基于他组织与自组织混合的消防应急救援通信网络及其构建方法和应用

摘要

基于他组织与自组织混合的消防应急救援通信网络及其构建方法和应用，包括他组织中继设备和自组织中继设备；主干链路为宽带恒定链路，相邻的他组织中继设备与他组织中继设备之间连接，组成主干链路；分支链路由自组织中继设备构成，多个相互连接的自组织中继设备组成一个分支链路；每个分支链路中的一个自组织中继设备与一个他组织中继设备连接。本发明通过上述技术方案能够在不降低网络建设灵活性的基础上实现了他组织网络的部署建设，同时也实现了自组织与他组织网络的融合。

说明书

技术领域

本发明创造属于消防应急救援领域，特别适用于消防队伍应急救援现场为城市高层建筑、超高层建筑、地下超大空间及城市综合体建筑等的应急救援场所，能够为消防队伍提供应急通信保障网络，具体涉及一种基于他组织与自组织混合的消防应急救援通信网络构建方法。

背景技术

随着社会的发展，我国城市中的高层建筑、超高层建筑、城市综合体、地下超大空间场所等建筑呈现出井喷式增长的态势，大体量的建筑物给消防队伍灭火救援带来了巨大的灭火救援压力。在消防救援时，造成消防员伤亡的直接原因，建筑物坍塌在所有导致伤亡原因中占比较高。针对这种状况，长期以来如何保障消防员在灭火救援作战中的生命安全一直是消防救援领域重点的研究课题。

消防员的生命安全保障作为一个综合性的研究课题，涉及到个人防护装备、灭火救援专业训练、风险评估等等多个学科领域，而作为其中一项重要的支撑技术----救援现场应急通信技术，在救援过程中具有非常重要的作用。其一，如果建筑物内外部应急通信网络能够保证通畅，那么消防员在救援过程中就能够与外部指挥员、内部参战人员取得联系，一旦自身遇险或者其他人员遇险可以请求内外部增援；其二，还可以通过现场应急通信网络向外部传输内部现场的情况，包含：人员的位置、生命体征监测数据、内部环境的温度、火灾产生的气体情况等等多种信息，对于外部指挥员来讲这些信息作为下一步救援行动的重要决策依据，依据这些动态数据进行建模，可以评估建筑物的燃烧状态，一旦判断建筑物具有坍塌的风险，可以通过应急通信网络及时发布疏散命令，杜绝人员伤亡事故的发生。

建筑物类消防灭火救援现场的应急通信保障问题中，对于一些超高层、地下超大空间及城市综合体等建筑场所的急通信保障仍稍显不足，难以满足此类建筑的全方位应急通信保障需求。建筑物类消防灭火救援现场的通信保障特点在于“应急”特性，传统固定部署的通信设施难以满足其“应急”的特性，此类场所发生灾害事故时，为了避免发生次生灾害常常需要在第一时间断开市电，这就导致了在建筑物内部的公众移动通信网室内天馈系统的失效。建筑物类消防灭火救援现场应急通信保障的另一个难点在于，建筑物内空间结构复杂，无线射频信号在内部空间传播过程中会发生反射、折射、吸收、衰减等现象，这对于室内空间无线信号覆盖影响较大，室内天馈系统部署过程中可以通过室内无线信号覆盖路测软件进行规划部署，但是对于消防队伍临时部署来说难度较大。建筑物类消防灭火救援现场应急通信保障的突出特点在于，现场应急通信保障网络的建设或者部署不是一蹴而就的，网络的规模是随着灭火救援任务的推进逐渐进行动态调整，因此这对于网络的构建部署灵活性和便利性就提出了更高的要求。

在室内无线信号覆盖技术设备方面，Mesh无线中继设备是消防队伍在建筑物灭火救援场所应用常用组网设备之一，通过一个个Mesh无线中继将应急网络从外到内进行横向引入，然后再纵向实现不同楼层的信号覆盖，最终构建一个横纵贯通的立体应急救援网络。衡量一个无线网络传输效能的关键指标是传输带宽和传输时延，但是单频段Mesh组网的基本原理是每增加一跳(hop)传输带宽损失一半，传输时延增加一倍，因此单频段Mesh组网的关键在于如何在满足应用的基础上控制网络的“跳”数，利用最少的“跳”实现最优的网络传输、覆盖效果。

发明内容

发明创造提供一种基于他组织与自组织混合的消防应急救援通信网络构建方法，应用他组织理论方法建立应急救援通信网络主干链路，主干链路带宽恒定，避免由于点与点之间数据传输的带宽损耗；应用自组织理论方法建立应急救援通信网络分支链路，分支链路带宽随“跳”的增加自动调节，拓展应急救援通信网络覆盖范围。

为了实现上述目的，本发明创造采用了如下技术方案：

基于他组织与自组织混合的消防应急救援通信网络，包括他组织中继设备和自组织中继设备。主干链路为宽带恒定链路，相邻的他组织中继设备与他组织中继设备之间连接，组成主干链路；消防应急救援通信网络中设有大于等于一个的他组织中继设备，任何一个所述的他组织中继设备最多与2个他组织中继设备进行连接。

分支链路由自组织中继设备构成，多个相互连接的自组织中继设备组成一个分支链路，消防应急救援通信网络中设有大于等于一个的分支链路。任何一个所述的自组织中继设备最多与1个他组织中继设备进行连接，任何一个自组织中继设备最少与1个自组织中继设备进行连接。

每个分支链路中的一个自组织中继设备与一个他组织中继设备连接，任何一个他组织中继设备最多与1个自组织中继设备进行连接。

基于他组织与自组织混合的消防应急救援通信网络的应用，包括有移动通信指挥中心，所述的移动通信指挥中心与他组网络连通，移动通信指挥中心为消防救援现场的神经中枢，作为现场信息汇聚的数据中心和网络中心、现场指挥员指挥命令的下达中枢，现场应急通信网络为移动通信指挥中心提供数据通信服务

构建基于他组织与自组织混合的消防应急救援通信网络的方法，

1)在消防应急救援现场设置移动通信指挥中心；

2)在消防应急救援现场设置他组织中继设备和自组织中继设备：在消防应急救援现场设置他组织中继设备和自组织中继设备：他组织中继设备与自组织中继设备在未开机启动前为同一中继设备，开机启动后默认为自组织中继设备，通过拨码开关将自组网中继设备调整为他组织中继设备；

3)组网：

3.1)自组织组网：消防队伍应急救援现场设有大于等于一个分支链路，分支链路与他组织网络共同构成现场的一个应急通信保障网络；

3.2)他组织组网：他组织网络为总线型网络，他组织中继设备部署以后物理位置不再发生变动，部署方式为确定一点位置后，在该位置部署一个中继设备，将中继设备拨码到他组织模式，依次部署下一个中继设备，中继设备在他组织模式会自动寻找接收场强最强的一个中继设备并与之级联；

3.3)自组织与他组织混合：自组织中继设备接入任何一个他组织中继设备，完成他组织与自组织网路的融合。

本发明创造的有益效果：

1)与传统的自组织组网方法相比，本文提出的混合组织组网方法在链路带宽使用、控制方面能够将有限带宽最大化利用，本文提出的应用他组织组网方法实现消防应急救援现场应急通信网主干网的建设，能够在保障主干网的网络带宽不受损的前提下，实现数据的空中无线接力；而应用自组织组网方法建立消防应急救援现场应急通信网延展网，实现应急通信网的自动延展，增加网络的覆盖范围。

2)与传统的他组织组网方法相比，本文提出的混合组织组网方法灵活性更高，一方面本方法避免了自组网方法过于灵活导致的无限自组网方法导致的网络拥塞、网络延迟的突出应用问题；另一方面本专利方法通过在自组织方法中引入他组织组网方法，将关键节点或主干网的建设交由他组织方法，通过自动控制方法实现他组织网络建设，在不降低网络建设灵活性的基础上实现了他组织网络的部署建设，同时也实现了自组织与他组织网络的融合。

附图说明

图1：基于他组织与自组织混合的消防应急救援通信网络结构图；

图2：基于他组织与自组织混合的消防应急救援通信网络应用示意图；

图3：基于他组织与自组织混合的消防应急救援通信网流程图；

图4：组网初始状态图；

图5：组网结束状态图。

具体实施方式

下面将结合本发明创造实施例中的附图，对本发明创造实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明创造一部分实施例，而不是全部的实施例。

按照组织理论定义，组织力来自系统内部的称为自组织(self-organization)；组织力来自系统外部的，应该称为他组织(heter-organization)。在无线通信领域自组织理论应用是指节点与节点之间的通信链路路由是依据一定的规则进行实时自动调节，节点与节点之间的路由可能会存在多条，在数据传输业务确定时才会最终选择具体最优的链路路由，几类典型的路由协议包括：动态源路由协议算法(DSR)、临时按序路由算法(TORA)、目的序列距离矢量路由协议(DSDV)以及AdHoc按需距离矢量路由协议算法(AODV)等等。与自组织网络对应，他组织网络的路由策略来自于网络外部，即由网络应用的主体来制定路由链路，通常这一主体是网络的构建者，构建这会根据数据的流向来制定中继设备之间的路由跳转规则。

自组织网络的优势在于，网络的路由规则动态调整，网络的部署构建不需要人为因素的干预，应用较为方便灵活；缺点在于，随着网络的增长，“跳”的增多网络的可用带宽会越来越小，数据的通信时延也会越来越大，因此应该在一定范围内应用自组织网络，否则网络的无限扩大最终将导致网络的瘫痪不可用。

他组织网络的优势在于，网络的路由规则为人这一主体预先制定，网络的部署需要按照一定规则进行构建，网络的带宽资源由于不需要进行路由调整，因此网络带宽资源的利用率可以做到最大化；缺点在于在应用过程中需要人为因素的干预，因此应用部署相对较为专业，也缺少灵活性。

本发明提出一种基于他组织与自组织混合的消防应急救援通信网络，包括他组织中继设备和自组织中继设备。主干链路为宽带恒定链路，相邻的他组织中继设备与他组织中继设备之间连接，组成主干链路。分支链路由自组织中继设备构成，多个相互连接的自组织中继设备组成一个分支链路。每个分支链路中的一个自组织中继设备与一个他组织中继设备连接。

所述的消防应急救援通信网络中设有大于等于一个的分支链路。

任何一个所述的自组织中继设备最多与1个他组织中继设备进行连接，任何一个自组织中继设备最少与1个自组织中继设备进行连接。

所述的消防应急救援通信网络中设有大于等于一个的他组织中继设备。

任何一个所述的他组织中继设备最多与2个他组织中继设备进行连接，任何一个他组织中继设备最多与1个自组织中继设备进行连接。

基于他组织与自组织混合的消防应急救援通信网络的应用，包括有移动通信指挥中心，所述的移动通信指挥中心与他组网络连通，移动通信指挥中心为消防救援现场的神经中枢，作为现场信息汇聚的数据中心和网络中心、现场指挥员指挥命令的下达中枢，现场应急通信网络为移动通信指挥中心提供数据通信服务

构建基于他组织与自组织混合的消防应急救援通信网络的方法，

1)在消防应急救援现场设置移动通信指挥中心；

2)在消防应急救援现场设置他组织中继设备和自组织中继设备：在消防应急救援现场设置他组织中继设备和自组织中继设备：他组织中继设备与自组织中继设备在未开机启动前为同一中继设备，开机启动后默认为自组织中继设备，通过拨码开关将自组网中继设备调整为他组织中继设备；

3)组网：

3.1)自组织组网：消防队伍应急救援现场设有大于等于一个分支链路，分支链路与他组织网络共同构成现场的一个应急通信保障网络；

3.2)他组织组网：他组织网络为总线型网络，他组织中继设备部署以后物理位置不再发生变动，部署方式为确定一点位置后，在该位置部署一个中继设备，将中继设备拨码到他组织模式，依次部署下一个中继设备，中继设备在他组织模式会自动寻找接收场强最强的一个中继设备并与之级联；

3.3)自组织与他组织混合：自组织中继设备接入任何一个他组织中继设备，即完成他组织与自组织网路的融合。

实施例1：

一、网络构成

如图1所示，基于他组织与自组织混合的消防应急救援通信网络由若干他组织和自组织中继设备构成，他组织中继设备用于部署消防应急救援通信网络的主干网，自组织中继设备用于部署消防应急救援通信网络的延展网络。有别于传统无线应急通信网络，在消防应急救援通信网络中他组织网络通信链路可以有多个，自组织网络链路也可以有多个。但是基本原则是在整个网络中任何他组织中继设备仅能够与一个自组织中继设备连接或者不与任何自组织中继设备连接。

如图2所示，基于他组织与自组织混合的消防应急救援通信网络由1个位于消防应急救援现场的移动通信指挥中心、若干自组网网络和若干他组织网络构成。消防救援队伍移动通信指挥中心作为消防救援现场的神经中枢，也作为现场信息汇聚的数据中心和网络中心，是现场指挥员指挥命令的下达中枢，现场应急通信网络应该为移动通信指挥中心提供数据通信服务。

消防救援队伍移动通信指挥中心部署1台服务器，用于存储全局参数，包含：RE、OORE、SORE和Flag。虽然他组织和自组织组网方法都属于无中心组网方法，但由于消防应急救援通信领域业务的特殊性，需要存在一个应用的中转中心，而本专利中的服务器的目的是存在组网过程的动态参数信息，在应用上与消防救援队伍应急通信指挥业务重合，因此不属于额外的配置，也不会增加组网成本。

二、网络构建方法

1)他组织中继设备和自组织中继设备

他组织中继设备和自组织中继设备都用于消防应急救援现场应急通信网络的构建，由于消防应急救援现场的突发、偶然特性，因此现场应急通信网络具有临时、应急特性，此特性反应到中继设备上即要求中继设备具有快速、方便部署特性。

他组织中继设备与自组织中继设备在未开机启动前为同一中继设备，开机启动后默认为自组织中继设备，通过拨码开关可将自组网中继设备调整为他组织中继设备。

2)组网方法

自组织组网方法：

用于消防队伍应急救援现场的自组织网络可以有多个，可以由多个自组织网络与他组织网络共同构成现场的一个应急通信保障网络。自组织网络的网络类型不做规定，可以为总线型、星型、环型等等，自组织中继设备为移动应用，即部署的物理位置不做规定，可由人或者设备携带自由移动。

自组织中继设备组网原则是：任何一个自组织中继设备最多与1个他组织中继设备进行连接，任何一个自组织中继设备最少与1个自组织中继设备进行连接。

他组织组网方法：

用于消防队伍应急救援现场的他组织网络可以有多个，可以由多个他组织网络构成现场的一个应急通信保障网络。他组织网络为总线型网络，他组织中继设备部署以后物理位置不再发生变动，部署方式为确定一点位置后，在该位置部署一个中继设备，将中继设备拨码到他组织模式，依次部署下一个中继设备，中继设备在他组织模式会自动寻找接收场强最强的一个中继设备并与之级联。

他组织中继设备组网原则是：任何一个他组织中继设备最多与2个他组织中继设备进行连接，任何一个他组织中继设备最多与1个自组织中继设备进行连接。

自组织与他组织混合：

自组织中继设备接入任何一个他组织中继设备，即可完成了他组织与自组织网路的融合。

三、基于他组织与自组织混合的消防应急救援通信网流程，如图3所示：

a)他组织中继组网设备和自组织中继组网设备均具有唯一的网络标识，具体为设备的MAC地址；

b)定义RE为消防应急救援通信网中所有的中继设备，

RE＝{re

定义OORE为消防应急救援通信网中所有的他组织中继设备，

OORE＝{oore

定义SORE为消防应急救援通信网中所有的自组织中继设备，

SORE＝{sore

c)所有中继设备RE默认为自组网状态，网络的部署或者建设过程由设备携带者进行消防救援队伍应急通信保障现场，组网方法默认为自组织网络组网方法；

d)判断是否存在主干网建设需求，如有需求则应用如图3所示流程，进行网络部署或者建设。

四、组网过程中继状态变化

在初始状态下如图4所示，所有中继设备都默认为自组网状态，每个RE会与临近的多个其他RE自动建立无线链路连接，上图中re

re