業(yè)務類型發(fā)現(xiàn)的MUAV動態(tài)帶寬分配*

鄭垚睿，羅衛(wèi)兵，史國煒，余緣敏，吳智正

(武警工程大學 信息工程系，陜西 西安　710086)

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指揮控制與通信

業(yè)務類型發(fā)現(xiàn)的MUAV動態(tài)帶寬分配*

鄭垚睿，羅衛(wèi)兵，史國煒，余緣敏，吳智正

(武警工程大學 信息工程系，陜西 西安710086)

摘要：針對戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下微小型無人機通信中繼平臺的應用，提出了一種具有業(yè)務類型發(fā)現(xiàn)能力的動態(tài)帶寬分配方法，構(gòu)建了符合戰(zhàn)術(shù)應用場景的業(yè)務類型分類，引入流量聚合機制、業(yè)務類型發(fā)現(xiàn)機制和“插隊”特權(quán)，完成了帶寬的動態(tài)分配。實驗表明，基于業(yè)務類型發(fā)現(xiàn)的動態(tài)帶寬分配方法能夠有效提升“熱點”節(jié)點的吞吐量，降低“緊急”節(jié)點的傳輸時延，較好地滿足了戰(zhàn)術(shù)應用要求。

關(guān)鍵詞：微小型無人機；通信中繼；業(yè)務類型；插隊；吞吐量；時延

0引言

微小型無人機(micro-unmanned aerial vehicle,MUAV)作為中繼平臺構(gòu)建無線戰(zhàn)術(shù)局域網(wǎng)，具有部署靈活、易于控制和很強的戰(zhàn)場適應能力等優(yōu)點[1]。然而，戰(zhàn)場信息種類繁多、等級分明，對系統(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時性要求很高，視頻監(jiān)控信息通常數(shù)據(jù)量龐大且對時延敏感，戰(zhàn)場圖像通常數(shù)據(jù)量大卻對時延要求并不苛刻。若對業(yè)務類型不加以細致區(qū)分而直接傳輸，必將在帶寬資源有限的MUAV通信中繼網(wǎng)絡中造成報文堆積、網(wǎng)絡延時、吞吐量下降等問題，從而導致重要信息阻塞與網(wǎng)絡擁塞[2]。因此，能夠符合戰(zhàn)術(shù)環(huán)境要求，按照業(yè)務類型的不同實現(xiàn)帶寬資源的動態(tài)分配成為MUAV通信中繼研究的熱點。

典型的業(yè)務識別方法有端口識別法、深度數(shù)據(jù)包檢測法等[3]。端口識別法依據(jù)端口號識別業(yè)務，但在復雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境中，端口的業(yè)務類型并不固定，并且許多業(yè)務都可采用隨機端口或偽裝端口，使得端口識別法有很大的局限性[4]；深度數(shù)據(jù)包檢測法雖識別精度高，但其對于新網(wǎng)絡應用檢測的滯后性及對加密P2P應用檢測能力的有限性都限制了其在MUAV通信中繼網(wǎng)絡的應用[5]。文獻[6]中提出了一種公平的端到端時隙分配算法，然而卻忽略了對時延敏感業(yè)務進行優(yōu)先分配時隙的考慮。文獻[7]采用動態(tài)的二叉樹塊內(nèi)均分算法，適用于用戶有應急需要、發(fā)送較長報文、占用連續(xù)多時隙的場合，但是算法復雜度高，引入了一定的系統(tǒng)開銷。文獻[8]提出了一種基于優(yōu)先級的時隙分配策略，但沒有考慮到在網(wǎng)絡負載增重情況下，流量聚合技術(shù)對系統(tǒng)傳輸效率的提高作用。

本文通過對MUAV戰(zhàn)術(shù)通信中繼應用場景進行分析，提出了一種基于業(yè)務類型發(fā)現(xiàn)與流量聚合機制的動態(tài)帶寬分配方法，采用優(yōu)先級轉(zhuǎn)換策略，識別客戶端設(shè)備(customer premise equipment,CPE)承載信息類別并動態(tài)賦予其優(yōu)先級，在保證較小系統(tǒng)開銷的同時提高了MUAV戰(zhàn)術(shù)中繼網(wǎng)絡傳輸效率。

1MUAV通信中繼網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸需求

MUAV通信中繼網(wǎng)絡利用TDMA訪問機制僅需改變時隙分配即可表現(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)絡中，MUAV作為接入點(access point,AP)，承擔CPE的輪詢和時隙調(diào)度工作。所連客戶端承載戰(zhàn)場視頻、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)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　MUAV通信中繼網(wǎng)絡拓撲圖Fig.1　Topologies of MUAV communication relay

戰(zhàn)場需求瞬息萬變，MUAV中繼網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的業(yè)務類型也因此不斷改變。如圖1所示，某一時刻，節(jié)點C0承載戰(zhàn)場高清視頻信息，所需帶寬相對較大，延時容忍度低。假設(shè)每經(jīng)過一個輪詢周期，節(jié)點C0就會產(chǎn)生長度為2時隙×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節(jié)點在一個輪詢周期內(nèi)被輪詢一次，且最多獲得1時隙的傳輸時間，故當輪詢結(jié)束后，將會積累1時隙×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，但是在下一個輪詢周期，節(jié)點C0又會產(chǎn)生2個時隙新的待發(fā)數(shù)據(jù)。由此類推，k個周期之后，節(jié)點C0將產(chǎn)生2k單位的數(shù)據(jù)，但是只能傳輸其中的k個單位，其緩沖區(qū)的等待隊列將達到k。如果k→ ∞，那么此節(jié)點的緩沖區(qū)隊長也趨于無窮大，使數(shù)據(jù)喪失時效性。傳統(tǒng)固定策略輪詢法以相同的時隙分配傳遞每個CPE的信息，當所屬CPE承載大數(shù)據(jù)、低時延信息時，這種方法必然不能滿足傳輸要求，造成報文堆積、延時嚴重及吞吐量下降等問題。

又如，某一時刻，C2節(jié)點承載戰(zhàn)場的指揮控制等命令信息。該信息數(shù)據(jù)量小，卻對延時相當敏感，需在第一時間完成傳輸。傳統(tǒng)FIFO服務機制不允許任何節(jié)點的“插隊”請求[10]。無論節(jié)點所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)價值多大，都必須按次序等待AP的輪詢。較高的輪詢等待可能會使得指揮信息喪失時效性。

戰(zhàn)場關(guān)系層級分明，戰(zhàn)場狀態(tài)瞬息萬變。因此，節(jié)點的調(diào)度及帶寬的分配必須具有依據(jù)不同業(yè)務類型動態(tài)按需調(diào)節(jié)的能力。

2業(yè)務類型區(qū)分的動態(tài)帶寬分配

在業(yè)務類型的區(qū)分上，IEEE做了大量建議。IEEE 802.11P建議8級分類，用差異服務編碼指示(differentiated services code point,DSCP)標識來進行區(qū)分，并據(jù)其對應的逐跳行為(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建議的分類標準，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。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)務類型。定義8個優(yōu)先級，用3位二進制碼表示， 分為C，D，B3組，如表2所示。其中，C(Command)為控制位，置于1時，表示數(shù)據(jù)流擁有最高的優(yōu)先級和絕對的“插隊”特權(quán)；D(Delay)為時延位，置于1時，表示數(shù)據(jù)流為時延敏感性業(yè)務，需進行優(yōu)先的傳輸；B(Bandwidth)為帶寬位，置于1時，表示所傳業(yè)務數(shù)據(jù)量大，需提高時隙數(shù)量的分配。詳細的業(yè)務類型和優(yōu)先級對應關(guān)系如表2所示。其中，視頻類型2是比視頻類型1對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

表2　業(yè)務類型及優(yōu)先級對應關(guān)系

當數(shù)據(jù)流到達MUAV中轉(zhuǎn)設(shè)備時，AP依據(jù)數(shù)據(jù)流頭部DSCP值賦予其3位優(yōu)先級表示位，置于DSCP與數(shù)據(jù)部分之間，并計算出相應優(yōu)先級，如圖2所示。

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

MUAV戰(zhàn)術(shù)通信中繼網(wǎng)絡的優(yōu)先級以時隙的占有為體現(xiàn)[12-13]。通常，具有較高優(yōu)先級的CPE在與其他活躍CPE分享信道資源時，依照優(yōu)先級比例取得傳輸時隙，有機會獲得更多的通信時間。

當所傳數(shù)據(jù)量大時，可以將多個源和目的地址相同的數(shù)據(jù)幀合成一個更大的幀進行傳輸[14]。將同類型單個數(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。隨后，AP端依此優(yōu)先級完成時隙的相應分配[15]。如圖3所示，圖3英文標示見圖2。

圖4為該動態(tài)帶寬分配流程圖。

3實驗與分析

使用如圖5所示的網(wǎng)絡測試床，建立一個節(jié)點數(shù)為10的分布式移動網(wǎng)絡拓撲。設(shè)中繼節(jié)點C9為AP，安裝于MUAV上。C0～C8為CPE端，位于地面。其中C0連接網(wǎng)絡攝像機；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。測試時長300 s。實驗環(huán)境搭載完畢后，通過Ix Chariot 6.7網(wǎng)絡測試軟件對關(guān)鍵節(jié)點吞吐量和端到端時延2個指標進行實時測控并完成相應指標的評估。

假設(shè)C4節(jié)點于某一時刻需觀看來自C0客戶端的實時視頻信息，對業(yè)務類型發(fā)現(xiàn)的動態(tài)帶寬分配和傳統(tǒng)固定帶寬分配分別進行測試，圖6為不同帶寬分配策略下吞吐量的變化情況。圖7為延時情況。

如圖6所示，當業(yè)務量增大時，傳統(tǒng)帶寬分配的依次輪詢機制使得C0節(jié)點吞吐量很小并且很快達

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

到瓶頸；而具有業(yè)務類型發(fā)現(xiàn)能力的動態(tài)帶寬分配通過識別視頻流業(yè)務類型，動態(tài)提升C0節(jié)點優(yōu)先級，使其吞吐量有了顯著提升。當對C0節(jié)點應用聚合策略時，其帶寬分配進一步大幅度提高。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)點的信息延時很高，無法保證流暢的視頻信息傳輸；而動態(tài)帶寬分配方法通過將信息流時延表示位D置1，有效提升了“熱點”節(jié)點的時間優(yōu)先級，顯著降低了系統(tǒng)延時。當采用聚合策略時，因聚合引入的少量系統(tǒng)開銷，系統(tǒng)延時略有提升。

假設(shè)C2節(jié)點在C0節(jié)點傳輸大量實時視頻信息，即網(wǎng)絡擁擠時，需向C5節(jié)點下達遙控命令。此時，在C5節(jié)點用Ix Chariot軟件測量收到C2指令的延時。圖8為有 “插隊” 特權(quán)的帶寬分配和傳統(tǒng)帶

寬分配所導致的延時情況。

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

圖5　實驗用測試床拓撲結(jié)構(gòu)Fig.5　Topologies of the test bed

圖6　不同帶寬分配策略導致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致C0延時的變化Fig.7　Changes of C0 delay influenced by different strategies of bandwidth allocation

圖8　“插隊”特權(quán)導致C2端延時的變化Fig.8　Changes of C2 delay influenced by“jumping the queue” privilege

如圖8所示，網(wǎng)絡傳輸壓力大時，在傳統(tǒng)帶寬分配中，因等待AP輪詢和空閑時隙分配，需立即傳輸?shù)腃2節(jié)點的命令信息得不到迅速響應，延時相當嚴重。而具有業(yè)務類型發(fā)現(xiàn)能力的動態(tài)帶寬分配賦予了C2節(jié)點信息控制優(yōu)先級表示位C，即 “插隊”特權(quán)，使其得以優(yōu)先傳輸，確保了指揮命令的時效性。

4結(jié)束語

本文針對MUAV戰(zhàn)術(shù)通信中繼應用場景，提出了基于業(yè)務類型發(fā)現(xiàn)的動態(tài)帶寬分配方法。該方法構(gòu)建了IEEE 802.11P分類標準的WME等價關(guān)系，符合戰(zhàn)術(shù)應用場景。通過引入流量聚合機制和“插隊”機制，顯著提升了“熱點”節(jié)點的吞吐量，降低了“緊急”節(jié)點的傳輸時延。實驗證明，該方法能夠動態(tài)優(yōu)化帶寬分配、降低延時，較好地滿足無人機戰(zhàn)術(shù)中繼網(wǎng)絡的需求。

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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：TN92

文獻標志碼：A

文章編號：1009-086X(2016)-02-0114-05