基于室外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)急通信技術(shù)應(yīng)用研究

呂會平

（河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司，河北 石家莊 050200）

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國逐漸加大了突發(fā)應(yīng)急體系建設(shè)力度，并且重點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究。應(yīng)急自組織通信網(wǎng)絡(luò)屬于應(yīng)急通信系統(tǒng)中的重要組成，深受各界關(guān)注。室外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是一種自組織分布式網(wǎng)絡(luò)，不僅具備較好的機(jī)動性，而且擁有快速布設(shè)、開通等優(yōu)勢，在應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中適應(yīng)性較強(qiáng)，能夠有效應(yīng)對各類突發(fā)事件。

1 室外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

1.1 室外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

室外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中主要存在2種終端，分別是Mesh路由器和Mesh客戶端。具體組網(wǎng)過程中，Mesh路由器會利用無線鏈路構(gòu)成多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，骨干網(wǎng)絡(luò)形成后連接Internet網(wǎng)絡(luò)，從而使Mesh客戶端獲得網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)[1]。

路由器間由無線連接構(gòu)建成骨干網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)能夠利用存在網(wǎng)關(guān)功能的路由器與Internet網(wǎng)絡(luò)相連，最終接入無線互聯(lián)網(wǎng)，從而在路由器網(wǎng)關(guān)功能應(yīng)用下有效融合無線Mesh網(wǎng)絡(luò)與其他網(wǎng)絡(luò)。室外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為簡單，各Mesh客戶端能夠在無線連接下獲得Mesh網(wǎng)絡(luò)，通過Mesh客戶端轉(zhuǎn)發(fā)即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。室外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)可高速接入移動終端，實(shí)際上屬于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。混合Mesh網(wǎng)中既包括基礎(chǔ)設(shè)施Mesh網(wǎng)，還包括終端設(shè)備Mesh網(wǎng)，終端設(shè)備接入更加靈活，所有Mesh客戶端設(shè)備均能直接通信。

1.2 室外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

利用相應(yīng)技術(shù)接入無線Mesh網(wǎng)絡(luò)，包括智能天線技術(shù)、多輸入多輸出（Multi Input Multi Output，MIMO）技術(shù)、定向天線技術(shù)以及全向天線技術(shù)等。對于多址接入，可實(shí)現(xiàn)固定分配，也可實(shí)現(xiàn)按需分配等。對于信道資源分配，通常包括集中調(diào)度方式和分布式調(diào)度方式。集中調(diào)度是路由器可以獲取Mesh客戶端請求信息，實(shí)現(xiàn)資源統(tǒng)一分配；分布式調(diào)度是相互交換網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息，協(xié)調(diào)信道資源，并實(shí)施寬帶資源的動態(tài)分配[2]。

系統(tǒng)整體性能會直接受到路徑選擇的影響，某節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時，路由協(xié)議應(yīng)及時選擇新通信鏈路，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定通信。路由算法類型較多，包括動態(tài)源路由算法、目的序列距離矢量路由算法等。與WLAN網(wǎng)絡(luò)不同，室外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是在數(shù)據(jù)多跳轉(zhuǎn)發(fā)下擴(kuò)大通信覆蓋范圍，擁有更強(qiáng)的移動便捷性，同時還能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)融合。

2 室外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點(diǎn)

室外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可根據(jù)實(shí)際需求實(shí)現(xiàn)自動配置與組織，滿足多種組網(wǎng)模式建設(shè)需求，具有靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可有效控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)部署成本，可拓展性良好，能夠根據(jù)需求隨時實(shí)施擴(kuò)容操作。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可在多個網(wǎng)絡(luò)接口中安裝，各接口可通過多元化通信頻道聯(lián)通其他節(jié)點(diǎn)，有效提升網(wǎng)絡(luò)性能。室外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的研究目的是拓展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，信道容量不會減少，視距鏈路用戶不會存在非視距通信現(xiàn)象。通過多跳無線通信技術(shù)可使通信更加通暢，有效擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)無線范圍，提升系統(tǒng)容量。室外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，路由器與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)屬于較為重要的組成內(nèi)容，在骨干網(wǎng)中處于重要位置。2種節(jié)點(diǎn)均為固定模式，可以得到較多的能量供給，同時不會約束能量，網(wǎng)絡(luò)耗能與移動性會直接受到節(jié)點(diǎn)類型的影響。室外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)具備較多網(wǎng)絡(luò)訪問接口，通過接口能夠有機(jī)融合其他無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，獲得更高的用戶聯(lián)通質(zhì)量，有效擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。同傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，室外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)在架構(gòu)與選路等方面均存在特殊性，具有良好的應(yīng)用優(yōu)勢[3]。

3 基于室外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)急通信

3.1 組網(wǎng)模式

（1）單一組網(wǎng)模式。一旦出現(xiàn)重大突發(fā)公共事件，會嚴(yán)重破壞相應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施，如電力設(shè)施、通信設(shè)施等，導(dǎo)致通信網(wǎng)絡(luò)失效，無法進(jìn)行正常的信息傳輸。應(yīng)急救援環(huán)節(jié)，應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)尤為重要、通過室外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，布控應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，救援人員利用應(yīng)急通信節(jié)點(diǎn)設(shè)備可以選擇1對1通信方式，也可以選擇1對多通信方式，實(shí)現(xiàn)指揮控制信息的安全傳遞。在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用下，應(yīng)急指揮中心能夠獲得詳細(xì)的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，為應(yīng)急通信指揮提供良好條件，使應(yīng)急處置效率得到進(jìn)一步提升[4]。

（2）混合組網(wǎng)模式。當(dāng)單一應(yīng)急通信方式無法滿足需求時，可選擇多種應(yīng)急通信方式聯(lián)合應(yīng)用，保證應(yīng)急救援人員順利開展各項工作，不會受到接入方式和地點(diǎn)等的限制，確保通信暢通[5]。在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)、短波通信以及衛(wèi)星通信的聯(lián)合應(yīng)用下，形成混合組網(wǎng)模式。應(yīng)急報警階段，由于公共通信網(wǎng)絡(luò)受到了嚴(yán)重破壞，此時可將信息通過短波通信電臺向上級指揮中心傳送。衛(wèi)星通信能夠?qū)崿F(xiàn)廣域無縫覆蓋，但是在大規(guī)模用戶方面不具備較強(qiáng)的組網(wǎng)能力。而無線Mesh網(wǎng)絡(luò)屬于自組織網(wǎng)絡(luò)，其中包含較多節(jié)點(diǎn)，組網(wǎng)能力較強(qiáng)，但會有較多影響因素，在一定程度上限制了實(shí)際通信范圍。因此，將無線Mesh網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星通信相結(jié)合，構(gòu)建應(yīng)急現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)，從而確保指揮命令及時、準(zhǔn)確下達(dá)，有效提升應(yīng)急反應(yīng)能力。

3.2 平面架構(gòu)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）應(yīng)用平面中涵蓋網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，并存在OpenStack功能，利用北向接口連接控制平面。SDN控制平面中擁有Web管理平臺，可實(shí)現(xiàn)路由器管理，并具備實(shí)時監(jiān)測功能，南向接口與應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface，API）相連，可以提供相應(yīng)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，還能進(jìn)行流表管理等。SDN數(shù)據(jù)平面主要是在南向接口應(yīng)用下連接控制平面，其中存在較多設(shè)備，如路由器、交換機(jī)等。該模塊屬于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)下應(yīng)急通信的關(guān)鍵部分，各節(jié)點(diǎn)具備較強(qiáng)的信息處理與分析能力，在智能路由器的應(yīng)用下可使信息傳輸與接收更加穩(wěn)定。數(shù)據(jù)平面模塊中存在可操作系統(tǒng)，能夠通過應(yīng)用程序構(gòu)建框架，進(jìn)行專屬管理系統(tǒng)開發(fā)，科學(xué)配置路由器，并做出適當(dāng)修改。數(shù)據(jù)平臺中存在較多技術(shù)，如數(shù)據(jù)漫游技術(shù)、負(fù)載均衡技術(shù)等，可以有效發(fā)揮數(shù)據(jù)平臺的功能[6]。

實(shí)際上，Mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)屬于控制平臺的基礎(chǔ)設(shè)備，同時還會向平臺中設(shè)置接入網(wǎng)服務(wù)器，使其成為集中處理模塊。對于控制平臺而言，其具備良好的數(shù)據(jù)處理能力和較強(qiáng)的數(shù)據(jù)儲存能力，可以為應(yīng)急通信技術(shù)的應(yīng)用提供支持，穩(wěn)定進(jìn)行信息處理[7]。控制平臺存在靈活控制特點(diǎn)，通過云主機(jī)的應(yīng)用，可遠(yuǎn)程獲取信息，從而了解工作狀態(tài)。控制平臺中，服務(wù)器可利用控制模塊與網(wǎng)關(guān)模塊連接，從而發(fā)布各項指令和接收相應(yīng)信息，充分發(fā)揮室外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，提升應(yīng)急通信水平。信息展示與網(wǎng)絡(luò)配置模塊主要處于服務(wù)器前端系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)信息接收、數(shù)據(jù)儲存以及網(wǎng)絡(luò)控制模塊主要處于節(jié)點(diǎn)端。

控制平面節(jié)點(diǎn)端的功能包括網(wǎng)絡(luò)信息獲取、上報等，主要由鏈路信息獲取模塊、節(jié)點(diǎn)初始化模塊、平面交互模塊以及節(jié)點(diǎn)信息獲取模塊組成。鏈路信息獲取模塊具備較多功能，不僅能夠獲取收發(fā)速率情況，了解信號強(qiáng)度及干擾情況，還能獲得鄰居射頻媒體訪問控制（Media Access Control，MAC）地址。節(jié)點(diǎn)初始化模塊應(yīng)用中可進(jìn)行射頻配置初始化、射頻功能開啟等，同時還能對IP地址進(jìn)行初始化。平面交互模塊應(yīng)用下能夠建立網(wǎng)絡(luò)連接，接收并解析配置信息，支持鏈路信息發(fā)送，信息分析與處理能力較強(qiáng)。節(jié)點(diǎn)信息獲取模塊主要負(fù)責(zé)獲取各類信息，如射頻可用信道等。實(shí)際應(yīng)用時，相關(guān)人員可結(jié)合信息處理需求編寫節(jié)點(diǎn)端程序，主要是進(jìn)行Mesh網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器前端模塊與后端模塊的劃分與功能設(shè)計，從而在應(yīng)急通信中充分發(fā)揮室外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的作用[8]。

4 結(jié) 論

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)具備快速布設(shè)、開通等優(yōu)勢，可以與多種應(yīng)急通信方式結(jié)合，如短波應(yīng)急通信方式、衛(wèi)星應(yīng)急通信方式等，還能作為城域網(wǎng)與移動通信網(wǎng)絡(luò)的延伸，市場發(fā)展前景巨大。將室外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)與當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行良好融合，擴(kuò)大無線接入覆蓋范圍，從而進(jìn)一步提升無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。