无线Mesh网络技术在应急救援通信保障中的应用研究

李俊锋，裴建国，白立崧，曹岩松

(中国人民警察大学，河北 廊坊 065000)

在应急救援工作开展过程中，可靠畅通的通信系统是确保迅速准确调动救援力量、指令准确下达、全面反馈现场灾情的决定因素，但是目前消防救援队伍所使用的通信手段并不能满足以上应急通信要求。

目前，350 M常规无线通信系统、卫星通信和3G图传等是我国消防救援队伍的主流应急救援通信手段[1]。但事故发生具有地点不确定、发生时间突然、组网速度要求快、网络保障要求高等特点，传统的通信系统不能全面应对。一是通信装备种类繁多，缺乏统一标准[2]。无线电台、GPS定位系统、POC音频通信系统等多种技术已经投入使用，但目前尚缺乏统一的标准，在救援现场不能充分发挥各系统的效能，并且多制式、多频率的电磁信号造成了未知的干扰，导致救援现场通信混乱。二是公网通信受环境影响大。公共通信网络不需消防救援队伍投资建设，但由于用户数量激增导致资源带宽拥挤的情况时有发生，很难保证救援现场实时通信的需求。三是高层建筑物或地下场所难以覆盖。电磁波在空间介质传播过程中，信号会随传播距离的增加减弱。此外，应急救援通信也会受到复杂环境和特殊建筑结构的影响，覆盖能力大大减弱，因此同频单跳网络很难对高层建筑和地下场所完全覆盖。

随着无线通信网络技术的高速发展，基于移动通信设备之间组建无线Mesh网络的技术已经成熟并可以投入使用。无线Mesh网络技术凭借其无中心、自组织、多跳路由等特点，具有极强的抗毁性和灵活性，可为消防救援队伍在各种大型、复杂救援行动中提供可靠、畅通的通信保障。

1 无线Mesh网络介绍

1.1 无线Mesh网络发展现状

移动自组网技术发展初期只有Ad-hoc网络一种，主要应用在军事领域。随着信息技术产业的高速发展，通过将Ad-hoc网络与传感器技术有机结合，开发出了冗余性好、容错度高、吞吐量大并且具有智能感知的无线传感网(Wireless Sensor Network, WSN)。为了满足在商业领域大规模应用的需要，通过在Ad-hoc网络基础上进行改进，衍生出了传输速率高、覆盖范围广、可灵活部署的无线Mesh网络(Wireless Mesh Network, WMN),其可视为一种微缩版本的无线互联网，是解决“最后一公里”问题的关键技术之一[3]。从网络的移动性能和数据传输方式来看，无线Mesh网络技术类似移动Ad-Hoc，从网络的规模、用途等方面来看，Mesh网络又具有无线局域网络(WLAN)的特点。Mesh网络具有两种网络的优点，形成了一套独特的网络结构。无线Mesh网络可以与不同类型网络实现无缝对接从而实现协同通信，是一个可进行不断扩展的动态网络协议架构，任意的两个设备均可以选择多条无线链路确保互联互通。通过多年的发展研究，无线Mesh网络技术已经进入民用商业化阶段，这使得无线Mesh网络技术在军事通信、互联网接入、智能交通以及应急通信等领域都将拥有广阔的应用前景。

1.2 无线Mesh网络特点

从无线Mesh网络的定义来看，无线Mesh网络技术是一种多跳、自组织的无线网络技术。与单跳无线通信网络相比，Mesh网络的特点为健壮性、平衡负载、空间可复用、协议兼容等[4]。无线Mesh网络与其他网络的对比分析如表1所示。

表1 网络对比分析表

2 基于无线Mesh网络的应急救援通信网络系统架构设计

本方案设计的救援现场无线网络是一种以无线Mesh网络为主的应急通信网络，主要用于灾害发生后的备用应急通信。现场通信网络架构是由多个部分组合而成的，主要包括救援现场通信指挥中心、现场救援通信子网、无线网络终端、通信链路四个部分。如图1所示。

图1 救援现场无线Mesh网络结构示意图

方案设计中，系统架构中的四个部分相互配合形成一个有机的整体。在整个架构中，现场指挥中心作为整个系统的核心进行组织、协调和分配工作，同时也担负着现场指挥中心的任务。现场通信子网可以根据任务或区域的不同进行划分。Mesh网可以直接对不同通信子网进行组织和配置，子网之间不会出现相互交叉影响的情况。通信子网和指挥中心可以称为现场通信网络，其主要担负现场救援人员之间的通信，是系统的主要组成部分。

救援现场通信指挥中心作为系统的中心，一方面承担直接指挥和部署现场任务，同时还负责与总指挥中心外界各方联系沟通。与外界的联系沟通需要通过远距离通信链路辅助完成，远距离通信链路的构建可使用短波通信和卫星通信技术。救援现场通信指挥中心有相应的接口负责将现场通信子网信息传递至总指挥中心或外界各方，从而实现前后方实时通信的目的。

2.1 救援现场通信指挥中心设计

现场通信指挥中心是灾害现场救援的通信枢纽，是对灾害现场救援力量进行指挥、调派的核心机构。现场通信指挥中心可与后方指挥中心通过链路进行联系，从而能够集合和调集所有的参战救援力量。现场通信指挥中心可基于消防通信指挥车直接建立，指挥中心由多个子系统组成，通过对各个子系统中的信息进行整合分析，确定现场救援网络的构建是否合理，并对通信网络的下一步部署规划依据救援实际情况进行调整[5]。消防通信指挥车中留存相关接口，无线Mesh网络接口为通用接口，可以直接应用于消防通信指挥车中。另外仍需要对无线Mesh网络的接口和前后方通信链路的接口进行对接。

2.2 现场通信子网设计

现场通信子网区别于整体救援网络，是应急通信网络的最小网络单元，消防、交通、医疗等部门现场架设的通信网络都属于最小网络单元。现场通信子网使用无线Mesh网络技术，可以在环境复杂的救援现场中充分发挥出无线Mesh网络自组织灵活机动、抗摧毁能力强的优势，满足消防、医疗、后勤保障等正常通信需求。

当救援力量到达灾害现场后，为满足现场救灾需求，应当第一时间建立能够覆盖整个救灾区域的通信子网络。基于无线Mesh网络技术建立的现场通信子网络，应根据救援现场的地理环境、障碍物数量等情况设置不同的无线Mesh路由器，尤其在环境复杂、障碍物多的区域相应设置数量较多的无线Mesh路由器，利用网络的多跳性能来覆盖局部救援区域。在不同的救援区域建立起现场通信子网络后，为方便进一步的协调指挥，应当迅速与救援现场通信指挥中心进行连接。在已经建立的现场通信子网络中，各个救援单位可以通过Mesh网络进行语音、图像、视频等救援信息的传递，为现场救援工作提供辅助。

由于救援现场的情况不能够事先确定，所以无线Mesh网络的大部分节点都必须在灾害发生之后建立。建立时需要对整个灾害现场进行分析和判断。如果发生大面积的灾害事故，则需要确定救援区域，将人员分组编成，使用通信子网进行小组内部通信，避免造成多个小组共用一个现场通信子网络，造成通信混乱。各个子网络分别与灾害现场指挥中心连接，形成一个有层次的现场救援网络。

2.3 远距离数据传输链路设计

大型灾害事故发生后，大面积的受灾区域通常会形成信息孤岛，而无线Mesh网络主要通过多个路由器进行一定区域范围内的网络覆盖，信息向外传输难以实现，受灾区域救援信息向外传递必须通过前后方通信链路实现。由于本方案系统采用多种通信手段结合的组网建设模式，前后方的通信链路可使用卫星通信或短波通信技术。选取卫星通信作为通信链路原因：一是卫星通信距离远，信号传播不受地形地貌的影响；二是卫星作为中继设备直接部署于太空，设备不会因为灾害发生造成损坏；三是消防救援队伍广泛配备卫星通信设备。选取短波通信作为通信链路的原因：一是短波通信作为一种无线电通信，可以不受地形限制在灾害发生后迅速建起通信链路；二是短波通信传播方式分为天波和地波，传播方式多样，在实际救援过程中可根据后方指挥中心的不同位置选择不同的传播方式。在链路使用中，卫星通信车或短波电台的位置应在前方中心，从而便于现场指挥中心与总指挥中心进行数据传递、命令的下达和接受。

2.4 无线网络终端设计

无线网络终端是通信网络中具体实现通信功能的设备。终端可以根据功能不同连入不同的通信子网络，进而实现相应的通信目标。终端与子网络连接需要应用相应的通信协议，无线Mesh网络主要使用的协议是IEEE802.11MAC协议。消防救援人员的终端设计应当与救援现场的复杂环境相适应，应当满足一定的耐高温、防水、便携、续航时间长等基本要求。此外，在功能上也应满足救援实际的多元化需求，应当能够充分收集救援人员生命体征和位置、消防救援车辆的实际工况、现场有毒有害气体监测等信息。终端对多元化信息进行收集后，通过连入通信子网络向现场救援指挥中心进行传输。

3 现场通信子网节点覆盖能力计算和节点布放原则

3.1 节点覆盖能力估算

无线Mesh网络部署的室内环境一般较为复杂，建筑材料和建筑结构的屏蔽影响明显。为确保网络部署科学合理，应当根据信号衰减规律对网络节点的部署数量、位置以及密度进行合理规划。

因此，在无线Mesh网络组网过程中不应当简单地根据理想条件下节点覆盖能力进行节点部署，而是应当根据实际环境条件对部署节点的损耗进行相应的计算，从而得出节点的实际覆盖能力。Mesh网络中继路由的部署应当充分考虑建筑材料和建筑结构对信号传播的损耗影响，在此情况下可以采用Keenan-Motely模型进行计算[6]。自由空间传播损耗公式为：

Ploss=Pt-Pr+Gt+Gr

(1)

式中，Pt为天线入口功率，国家规定不得超过15 dBm;Pr为接收端信号强度;Gt为发射天线增益;Gr为接收天线增益。

根据式(1)，我们可以计算得出路径损耗Ploss，天线入口功率取9 dBm，接收端信号强度根据设备数据为-90 dBm，发射天线增益和接收天线增益都按最不利条件计算，取0。

将数据带入(1)式得：Ploss=99 dBm

室内信号传播损耗选择由室内经验传播推导出的Keenan-Motely模型，目前多数信号覆盖计算都采用该模型，具有较高的可信度。在室内传播中无线Mesh信号使用2.4 GHz，符合该公式计算前提范围。Keenan-Motely 室内传播模型为：

Ploss=PL(d0)+20lg(d)+FAF+8

(2)

式中：d0为参考距离，单位为m；d为移动台离发射机之间的距离，单位为km；FAF为常见建筑障碍物结构穿透损耗经验值，可通过查阅资料得到应急救援中常见建筑障碍物结构的穿透损耗，如表2所示。

表2 常见建筑物穿透损耗值

参考距离d0为1 m时，Ploss1在2.4 GHz频段取39 dBm，根据(1)式得到Ploss=99 dBm，以玻璃结构为例进行计算，取FAF为10，代入(2)式可得到玻璃结构作为障碍物时的覆盖距离d=125.9 m。

通过上述计算可对常见的障碍物穿透损耗进行计算，准确掌握各种障碍物的损耗大小，为网络部署提供参考。但是在实际组网过程中我们还应考虑到，由于障碍物叠加等各种不利因素的影响，实际情况往往比计算模型考虑到的条件复杂得多[7]。为确保网络能够满足现场通信的要求，应当考虑到最不利条件下的网络状态，因此实际网络节点的部署应当比计算得出的数据更加密集。在组网过程中，应当根据网络节点部署原则，掌握回避障碍物的技巧，选出最优化的部署线路，并随着应急救援行动的深入展开对节点部署进行优化调整，必要情况下对节点进行补充。

3.2 Mesh网络节点布放原则

3.2.1 现场通信子网整体布放原则

3.2.1.1 先外围，后中心。应急救援前期工作是在外围展开的，首先确保救援区域外围的通信畅通，这符合应急救援通信保障工作的客观规律。随着应急救援工作的推进开展，按照工作需求逐步在救援的核心区域部署节点，进而在现场构建完整的通信网络。

3.2.1.2 先局部，后整体。救援工作开展初期，通信保障力量投入不足，通信工作应突出重点和难点。应首先为先期到达救援和侦察力量建立通信网络，保障先期到达力量的通信需求；随着通信保障设备逐渐到达和救援工作的逐步展开，建立能够覆盖整体救援区域和满足整体力量通信需求的应急救援通信网络。

3.2.1.3 先主干，后延伸。该原则是指在救援现场构建通信网络应当首先建立一条主干通信链路，满足一定的通信需求，而后对主干通信链路进行延伸和扩展，最终构建一个有机的通信网络主体。主干网络既要满足救援初期的实际通信需要，又是构建整体通信网络的基石，为后期网络的延伸拓展提供依托。

3.2.2 室内节点布放原则

3.2.2.1 重点区域重点布放。在救援工作开展的核心区域要进行重点布放，增加布放的节点数量，增强该区域的网络覆盖，提升该区域的通信可靠性。

3.2.2.2 交叉布放。为保证在使用最少路由的情况下实现覆盖能力的最大化，使室内网络覆盖更加平均，可根据使用节点的实际覆盖能力交叉布放Mesh路由器。

3.2.2.3 拐角处布放。在楼梯和走廊拐角处布放，可实现一次布放使信号覆盖两个方向，减少达到网络覆盖要求节点数量。

3.2.2.4 定向布放。建筑物的边缘处易发生信号泄漏，因此在窗户、阳台等处应进行网络节点布放，并设置定向天线，提升网络覆盖能力。

3.2.2.5 区域变换处布放。区域变换处是指由楼梯空间向楼层空间变换的区域，该区域由于结构复杂易发生信号泄漏，是网络构建的薄弱区域，因此应在该区域重点布放节点以提升网络可靠性。

3.2.3 室外节点布放原则

3.2.3.1 区域最高点布放。利用灾害区域内可利用建筑物的最高点进行布放或者人为架设天线进行布放，设置在高处有利于信号的传播。

3.2.3.2 确保室外节点达到密度要求。这样做既可以提高网络的可靠性，又可以确保不会出现信号冗余和带宽衰减，因为信号在无线Mesh网络中是通过最优路径传输的。

3.2.3.3 参数优化。为增加覆盖范围，可以对无线Mesh节点的发射天线增益和接受天线增益进行参数的优化，提升其传递信号的能力

无线Mesh网络技术通过多年的发展，已经在诸多领域被广泛应用，在应急救援通信保障领域也拥有广阔的应用前景。在灾害救援现场迅速构建基于无线Mesh网络的应急救援通信网络系统，能够满足组网速度快、保障能力高、抗摧毁能力强等大型灾害事故救援通信组网的要求，确保大型灾害事故现场救援通信指挥工作能够有序开展。