专利名称：一种基于网络分簇和信息摆渡的无线自组应急通信网的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线自组织应急通信网络服务增强技术，尤其涉及一种基于网络分簇组网和信息摆渡投递的无线应急自组通信网络。
背景技术：
当发生战争、大型自然灾害或突发公共事件时，在突发公共事件发生区域，现有的通信网络设施很可能遭到破坏，即使存在少量可用的通信基础设施，由于天气、地形等因素的影响和短时间激增的通信量，往往无法满足应急通信时间突发性、地点不确定性、业务紧急性和信息多样性的特殊需求。无线自组网(Wireless Self-organizing Network)是近年来得到广泛关注和研究一种特殊的移动通信网络，网络中节点兼有主机和路由器的功能， 具有自组织、自愈合、无中心、多跳路由等特点，无需依赖预先架设的网络基础设施就可以快速自动组网，特别适合应急通信这类突发、临时性通信场合。为此，可以在突发事件发生后在事发现场利用无线自组网技术快速部署自组织、自配置的应急通信网络，为复杂多样的应急环境下各类用户群体提供快速、可靠、健壮的通信服务保障。在无线自组网中需要多个节点之间协作来维护网络连接和提供网络服务，现有的研究工作大都假设无线自组网是连通的，也就是假定任何两个节点之间在任何时候都存在端到端路径。但是在实际的应用场景中，特别是在大规模自然灾害(如地震和洪灾)发生后临时部署的无线应急自组网中，由于灾害事件发生突然且波及区域较大，难以在短时间内部署足够数量的网络节点，加之普通用户终端的通信范围很有限，使得构建的无线自组网是一种节点稀疏分布(密度较低)的难以保持网络全连通的Ad Hoc网络，在这种网络中常会出现较长时间的网络分割现象(即存在多个不能互相连通的子网)，甚至整个网络也不能满足区域覆盖要求，从而不能保证数据在全网内的可靠投递，即使能够投递到目的节点， 往往也是较低的数据投递率和较大的时延。虽然通过增加节点密度或发送功率的方法可以消除网络分割，但是前者会大大增加网络部署成本，而后者则会过快消耗稀缺的节点能量， 进而降低网络寿命。为此，迫切需要一种有效的网络组织和数据投递机制来增强数据投递的可靠性，提高数据投递率和降低投递时延，进而改善网络的服务性能。当前研究成果表明，Ad hoc网络可以采用平面式和分级式网络结构。平面网络结构中所有节点的功能和地位平等，存在控制开销大、路由经常出现中断等缺点，主要适用于中小型网络。分级结构中，网络被划分成簇，每个簇由一个簇头和多个普通节点组成，如附
图1所示。簇头间的通信需要借助网关节点完成，簇头和网关形成了虚拟骨干网。分级网络结构的可扩充性好，路由和控制开销较小，适用于规模较大的网络。采用分簇网络结构， Ad Hoc网络还可以采用类似于蜂窝网络中的资源分配方法，在簇内，簇头可以控制节点的业务接入请求并合理分配带宽。此外，在分簇结构中，簇内可以采用先验式路由算法，而簇间使用反应式路由协议来减少通信和路由开销。因此通过分簇算法将网络划分成簇可以在很大程度上提高Ad hoc网络的性能，非常适合于规模较大的无线应急通信网络环境。迄今为止，已经提出了大量的分簇算法来构建和维护分级网络结构。分簇算法的选择依赖于应CN 102368863 A
说明书
2/9页
用的需求、网络的环境和节点的特征，各种分簇算法具有不同的优化目标，包括最小化簇计算和维护开销、最小化簇头、最大化簇稳定性和最大化网络生存时间等。除此之外，有些学者提出利用节点的移动性来辅助数据投递。例如，无线传感网络中的DataMule机制使用移动实体将传感器感知采集的数据快速投递到接收节点，但是该机制针对相对静态的传感网络并且目的节点位置固定。延迟容忍网络(Delay Tolerant Networks,DTN)利用消息存储转发机制试图通过牺牲信息传输时延来保证信息投递的可靠性，具体来说，在出现网络分割时携带数据的节点暂时缓存数据，并当网络合并时将数据转发到其他子网中。这种缓存转发方式是一种被动式传递机制，适用于时延容忍型应用，却不适合时延敏感性应用。另外，有些研究工作提出采用空中基础设施，如低空飞行器或卫星来互联隔离的地面MANET，但是网络部署复杂，成本过高。还有的学者提出采用数据复制机制来解决稀疏MANET的数据投递问题，如基于洪泛广播的传染路由，但是这种方法的网络控制开销较大，可扩展性和能效较低。相比而言，M. Lee等人提出的信息摆渡(Message Ferrying,以下简称MF)机制通过中继节点的主动移动来来提供临时性网络连接，进而提高网络服务性能。但是，现有的MF机制主要是面向DTN网络考虑摆渡路由的设计问题，并没有针对应急通信场合提出满足各类用户群体通信需求的组网方式和数据投递方法。
发明内容
发明目的为了克服现有技术方案存在的不足，本发明提供一种基于网络分簇和信息摆渡的无线自组应急通信网，针对应急通信的实际需求，充分利用和紧密结合网络分簇和信息摆渡机制来消除传统Ad Hoc网络可扩展性不强和稀疏Ad Hoc网络连通性难以保障的问题，通过建立基于簇的分级网络结构和基于信息摆渡的主动式移动中继机制来提高数据传输的可靠性和时效性。技术方案为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于网络分簇和信息摆渡的无线自组应急通信网，通过分簇网络结构提高网络的整体性能和可扩展性，通过信息摆渡机制增强网络的可生存性和服务可靠性，两者的结合而使无线自组网在支持应急通信上的技术优势得以有效发挥，以便使应急现场内各类人员之间以及应急现场到应急指挥中心的信息交互可靠及时，在复杂多样的应急环境下为不同用户群体提供有区分的通信服务保障。一种基于网络分簇和信息摆渡的无线自组应急通信网，包括若干常规节点和适当数量的摆渡节点，其中常规节点包括一个(或两个，其中一个备用)应急现场指挥中心ECC、 多个应急救援专用通信节点ECN和大量普通通信节点OCN ；所述应急现场指挥中心ECC充当整个应急通信网络的指挥协调节点，并为其覆盖范围内的应急救援专用通信节点ECN的簇头节点；所述应急救援专用通信节点ECN为其覆盖范围内的普通通信节点OCN的簇头节点，不在应急救援专用通信节点ECN覆盖范围内的普通通信节点OCN通过分簇算法选取簇头节点并分簇(即形成分簇网络)；簇头节点和相应的网关节点互连构成一个以上无线干线网WBN，普通通信节点OCN就近接入所属的无线干线网WBN，位于同一个无线干线网WBN 内的常规节点之间进行直接通信或通过该无线干线网WBN内的其他常规节点进行间接通信，位于不同无线干线网WBN内的常规节点之间需要借助摆渡节点进行中继通信。所述中继通信包括如下步骤
(1)无线干线网WBm中向无线干线网WBN2发送消息M的簇头节点Hl首先向应急现场指挥中心ECC请求摆渡中继；(2)应急现场指挥中心ECC判断是否存在可用的摆渡节点F，如果判断结果为否， 则告知簇头节点Hl需要继续等待；(3)如果存在可用的摆渡节点F，则摆渡节点F移动到簇头节点Hl所在的无线干线网WBm的通信范围内，然后簇头节点Hl将消息M转发给摆渡节点F ；(4)随后，摆渡节点F移动到目标节点所在的无线干线网WBN2的通信范围内，并将消息M转发给接收消息的簇头节点H2。若同时存在两个以上请求中继的消息，则应急现场指挥中心ECC和摆渡节点首先判断消息的转发优先级，按优先级由高至低的顺序首先转发优先级高的消息。可以按照表1确定消息的转发优先级表1摆渡节点转发消息时遵循的转发优先级配置表
权利要求
1.一种基于网络分簇和信息摆渡的无线自组应急通信网，其特征在于该自组通信网包括常规节点和摆渡节点，其中常规节点包括应急现场指挥中心ECC、应急救援专用通信节点ECN和普通通信节点OCN ；所述应急现场指挥中心ECC充当整个应急通信网络的指挥协调节点，并为其覆盖范围内的应急救援专用通信节点ECN的簇头节点；所述应急救援专用通信节点ECN为其覆盖范围内的普通通信节点OCN的簇头节点，不在应急救援专用通信节点ECN覆盖范围内的普通通信节点OCN通过分簇算法选取簇头节点分并簇；簇头节点和相应的网关节点互连构成一个以上无线干线网WBN，普通通信节点OCN就近接入所属的无线干线网WBN，位于同一个无线干线网WBN内的常规节点之间进行直接通信或通过该无线干线网WBN内的其他常规节点进行间接通信，位于不同无线干线网WBN内的常规节点之间通过摆渡节点进行中继通信。
2.根据权利要求1所述的基于网络分簇和信息摆渡的无线自组应急通信网，其特征在于所述不同无线干线网WBN之间的中继通信包括如下步骤(1)无线干线网WBm中向无线干线网WBN2发送消息M的簇头节点Hl首先向应急现场指挥中心ECC请求摆渡中继；(2)应急现场指挥中心ECC判断是否存在可用的摆渡节点F，如果判断结果为否，则告知簇头节点Hl需要继续等待；(3)如果存在可用的摆渡节点F，则摆渡节点F移动到簇头节点Hl所在的无线干线网 WBNl的通信范围内，然后簇头节点Hl将消息M转发给摆渡节点F ；(4)随后，摆渡节点F移动到目标节点所在的无线干线网WBN2的通信范围内，并将消息 M转发给接收消息的簇头节点H2。
3.根据权利要求2所述的基于网络分簇和信息摆渡的无线自组应急通信网，其特征在于若同时存在两个以上请求中继的消息，则应急现场指挥中心ECC和摆渡节点首先判断消息的转发优先级，按优先级由高至低的顺序首先转发优先级高的消息。
4.根据权利要求3所述的基于网络分簇和信息摆渡的无线自组应急通信网，其特征在于按照下表确定消息的转发优先级转发优先级消息来源消息内容消息类型1指挥员指挥控制信息语音2指挥员指挥控制信息数据3救援人员指挥控制信息语音4救援人员指挥控制信息数据5指挥员常规信息语音6指挥员常规信息数据7救援人员态势感知信息视频
5.根据权利要求2所述的基于网络分簇和信息摆渡的无线自组应急通信网，其特征在于所述步骤(3)中，摆渡节点F主动或按既定路线移动到簇头节点Hl所在的无线干线网 WBNl的通信范围内；所述步骤中，摆渡节点F主动或按既定路线移动到目标节点所在的无线干线网WBN2的通信范围内。
6.根据权利要求1所述的基于网络分簇和信息摆渡的无线自组应急通信网，其特征在于所述摆渡节点平时处于默认配置模式，得到中继请求后切换为主动移动转发模式进行中继转发，中继转发完成后返回默认配置模式。
7.根据权利要求5所述的基于网络分簇和信息摆渡的无线自组应急通信网，其特征在于所述默认配置模式为静止位于应急现场指挥中心ECC周围或按既定路线移动。
8.根据权利要求1所述的基于网络分簇和信息摆渡的无线自组应急通信网，其特征在于不在应急救援专用通信节点ECN覆盖范围内的普通通信节点OCN通过AOW算法选取簇头节点并实施分簇。
全文摘要
本发明公开了一种基于网络分簇和信息摆渡的无线自组应急通信网，包括一个应急现场指挥中心ECC、多个应急救援专用通信节点ECN、大量普通通信节点OCN和适当数量的摆渡节点；应急现场指挥中心ECC充当整个应急通信网络的指挥协调节点，并为其覆盖范围内的应急救援专用通信节点ECN的簇头节点；应急救援专用通信节点ECN为其覆盖范围内的普通通信节点OCN的簇头节点；簇头节点和网关节点互连构成无线干线网WBN，普通通信节点OCN就近接入所属的无线干线网WBN，位于不同无线干线网WBN内的常规节点之间通过摆渡节点进行中继通信。本发明将网络分簇和信息摆渡机制进行了有机结合，增强了信息投递的可靠性和时效性。
文档编号H04W40/02GK102368863SQ201110325069
公开日2012年3月7日 申请日期2011年10月24日 优先权日2011年10月24日
发明者宋丽华, 王海涛, 陈晖 申请人:中国人民解放军理工大学