[发明专利]一种基于网络分簇和信息摆渡的无线自组应急通信网

说明书

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