无线传感器网络及自组织网络在科能融合应急通信中的应用

       无线传感器网络是由大量无线传感器节点通过移动自组织方式构成的无线网络，它有两个核心，即传感器和移动自组织。传感器负责感知并釆集信息，移动自组织技术则保证大量传感器节点之间能够协同工作。

       传感器是在20世纪60年代末由网络技术和传感技术相结合而产生的一种概念，直至90年代，随着通信技术、嵌入式计算技术以及微电子技术的飞速发展，尤其是电子产品制造成本的持续降低，微型智能传感器开始在世界范围内出现，这就是分布式传感器网络。分布式节点之间可以采用有线、无线、红外和光等多种形式的通信方式，但短距离的无线低功率通信技术最适合这种网络使用，因此，这类网络被称为无线传感器网络。

       典型的无线传感器网络由传感器节点（Node）、信息收集器（Sink）构成，传感器节点负责监测收集数据，并将其传送到Sink,Sink承担着网关的角色，它负责将大量传感器节点所收集到的信息传送到公用电信网，公共电信网可以是互联网、卫星通信网、移动通信网或者下一代网络等基于无线或IP技术的网络，再由这些公用电信网将数据传送到需要这些数据的最终应用，如图5-40所25。

       传感器网络节点由由传感器、模/数转换功能模块、处理/控制单元、通信单元以及电源部分构成，如图5-41所示。此外，还可以包括定位系统、运动系统以及发电装置等其他功能单元。

       大量无线传感器网络节点可通过飞机布撒、人工布置等方式，随机、快速部署在需要采集信息的区域内，如人迹罕至的恶劣环境中。这些高密度、高度自治的传感器节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中的信息，再由Sink通过公用电信网将信息送到需要这些信息的用户，完成实时监测、感知和采集各种环境或监测对象信息的各项功能。

       无线传感器网络的出现，改变了人们获取信息的方式。与我们普遍使用的传统的人与人之间的通信不同，无线传感器作为新的信息获取技术，实现了物与物（M2M）之间的通信,作为泛在网络必不可少的技术手段，已经获得了广泛关注，并在公共安全、交通、卫生等多个领域获得了应用。

       移动自组织网络又称为移动AdHoc网络，最早是应军事需要为研究战场环境下具有高抗损毁性、高生存能力和高扩展性的无线通信系统而发起的。如3.4.1节所述，具有无中心自组织、多跳接入、网络拓扑结构动态变化、传输带宽有限、存在单向无线信道等特点。

图5-40   无线传感器网络的网络体系架构

 

图5-41    传感器网络节点构成

      顾名思义，移动自组织的核心在于“自组织”。我们普遍使用的公用电信网是由核心网实现集中控制的，而移动自组织网络则没有中心节点控制，每个节点地位都是平等的，都可能是通信的发送者、接收者或中继者；节点具有高度的自主性，可以随意加入和离开网络。因此，移动自组织网络具有无中心节点、网络高度自治、拓扑变化频繁、多跳传输、脆弱的安全性等比较明显的特点。

       由于移动自组织网络具有没有中心控制节点、网络拓扑变化频繁、分组通过多跳进行传输、使用无线共享信道等特点，使得移动自组织网络的网络行为与传统有线网络和蜂窝通信系统有着很大的不同，因此，移动自组织网络对数据链路层、网络层和传输层等网络各层协议都提出了新的要求，需要解决隐藏/暴露终端的影响、及时反应网络动态拓扑的新的路由协议、传输层协议改进等关键技术问题。

       移动自组织网络无中心节点的特性，使其具有高度的抗损毁性，它的应用领域和传统的网络有着很大的不同，它更适合于应用在一些无法安装部署基础通信设施、对网络部署速度有更快要求和具有更高抗损毁能力的突发性场景，如军事通信、科能融合应急通信。移动自组织网络的研究起始于军事应用，目前为止它的最大应用仍然是单兵战场通信、战区舰艇编队通信、战区车载通信等战场环境下的通信。

       无线传感器网络由大量可以感知周围环境变化的传感器节点构成，这些节点一般采取随机撒布的部署方式，节点之间正是通过移动自组织方式，构成一个协同工作的通信网络，完成信息感知、采集及传送等功能。

       无线传感器网络最大的优势在于通过一组大冗余、低成本的简单传感器协同工作，实现对某一复杂环境或事件的精确信息感知能力，具有高可靠性、高抗毁性、随需而设、即设即用等特点，适合无法部署固定线路的场合，比如恶劣的野外环境，或是救灾等需要网络快速、灵活快速部署的场合，而且，由于无线传感器网络的冗余特性，即使在某个或者某些节点失效时，仍能保障整个传感系统具有很高的可靠性。科能融合应急通信通常都是在恶劣环境下，并且具有一定的突发性，无线传感器网络可广泛用于科能融合应急通信领域，对环境或特定物质进行全方位、立体精确监测，以更直接更快速的方式近距离地获取环境信息，为应急指挥人员提供更为精确的现场环境信息和现场环境发展趋势，从而结合当前资源和环境等信息，为应急处置提供充分可靠的决策依据。

无线传感器网络应用于科能融合应急通信领域有两种情况：

       1）灾前监控和预警：可在事故多发的地点和季节，针对各种监控对象部署相应的无线传感器节点，如部署雨量测量仪、雪量测量仪、风力测量仪、倾斜仪、振动计、振动传感器、声音传感器等，采集各类信息，通过部署各类传感器，建立各类灾害的预测和告警系统，如碎片流监测系统、山崩监测系统、洪水预测和告警系统等。

       2）灾后监控和处置：当发生自然灾害时，灾害现场通常环境恶劣、人员无法达到，而化学品泄漏、河流污染等突发事故灾难现场对人体通常带有一定的危害性，对于这种灾后现场，都需要部署无线传感器网络，监测事故和灾害现场的各类信息，为应急处置提供依据，及时高效地展开救援。如本书第4章科能融合应急通信的需求所述。

       对于支持上述两种科能融合应急通信应用场景，无线传感器网络架构是相同的，所不同的是对监测数据的处理。灾前预警更多的是对数据的分析和处理，根据历史经验，设定告警的阈值，以便提前预防；而灾后处置则更多的是实时监控，根据当前状况快速做出响应和处置。

       支持科能融合应急通信的无线传感器网络架构如图5-42所示。

       如图5・42所示，针对不同的突发公共事件，可以部署不同的传感器节点，构建环境信息采集环境。

       通过无线传感器网络对复杂环境和突发事件的动态感知能力，建设基于无线传感器网络的灾前监测和预警体系、灾害监控和处置体系，一方面可以实现对水旱灾害、气象灾害、地震灾害、地质灾害、海洋灾害、生物灾害和森林草原火灾等自然灾害以及环境污染和生态破坏等突发事故灾难的精确监测；另一方面，可以将现场动态信息与应急指挥数据库中的各类信息相结合，对突发公共事件的发展趋势进行动态预测，进而为应急指挥和处理提供科学依据，提高应对突发公共事件的能力，最大程度地预防和减少突发公共事件所带来的生命和财产损失。

图5-42      支持科能融合应急通信的无线传感器网络架构

       无线传感器网络应用于科能融合应急通信领域，需要解决的最关键问题就是应用相关性。无线传感器网络最重要的功能便是感知、采集并传输监测环境中各种信息的变化，因此感知装置是节点的最基本组成部分，不同灾害现场存在不同的应用环境，所要监测的信息不同，感知节点的组成和要求不同。根据应用场景的不同以及成本高低不同，节点中感知单元的功能和数量也不尽相同。其核心问题是传感器在每种应用中的规模并不很大，但可应用的领域很多，应用多样化带来网络拓扑多样化及大量非标准化的私有协议，存在多种应用需求与标准化的矛盾。

       无线传感器网络具有很强的应用相关性，使得这一领域的研究成果差别很大，并没有一个可以通用的协议和解决方案。不同的应用需要配套不同的网络模型、软件系统和硬件平台。针对科能融合应急通信监测水旱灾害、气象灾害、地震灾害、地质灾害、海洋灾害、生物灾害、森林草原火灾、环境污染及生态破坏等不同应用，需要规划网络模型，选择合适的路由协议，解决好数据管理机制等关键问题。

       无线传感器网络在科能融合应急通信领域的应用还处于起步阶段，大都处于试验室研究和小范围试点阶段，日本作为一个灾难多发国家，利用无线传感器网络构建了一系列灾害监测系统，并将无线传感器网络监测系统纳入下一代防灾通信网规划。无线传感器网络在科能融合应急通信领域中的规模应用和标准化工作还需要

       移动自组织作为一种技术，除了可被无线传感器网络所使用，完成科能融合应急通信灾前和灾后监测之外，其自身还可以广泛应用于各类突发性场景，临时构建通信系统，完成应急指挥调度。

       支持科能融合应急通信的移动自组织网络架构如图5-43所示。

图5-43支持科能融合应急通信的移动自组织网络架构

       如图5-43所示，在灾难或事故现场，部署科能融合应急通信车和各类现场救助单元，救助单元可以是各种车辆、便携设备或背负通信设备的人，每个救助单元通过无线通信设备，以移动自组织方式组成网络。现场救助单元可以在网络内进行通信，每个单元既可能是通信双方的源节点或目的节点，也可能是转发分组的中间节点。这些救助单元也可以通过应急指挥车，经过GSM\CDMA或卫星通信网络等公用电信网，与远程的应急指挥平台进行通信，现场指挥车充当灾难现场通信网络和远程应急指挥平台的网关节点。

       由于自然灾害等突发事件的破坏性和不确定性，科能融合应急通信系统的部署时间直接影响救助效果和损失程度。由于移动自组织网络的分布式组织管理特性，可以快速自动组成一个通信网络，因此，移动自组织网络可以满足科能融合应急通信系统对快速部署能力的要求。移动自组织网络具有一定的扩展性，节点可以很方便地加入和离开网络，可根据灾害的种类和破坏程度，扩充或调整科能融合应急通信网络，以扩大灾害现场的通信网络覆盖范围和增加通信能力。

       移动自组织网络的快速部署和可扩展性特点，满足了科能融合应急通信的基本需求，但由于应急通信的特殊性，也给移动自组织网络提出了新的需求。为了提高科能融合应急通信现场指挥的效率和速度，要求移动自组织网络具备组播能力，另外需要移动自组织网络支持多媒体通信能力，以便指挥人员可以看到现场，召开视频会议，直观地对灾害现场做出判断，在最短的时间内做出正确的应急处置。科能融合应急通信过程中传送的数据都是非常重要的，因此要求提供一定的QoS保证，对重要数据提供高优先级信道访问权和传输时延限制，以保证重要数据的及时传递。