网络融合环境下的应急通信关键技术研究

The convergence of mobile cellular network (MCN) and Ad Hoc network (AN) offer an important support in the emergency communications. Due to the special requirement of maintaining QoS, network survivability, reliability and coverage for emergency communications, MCN-AN has new challenges and personality characteristics in the architecture, routing and resource management. Based on the framework of multi-mode terminal and multi-point access, we study the optimized interconnection algorithms jointly considering the resource managements both in MCN and Ad Hoc network to guarantee QoS and communication capacity. Constrained by the energy consumption of multi-hop nodes and gateways, the cooperative multi-gateway routing algorithms are introduced to improve the network survivability and reliability. In the converged network, the mobility of gateway will threaten the reliability of the communication link. Movement-aware algorithm is designed in our project to overcome this problem. We intend to learn from the latest achievements of multi-path routing, cooperative communications, as well as radio resource optimization, dynamic programming and game theory, to solve the key problems when the heterogeneous networks supporting emergency service.

移动蜂窝网络与自组织网络（MCN-AN）的融合为一体化应急通信提供了新的重要支撑。由于在覆盖、QoS保证、网络生存能力和可靠性方面的特殊需求，MCN-AN网络融合环境下的应急通信在架构、路由和资源管理上都有其个性特征和新的技术挑战。本课题研究多模终端、多点接入架构下移动蜂窝网络资源和自组织网络资源的联合优化，保证QoS和通信容量；研究多网关协作路由算法，综合考虑多跳节点及网关节点的能耗，以兼顾可靠性和网络生存能力；研究具有网关移动感知能力的路由和联合资源管理算法，进一步提高网络的可靠性，完善网络融合技术。课题拟借鉴多路径路由、协作通信，以及无线资源优化理论、动态规划、博弈等研究的最新进展，解决异构网络支撑应急业务的关键技术问题。

未来移动通信在本质上是异构、融合的网络。本课题针对自组织网络与蜂窝、固定网络融合网络环境下，应急保障通信应用的性能优化问题开展了深入研究，在保证应急业务QoS 的同时，综合提升一体化网络的整体性能。研究内容包括异构网络多点互通的应急业务路由、资源管理优化、提升应急网络生存期；多网关协作路由和组播优化；移动网关接入优化等方面。在课题支持下，共发表论文和申请专利共计51篇，其中3项国家发明专利、3篇SCI、16篇EI检索论文，19篇中文核心期刊论文。取得了预期的成果，对融合网络中应急业务的开展有很好的应用参考价值。.研究成果包括以下主要方面：（1）应急业务路由和资源管理：基于多网关路由Bandit算法的应急融合网络，综合考虑时、频、空分衰落信道、交叉多路径路由环境下的多网关路由和资源规划；WIFI/LTE应急融合网络的效能优化和功率控制算法，提出和分析平面融合网络多点互通的最佳效用；基于Stackelberg贝叶斯博弈的分布式多点融合资源分配算法，采用分布式协作博弈的思想优化多网关资源配置；链状网络中基于网络编码MAC层协议设计，在链状网中建立新型逻辑拓扑适用于蝶形网络编码结构；（2）协作多网关和多播优化：异构网络环境下基于层间网络编码的应用层组波优化，利用原始分解和原-对偶分析设计分布式算法，实现在传输层调整源速率和在网络层进行网络编码；异构网络下高稳定组播算法，根据Overlay拓扑结构的组播稳定性条件，设计基于gossip协作的应用层组播方案；6LoWPAN无线IP自组织网络的多网关路由、协议设计和实现，在IP层路由标准RPL的基础上设计多网关协作路由协议，建立了多网关6LoWPAN网络仿真平台、并设计实现了基于Contiki微系统的多网关软硬件实测平台；（3）移动网关路径优化：联合优化能耗和路径的网络移动接入路径规划算法，基于网络的格型网络逻辑拓扑模型，设计双链遗传算法的移动网关路径规划算法，以及一种较低计算复杂度的基于动态规划Floyd 算法的 sink 移动路径选择算法，提高移动效率和优化接入互联位置。