摘 要：在基础通信设施受到破坏以后，各部门之间的通信交流受到阻碍，不但会延误救援工作的开展，并且可能会带来更大的损失。面对不同类型的数据格式和不同频率的无线电设备，如何实现多部门多领域的通信系统互操作性成为一个亟待解决的问题。分析了毁伤条件下实现通信系统互操作性的特点及面临的挑战，建立了一种在毁伤条件下实现通信系统互操作性的模型，并阐述了该模型的工作原理及其在不同类型的通信网络中的应用。最后通过两个应用实例验证了该模型的有效性和正确性。
关键词：毁伤；互操作性；模型；通信系统
中图分类号：TP301 文献标识码：B
文章编号：1004373X(2008)0109003
Design and Application of Communication Interoperability Model in Disaster Situations
LIU Xinsheng,CHEN Bo
(Institute of Command Automation,PLA University of Science and Technology,Nanjing,210007,China)
Abstract：When the communication infrastructure has been disrupted severely,the communication float may be embarrassed,this will delay as the emergency response and will even cause more loss.So,how to ensure interoperability among multi-agency and multiple communication systems using various data format and frequency radio has been a critical issue.This paper discusses the characteristics and challenges to achieve communication systems interoperability,and gives an interoperability model to achieve communication system interoperability in crisis situations.Finally,two instances are introduced here to demonstrate the validity and correctness of the model.
Keywords：disaster;interoperability;model;communication system
1 引 言
互操作性是指两个或多个系统相互使用所交换的信息的能力。就其本质而言,互操作性是对异质实体(包括异构体系结构、异构操作系统、异构网络和异构语言等)中可获得资源的透明调用的能力[1]。狭义上讲，通信系统互操作性是指各种类型的通信系统之间不但可以进行信息交换，并且这些交换来的信息可以为自己所用。
在各个通信系统正常运转时，其互操作性的实现基本不存在问题，但是当地震、火灾、战争等紧急事件发生后，基本的通信设施很可能遭到严重破坏，各个通信系统之间的互操作就受到了限制，不但阻碍救援工作的开展，甚至左右整个行动全局的胜负[2]。针对这一现实问题，有一个简单的方案曾经被广泛使用，就是建立临时指挥中心，各个部门的通信频率由指挥中心统一分配。然而，这种人工转换的手段不仅耗费时间而且容易出现错误，同时由于一些解决通信系统互操作性的技术实现在很大程度上依赖于通信带宽和基础通信设施，当基础设备遭到毁伤后，通信系统的互操作性通常无法正常实现。因此，发生毁伤情况后，如何实现多部门多领域的通信系统互操作性已成为应对各类突发事件中亟待解决的问题。
实现通信系统可互操作主要解决两个方面的技术难题，一是在大量异构系统之间如何将数据交换的格式达成一致；二是如何与不同类型的通信设备兼容。目前，关于系统之间数据交换的基本格式，随着HTTP和XML数据交换格式的出现，基于Web的应用接口已经在某种程度上缓解了这个问题[3]。然而许多指挥控制系统依然在很大程度上依靠独立的数据格式在内部各个组成部分之间进行数据交换，这种对特定数据格式的依赖性导致当这些系统和外界进行通信时会出现“数据隔阂”。基于Web的应用程序接口也不能完全地解决这个问题，并且还可能导致出现更多的问题。近几年来，数据连通的交替方法得到了开发和利用，利用该方法建立的技术方案提高了远程带宽的速度和数据交换的效能，可以连通包括局域网和广域网在内的大量的通信设施，已有效解决数据交换格式的问题。本文将重点分析如何在毁伤条件下构建通信系统互操作性模型及其工作原理，有效解决不同类型通信设备的兼容使用问题。
2 互操作性模型应用的主要时机
在受到某些人为或自然因素的破坏后，各单位可能仅保留一些能够在内部有效运行的通信设施。军队、武警、警察、医院、消防等单位都可能会在现场执行任务，他们可能会携带各种频段、各种性能、各种加密手段的无线电通信设备。电磁空间内充斥着各种不同类型的无线电信号，经常因无线电通信频谱不充分或分配混乱,缺少统一的系统运行标准,残存的通信设备不能够再次以统一的方式被系统重新使用,对通信设备不熟悉等原因造成通信混乱[4]。在此情况下，原本能够有效实现互操作的通信系统必将无法继续正常工作，必须采用相应的手段以实现通信系统的互操作性，以满足应急需要。
基于以上情况，毁伤条件下建立通信系统互操作模型的主要时机是：
(1) 最基础的通信设施如：有线电话和无线电话，已被破坏，丧失服务功能。
(2) 语音通信交流的恢复拥有最高优先权。
(3) 数据网络功能被消减或不存在。
(4) 基于网络合作的任何应用软件已无法使用。
(5) 系统中的每个单元都将自己所有的通信系统投入使用，且这些通信系统在各自的无线电频率上运行，难以有效建立通畅协调的通信体系。
3 构建模型
3.1 可互操作组件
为了自动化解决毁伤条件下的通信系统互操作性问题，文中建立了一个互操作性组件模型。该模型是一个软、硬件配套系统，具有在基础设施受到严重损伤时快速的部署可互操作系统的功能。他可以通过在广泛类型的通信设备和协议之间使用自组织移动网络技术来提供环境感知、行动规划、指挥控制等功能，并且可以允许各通信参与者进行自适应的配置，使系统几乎不需要人工的协调即可正常运行[5]。模型设计的关键是定义一个支持互操作性的体系结构，有效的实现异构系统间的互操作性，同时他还能为所有互连的系统提供一个共同的操作界面。
如图1所示，可互操作系统组件（ISC）对外部系统（SA）来讲就象系统SA外部的一个节点。该节点和系统SA相互交换数据，同时使用系统SA固有的通信渠道、格式和协议。如果组件（ISC）连接的是两个类型相同的系统，那么数据就不经过任何改变直接传输。然而，如果与之相连的系统类型不相同，他会将接收到的数据转换成自己的内部格式，然后提供给本地用户或其他系统[6]。他可以以这种方式在任意数量的系统之间建立连接，并且可以将数据展现给指挥部，从而在异构系统之间创建一个共同的操作界面。
3.2 工作原理
模型有以下5个核心功能领域必须在异构的系统之间实现：
数据库功能域;
通信功能域;
图形功能域;
用户接口功能域;
体系制度(鉴定、访问控制、线程等) 功能域。
除此之外还要实现3个关键的处理模式：
(1) 转换：数据从一种格式转换为另一种格式；
(2) 更新：一些数据状态的改变引起另一些数据状态的改变；
(3) 关系：系统内的数据项相互关联。
通过实现这五个关键功能域和三种处理模式，可以建立系统的核心功能以支持在异构的系统之间快速地实现互操作性。互操作性有两种不同的部分：通信互操作性，即使用任何可用的通信手段将数据在系统之间进行传输；应用程序互操作性，在不同的应用程序之间交换数据。该模型的设计是为了使用任何的通信手段来传输数据，而其底层使用的通信基础设施如：无线电、移动网络、有线和无线的局域网对用户都是透明的，系统自动发现和使用合适的接口。每一个功能领域都是系统的一个独立组成部分，创造一个可互操作的应用软件的实质是把这些组成部分连接到一起。通过实现这些处理方式和创造独立的核心组成部分，开发者能够独立的工作，彼此之间不互相影响，并且给开发新的功能留下空间。
3.3 微型网络控制器(MINC)
前面曾提过实现互操作性的一个障碍是每一个部门都有自己独特的通信设备，而且这些设备经常无法和其他部门的设备兼容。如果在两个系统之间不能建立最基本的语音和数据通信，那么仅为互操作性建立一个软件系统是毫无意义的。为了克服这一障碍，我们使用一个无线电接口设备来连通各种类型的无线电通信设备和加密装置，同时为希望通过无线电进行交流的应用程序提供一个应用程序接口。该设备的一个原型就是微型网络控制器（MINC）。
一个典型的MINC为应用软件提供一个共同的接口，还可以包含嵌入的GPS接收器，可以提供通信和定位功能[7]。MINC设计支持不同无线网络之间的快速、低消耗的互操作性。MINC基本不包括网络协议代码，当主机对其发出指令时，仅对无线电信号进行转换和传输。这一点有以下几点好处：
(1) 因为MINC是一个嵌入式设备，即使在比较有限的条件下他的固件也较易开发。
(2) MINC的代码具有更长的生命期，因为MINC的固件很少因为无线电信号的改变而改变。
(3) MINC和应用程序的接口也具有更长的生命期。现实中MINC和主机的接口在过去十几年中一直没有变化。
所有这些特性都支持了在异构的通信装置之间快速的配置可互操作的数据通信网络。
4 模型在不同类型的网络上的应用
4.1 无线电
应用程序和无线电的接口有很多类型。假如无线电提供标准的串口、PPP或是IP，那么应用程序可以直接通过无线电相连;如果无线电使用专有的串口，可以使用MINC进行相应的转换。无线网络使用的协议取决于其性能要求,该系统可以对数据进行压缩或加密,数据采用前向校错，并且进行分组以适应网络的速度和出错率,带有选择确认的滑动窗口协议被用来提供可靠数据传输。
4.2 LANs
对于有线或是无线LANs，有许多不同的协议和格式可以采用，取决于配置可用设施。UDP用来进行无连接的不可靠传输，如网络发现信息和位置报告;TCP用来进行对可靠性有较高要求的传输。该系统使用OLSR协议通过无线LANs建立自组织的移动网络。对于有线的LANs使用OLSR协议来发现节点并路由数据。有线的LANs被作为移动自组织网络进行处理，使用此技术，该系统可以无需预先配置和网络管理的提供互操作性通信环境。
4.3 蜂窝电话和卫星通讯
蜂窝电话和卫星通讯的使用方式也根据其性能存在很大差异,对于一个使用Hayes类型调制解调器的卫星电话来讲，该系统可能直接在其间通过拨号建立连接从而传输数据。如果一个蜂窝电话使用提供Java支持，那么他可以直接下载一个该系统的应用程序。该程序将报告电话所处的位置，支持通过简单的文本信息传输环境信息以及基本的指挥控制命令。
4.4 服务
外部的应用程序可以通过LAN来调用该系统的API，服务可以被动态发现或是直接存在于一些周知的端口。外部应用程序通过发送和接收SOAP/XML的文档来调用服务和接收结果,服务提供者和客户端之间以自组织的方式配置。这种松绑定和自动发现的机制使得该系统可以被任意数量的客户端使用而无需特殊的配置。
4.5 应用实例
图2 MINC卡连接移动通信小组和指挥服务器示意图
在该配置中,一个移动通信小组使用802.11无线设备，这些设备建立了一个移动的自组织的网络使得小组成员之间可以进行数据交换。其中的一个成员配有卫星无线通信终端，该系统可以在高速的无线移动网络和低速的卫星网络之间建立连接。在另外一端，该系统在卫星通信网络和有线的LAN之间建立连接，使得和LAN相连的指
挥中心可以和使用移动电话的小组之间进行有效通信。
图3是一个通过MINC卡连接地面人员和Internet的部署图。图中地面的救援人员持有具有GPS功能的蜂窝电话,电话可以通过蜂窝数据网络报告自身所处的位置信息。该系统接收这一信息并通过卫星通信将其传给另外一个可以提供Internet功能的模型，该模型也可以作为一个Web服务器，被授权的用户可以与其建立连接来接收信息。
5 结 语
本文提出了一种在通信设备发生毁伤的条件下快速实现各个系统间通信互操作性的模型，给出了该模型的工作原理及应用。随着技术的进步，下一代的可互操作组件将集成更多的附加功能，可以为环境感知提供更为便捷的解
决方案。基于该模型的易扩展性，必将在更多网络系统中得到应用。
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作者简介
刘新盛 女，1978年出生，河北冀州人。防空兵指挥学院助理工程师，现为解放军理工大学指挥自动化学院硕士研究生。研究方向为军事通信学。
陈 博 男，1980年出生，河南南阳人，硕士研究生。研究方向为军事通信学。
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”