鄭垚睿，羅衛(wèi)兵，史國(guó)煒，余緣敏，吳智正

(武警工程大學(xué) 信息工程系，陜西 西安　710086)

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指揮控制與通信

業(yè)務(wù)類型發(fā)現(xiàn)的MUAV動(dòng)態(tài)帶寬分配*

鄭垚睿，羅衛(wèi)兵，史國(guó)煒，余緣敏，吳智正

(武警工程大學(xué) 信息工程系，陜西 西安710086)

摘要：針對(duì)戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下微小型無人機(jī)通信中繼平臺(tái)的應(yīng)用，提出了一種具有業(yè)務(wù)類型發(fā)現(xiàn)能力的動(dòng)態(tài)帶寬分配方法，構(gòu)建了符合戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景的業(yè)務(wù)類型分類，引入流量聚合機(jī)制、業(yè)務(wù)類型發(fā)現(xiàn)機(jī)制和“插隊(duì)”特權(quán)，完成了帶寬的動(dòng)態(tài)分配。實(shí)驗(yàn)表明，基于業(yè)務(wù)類型發(fā)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)帶寬分配方法能夠有效提升“熱點(diǎn)”節(jié)點(diǎn)的吞吐量，降低“緊急”節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)延，較好地滿足了戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞：微小型無人機(jī)；通信中繼；業(yè)務(wù)類型；插隊(duì)；吞吐量；時(shí)延

0引言

微小型無人機(jī)(micro-unmanned aerial vehicle,MUAV)作為中繼平臺(tái)構(gòu)建無線戰(zhàn)術(shù)局域網(wǎng)，具有部署靈活、易于控制和很強(qiáng)的戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)能力等優(yōu)點(diǎn)[1]。然而，戰(zhàn)場(chǎng)信息種類繁多、等級(jí)分明，對(duì)系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的要求各有不同。例如，指揮命令通常短小卻實(shí)時(shí)性要求很高，視頻監(jiān)控信息通常數(shù)據(jù)量龐大且對(duì)時(shí)延敏感，戰(zhàn)場(chǎng)圖像通常數(shù)據(jù)量大卻對(duì)時(shí)延要求并不苛刻。若對(duì)業(yè)務(wù)類型不加以細(xì)致區(qū)分而直接傳輸，必將在帶寬資源有限的MUAV通信中繼網(wǎng)絡(luò)中造成報(bào)文堆積、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、吞吐量下降等問題，從而導(dǎo)致重要信息阻塞與網(wǎng)絡(luò)擁塞[2]。因此，能夠符合戰(zhàn)術(shù)環(huán)境要求，按照業(yè)務(wù)類型的不同實(shí)現(xiàn)帶寬資源的動(dòng)態(tài)分配成為MUAV通信中繼研究的熱點(diǎn)。

典型的業(yè)務(wù)識(shí)別方法有端口識(shí)別法、深度數(shù)據(jù)包檢測(cè)法等[3]。端口識(shí)別法依據(jù)端口號(hào)識(shí)別業(yè)務(wù)，但在復(fù)雜多變的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，端口的業(yè)務(wù)類型并不固定，并且許多業(yè)務(wù)都可采用隨機(jī)端口或偽裝端口，使得端口識(shí)別法有很大的局限性[4]；深度數(shù)據(jù)包檢測(cè)法雖識(shí)別精度高，但其對(duì)于新網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用檢測(cè)的滯后性及對(duì)加密P2P應(yīng)用檢測(cè)能力的有限性都限制了其在MUAV通信中繼網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用[5]。文獻(xiàn)[6]中提出了一種公平的端到端時(shí)隙分配算法，然而卻忽略了對(duì)時(shí)延敏感業(yè)務(wù)進(jìn)行優(yōu)先分配時(shí)隙的考慮。文獻(xiàn)[7]采用動(dòng)態(tài)的二叉樹塊內(nèi)均分算法，適用于用戶有應(yīng)急需要、發(fā)送較長(zhǎng)報(bào)文、占用連續(xù)多時(shí)隙的場(chǎng)合，但是算法復(fù)雜度高，引入了一定的系統(tǒng)開銷。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于優(yōu)先級(jí)的時(shí)隙分配策略，但沒有考慮到在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增重情況下，流量聚合技術(shù)對(duì)系統(tǒng)傳輸效率的提高作用。

本文通過對(duì)MUAV戰(zhàn)術(shù)通信中繼應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析，提出了一種基于業(yè)務(wù)類型發(fā)現(xiàn)與流量聚合機(jī)制的動(dòng)態(tài)帶寬分配方法，采用優(yōu)先級(jí)轉(zhuǎn)換策略，識(shí)別客戶端設(shè)備(customer premise equipment,CPE)承載信息類別并動(dòng)態(tài)賦予其優(yōu)先級(jí)，在保證較小系統(tǒng)開銷的同時(shí)提高了MUAV戰(zhàn)術(shù)中繼網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。

1MUAV通信中繼網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸需求

MUAV通信中繼網(wǎng)絡(luò)利用TDMA訪問機(jī)制僅需改變時(shí)隙分配即可表現(xiàn)出靈活的組網(wǎng)能力、良好的抗截獲和抗干擾性能[9]。中繼網(wǎng)絡(luò)中，MUAV作為接入點(diǎn)(access point,AP)，承擔(dān)CPE的輪詢和時(shí)隙調(diào)度工作。所連客戶端承載戰(zhàn)場(chǎng)視頻、音頻、圖像、文字等一系列戰(zhàn)術(shù)信息。典型的MUAV通信中繼網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　MUAV通信中繼網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.1　Topologies of MUAV communication relay

戰(zhàn)場(chǎng)需求瞬息萬變，MUAV中繼網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)類型也因此不斷改變。如圖1所示，某一時(shí)刻，節(jié)點(diǎn)C0承載戰(zhàn)場(chǎng)高清視頻信息，所需帶寬相對(duì)較大，延時(shí)容忍度低。假設(shè)每經(jīng)過一個(gè)輪詢周期，節(jié)點(diǎn)C0就會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)度為2時(shí)隙×數(shù)據(jù)速率的信息，但是由于傳統(tǒng)輪詢算法只允許一個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)輪詢周期內(nèi)被輪詢一次，且最多獲得1時(shí)隙的傳輸時(shí)間，故當(dāng)輪詢結(jié)束后，將會(huì)積累1時(shí)隙×數(shù)據(jù)速率的數(shù)據(jù)需要等待下次輪詢才能完成傳輸，但是在下一個(gè)輪詢周期，節(jié)點(diǎn)C0又會(huì)產(chǎn)生2個(gè)時(shí)隙新的待發(fā)數(shù)據(jù)。由此類推，k個(gè)周期之后，節(jié)點(diǎn)C0將產(chǎn)生2k單位的數(shù)據(jù)，但是只能傳輸其中的k個(gè)單位，其緩沖區(qū)的等待隊(duì)列將達(dá)到k。如果k→ ∞，那么此節(jié)點(diǎn)的緩沖區(qū)隊(duì)長(zhǎng)也趨于無窮大，使數(shù)據(jù)喪失時(shí)效性。傳統(tǒng)固定策略輪詢法以相同的時(shí)隙分配傳遞每個(gè)CPE的信息，當(dāng)所屬CPE承載大數(shù)據(jù)、低時(shí)延信息時(shí)，這種方法必然不能滿足傳輸要求，造成報(bào)文堆積、延時(shí)嚴(yán)重及吞吐量下降等問題。

又如，某一時(shí)刻，C2節(jié)點(diǎn)承載戰(zhàn)場(chǎng)的指揮控制等命令信息。該信息數(shù)據(jù)量小，卻對(duì)延時(shí)相當(dāng)敏感，需在第一時(shí)間完成傳輸。傳統(tǒng)FIFO服務(wù)機(jī)制不允許任何節(jié)點(diǎn)的“插隊(duì)”請(qǐng)求[10]。無論節(jié)點(diǎn)所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)價(jià)值多大，都必須按次序等待AP的輪詢。較高的輪詢等待可能會(huì)使得指揮信息喪失時(shí)效性。

戰(zhàn)場(chǎng)關(guān)系層級(jí)分明，戰(zhàn)場(chǎng)狀態(tài)瞬息萬變。因此，節(jié)點(diǎn)的調(diào)度及帶寬的分配必須具有依據(jù)不同業(yè)務(wù)類型動(dòng)態(tài)按需調(diào)節(jié)的能力。

2業(yè)務(wù)類型區(qū)分的動(dòng)態(tài)帶寬分配

在業(yè)務(wù)類型的區(qū)分上，IEEE做了大量建議。IEEE 802.11P建議8級(jí)分類，用差異服務(wù)編碼指示(differentiated services code point,DSCP)標(biāo)識(shí)來進(jìn)行區(qū)分，并據(jù)其對(duì)應(yīng)的逐跳行為(per hop behavior,PHB)完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)[11]。結(jié)合戰(zhàn)場(chǎng)CPE可能承載的數(shù)據(jù)類型，本文參考了IEEE 802.11P建議的分類標(biāo)準(zhǔn)，但并沒有完全采用RFC 791規(guī)定的類型，而是作了近似的無線多媒體拓展(wireless multimedia extensions,WME)等價(jià)。DSCP的具體定義值及自定義的WME分類如表1所示。

如表1所示，存在8種不同的業(yè)務(wù)類型。定義8個(gè)優(yōu)先級(jí)，用3位二進(jìn)制碼表示， 分為C，D，B3組，如表2所示。其中，C(Command)為控制位，置于1時(shí)，表示數(shù)據(jù)流擁有最高的優(yōu)先級(jí)和絕對(duì)的“插隊(duì)”特權(quán)；D(Delay)為時(shí)延位，置于1時(shí)，表示數(shù)據(jù)流為時(shí)延敏感性業(yè)務(wù)，需進(jìn)行優(yōu)先的傳輸；B(Bandwidth)為帶寬位，置于1時(shí)，表示所傳業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量大，需提高時(shí)隙數(shù)量的分配。詳細(xì)的業(yè)務(wù)類型和優(yōu)先級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。其中，視頻類型2是比視頻類型1對(duì)信道要求更高的交互式視頻信息。

表1　MUAV通信中繼設(shè)備的DSCP分類值域及WME等價(jià)

表2　業(yè)務(wù)類型及優(yōu)先級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系

當(dāng)數(shù)據(jù)流到達(dá)MUAV中轉(zhuǎn)設(shè)備時(shí)，AP依據(jù)數(shù)據(jù)流頭部DSCP值賦予其3位優(yōu)先級(jí)表示位，置于DSCP與數(shù)據(jù)部分之間，并計(jì)算出相應(yīng)優(yōu)先級(jí)，如圖2所示。

圖2　優(yōu)先級(jí)賦予流程圖Fig.2　Procedure of giving priority to single frame

MUAV戰(zhàn)術(shù)通信中繼網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)先級(jí)以時(shí)隙的占有為體現(xiàn)[12-13]。通常，具有較高優(yōu)先級(jí)的CPE在與其他活躍CPE分享信道資源時(shí)，依照優(yōu)先級(jí)比例取得傳輸時(shí)隙，有機(jī)會(huì)獲得更多的通信時(shí)間。

當(dāng)所傳數(shù)據(jù)量大時(shí)，可以將多個(gè)源和目的地址相同的數(shù)據(jù)幀合成一個(gè)更大的幀進(jìn)行傳輸[14]。將同類型單個(gè)數(shù)據(jù)幀的DSCP域提取至聚合幀頭部，依轉(zhuǎn)換關(guān)系得出該聚合數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級(jí)。隨后，AP端依此優(yōu)先級(jí)完成時(shí)隙的相應(yīng)分配[15]。如圖3所示，圖3英文標(biāo)示見圖2。

圖4為該動(dòng)態(tài)帶寬分配流程圖。

3實(shí)驗(yàn)與分析

使用如圖5所示的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試床，建立一個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)為10的分布式移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)C9為AP，安裝于MUAV上。C0～C8為CPE端，位于地面。其中C0連接網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)；C1連接承載圖片信息的客戶端；C2，C3分別連接承載文字及語(yǔ)音指揮命令信息的客戶端；其余CPE均與普通數(shù)據(jù)終端相連。測(cè)試時(shí)長(zhǎng)300 s。實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭載完畢后，通過Ix Chariot 6.7網(wǎng)絡(luò)測(cè)試軟件對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)吞吐量和端到端時(shí)延2個(gè)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)控并完成相應(yīng)指標(biāo)的評(píng)估。

假設(shè)C4節(jié)點(diǎn)于某一時(shí)刻需觀看來自C0客戶端的實(shí)時(shí)視頻信息，對(duì)業(yè)務(wù)類型發(fā)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)帶寬分配和傳統(tǒng)固定帶寬分配分別進(jìn)行測(cè)試，圖6為不同帶寬分配策略下吞吐量的變化情況。圖7為延時(shí)情況。

如圖6所示，當(dāng)業(yè)務(wù)量增大時(shí)，傳統(tǒng)帶寬分配的依次輪詢機(jī)制使得C0節(jié)點(diǎn)吞吐量很小并且很快達(dá)

圖3　聚合流量?jī)?yōu)先級(jí)賦予流程圖Fig.3　Procedure of giving priority to aggregated frames

到瓶頸；而具有業(yè)務(wù)類型發(fā)現(xiàn)能力的動(dòng)態(tài)帶寬分配通過識(shí)別視頻流業(yè)務(wù)類型，動(dòng)態(tài)提升C0節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)，使其吞吐量有了顯著提升。當(dāng)對(duì)C0節(jié)點(diǎn)應(yīng)用聚合策略時(shí)，其帶寬分配進(jìn)一步大幅度提高。除此之外，如圖7所示，在傳統(tǒng)帶寬分配中，因等待AP輪詢，C4節(jié)點(diǎn)的信息延時(shí)很高，無法保證流暢的視頻信息傳輸；而動(dòng)態(tài)帶寬分配方法通過將信息流時(shí)延表示位D置1，有效提升了“熱點(diǎn)”節(jié)點(diǎn)的時(shí)間優(yōu)先級(jí)，顯著降低了系統(tǒng)延時(shí)。當(dāng)采用聚合策略時(shí)，因聚合引入的少量系統(tǒng)開銷，系統(tǒng)延時(shí)略有提升。

假設(shè)C2節(jié)點(diǎn)在C0節(jié)點(diǎn)傳輸大量實(shí)時(shí)視頻信息，即網(wǎng)絡(luò)擁擠時(shí)，需向C5節(jié)點(diǎn)下達(dá)遙控命令。此時(shí)，在C5節(jié)點(diǎn)用Ix Chariot軟件測(cè)量收到C2指令的延時(shí)。圖8為有 “插隊(duì)” 特權(quán)的帶寬分配和傳統(tǒng)帶

寬分配所導(dǎo)致的延時(shí)情況。

圖4　動(dòng)態(tài)帶寬分配流程圖Fig.4　Procedure of the dynamic bandwidth allocation

圖5　實(shí)驗(yàn)用測(cè)試床拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.5　Topologies of the test bed

圖6　不同帶寬分配策略導(dǎo)致C0吞吐量的變化Fig.6　Changes of C0 throughput influenced by different strategies of bandwidth allocation

圖7　不同帶寬分配策略導(dǎo)致C0延時(shí)的變化Fig.7　Changes of C0 delay influenced by different strategies of bandwidth allocation

圖8　“插隊(duì)”特權(quán)導(dǎo)致C2端延時(shí)的變化Fig.8　Changes of C2 delay influenced by“jumping the queue” privilege

如圖8所示，網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力大時(shí)，在傳統(tǒng)帶寬分配中，因等待AP輪詢和空閑時(shí)隙分配，需立即傳輸?shù)腃2節(jié)點(diǎn)的命令信息得不到迅速響應(yīng)，延時(shí)相當(dāng)嚴(yán)重。而具有業(yè)務(wù)類型發(fā)現(xiàn)能力的動(dòng)態(tài)帶寬分配賦予了C2節(jié)點(diǎn)信息控制優(yōu)先級(jí)表示位C，即 “插隊(duì)”特權(quán)，使其得以優(yōu)先傳輸，確保了指揮命令的時(shí)效性。

4結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)MUAV戰(zhàn)術(shù)通信中繼應(yīng)用場(chǎng)景，提出了基于業(yè)務(wù)類型發(fā)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)帶寬分配方法。該方法構(gòu)建了IEEE 802.11P分類標(biāo)準(zhǔn)的WME等價(jià)關(guān)系，符合戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景。通過引入流量聚合機(jī)制和“插隊(duì)”機(jī)制，顯著提升了“熱點(diǎn)”節(jié)點(diǎn)的吞吐量，降低了“緊急”節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)延。實(shí)驗(yàn)證明，該方法能夠動(dòng)態(tài)優(yōu)化帶寬分配、降低延時(shí)，較好地滿足無人機(jī)戰(zhàn)術(shù)中繼網(wǎng)絡(luò)的需求。

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MUAV’s Bandwidth Allocation Basing on Services’ Type Detection

ZHENG Yao-rui, LUO Wei-bing, SHI Guo-wei, YU Yuan-min, WU Zhi-zheng

(Engineering University of CAPF, Telecommunication Department, Shaanxi Xi’an 710086, China)

Abstract:Aiming at the use of MUAV communication relay in tactical conditions, a dynamic bandwidth allocation method basing on TDMA and services’ type detection is put forward. This method establishes a classification standard of different service types, which is applied to the tactical conditions, and brings in “jumping the queue” privilege and mechanisms of frame aggregation and service type detection, according to which it realizes the function of dynamic bandwidth allocation. The test shows that this method enhances the throughput of hotspots and decreases the delay of emergency spots, meeting the tactical requirements well.

Key words:micro-unmanned aerial vehicle(MUAV); communication relay； services′ type; queue-jumping; throughput; delay

*收稿日期：2015-04-20；修回日期：2015-07-07

作者簡(jiǎn)介：鄭垚睿(1991-)，男，河南鄢陵人。碩士生，主要研究方向通信指揮與軍事信息系統(tǒng)工程。

通信地址：710086陜西省西安市武警工程大學(xué)信息工程系E-mail：410997337@qq.com

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2016.02.019

中圖分類號(hào)：TN92

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-086X(2016)-02-0114-05