移动自组网在灾后营救中的应用研究

2016-11-19黄成兵

智能计算机与应用 2016年5期

关键词：通信系统

摘要：介绍移动自组网的特点、发展与现状，并与现有通信手段进行分析对比，指明移动自组网在各类灾后营救中的相比传统通信手段所更能发挥的积极作用，展望移动自组网在各个领域中的应用前景。

关键词：移动自组网；灾后营救；实时通信；通信系统

中图分类号： TP393 文献标识码： A doi：10.3969/j.issn.1006-2475.

Research on application of mobile ad hoc network in rescue after disaster

HUANG Chengbing1

（Computer Science Department， Aba Teachers College ， Wenchuan Sichuan 623002， China）

Abstract： Through the introduction of Mobile Ad Hoc network features、development and current situation， and with the comparison with existing means of communication， the paper indicates that， to a greater extent the mobile ad hoc could guarantee the smooth communication networking system during the process of tourism field position or post disaster rescue and modern war more. After that， the application prospect of mobile ad hoc networks in various fields are also presented.

Key words： mobile ad hoc； disaster rescue； real time communication； communication system

0 引言

近年来在世界范围内，灾后营救的话题已成为攸关民生与发展的热点与焦点。当严重自然灾害发生时，原有的基础通信设施大多受到损毁，从而给灾后营救的顺利开展形成障碍与阻力。当前，我国对各类人员实施营救位置确定以及灾难营救时所使用的通信联络方式主要有无线电台、卫星通讯、 3G图像传输这3种常规方式。但是，当被营救人员身处洪水、森林大火、地质灾害等危险区域时，由于这些灾害通常具备的突发性、毁灭性，将会给地面通信基站或交通枢纽等造成重大损坏，导致常规使用的通信手段已然无法满足救援人员的应急通讯需求。同时，传统的通讯大多基于TCP/IP网络协议，在通信过程中需要始终保存一条稳定的端到端通信链路。但在灾后应急通讯的条件下，由于通信环境将会转为极度恶劣，链路的频繁中断即会导致这样一条满足如上要求的链路必将难以获得全程畅通保障[1]。因而，如何建立并保持灾后营救过程中的及时通讯即已成为当前颇具研究实用价值的重要课题。

随着通信技术的飞速发展，对移动通信设备进行重新组合并构建临时通信网络（即移动自组网）已经广泛应用于灾后营救应急通讯、军事通讯以及野外旅游通讯等各种过程与场合。与此同时，硬件设计方面正日趋完善，组成的移动自组网（Mobile Ad Hoc Network）也可称为 MANET，已经表现出诸多的优势特点。具体地，移动自组网不受时间、地点的限制，通讯时也不需依靠地面基站或者是控制中心的支持，而是只需利用多个可以实现路由功能的独立终端数据节点，建立临时的移动通信环境即可。综上可知，移动自组网具备了不需基础通讯环境、可自由移动、可任意增加或删除通讯节点等优良性质。基于此，本文即针对移动自组网的综合应用给出研究综述。

1 移动自组网的发展与现状

1.1 移动自组网的发展

移动自组网是美国国防部远景规划局（DARPA）在20 世纪 70 年代通过“在战场环境下采用分组无线网进行数据通信”研究时产生的新的网络技术手段。1983 年，DARPA即已开始启动 SURAN （ Survivable Adaptive Network）以高效拓展 PRNET （ Packet Radio Network）项目中的各种技术手段，研究开发大型网络系统，并且设计提出网络自适应协议，从而满足不同地域战争的需要，为打赢战争提供通信技术保障。1994 年，DARPA正式提出了全球移动信息GloMo（Global Mobile Information System）项目，该项目的研发主要是为海陆空三军提供指挥中心与前沿阵地网络连接，保证通信联络畅通无阻，方便军队首长进行作战指挥。随着战争信息化条件的逐步提高，很多发达国家为作战军队配备了尖端的通信系统，保证作战的极速协调与完备指挥。因此，移动自组网的研究开发将为军队打赢高技术条件下的现代战争提供坚实有力保障。

由于最初移动自组网技术的产生主要是为满足军事领域的通信需求，而且相对于民用通信系统在各方面要求更高，军队通信系统同时还必须满足抗毁性、自组织性和机动灵活性这3个特殊要求。由此则必须使用通信节点能够任意移动并且自由组合的通信网络，从而形成新的移动通信自组网。

1.2 移动自组网的现状

随着通信技术的发展，无线移动终端进入了更新换代，体现在蓝牙技术的开发使用、远程红外技术的发展进步、Wi-Fi等无线通讯技术上，这就为移动自组网的开拓进步制造了有利契机，自组网在各领域的应用正日趋广阔，已经陆续应用在军事通讯、灾后营救、航海、航天、车载安全[2]通讯等多个方面。

1.3 移动自组网的结构

移动自组网是指通信中的多个移动节点或节点簇通过无线信号传输连接在一起的通信系统。通信过程中的每个节点都可以自由移动，每个通信节点既是信号接收点又是中继节点，在移动过程中完成信息的收发功能，正因为移动自组网的这一优点，才可保证其在网络结构发生变动时，通信联络不致出现中断[3]。在对旅游人员进行趋于地点定位或者是灾难发生后提供营救的过程中，当由于特殊工作环境限制了通信系统的使用效果时，就可以启用移动终端的自组网来完成需求信息的传递交流，并快速锁定目标所在位置，弥补原有固定通信系统的不足。

2 移动自组网的特点

2.1 广泛的环境适应性

移动自组网不类似传统的通信系统，因其没有中心控制节点，采用的却是分布式通信技术，移动自组网中的每个移动节点都可以自由移动、相互组合，不依赖任何设备。当网络中的某个节点发生了通信故障，其他节点还可以与临近节点随机组合保障通信畅通。移动自组网与传统的无线通信网相比，具有独立性和组合开放性，不受时间、地点的限制，随时构建，而且也无需再有其他基础设施的功能匹配辅助，在自身可调节掌握范围内即可完成通信任务。综上可知，在抢险救灾等重大任务的通讯联络中，移动自组网只需通过自身组网，而再无需借助地面基站或者是控制中心的基本支持。此时，救援队员只要随身携带手机、PDA、图像或者是语音传输系统等无线通信设备进入该地区，就能自由组网，实现通信指挥网络的全程畅通。

2.2 网络机动灵活

由于灾后营救行动过程的现场通信或对被施救人员的野外环境位置区域方位确定，或者是营救人员在各区域来回移动所需的实时通信，都在表明网络拓扑结构的组织力度仍有待完善，同时也要一并增强其扩展能力。而网络拓扑结构没有中心控制节点，任何2个相邻节点之间有一个位置发生了变化，都不会影响到通信功能，而是随机调用另一个临近节点的中继功能来实现通信网络的显示畅通。由此可见，移动自组网中的节点能够以任意速度、方式自由移动或者是以自身的原因加入、退出该自组织网络，而且都不会影响到通信的过程质量。由此得出自组网具有良好的机动性，能够保证灾后营救人员在营救时进行定位搜救，并保持与指挥中心通信联络的优质连续，便于指挥中心完成指挥调度，实现指挥中心对前沿的全局性合理督导。

2.3 组网成本低廉

通信网络有2种，分别是：无线通信网络和卫星通信网络两种，实现方式均为单跳型，由于在这些传统的通信网络中，节点收发设备信号的传播范围并非广阔，即使得多数情况下需要通过一定的技术措施来扩大网络的覆盖面积。一是对于基站和终端，要加大发射功率，二是可以创建多个基站，但这些做法最终都将造成组网成本的大幅提升。而对于移动自组网技术来说，其中使用的通信方式为多跳型。多跳型的通信方式主要是指当遇到节点和目的地出现不能成功对接通信的情况时，可以利用中间的节点分组转发节点和目的地的信号。通过对比这2种网络方式，可以明确知道，多跳组网具有显著优越性，一是其成本很低，二是功耗、电磁干扰等通信缺陷相对较少。多跳组网对移动终端发挥的作用则尤为显著，可使移动终端更趋灵活、且呈现更佳的便携性。

2.4 网络可靠性强

移动自组网主要通过网络分布的方式来实际控制和操作，这即使得移动自组网中的每一个节点都将居于同等地位和作用，因而这些节点都将具有相同的功能，具体就是要求每一个节点都能够具有路由和主机的功能。在移动自组网中，通信的传输链路不只是一条，而是会有很多条。因此，在传输过程中，可以采用路由算法来选择得到一条最佳的传输链路[4]。实际情形是：如果这个传输的链路出现了问题，假设其中的一个节点发生了损坏，那么系统就会选择另外一条链路来代替先前的链路，从而确保网络的正常工作运行。综上分析可得，移动自组网具有强大的抗破坏能力。这一特性将能可靠应用到执行野外作业以及灾后营救的过程中，可以使任何一个节点随时随地地加入和退出，从而确保了前方指挥中心通信网络不致因任何事件陷于故障或者摧毁。

2.5 移动自组网缺点

对比传统有线通信网络以及卫星通信网络，虽然移动自组网技术表现出显著鲜明优势，但却也仍然存在一定的问题，具体阐述如下：一是其无线传输带宽较低；二是容易受到一些自然因素的不利影响，通信链路的容量也并非恒定，在设计实现就会时常降级为单向无线信道；三是移动终端设备不一定都能满足要求；四是采用移动电源供电，能源极其有限；此外，还由于移动自组网的独特设计更使其同时存在一定的安全缺陷，诸如通道脆弱、拓扑结构动态、集中监控难于实现以及移动节点自身的安全性也未臻理想等方面。这些问题使得移动自组网在实施构建中面临严峻处境，因而在今后的课题研究中，需要逐步解决这些问题[5]。

3 移动自组网在灾后营救中的具体应用

3.1 移动自组网与常规无线电台的对比

在位置定位、灾后营救过程中，高频首选的通信手段就是常规无线电台，因其携带方便、成本较低，最重要的就是还可以进行远距离通信，但在如上优势背后还需看到，这一技术手段的通信带宽却有着一定局限，只能使用单通道进行传输。在此情况下，只有语音信号能够完成传输，而图像信号却只会处于传输范围外，这就使得前方指挥中心并不能充分了解前方现场的情况，从而无法作出最佳决策。而且，不仅如此，常规无线电台还表现出频道数量少、通信方式组播的缺点，由此将使得多方力量协同救援时，就会产生通信混乱。

相比常规无线电台来，移动自组网通信的优点就愈加明显。一方面，其通信带宽足够大，既能够传输图像信号，又能够多方位、多角度地报道现场情况，从而能够助力后方指挥中心精准制定关键决策，为救援现场提供了现实理想的技术保障。另一方面，在传统的组播通信方式的基础上，移动自组网通信融入了点对点的方式，使得上级对下级发出命令时可以同时进行安排部署，避免了通信混乱，从而更加快速、高效地调动集结救援队伍。

3.2 移动自组网与 3G 图像传输对比

目前，公安消防部队在组建现场通信时，通常使用3G 图像传输方式，这种方式主要是通过便携式终端采集图像信息，并由无线基站接收信号，再通过有线通信线路进行传输，进而抵达指挥中心。但是，由于灾害降临时，无线通信基站以及有线线路一般均会中断，使得此时将无法正常使用3G 图像的传输方式[6]。而移动自组网技术具有适应性强、网络可靠的特点，所以就能够在这些相对极端的环境下，依然保持良好通信传输，最终，在抢险救援中发挥重要的作用。

3.3 应用范围

众所周知，灾难营救现场大多将遭遇道路不通、通信中断、基础设施损毁、工作人员稀少等考验，此时要使营救工作快速有效展开，基础的通信保障将是必不可少、至关重要的。然而原有的通信设施大多损毁，重新架设即使在电力正常、道路优良的情况都需要花费大量时间、人力、物力。移动自组网则具有无需基础设施、能够方便快捷地增加或删除一个节点（施救人员）、各个节点可以随意移动、能够快速实效地地建立起一个临时通信网络等优点，因此尤为适合这一类的灾后营救现场。移动自组网通过采用“存储/携带/转发” 的方式进行信息的传递，同时可以采用称之为摆渡节点的外界节点进行辅助路由[7]。在灾难营救现场，为了尽量缩短消息延迟，同时还可以在空中规划一定数量的携带有通信设备的无人机增强消息的传输效率，保持与指挥部的及时通信。

4 结束语

针对移动自组网技术，文中以其发展过程以及其自身具有的一些优势为主要内容线索，通过对比野外环境的地域定位功能以及灾后营救通讯使用的相关手段，可以得出，即使在无线基站损毁、通信线路瘫痪、道路不通等极端环境中，移动自组网也能够高效率运转，从而实现紧急状况下的通信指挥功能。另外，虽然目前移动自组网技术还存在着一些现实问题，主要表现在动态路由算法的工作效率低、功耗高，通信系统生存时间较短等方面，但是在今后的实践研究过程中，移动自组网必将逐渐跃升为灾后通信指挥应用中核心重要的技术组成部分，从而获得未来广阔的应用发展空间。

参考文献：

[1] 王勇.面向灾难营救场景的延迟容忍网络路由技术研究[D]. 长沙：国防科学技术大学，2013：1-9

[2]冯玮，范业仙，林峰.NS2在车载自组网仿真中应用研究[J]. 韶关学院学报，2015，36（8）：22-26.

[3] 张程.移动自组网的关键技术研究[D].重庆：重庆大学，2010：2-5.

[4] 杨铭熙.移动自组网安全路由技术的研究[D].武汉：武汉理工大学，2007：1-4.

[5] 黄清元.移动自组网可信安全路由技术研究[D].长沙：国防科学技术大学，2008：1-9.

[6] 刘超慧，吴庆涛.基于卫星通信和 3G 技术的消防通信指挥系统[J].新乡学院学报（自然科学版），2011，28（4）：346-348.

[7] 陈超.移动自组网技术在消防部队抢险救援通信保障中的应用[J].消防技术与产品信息，2012（10）：16-19.

作者联系方式：

姓名：黄成兵

出生年月：1980年11月

出生地：四川省宜宾市