基于无线自组网的应急通信技术

应急通信是为应对自然灾害或公共突发事件而提供的特殊通信机制和手段。本书以突发紧急事件下应急通信网络组织和服务保障为研究重点，在系统阐述应急通信保障现状和传统应急通信技术手段的基础上，深入探讨了基于无线自组网的应急通信系统构建所涉及的一系列关键技术问题，内容涵盖了应急通信的基本概念、发展研究现状、网络架构、关键技术和应用，其中关键技术主要包括：异构网络融合互通，网络生存性增强技术，多业务流QoS支持技术，网络管理和安全，网络认知与协同，以及网络性能测量和评价方法等。

第1章 应急通信概述 （1）
1.1 应急通信的相关概念和内涵 （1）
1.1.1 突发事件 （1）
1.1.2 应急通信 （2）
1.1.3 灾备通信 （3）
1.1.4 应急指挥 （4）
1.1.5 应急联动 （4）
1.1.6 公众通信与应急通信的关系 （5）
1.2 应急通信的特点 （6）
1.3 应急通信的分类和分级 （7）
1.3.1 应急通信场景的分类与比较 （7）
1.3.2 应急通信的分类与分级 （8）
1.4 应急通信的需求分析 （9）
1.4.1 不同应急突发情况下的通信需求 （9）
1.4.2 不同应急时间阶段的通信需求 （10）
1.4.3 不同应急用户的通信需求 （11）
1.4.4 不同应急事件级别的通信需求 （13）
1.5 应急通信系统的功能及提供的业务 （14）
1.6 应急通信的国内外发展应用现状 （15）
1.6.1 国外应急通信发展动态 （15）
1.6.2 国内应急通信发展概况 （17）
1.6.3 应急通信发展趋势 （19）
1.7 我国应急通信保障面临的问题和解决对策 （20）
1.7.1 存在的问题 （20）
1.7.2 解决对策 （21）
1.8 本章小结 （22）
第2章 应急通信保障方式和技术手段分析 （23）
2.1 应急通信保障的基本概念 （23）
2.2 应急通信保障体系 （24）
2.2.1 应急通信保障的指导思想和总体目标 （24）
2.2.2 应急通信保障体系总体架构 （25）
2.2.3 应急通信保障管理体系 （27）
2.2.4 应急通信技术体系 （30）
2.2.5 应急通信标准体系 （33）
2.3 传统应急通信技术 （35）
2.3.1 基于公共固定通信网的应急通信 （36）
2.3.2 卫星通信 （37）
2.3.3 无线集群通信 （38）
2.3.4 公众移动通信网络 （40）
2.3.5 短波和微波应急通信 （41）
2.3.6 业余无线电通信 （42）
2.3.7 无线广播和互联网 （42）
2.4 新型应急通信技术 （43）
2.4.1 遥感与定位技术 （43）
2.4.2 号码携带 （44）
2.4.3 应急通信车 （45）
2.4.4 空中通信平台 （47）
2.4.5 基于NGN的应急通信 （48）
2.4.6 无线宽带专网 （49）
2.4.7 基于WiMAX的应急通信 （51）
2.4.8 基于无线自组网的应急通信 （53）
2.4.9 认知无线电和认知网络 （53）
2.4.10 其他应急通信新技术 （54）
2.5 应急通信网络的组成和技术选型 （57）
2.5.1 应急通信网络的组成 （57）
2.5.2 应急通信保障中的技术选型 （57）
2.5.3 面向不同用户对象的通信手段 （59）
2.6 应急通信的技术热点和技术难点 （60）
2.6.1 应急通信的技术热点 （60）
2.6.2 应急通信的技术难点 （62）
2.7 应急通信保障实施建议 （62）
2.8 本章小结 （65）
第3章 无线自组网及其在应急通信中的应用 （66）
3.1 前言 （66）
3.2 Ad hoc网络 （67）
3.2.1 提出背景 （67）
3.2.2 基本概念和特点 （68）
3.2.3 Ad hoc网络的体系结构 （69）
3.2.4 Ad hoc网络的主要研究内容 （71）
3.3 无线传感网 （76）
3.3.1 基本概念 （76）
3.3.2 WSN的应用目标与特征 （77）
3.3.3 无线传感网的体系结构 （78）
3.3.4 无线传感网的设计 （82）
3.4 无线Mesh网络 （84）
3.4.1 基本概念 （84）
3.4.2 研究和应用现状 （85）
3.4.3 相关技术标准 （85）
3.4.4 技术特点 （87）
3.4.5 网络结构 （88）
3.4.6 关键技术分析 （89）
3.5 无线自组网在应急通信中的应用 （91）
3.5.1 Ad hoc网络在应急通信中的应用 （91）
3.5.2 无线传感网在应急通信中的应用 （93）
3.5.3 无线Mesh网络在应急通信中的应用 （95）
3.5.4 基于无线自组网的综合应急通信应用 （97）
3.6 本章小结 （98）
第4章 基于无线自组网的应急通信网络体系架构 （99）
4.1 引言 （99）
4.2 应急通信网络的构建要求 （99）
4.3 一体化异构应急通信网络体系框架设计 （101）
4.3.1 设计原则和目标 （101）
4.3.2 异构应急通信网络的分层框架和通用协议栈 （101）
4.3.3 系统体系结构 （103）
4.3.4 物理网络结构 （105）
4.3.5 组织和部署方案 （106）
4.3.6 入网过程与管理 （109）
4.3.7 结合无线自组网和蜂窝网络的混合式组网 （111）
4.3.8 网络特点和优势分析 （113）
4.4 基于RBAC的应急响应模型研究 （113）
4.4.1 需求背景 （113）
4.4.2 应急响应的一般模型 （114）
4.4.3 基于RBAC的应急响应模型 （115）
4.4.4 约束条件分析 （118）
第5章 支持应急通信的异构网络融合技术 （120）
5.1 背景需求 （120）
5.2 研究发展现状 （122）
5.3 技术问题分析 （123）
5.3.1 移动性管理 （123）
5.3.2 无线资源管理 （125）
5.3.3 呼叫接入控制 （126）
5.3.4 异构网络选择 （127）
5.3.5 端到端QoS保证 （127）
5.3.6 安全问题 （128）
5.4 异构网络互连原理与策略 （129）
5.4.1 异构网络互连的基本概念和原理 （129）
5.4.2 异构网络互连策略 （130）
5.4.3 异构网络互连实现方法 （132）
5.5 支持异构网络互连的应急通信网络结构设计 （135）
5.5.1 设计目的 （135）
5.5.2 设计方案 （135）
5.5.3 其他考虑 （137）
5.6 无线自组网与其他网络的互连方案 （137）
5.6.1 网络互连的需求和形式 （137）
5.6.2 网络互连解决方案 （139）
5.7 一种基于用户等级和负载均衡的多属性网络选择算法 （143）
5.7.1 算法提出背景 （143）
5.7.2 基于AHP和TOPSIS的网络选择 （144）
5.7.3 仿真分析 （147）
5.8 本章小结 （149）
第6章 应急通信网络的生存性增强技术 （150）
6.1 引言 （150）
6.2 网络生存性研究状况分析 （151）
6.3 应急通信网络生存性增强策略与方法 （153）
6.3.1 生存性增强策略 （153）
6.3.2 生存性增强技术和方法 （154）
6.4 高生存性异构应急通信网络的构建 （159）
6.4.1 应急通信网络的生存性特点和需求 （159）
6.4.2 高生存异构应急通信网络的设计 （161）
6.4.3 提高应急通信网络可生存性的若干措施 （165）
6.5 应急通信网络的信息传输模式 （167）
6.5.1 信息共享方式和传输模型 （167）
6.5.2 基于角色的路由和选择性扩散 （168）
6.5.3 基于短消息服务的位置路由 （170）
6.6 应急通信网络中的信息摆渡机制 （171）
6.6.1 背景需求 （171）
6.6.2 相关工作说明 （172）
6.6.3 基于网络分簇的信息摆渡机制 （172）
6.7 无线自组网中基于概率估计的冗余控制算法 （177）
6.7.1 相关工作 （177）
6.7.2 算法设计目标和思想 （178）
6.7.3 PERCA算法描述 （178）
6.7.4 仿真验证 （180）
6.8 无线自组网中能耗均衡的分簇路由协议 （181）
6.8.1 相关工作分析 （181）
6.8.2 EBCRP协议的设计 （183）
6.8.3 仿真实验分析 （185）
6.9 应急通信中基于簇的WSN生存性路由协议 （186）
6.9.1 动机和目的 （186）
6.9.2 网络模型 （186）
6.9.3 协议的工作流程 （187）
6.9.4 仿真与结果分析 （190）
6.10 本章小结 （193）
第7章 应急通信网络的多业务流QoS支持技术 （194）
7.1 基本概念和服务要求 （194）
7.1.1 QoS的定义和特征 （194）
7.1.2 服务需求 （195）
7.2 相关研究现状 （195）
7.3 协议栈各层的QoS保障机制 （197）
7.3.1 无线信道预测机制 （197）
7.3.2 支持QoS的MAC协议 （198）
7.3.3 QoS路由 （199）
7.3.4 无线自组网的传输层协议 （201）
7.3.5 应用层自适应机制 （202）
7.4 无线自组网的跨层QoS体系结构 （203）
7.4.1 背景需求和设计理念 （203）
7.4.2 实施跨层QoS保障的策略和方法 （204）
7.4.3 基于跨层设计的QoS体系结构 （206）
7.5 无线自组网的拥塞控制机制 （208）
7.5.1 问题和挑战 （208）
7.5.2 研究发展现状分析 （208）
7.5.3 新的研究思路和方法 （209）
7.5.4 研究目标、技术问题和解决方案 （211）
7.5.

前 言
　　我国地处环太平洋和北半球中纬度两条灾害带的交汇处，是灾害多发、灾害面广、灾害损失严重的国家之一。20世纪90年代以来，我国年均受灾人口在2亿人次以上。在出现自然灾害、突发事件等各类紧急情况后，通信是实施抢险救援与对外联络极其重要的一环；政府和人民群众对通信的依赖程度显著高于平时，需要利用各类通信手段迅速通报险情、指挥救援、实施紧急援助等；快速响应、稳定可靠和全面高效的应急通信系统无疑成为降低灾害损失的一项决定性因素。即使在通信和信息技术高度发达的今天，在灾难面前，现有的应急通信保障措施也显得力不从心。近年来，特别是2008年以来我国相继发生了南方冰冻雨雪灾害、四川汶川大地震、舟曲泥石流和玉树地震等特大自然灾害，并且先后成功举办了举世瞩目的北京奥运会和上海世博会，这些突发自然灾害和重大事件使应急通信再度成为人们关注的焦点。面对这些重大突发事件，如何构建能实现平时和灾时结合的可靠、高效、安全的应急通信网络，成为迫切需要解决的问题。从某种意义上讲，有效应对重大突发事件的能力已成为社会现代化和国家综合实力的一个重要标志，直接关系到国家的政治稳定和经济发展。
　　大量事实表明，在突如其来的大型自然灾害和公共事件面前，常规的通信手段往往无法满足应急通信需求。应急通信正是针对这种特殊的通信需求而提出的，目的是在应急突发情况下有效利用各种通信资源和技术手段来及时发布通告、保证相关人员迅速准确获取和传递信息，协调各类用户群体的行动以及进行统一的指挥调度等，以便**限度地降低灾难损失、维护社会稳定和辅助灾后重建。所以，必须探索和建立各种有效的、形式多样的应急通信保障措施和防灾、救灾预案，以便在各类紧急情况和自然灾害面前及时提供有效的通信保障。与西方发达国家相比，我国的应急通信技术手段相对落后。当前，国内应急通信主要依托现有通信设施（包括公共通信网和公众传媒网）并在基础设施受损或不能满足通信需求时借助卫星、短波和专用集群通信系统来提供应急通信保障。应急通信具有时间突发性、地点不确定性、业务紧急性、信息多样性和过程短暂性等显著特点，而传统的通信系统在设计和实现时并没有对这些特点予以充分考虑。应急通信的上述特点要求能够快速部署应急通信网络，为各类用户及时提供多样化的、满足各自需求的通信服务，对特定区域进行实时监控，对紧急突发事件做出快速响应，并能有效协调各种救援力量实施抢险救灾和灾后重建。目前国内的应急通信系统功能单一，且依赖基础通信设施，自组织能力和顽存性较低，难以进行网络管理和提供多业务流QoS支持。举例来说，公众通信网不可靠，且在应急通信情况下容易过载而变得不可用；集群通信系统能够在紧急突发场合下快速建立呼叫，并支持组呼、广播呼叫和补充业务，但其覆盖范围和通信容量较小，通常仅限于指挥调度应用并且仍依赖基础通信设施；卫星通信较健壮、覆盖范围广，但是传输能力有限，部署和使用成本高且技术支持困难。应急通信保障涉及防灾预警、网络组织、资源配置、通信支持、指挥调度等多方面的问题，现阶段包括卫星和集群通信系统在内的应急通信系统已不能满足复杂多样的应急环境下为各类用户群体提供快速、可靠、健壮的通信服务保障的要求，必须引入新的技术手段和方法。
　　随着信息网络技术的发展，近年来出现了一系列可供应急通信选择的新型技术手段，尤其是以Ad hoc网络为代表的无线自组网技术。无线自组网是无线（移动）通信和计算机网络融合发展的产物，其特点是网络无中心、自组织、多跳传输，具有灵活、易部署和自配置的优点，非常适合组建应急通信网络来协调各类人员展开救援行动和应对突发事件；而现有的公众通信网络在突发危机面前发挥的作用很有限，特别是不能满足重大自然灾害和突发公共事件出现时对应急通信服务的要求。因此，借鉴发达国家在应急通信保障方面取得的经验和技术成果，并结合我国国情和通信现状，针对应急通信网络的特点和应急通信的特殊要求，在依托传统通信手段的基础上充分利用无线自组网技术，制定有效结合无基础设施网络和有基础设施网络的应急通信网络组织和保障体系是十分必要的，也是完全可行的。
　　本书正是在上述背景需求下酝酿编著的，希望运用包括无线自组网在内的多种****成果来支持应急通信网络的快速组建和有效维护，增强应急通信网络的适应性和应用效能，以便在复杂多样的应急环境下为不同用户群体提供各自所需的通信服务。
　　本书的主要著者长期从事计算机网络、移动通信、系统评估和人工智能等方面的研究工作，在网络体系结构、分布式计算、网络管理、网络协议开发和性能分析领域积累了大量经验。他们从2001年起开始对无线自组网技术进行了广泛深入的研究，尤其是在网络体系结构、分簇算法、跨层设计方法和QoS保障等方面取得了一些研究成果。本书的内容材料经过精心选取和构思，从理论与实践相结合的角度，先介绍应急通信网络基础知识，再系统阐述以无线自组网为代表的应急通信网络新技术。全书分为10章。其中，第1章介绍应急通信的概念和特点，对应急通信的各种场景分类比较，并阐述国内外应急通信的研究现状以及我国应急通信保障所面临的问题；第2章对应急通信已有研究成果进行深入调研，介绍应急通信网络技术选型归纳应急通信技术热点和难点；第3章对无线自组网技术进行系统介绍，并举例说明无线自组网在应急通信的应用；第4章探讨多种无线自组网之间以及无线自组网和现有网络基础设施的内在联系和有机融合，充分利用无线自组网技术设计融合多种通信网络的异构应急通信网络体系架构，包括物理网络结构和逻辑分层结构，并介绍应急通信网络的入网管理机制和应急响应模型；第5～9章对应急通信网络的组织和维护以及业务开展中所涉及的若干关键技术问题进行全面深入的阐述，并设计和实现相关网络协议和算法来解决异构网络融合互通、可生存的通信模式、多业务流QoS支持、网络安全和管理以及网络认知与协同等技术难题，包括：互联网关发现和网络选择机制、网络冗余控制、可生存路由协议、高效的信息传输模式、信息摆渡机制、网络安全技术、QoS体系结构、业务流分类和优先级处理机制、网络资源管理、QoS路由、拥塞控制机制、认知网络和协同通信技术等；第10章针对异构应急通信网络的特点制定全面、客观的性能评价指标体系，并基于该指标体系利用计算机仿真平台，在各种网络条件下对应急通信网络的效能进行定量评价。
　　本书是集体智慧的结晶。解放军理工大学的王海涛副教授负责全书内容的组织和主干章节的撰写，张学平教授、陈晖教授、宋丽华副教授以及张国敏讲师、张祯松讲师和朱震宇讲师负责部分章节的编写工作；李建洲、朱世才、陈磊、闫力、刘彦涵、张焕青、高晓睿和许尹颍也参与了部分内容的讨论和编写，并且绘制了书中部分插图。在本书的编写和出版过程中，解放军理工大学训练部的领导和同事给予了许多支持和帮助，电子工业出版社相关编辑付出了辛勤的劳动。此外，本书的部分研究成果得到了国家自然科学基金项目（编号为61072043）、军队2110工程三期建设项目和解放军理工大学预研基金的支持，本书部分章节的内容引用了应急通信和信息网络领域相关学者的研究成果。在此，向所有为本书的出版做出贡献的人们表示真诚的感谢！
　　应急通信保障技术涉及多个学科知识领域，新的技术和方法不断涌现，新的思想和应用层出不穷，而且至今仍有大量技术问题未得到圆满解决，很多技术标准化工作还在进行当中，加之著者水平有限，时间紧、任务急，书中错误、疏漏在所难免，敬请读者批评指正。
　　
　　著 者
　　2015年1月8日