(tǒng)是否加入自組織網(wǎng)絡(luò)，分別以閃爍和常量顯示，并以不同顏色區(qū)分當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量等級。所述電源及電量狀態(tài)燈，在工作狀態(tài)常量顯示，并以不同顏色區(qū)分當(dāng)前電量等級。

電源單元為整個電路提供工作能源，采用適配器直流供電和鋰電池供電兩種工作方式。電源模塊采用DC接口的電路提供15V直流輸入，同時支持14.8V鋰電池供電方式。

3.4 軟件算法設(shè)計(jì)

網(wǎng)元系統(tǒng)采用Open WRT嵌入式Linux開源系統(tǒng)，通過C語言編程實(shí)現(xiàn)了平面距離矢量路由協(xié)議（AODV）。無線網(wǎng)絡(luò)連接建立后形成無中心自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以一定的時間間隔不斷的執(zhí)行路由決策算法。每個節(jié)點(diǎn)具有的分布式智能以信號強(qiáng)度和網(wǎng)絡(luò)性能為指標(biāo)，在多條無線鏈路中選取最優(yōu)路徑路由流量，并且不斷動態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)路徑，限制了廣播并且消除了瓶頸。這保證了任何由于網(wǎng)絡(luò)單元被增加或是移除導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓伎梢粤⒓幢粰z測到并進(jìn)行相關(guān)路由計(jì)算，保證網(wǎng)絡(luò)總是處于最優(yōu)的性能和運(yùn)行狀態(tài)。這樣，網(wǎng)絡(luò)具備了性能自我調(diào)節(jié)和鏈路自動修復(fù)兩個自組網(wǎng)特性，如圖4所示，在故障發(fā)生前，自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)保持主鏈路、備選鏈路的信息，并且不斷的動態(tài)的更新鏈路信息列表。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的某一點(diǎn)由于供電、損毀等原因出現(xiàn)故障，其它周邊設(shè)備會迅速的在備選鏈路表中，選取具有最優(yōu)參數(shù)的備選鏈路作為主鏈路。本系統(tǒng)的算法提供迅速的鏈路修復(fù)，在毫秒級別即完成主備鏈路的切換，整個過程對于網(wǎng)絡(luò)中的最終用戶都是透明的，不會造成用戶的數(shù)據(jù)、語音或視頻等應(yīng)用的中斷。

圖4 智能路由切換圖

本系統(tǒng)具有自動配置能力，當(dāng)網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)設(shè)備啟動后，網(wǎng)元操作系統(tǒng)開始引導(dǎo)加載，最后路由協(xié)議服務(wù)啟動，無線通信模塊進(jìn)入Ad Hoc工作模式，網(wǎng)元的系統(tǒng)服務(wù)程序，會開始搜索分析無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。判斷是否存在等待加入的雙頻無線自組網(wǎng)元設(shè)備。如果網(wǎng)絡(luò)中存在兩個以上新網(wǎng)元時互相協(xié)商獲取網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，并形成自組織網(wǎng)絡(luò)，后續(xù)新的網(wǎng)元則加入此網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)設(shè)備加入自組織網(wǎng)絡(luò)后設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)燈進(jìn)入常亮狀態(tài)，如果未有發(fā)現(xiàn)自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)則保持搜索狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)燈一直保持閃爍。本系統(tǒng)自動配置和自動發(fā)現(xiàn)的能力適合于應(yīng)急處突和快速部署的場景需求。本系統(tǒng)可以通過管理界面對網(wǎng)元設(shè)備進(jìn)行IP地址等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的預(yù)先配置，并且可以對網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)授權(quán)，防止未經(jīng)允許的自組網(wǎng)元加入網(wǎng)絡(luò)。

3.5 安全性和多業(yè)務(wù)分組功能

本系統(tǒng)Wi-Fi接入支持多無線SSID功能，每個SSID對應(yīng)不同VLAN，每個VLAN都可以具有不同的認(rèn)證和加密的安全配置。這樣，通過為不同應(yīng)急服務(wù)部門如公安，消防等設(shè)置各自的VLAN就能實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)分組，不同的訪問和安全策略的接入，然后配合3層設(shè)備將不同組群的流量路由到相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)中。

本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)及其配合的標(biāo)準(zhǔn)軟件/硬件安全系統(tǒng)提供完整的用戶認(rèn)證、鑒權(quán)，無線流量加密并且實(shí)時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)活動等；通過節(jié)點(diǎn)間的通信加密、新節(jié)點(diǎn)認(rèn)證授權(quán)等多種機(jī)制，保證無線網(wǎng)絡(luò)骨干的安全。在加密方式上支持WEP、TKIP和AES，認(rèn)證方式上支持明文、共享密鑰、MAC地址白名單等多種方式，確保僅有被授權(quán)的無線終端才能接入到網(wǎng)絡(luò)中。自組網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)和N路由協(xié)議優(yōu)化了節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間的快速無縫切換，保證了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)無縫的應(yīng)用、數(shù)據(jù)和會話的持續(xù)性，為網(wǎng)絡(luò)接入控制和安全數(shù)據(jù)傳輸提供了可靠的保障。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)環(huán)境主要配置如下：思博倫Sprien TestCenter網(wǎng)絡(luò)流量測試儀，40個無線Ad Hoc無線自組網(wǎng)元，網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)硬件基于Cortex-A72 CPU，具有64 M內(nèi)存，4G存儲，OS系統(tǒng)基于Open WRT，搭載平面距離矢量路由協(xié)議（AODV）和擁塞避免算法軟件模塊。本文的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于思博倫測試儀表，并根據(jù)本實(shí)驗(yàn)需求對原始的結(jié)果樣本重新進(jìn)行了標(biāo)注和處理。點(diǎn)對點(diǎn)速率測試表如表1所示。40節(jié)點(diǎn)自組網(wǎng)測試表如表2所示。

表1 點(diǎn)對點(diǎn)速率測試表（架高2 m）

表2 40節(jié)點(diǎn)自組網(wǎng)測試表

本實(shí)驗(yàn)證明無線自組網(wǎng)元具有較強(qiáng)的通信帶寬，具備很強(qiáng)的可拓展性，適合較大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，并具備較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)性能。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)目前已經(jīng)在國內(nèi)國防、公安、消防系統(tǒng)中行進(jìn)行試用。用戶反饋該系統(tǒng)能很好地支撐作戰(zhàn)指揮協(xié)同系統(tǒng)，能提供數(shù)據(jù)和語音、視頻信息的雙向傳遞，實(shí)現(xiàn)了各個作戰(zhàn)單元的態(tài)勢圖動態(tài)顯示。由于本系統(tǒng)具有雙向大帶寬對稱傳輸?shù)哪芰Γc(diǎn)對點(diǎn)帶寬最大可達(dá)60 Mbit/s，可以容納同時傳輸多路視頻信息，目前也已經(jīng)被中國移動湖南公司用于偏遠(yuǎn)基站開通。綜合而言本系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大、頻譜利用率高、可靠性高、組網(wǎng)靈活、具備網(wǎng)絡(luò)自組自愈能力和支持與其它無線網(wǎng)絡(luò)兼容和互操作等優(yōu)點(diǎn)，能支持高速移動中的數(shù)據(jù)傳輸。本文對無線自組網(wǎng)絡(luò)的研究為應(yīng)急通信領(lǐng)域提供了重要的技術(shù)理論基礎(chǔ)，相關(guān)研究成果已經(jīng)申請專利，并將進(jìn)一步完善優(yōu)化和改進(jìn)。