一種基于機會網絡的火場應急數據傳輸方案

朱 健

（公安消防部隊士官學校 滅火救援系，江蘇 南京 211133）

機會網絡（Opportunistic Network，ON），是一種源節點與目的節點之間沒有固定的通信信道，而是依靠節點移動產生相遇機會從而實現數據傳輸的自組織網絡。一般情況下，機會網絡中節點應用于一些節點稀疏的場景下，節點的相遇機會較少。因此，基于機會網絡的數據傳輸方案的投遞性能較差，網絡延遲比較高。隨著智慧城市與物聯網技術的發展，基于機會網絡的應用大量出現在了城市區域。機會網絡由于不需要基礎設施，組網快，容災性好，在各種應用中得到了較多的討論。在火場環境中，大部分情況下基礎通信設施被破壞，因此極其缺乏通信方案，而機會網絡在應急情況下的快速組建，將有利于火場快速通信系統的建立[1-2]。

因此，本文提出一種基于機會網絡的應急通信方案，解決火場中基礎通信設施無法工作而急需數據傳輸的問題。通過大量網絡仿真實驗發現，在小場景的機會網絡中，使用單副本方式進行數據傳輸相較使用多副本方式，單副本方式的通信系統網絡傳輸效率更優。

1 火場無線數據傳輸方案

由于在火場場景中，傳統的基礎通信設施無法發揮其通信功能。而機會網絡是利用節點之間相遇的機會進行數據投遞的網絡，節點之間采用“存儲—攜帶—轉發”的數據傳輸方式，并不需要基礎通信設施。因此，在火場環境下，快速建立數據傳輸系統可以通過機會網絡的數據傳輸技術來實現。

基于機會網絡的火場中，消防員穿戴具備短距無線通信功能的裝備，即構成機會網絡中的移動節點。這些移動節點施救過程中實時采集總指揮需要的數據，以及施救現場情況影像資料，這些數據通過移動的消防員節點跑動之間相遇的機會，實現節點間投遞數據。

為提高整個通信系統的數據傳輸效率，該火場無線數據的傳輸方案由3類節點構成。（1）數據采集節點：該部分節點作為數據采集節點，主要實現數據采集的功能。（2）中繼節點：該部分節點主要實現數據的轉發和臨時存儲的功能，提高數據傳輸到指揮中心的傳輸效率。（3）數據匯聚節點：該類節點作為數據中心接收或分發火場中的通信數據[3-4]。其網絡拓撲如圖1所示。

圖1 基于機會網絡的火場網絡拓撲結構

由圖1可知，在實際的火場區域的通信網通信網絡由消防員節點與指揮車組成，消防員節點中一部分主要負責采集數據，一部分主要負責轉發數據。他們利用移動的每次相遇機會，在相互通信覆蓋范圍中進行數據傳輸。一般來說，消防員中繼節點在火場指揮系統中，處于數據中繼橋梁的作用，數據轉發壓力較大，因此所攜帶的通信設備功率更高，使其無線傳輸覆蓋范圍更大，有利于該臨時通信網絡的性能。

2 在火場數據傳輸方案中基于機會網絡的數據轉發方式

由于在火場中基于機會網絡技術進行的網絡架構的設計，消防員所攜帶的短距無線通信設備其緩沖區大小有限，對該系統的關鍵性能具有較大的影響。在機會網絡中，節點相遇后節點中的數據包按照一定的規則進行轉發，機會網絡中數據轉發方式主要分為兩種：單副本方式與多副本方式。單副本方式即節點間數據包轉發時不采取復制的方式，而是直接投遞，這里采用First Contact算法的投遞方式。假設Mj={m1,m2}，代表節點j中有m1，m2這兩個數據包，而Mi=。當節點i與節點j相遇時，兩個節點建立連接，節點j將緩存中的數據包全部投遞給i，其結果為Mj=，Mi={m1,m2}。這樣的方式優點是可以減輕網絡負載，節約節點中的緩存。

多副本方式可以一定程度保證網絡的傳輸延遲，這里我們采用基本的數據洪范算法進行數據的轉發。即節點相遇后，節點間交換數據包列表，檢查對方數據包中有沒有自身沒有攜帶的，如果有就相互復制自身節點中沒有的數據包。例如Mj={m1,m2}，Mi={m3,m4}，當節點i與節點j相遇后，分別復制自己沒有的數據包，連接時間充裕則會得到Mj={m1,m2,m3,m4}，Mi={m1,m2,m3,m4}。

這兩種數據轉發方式在不同的應用場景中對網絡性能有著不同表現，本文在下文的仿真實驗中著重對比了這兩種數據轉發方式對火場中的數據傳輸效率的影響。

3 仿真與性能分析

此次仿真采用ONE平臺仿真，模擬樓層中突發大火如圖1所示，其中指揮車通信范圍最大設置為20 m，為貼近現實中的樓層，仿真中設置了與真實的場景相似的關鍵參數，如節點移動速度，通信覆蓋范圍等。其場景大小設置為20 m×80 m的地圖大小。

其他主要參數配置如表1所示。

表1 ONE仿真平臺關鍵參數設置

一般說來，在火場應急指揮系統中，需要數據傳輸率高，延遲低，才有利于火場的應急指揮，而這樣的傳輸指標與副本關系密切。因此在仿真試驗場景的設施中，采用單副本與多副本兩種轉發方式分別進行仿真。通過火場救援中小節點密度群，進行了多次仿真分析，分析了不同數量中繼節點下該通信系統的傳輸效率。實驗結果如圖2所示。

如圖2所示，本文所提出的基于短距無線通信的數據傳輸系統，在采用單副本方式進行轉發數據相較于采用多副本方式而言，單副本方式高出多副本50%以上。單副本方式的投遞成功率隨著中繼節點密度的增加還在呈現逐步上升的趨勢，并穩定在80%以上。這意味著，在火災救援的小場景中，利用本文所提出的網絡架構下，由專用設備構建的自組織網絡能夠滿足基本的通信需求。

在火場快速構建的網絡傳輸系統中，數據的延遲是一個較為重要的指標。結果如圖3所示，可以發現，采用單副本轉發方式在平均時延上不及多副本轉發方式。經過仿真實驗發現在小場景中，單副本轉發方式與多副本隨中繼節點密度增大平均時延均有下降趨勢。多副本轉發方式在平均時延上有較為突出的表現，較單副本方式少50%～80%，這意味在小場景中采用多副本轉發方式，數據能夠更快速地投遞給目的地，實時性更高，更有利于該火場指揮系統的數據傳輸實時性。

圖2 兩種轉發方式的數據傳輸效率結果

圖3 兩種轉發方式的平均時延結果

4 結語

綜上所述，在火災現場的救援工作中，基礎通信系統無法正常工作時，機會網絡是一個較好的選擇。它能夠適應較為惡劣的通信環境，又具有靈活的組網方式。通過實驗發現，在此基于機會網絡的火場通信方案中，選擇單副本方式對救援現場指揮的指揮工作提供更全面、更完整的信息。選擇多副本方式進行數據轉發，時延更低，系統實時性較好。因此，基于該短距離無線通信方案適用于火場環境，可以滿足快速建立應急指揮或數據傳輸系統的需求。

[參考文獻]

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