無線Mesh網(wǎng)絡技術(shù)在應急救援通信保障中的應用研究

李俊鋒，裴建國，白立崧，曹巖松

(中國人民警察大學，河北 廊坊 065000)

在應急救援工作開展過程中，可靠暢通的通信系統(tǒng)是確保迅速準確調(diào)動救援力量、指令準確下達、全面反饋現(xiàn)場災情的決定因素，但是目前消防救援隊伍所使用的通信手段并不能滿足以上應急通信要求。

目前，350 M常規(guī)無線通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信和3G圖傳等是我國消防救援隊伍的主流應急救援通信手段[1]。但事故發(fā)生具有地點不確定、發(fā)生時間突然、組網(wǎng)速度要求快、網(wǎng)絡保障要求高等特點，傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)不能全面應對。一是通信裝備種類繁多，缺乏統(tǒng)一標準[2]。無線電臺、GPS定位系統(tǒng)、POC音頻通信系統(tǒng)等多種技術(shù)已經(jīng)投入使用，但目前尚缺乏統(tǒng)一的標準，在救援現(xiàn)場不能充分發(fā)揮各系統(tǒng)的效能，并且多制式、多頻率的電磁信號造成了未知的干擾，導致救援現(xiàn)場通信混亂。二是公網(wǎng)通信受環(huán)境影響大。公共通信網(wǎng)絡不需消防救援隊伍投資建設，但由于用戶數(shù)量激增導致資源帶寬擁擠的情況時有發(fā)生，很難保證救援現(xiàn)場實時通信的需求。三是高層建筑物或地下場所難以覆蓋。電磁波在空間介質(zhì)傳播過程中，信號會隨傳播距離的增加減弱。此外，應急救援通信也會受到復雜環(huán)境和特殊建筑結(jié)構(gòu)的影響，覆蓋能力大大減弱，因此同頻單跳網(wǎng)絡很難對高層建筑和地下場所完全覆蓋。

隨著無線通信網(wǎng)絡技術(shù)的高速發(fā)展，基于移動通信設備之間組建無線Mesh網(wǎng)絡的技術(shù)已經(jīng)成熟并可以投入使用。無線Mesh網(wǎng)絡技術(shù)憑借其無中心、自組織、多跳路由等特點，具有極強的抗毀性和靈活性，可為消防救援隊伍在各種大型、復雜救援行動中提供可靠、暢通的通信保障。

1 無線Mesh網(wǎng)絡介紹

1.1 無線Mesh網(wǎng)絡發(fā)展現(xiàn)狀

移動自組網(wǎng)技術(shù)發(fā)展初期只有Ad-hoc網(wǎng)絡一種，主要應用在軍事領(lǐng)域。隨著信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，通過將Ad-hoc網(wǎng)絡與傳感器技術(shù)有機結(jié)合，開發(fā)出了冗余性好、容錯度高、吞吐量大并且具有智能感知的無線傳感網(wǎng)(Wireless Sensor Network, WSN)。為了滿足在商業(yè)領(lǐng)域大規(guī)模應用的需要，通過在Ad-hoc網(wǎng)絡基礎上進行改進，衍生出了傳輸速率高、覆蓋范圍廣、可靈活部署的無線Mesh網(wǎng)絡(Wireless Mesh Network, WMN),其可視為一種微縮版本的無線互聯(lián)網(wǎng)，是解決“最后一公里”問題的關(guān)鍵技術(shù)之一[3]。從網(wǎng)絡的移動性能和數(shù)據(jù)傳輸方式來看，無線Mesh網(wǎng)絡技術(shù)類似移動Ad-Hoc，從網(wǎng)絡的規(guī)模、用途等方面來看，Mesh網(wǎng)絡又具有無線局域網(wǎng)絡(WLAN)的特點。Mesh網(wǎng)絡具有兩種網(wǎng)絡的優(yōu)點，形成了一套獨特的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。無線Mesh網(wǎng)絡可以與不同類型網(wǎng)絡實現(xiàn)無縫對接從而實現(xiàn)協(xié)同通信，是一個可進行不斷擴展的動態(tài)網(wǎng)絡協(xié)議架構(gòu)，任意的兩個設備均可以選擇多條無線鏈路確保互聯(lián)互通。通過多年的發(fā)展研究，無線Mesh網(wǎng)絡技術(shù)已經(jīng)進入民用商業(yè)化階段，這使得無線Mesh網(wǎng)絡技術(shù)在軍事通信、互聯(lián)網(wǎng)接入、智能交通以及應急通信等領(lǐng)域都將擁有廣闊的應用前景。

1.2 無線Mesh網(wǎng)絡特點

從無線Mesh網(wǎng)絡的定義來看，無線Mesh網(wǎng)絡技術(shù)是一種多跳、自組織的無線網(wǎng)絡技術(shù)。與單跳無線通信網(wǎng)絡相比，Mesh網(wǎng)絡的特點為健壯性、平衡負載、空間可復用、協(xié)議兼容等[4]。無線Mesh網(wǎng)絡與其他網(wǎng)絡的對比分析如表1所示。

表1 網(wǎng)絡對比分析表

2 基于無線Mesh網(wǎng)絡的應急救援通信網(wǎng)絡系統(tǒng)架構(gòu)設計

本方案設計的救援現(xiàn)場無線網(wǎng)絡是一種以無線Mesh網(wǎng)絡為主的應急通信網(wǎng)絡，主要用于災害發(fā)生后的備用應急通信。現(xiàn)場通信網(wǎng)絡架構(gòu)是由多個部分組合而成的，主要包括救援現(xiàn)場通信指揮中心、現(xiàn)場救援通信子網(wǎng)、無線網(wǎng)絡終端、通信鏈路四個部分。如圖1所示。

圖1 救援現(xiàn)場無線Mesh網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)示意圖

方案設計中，系統(tǒng)架構(gòu)中的四個部分相互配合形成一個有機的整體。在整個架構(gòu)中，現(xiàn)場指揮中心作為整個系統(tǒng)的核心進行組織、協(xié)調(diào)和分配工作，同時也擔負著現(xiàn)場指揮中心的任務。現(xiàn)場通信子網(wǎng)可以根據(jù)任務或區(qū)域的不同進行劃分。Mesh網(wǎng)可以直接對不同通信子網(wǎng)進行組織和配置，子網(wǎng)之間不會出現(xiàn)相互交叉影響的情況。通信子網(wǎng)和指揮中心可以稱為現(xiàn)場通信網(wǎng)絡，其主要擔負現(xiàn)場救援人員之間的通信，是系統(tǒng)的主要組成部分。

救援現(xiàn)場通信指揮中心作為系統(tǒng)的中心，一方面承擔直接指揮和部署現(xiàn)場任務，同時還負責與總指揮中心外界各方聯(lián)系溝通。與外界的聯(lián)系溝通需要通過遠距離通信鏈路輔助完成，遠距離通信鏈路的構(gòu)建可使用短波通信和衛(wèi)星通信技術(shù)。救援現(xiàn)場通信指揮中心有相應的接口負責將現(xiàn)場通信子網(wǎng)信息傳遞至總指揮中心或外界各方，從而實現(xiàn)前后方實時通信的目的。

2.1 救援現(xiàn)場通信指揮中心設計

現(xiàn)場通信指揮中心是災害現(xiàn)場救援的通信樞紐，是對災害現(xiàn)場救援力量進行指揮、調(diào)派的核心機構(gòu)。現(xiàn)場通信指揮中心可與后方指揮中心通過鏈路進行聯(lián)系，從而能夠集合和調(diào)集所有的參戰(zhàn)救援力量。現(xiàn)場通信指揮中心可基于消防通信指揮車直接建立，指揮中心由多個子系統(tǒng)組成，通過對各個子系統(tǒng)中的信息進行整合分析，確定現(xiàn)場救援網(wǎng)絡的構(gòu)建是否合理，并對通信網(wǎng)絡的下一步部署規(guī)劃依據(jù)救援實際情況進行調(diào)整[5]。消防通信指揮車中留存相關(guān)接口，無線Mesh網(wǎng)絡接口為通用接口，可以直接應用于消防通信指揮車中。另外仍需要對無線Mesh網(wǎng)絡的接口和前后方通信鏈路的接口進行對接。

2.2 現(xiàn)場通信子網(wǎng)設計

現(xiàn)場通信子網(wǎng)區(qū)別于整體救援網(wǎng)絡，是應急通信網(wǎng)絡的最小網(wǎng)絡單元，消防、交通、醫(yī)療等部門現(xiàn)場架設的通信網(wǎng)絡都屬于最小網(wǎng)絡單元。現(xiàn)場通信子網(wǎng)使用無線Mesh網(wǎng)絡技術(shù)，可以在環(huán)境復雜的救援現(xiàn)場中充分發(fā)揮出無線Mesh網(wǎng)絡自組織靈活機動、抗摧毀能力強的優(yōu)勢，滿足消防、醫(yī)療、后勤保障等正常通信需求。

當救援力量到達災害現(xiàn)場后，為滿足現(xiàn)場救災需求，應當?shù)谝粫r間建立能夠覆蓋整個救災區(qū)域的通信子網(wǎng)絡。基于無線Mesh網(wǎng)絡技術(shù)建立的現(xiàn)場通信子網(wǎng)絡，應根據(jù)救援現(xiàn)場的地理環(huán)境、障礙物數(shù)量等情況設置不同的無線Mesh路由器，尤其在環(huán)境復雜、障礙物多的區(qū)域相應設置數(shù)量較多的無線Mesh路由器，利用網(wǎng)絡的多跳性能來覆蓋局部救援區(qū)域。在不同的救援區(qū)域建立起現(xiàn)場通信子網(wǎng)絡后，為方便進一步的協(xié)調(diào)指揮，應當迅速與救援現(xiàn)場通信指揮中心進行連接。在已經(jīng)建立的現(xiàn)場通信子網(wǎng)絡中，各個救援單位可以通過Mesh網(wǎng)絡進行語音、圖像、視頻等救援信息的傳遞，為現(xiàn)場救援工作提供輔助。

由于救援現(xiàn)場的情況不能夠事先確定，所以無線Mesh網(wǎng)絡的大部分節(jié)點都必須在災害發(fā)生之后建立。建立時需要對整個災害現(xiàn)場進行分析和判斷。如果發(fā)生大面積的災害事故，則需要確定救援區(qū)域，將人員分組編成，使用通信子網(wǎng)進行小組內(nèi)部通信，避免造成多個小組共用一個現(xiàn)場通信子網(wǎng)絡，造成通信混亂。各個子網(wǎng)絡分別與災害現(xiàn)場指揮中心連接，形成一個有層次的現(xiàn)場救援網(wǎng)絡。

2.3 遠距離數(shù)據(jù)傳輸鏈路設計

大型災害事故發(fā)生后，大面積的受災區(qū)域通常會形成信息孤島，而無線Mesh網(wǎng)絡主要通過多個路由器進行一定區(qū)域范圍內(nèi)的網(wǎng)絡覆蓋，信息向外傳輸難以實現(xiàn)，受災區(qū)域救援信息向外傳遞必須通過前后方通信鏈路實現(xiàn)。由于本方案系統(tǒng)采用多種通信手段結(jié)合的組網(wǎng)建設模式，前后方的通信鏈路可使用衛(wèi)星通信或短波通信技術(shù)。選取衛(wèi)星通信作為通信鏈路原因：一是衛(wèi)星通信距離遠，信號傳播不受地形地貌的影響；二是衛(wèi)星作為中繼設備直接部署于太空，設備不會因為災害發(fā)生造成損壞；三是消防救援隊伍廣泛配備衛(wèi)星通信設備。選取短波通信作為通信鏈路的原因：一是短波通信作為一種無線電通信，可以不受地形限制在災害發(fā)生后迅速建起通信鏈路；二是短波通信傳播方式分為天波和地波，傳播方式多樣，在實際救援過程中可根據(jù)后方指揮中心的不同位置選擇不同的傳播方式。在鏈路使用中，衛(wèi)星通信車或短波電臺的位置應在前方中心，從而便于現(xiàn)場指揮中心與總指揮中心進行數(shù)據(jù)傳遞、命令的下達和接受。

2.4 無線網(wǎng)絡終端設計

無線網(wǎng)絡終端是通信網(wǎng)絡中具體實現(xiàn)通信功能的設備。終端可以根據(jù)功能不同連入不同的通信子網(wǎng)絡，進而實現(xiàn)相應的通信目標。終端與子網(wǎng)絡連接需要應用相應的通信協(xié)議，無線Mesh網(wǎng)絡主要使用的協(xié)議是IEEE802.11MAC協(xié)議。消防救援人員的終端設計應當與救援現(xiàn)場的復雜環(huán)境相適應，應當滿足一定的耐高溫、防水、便攜、續(xù)航時間長等基本要求。此外，在功能上也應滿足救援實際的多元化需求，應當能夠充分收集救援人員生命體征和位置、消防救援車輛的實際工況、現(xiàn)場有毒有害氣體監(jiān)測等信息。終端對多元化信息進行收集后，通過連入通信子網(wǎng)絡向現(xiàn)場救援指揮中心進行傳輸。

3 現(xiàn)場通信子網(wǎng)節(jié)點覆蓋能力計算和節(jié)點布放原則

3.1 節(jié)點覆蓋能力估算

無線Mesh網(wǎng)絡部署的室內(nèi)環(huán)境一般較為復雜，建筑材料和建筑結(jié)構(gòu)的屏蔽影響明顯。為確保網(wǎng)絡部署科學合理，應當根據(jù)信號衰減規(guī)律對網(wǎng)絡節(jié)點的部署數(shù)量、位置以及密度進行合理規(guī)劃。

因此，在無線Mesh網(wǎng)絡組網(wǎng)過程中不應當簡單地根據(jù)理想條件下節(jié)點覆蓋能力進行節(jié)點部署，而是應當根據(jù)實際環(huán)境條件對部署節(jié)點的損耗進行相應的計算，從而得出節(jié)點的實際覆蓋能力。Mesh網(wǎng)絡中繼路由的部署應當充分考慮建筑材料和建筑結(jié)構(gòu)對信號傳播的損耗影響，在此情況下可以采用Keenan-Motely模型進行計算[6]。自由空間傳播損耗公式為：

Ploss=Pt-Pr+Gt+Gr

(1)

式中，Pt為天線入口功率，國家規(guī)定不得超過15 dBm;Pr為接收端信號強度;Gt為發(fā)射天線增益;Gr為接收天線增益。

根據(jù)式(1)，我們可以計算得出路徑損耗Ploss，天線入口功率取9 dBm，接收端信號強度根據(jù)設備數(shù)據(jù)為-90 dBm，發(fā)射天線增益和接收天線增益都按最不利條件計算，取0。

將數(shù)據(jù)帶入(1)式得：Ploss=99 dBm

室內(nèi)信號傳播損耗選擇由室內(nèi)經(jīng)驗傳播推導出的Keenan-Motely模型，目前多數(shù)信號覆蓋計算都采用該模型，具有較高的可信度。在室內(nèi)傳播中無線Mesh信號使用2.4 GHz，符合該公式計算前提范圍。Keenan-Motely 室內(nèi)傳播模型為：

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

(2)

式中：d0為參考距離，單位為m；d為移動臺離發(fā)射機之間的距離，單位為km；FAF為常見建筑障礙物結(jié)構(gòu)穿透損耗經(jīng)驗值，可通過查閱資料得到應急救援中常見建筑障礙物結(jié)構(gòu)的穿透損耗，如表2所示。

表2 常見建筑物穿透損耗值

參考距離d0為1 m時，Ploss1在2.4 GHz頻段取39 dBm，根據(jù)(1)式得到Ploss=99 dBm，以玻璃結(jié)構(gòu)為例進行計算，取FAF為10，代入(2)式可得到玻璃結(jié)構(gòu)作為障礙物時的覆蓋距離d=125.9 m。

通過上述計算可對常見的障礙物穿透損耗進行計算，準確掌握各種障礙物的損耗大小，為網(wǎng)絡部署提供參考。但是在實際組網(wǎng)過程中我們還應考慮到，由于障礙物疊加等各種不利因素的影響，實際情況往往比計算模型考慮到的條件復雜得多[7]。為確保網(wǎng)絡能夠滿足現(xiàn)場通信的要求，應當考慮到最不利條件下的網(wǎng)絡狀態(tài)，因此實際網(wǎng)絡節(jié)點的部署應當比計算得出的數(shù)據(jù)更加密集。在組網(wǎng)過程中，應當根據(jù)網(wǎng)絡節(jié)點部署原則，掌握回避障礙物的技巧，選出最優(yōu)化的部署線路，并隨著應急救援行動的深入展開對節(jié)點部署進行優(yōu)化調(diào)整，必要情況下對節(jié)點進行補充。

3.2 Mesh網(wǎng)絡節(jié)點布放原則

3.2.1 現(xiàn)場通信子網(wǎng)整體布放原則

3.2.1.1 先外圍，后中心。應急救援前期工作是在外圍展開的，首先確保救援區(qū)域外圍的通信暢通，這符合應急救援通信保障工作的客觀規(guī)律。隨著應急救援工作的推進開展，按照工作需求逐步在救援的核心區(qū)域部署節(jié)點，進而在現(xiàn)場構(gòu)建完整的通信網(wǎng)絡。

3.2.1.2 先局部，后整體。救援工作開展初期，通信保障力量投入不足，通信工作應突出重點和難點。應首先為先期到達救援和偵察力量建立通信網(wǎng)絡，保障先期到達力量的通信需求；隨著通信保障設備逐漸到達和救援工作的逐步展開，建立能夠覆蓋整體救援區(qū)域和滿足整體力量通信需求的應急救援通信網(wǎng)絡。

3.2.1.3 先主干，后延伸。該原則是指在救援現(xiàn)場構(gòu)建通信網(wǎng)絡應當首先建立一條主干通信鏈路，滿足一定的通信需求，而后對主干通信鏈路進行延伸和擴展，最終構(gòu)建一個有機的通信網(wǎng)絡主體。主干網(wǎng)絡既要滿足救援初期的實際通信需要，又是構(gòu)建整體通信網(wǎng)絡的基石，為后期網(wǎng)絡的延伸拓展提供依托。

3.2.2 室內(nèi)節(jié)點布放原則

3.2.2.1 重點區(qū)域重點布放。在救援工作開展的核心區(qū)域要進行重點布放，增加布放的節(jié)點數(shù)量，增強該區(qū)域的網(wǎng)絡覆蓋，提升該區(qū)域的通信可靠性。

3.2.2.2 交叉布放。為保證在使用最少路由的情況下實現(xiàn)覆蓋能力的最大化，使室內(nèi)網(wǎng)絡覆蓋更加平均，可根據(jù)使用節(jié)點的實際覆蓋能力交叉布放Mesh路由器。

3.2.2.3 拐角處布放。在樓梯和走廊拐角處布放，可實現(xiàn)一次布放使信號覆蓋兩個方向，減少達到網(wǎng)絡覆蓋要求節(jié)點數(shù)量。

3.2.2.4 定向布放。建筑物的邊緣處易發(fā)生信號泄漏，因此在窗戶、陽臺等處應進行網(wǎng)絡節(jié)點布放，并設置定向天線，提升網(wǎng)絡覆蓋能力。

3.2.2.5 區(qū)域變換處布放。區(qū)域變換處是指由樓梯空間向樓層空間變換的區(qū)域，該區(qū)域由于結(jié)構(gòu)復雜易發(fā)生信號泄漏，是網(wǎng)絡構(gòu)建的薄弱區(qū)域，因此應在該區(qū)域重點布放節(jié)點以提升網(wǎng)絡可靠性。

3.2.3 室外節(jié)點布放原則

3.2.3.1 區(qū)域最高點布放。利用災害區(qū)域內(nèi)可利用建筑物的最高點進行布放或者人為架設天線進行布放，設置在高處有利于信號的傳播。

3.2.3.2 確保室外節(jié)點達到密度要求。這樣做既可以提高網(wǎng)絡的可靠性，又可以確保不會出現(xiàn)信號冗余和帶寬衰減，因為信號在無線Mesh網(wǎng)絡中是通過最優(yōu)路徑傳輸?shù)摹?/p>

3.2.3.3 參數(shù)優(yōu)化。為增加覆蓋范圍，可以對無線Mesh節(jié)點的發(fā)射天線增益和接受天線增益進行參數(shù)的優(yōu)化，提升其傳遞信號的能力

無線Mesh網(wǎng)絡技術(shù)通過多年的發(fā)展，已經(jīng)在諸多領(lǐng)域被廣泛應用，在應急救援通信保障領(lǐng)域也擁有廣闊的應用前景。在災害救援現(xiàn)場迅速構(gòu)建基于無線Mesh網(wǎng)絡的應急救援通信網(wǎng)絡系統(tǒng)，能夠滿足組網(wǎng)速度快、保障能力高、抗摧毀能力強等大型災害事故救援通信組網(wǎng)的要求，確保大型災害事故現(xiàn)場救援通信指揮工作能夠有序開展。