Ad Hoc网络在紧急救援中的应用.doc

Ad Hoc网络在紧急救援中的应用杨卫东1,2，张光昭1（1. 中山大学电子与通信工程系 广州 510275；2.南方医科大学网络中心 广州 510515）摘要 本文在提出的紧急救援系统的基础上介绍了系统中自组网的构成和性能，研究和探讨了自组网的网络结构、路由技术、互联技术和拥塞控制策略等关键技术。自组网在紧急救援系统中的应用拓宽了它的应用领域，具有广阔的应用前景。关键词自组网；紧急救援；网络结构；路由；互联技术；拥塞控制1引言Ad Hoc网络是一种特殊的无线通信网络，它无需设置任何中心控制节点，具有很强的抗毁性。网络中的节点不仅具有普通移动终端所需的功能，而且还具有报文转发能力。当通信的源节点和目的节点不在直接的通信范围内时，它们可以通过中间节点转发报文进行通信，有时节点间的通信可能要经过多个中间节点的转发才能完成，这是Ad Hoc网络与其他无线移动通信网络的最根本的区别。同时网络的组织是临时的、按需的和自动的，这为廉价及快速部署网络提供了可能。正是这种特性，它特别适用于要求临时、快速组网的情况，所以经常用于军事领域、救灾、会议等场合1,2。2紧急救援系统的模型和功能在地震、水灾和火灾等自然灾害中，固定的通信设施全部或部分可能损毁而无法正常工作，对灾难现场的紧急救援工作的开展必将产生严重影响。在此情况下，利用不需要固定网络基础设施而又能迅速布设的Ad Hoc网络和卫星通信为这种特殊环境提供随时、随地、快速和可靠的通信支持，是十分必要的。为此本文提出了一个紧急救援系统模型，如图1所示。紧急救援系统的组成按功能来分一般包括3个部分：Ad Hoc网络、卫星通信系统和指挥总部。指挥总部是领导了解现场救援情况的窗口，通过了解现场情况以进行工作指导，便于各救援部门之间进行工作协调。卫星通信系统则主要用于为指挥总部和紧急救援现场提供可靠的通信链路。本文提出的救援系统中选取的是IPSTAR卫星宽带通信系统，它是建立在大容量多波束卫星基础上的完全基于IP技术的宽带卫星通信系统，由IPSTAR卫星、业务关口站和小口径天线地面终端组成。IPSTAR是成立于1991年的Shin卫星公司运营的第4颗通信卫星，它为亚太地区各国用户提供一个宽带卫星业务平台，IPSTAR卫星在空间段采取了“蜂窝”多点波束，通过频率复用增加带宽和动态能量管理，并具有动态调整每波束的星上功率等独特技术。该宽带卫星对我国的覆盖情况如下：利用23个Ku波段双向点波束覆盖我国中东部地区，1个双向成形波束覆盖我国西部地区和1个Ku波段单向广播波束重叠覆盖中东部地区。通信容量约12 Gbit/s，并在北京、上海和广州设立了3个关口站。由于IPSTAR是惟一专门设计用于通过IP平台提供高速双向宽带通信的卫星，可以提供全面支持标准的互联网连接和各种IP应用，所以该系统可为指挥总部和紧急救援现场之间直接提供可靠的通信连接而不需要进行额外的调制或转换。Ad Hoc网络是紧急救援现场所布设的网络，主要是利用Ad Hoc网络的特殊性为紧急救援现场提供通信支持，便于紧急救援工作的迅速展开。Ad Hoc网络是紧急救援系统中的核心，所以对Ad Hoc网络关键技术的研究将是本文的重点所在。本文将就Ad Hoc网络的网络结构、路由、互联技术和拥塞控制等展开讨论。3紧急救援系统中Ad Hoc网络的关键技术3.1网络结构Ad Hoc网络结构一般分为两种：平面结构（如图2所示）和分簇（或分级）结构（如图3所示）。 平面结构中各个节点完全对等，网络简单，但是当网络规模扩大时，每个节点需要维护大量的动态路由信息，耗费资源，因此可扩充性差。而在分级结构的网络中，簇成员的功能比较简单，网络中节点只需要维护局部路由信息，不需要维护全网路由信息，利于网络扩充，因此具有很好的可扩充性，可适用于各种场合。由于在紧急救援的过程中，参与救援工作的部门可能较多，利用分簇结构的方式以救援工作小组为单位进行划分和管理，既可使各部门独立组网，又便于各网络之间的通信，因此在紧急救援系统模型中，Ad Hoc网络是采用分簇结构的。在簇内，节点按照作用又可以分为簇头、普通节点和网关节点三种，簇头负责管理和协调簇内节点以及簇成员之间的通信，同时为簇间节点通信提供合适的路由信息；网关节点则负责与相邻簇节点通信。这些独立的自组织网络一同形成了Ad Hoc子网群。各子网间的关系实质上就是多个同种类型Ad Hoc网络间的互联关系，目的就是为了向位于多个分散地理位置上的工作小组提供协同通信和信息共享能力，在结构上每个Ad Hoc子网都可以看作一个IP子网。此外在Ad Hoc网络中选取一个节点作为网关节点，负责与应急通信车无线接入，以实现各子网与指挥总部的通信。3.2路由问题在Ad Hoc网络中，随着节点的移动，网络拓扑结构在不断的变化。如何迅速准确地选择到达目的节点的路由（即网络的路由选择问题），是Ad Hoc网络的一个核心的问题。传统的距离向量和链路状态路由协议并不适用于拓扑结构多变化的自组网。与单跳的无线网络不同，自组网节点之间是通过多跳数据转发机制进行数据交换的，需要路由协议进行分组转发决策3。无线信道变化的不规则性，节点的移动、加入、退出等也会引起网络拓扑结构的动态变化。路由协议的作用就是在这种环境下，监控网络拓扑结构变化，交换路由信息，定位目的节点位置，产生、维护和选择路由，并根据选择的路由转发数据，提供网络的连通性4。目前国内外学者提出了一系列的Ad Hoc路由协议。根据发现路由的驱动模式的不同，可以将这些路由协议分为表驱动路由协议（或先应式路由协议）和按需路由协议；根据网络拓扑结构的差异，又可将它们分为平面结构路由协议和分簇路由协议。在表驱动路由协议中，无论是否有通信需求，每个节点采用周期性的路由分组广播，交换路由信息，维护一张包含到达其他节点的路由信息的路由表，当检测到网络拓扑结构发生变化时，节点在网络中发送更新消息，收到更新消息的节点将更新自己的路由表，以维护准确的路由信息。它的优点是当源节点一旦要发送分组，就可以立即获得指向目的节点的路由，即分组发送的时延小，且通过这些拓扑信息，比较容易实现路由的优化。缺点是随着网络规模的扩大及节点移动速度的增加，网络的拓扑变化更加频繁，表驱动方式因要维护路由表，会占用大量的无线信道资源，从而影响用户数据报文的发送，降低系统的吞吐量。所以表驱动方式一般应用于网络拓扑结构相对稳定和业务对实时性要求较高的场合，DSDV5、WRP6、FSR7、LANMAR8、OLSR9和TBRPF10等均属于表驱动路由协议。在按需的路由协议中，节点平时并不实时地维护网络路由，只在节点有数据要发送时，才激活路由发现机制寻找到达目的地的路由，所以按需路由协议包括路由发现和“路由维护”两个过程。当源节点需要获得到达目的节点的路由而路由表中又没有该路由时，路由发现过程才被激活。随着拓扑结构的变化，当路由路径上的某段链路发生中断时，路由维护过程才被启动，以重启路由建立过程。它的优点是可以降低路由开销，提供网络的吞吐量，缺点是时延比表驱动方式大，不利于实时业务的传输，DSR11、AODV12、TORA13、ABR14和SMR15等均属于按需路由协议。在平面结构路由协议中，网络结构简单，所有节点的功能相同地位平等，需共同协作完成节点间的通信，适合于网络规模较小的场合；分簇路由协议中，簇内各节点的功能不同，被分为簇头节点、网关节点和普通节点，由簇头节点和网关节点负责簇内及簇间通信，可适用于网络规模较大的场合。在紧急救援系统的Ad Hoc网络中，采用的是混合路由的方式，即对表驱动路由协议和按需路由协议综合使用的方式。在各子网中采用表驱动路由协议而在各子网之间采用按需路由协议，换句话说就是在各子网的局部区域内使用表驱动路由协议（如DSDV）而对子网外节点的路由查找采用按需路由协议（如DSR），这样可将链路变化限定在局部区域内，从而减少全网广播带来的路由开销，同时还可以实现按需路由协议和表驱动路由协议的优势互补，具有相对低的带宽消耗和路由发现延迟的特点。3.3网络互连问题紧急救援系统中的网络互连有两种方式：Ad Hoc各子网间的互连和Ad Hoc网络通过应急通信车的无线接入，并通过卫星与指挥总部实现互连。对于Ad Hoc网络通过应急通信车的无线接入与指挥总部实现通信有两种方式：一是在CBSN关口站与总部之间利用专线互连（如图1所示），二是在CBSN关口站与总部之间利用互联网互连。对于这两种方式，指挥总部与应急通信车的设置比较简单，只要分配IP地址就可以，惟一不同的是对后者要配置合法的IP地址，所以关键的问题是系统中Ad Hoc网络间的互连问题及与应急通信车的连接问题。要实现Ad Hoc网络与应急通信车的互联，就必须研究Ad Hoc网络的路由和编址。在互联网中，IP地址是分级的，一个IP地址分为两部分：网络地址和主机地址。位于相同网络的主机具有相同的网络地址，这样做可以简化路由的处理过程。路由信息可以聚集，每个路由表项可以处理具有相同网络地址的所有主机。故在互联网中，可以使用一条路由到一个目的网络而不是该网络中的每个主机。但是Ad Hoc网络却不具有这些特征，因为Ad Hoc网络一般是作为相对独立的临时性网络而存在，网络中的节点可以随时加入和离开网络，并且节点可以使用任何地址，所以在Ad Hoc网络中路由只能通过目的主机来确定，而不能通过网络地址来判断节点是否属于同一个网络（或是否属于Ad Hoc网络），也就是说在Ad Hoc网络中地址不再具有分级结构。为了实现Ad Hoc网络与应急通信车的互联，则在Ad Hoc网络内的移动节点需要一个可被寻址的IP地址，在Ad Hoc网络中至少需要有一个节点具有可被路由的IP地址。为此在Ad Hoc网络中选取一个节点作为网关节点，使用该网关节点实现Ad Hoc网络与应急通信车互连，从而实现与指挥总部的通信。该网关节点拥有无线收发设备（这里采用的是无线局域网卡），同时支持Ad Hoc网络路由协议和互联网常规路由协议。对于Ad Hoc网络中各子网的互连，可采用下列方法：网络中各个子网都可看作为一个IP子网，由Ad Hoc网络路由协议负责建立各自的链路状态数据库，根据路由算法计算出去往每个移动节点的路径，并将计算结果存入到路由表中。因为在Ad Hoc网络中，移动终端可以自由移动，为了支持移动终端在不同Ad Hoc网络之间漫游，可以利用移动IP来解决这个问题。定义所考察的终端所在的Ad Hoc网络为该终端的家乡网络，相应的移动无线路由器充当本子网内的移动终端的家乡代理（home agent，HA），同时HA还为来自其他子网接入该Ad Hoc网络的漫游节点提供外地代理（foreign agent，FA）服务，如当某移动节点漫游到其他网络时，它发起“请求代理信息”，并通过监听外地代理广播的代理广告来发现代理，外地代理根据接收到的代理请求信息，利用成熟的移动IP协议来为该移动节点提供服务。3.4拥塞控制问题网络实施拥塞控制的主要目的是避免网络出现拥塞崩溃，减少因拥塞而引起的数据丢失率16。在有线网络中分组丢失主要是因为网络拥塞，因此用分组丢失来检测网络是否发生拥塞并启动拥塞控制机制。自组网是一种具有高度动态拓扑结构的网络，分组的丢失有多种原因：因网络拥塞而引起的分组丢失；因误码或链路断开而引起的分组丢失；因上述两种原因同时引起的分组丢失。由于自组网的特殊性，不能由分组丢失来决定是否发生了拥塞，必须采用不同于有线网络的拥塞检测机制和拥塞控制策略。在紧急救援系统的自组网中，要采用以下的拥塞检测机制：测量一个节点附近的局域网络拥塞的参数主要依赖于MAC（media access control）层，根据节点的平均MAC层利用率和瞬间的传输队列长度融合设置分组IP头里的ECN（explicit congestion notification）位，用ECN位来判断网络是否发生拥塞及拥塞的程度，而不是简单地根据分组丢失来启动拥塞控制机制。一个节点能获得围绕它的无线媒体繁忙的近似程度，且通过局部监视每一个节点网络接口传输队长和MAC层行为，这种测量不仅能反映节点本身的行为，而且还能反映共享无线媒体的其他邻近节点的行为。具体方法如下：当节点至少有一个分组在传输队列中或者节点有一个或更多的分组要传输时，把MAC层利用率置为1，否则为0；设一段时间内MAC层忙与闲的平均值为（01），队列的传输队长为L，为忙与闲的门限值，为缓存的门限值。则当：（1） 且L，网络正常传输；（2） 且L，网络中有突发数据流；（3） 且L，网络发生拥塞；（4） 且L，网络发生严重拥塞。对于拥塞控制，因为ECN是一种显示拥塞通知，当中间节点遇到某一特殊情况时（如网络阻塞、路由失败等），则向发送端发送一个报文，使其采取相应措施，并根据中间节点反馈给源节点报文中的ECN的设置来采取相应的拥塞控制策略。当MAC层利用率和传输队列长度满足（1）时，网络正常传输（没有发生拥塞，不必采取任何措施）；满足（2）时，传输队列长度超过门限值，而MAC层的利用率不高，说明没有拥塞发生，只是网络中有突发的数据流，就算此时有数据丢失，也不是因为拥塞，因而不用启动拥塞控制机制，只需对丢失的数据重传即可；满足（3）时，此时该节点向源节点反馈报文，并把ECN置为0，表明网络已发生拥塞；满足（4)时，设置ECN为1，表明网络发生严重拥塞。故可根据反馈给源节点的ECN来判断发生拥塞的程度，从而采取不同的拥塞控制策略。除上述关键技术外，紧急救援系统中的Ad Hoc网络容量、用户身份的鉴权认证、QoS保障以及移动性管理等也是Ad Hoc网络中要研究的关键技术问题，需要进一步地研究。4结束语自组网以其灵活、可靠、易于布置等特点在许多领域得到了广泛应用，将其应用于紧急救援系统中，可为因受地震、水灾和火灾等自然灾害破坏后提供随时、随地、快速和可靠的通信支持，便于紧急救援工作的迅速展开，符合现代紧急救援工作的应用现状。本文在提出的紧急救援系统的基础上介绍了系统中自组网的构成和性能，研究和探讨了自组网的网络结构、路由技术、互联技术和拥塞控制策略等关键技术。自组网在紧急救援系统中的应用拓宽了它的应用领域，随着需求的增长和技术的进一步成熟，自组网将会有更广阔的应用前景。参考文献1Yang W D, Zhang G Z. A weight-based clustering algorithm for mobile Ad Hoc network. In:Proceedings of the Third International Conference on Wireless and Mobile Communications （ICWMC），20072杨卫东,周杰英,张光昭. Ad Hoc网络中一种基于权值的分簇算法.中山大学学报（自然科学版）,2007,46(5) 3Lee S J, Hsu J L. Selecting a routing strategy for your Ad Hoc network. Computer Communications,2003（26）4Lee S, Kim C. A new wireless Ad Hoc multicast routing protocol. Computer Networks, 2002（38）5 Perkins C E, Pravin B. Highly dynamic destination-sequenced distance-vector routing (DSDV) for mobile computers. In:ACM SIGCOMM94，London, Sep 19946 Murthy S, et al.An efficient routing protocol for wireless networks. ACM Baltzer Mobile Networks and Applications, 1996,1(2)7 Pei G, Gerla M, Chen T W. Fisheye state routing: A routing scheme for Ad Hoc wireless networks.In：The IEEE Int l Conf on Communications (ICC), New Orleans, LA, 20008 Pei G, Gerla M. Landmark routing for large Ad Hoc wireless networks with group mobility. 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