戰(zhàn)術寬帶組網(wǎng)波形的QoS保障體系設計

劉海英

（中國電子科技集團公司第七研究所，廣東 廣州 510310）

1 引言

1.1 寬帶組網(wǎng)波形簡介

戰(zhàn)術通信系統(tǒng)是有機連接各種指揮、武器平臺和傳感器的橋梁與紐帶，是支撐未來戰(zhàn)爭向空天化、高節(jié)奏、快反應轉變的先決條件和核心技術之一，是我軍信息化建設的關鍵領域。戰(zhàn)術通信系統(tǒng)以無線通信為主，其中寬帶戰(zhàn)術電臺是構成戰(zhàn)術通信系統(tǒng)的核心裝備，支持旅和旅以下的作戰(zhàn)部隊，為地面、空中和海上的機動平臺提供大容量動中通的骨干連接，圖1是寬帶組網(wǎng)波形應用的作戰(zhàn)概念圖。

圖1 寬帶組網(wǎng)波形應用作戰(zhàn)概念圖

寬帶組網(wǎng)波形針對戰(zhàn)場惡劣環(huán)境設計的自適應寬帶傳輸能力，能夠進行快速的指令下達和大容量態(tài)勢信息的分發(fā)，實現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)、視頻一體化無縫傳遞。寬帶組網(wǎng)波形是運行在基于軟件無線電技術實現(xiàn)的戰(zhàn)術電臺上的新一代戰(zhàn)術波形，是實現(xiàn)戰(zhàn)術電臺功能、性能的核心組件。

寬帶組網(wǎng)波形主要的功能、性能指標是：通信頻段范圍為30 MHz到6 GHz、信道帶寬為1.2 MHz到30 MHz、支持不低于5 Mbit·s-1的網(wǎng)絡吞吐量；網(wǎng)絡規(guī)模不小于1000節(jié)點；為滿足不同的作戰(zhàn)環(huán)境，波形物理層由多種信號空間構成，具備較強的抗干擾和自組織、自恢復組網(wǎng)能力。

1.2 波形的Qos需求

寬帶組網(wǎng)波形（以下簡稱波形）構成的網(wǎng)絡旨在提供大容量“動中通”的骨干連接，支持各種類型的語音、視頻、話音和視頻會議和各類數(shù)據(jù)報文的傳輸。語音和視頻業(yè)務對傳送時間、時延抖動和丟包率有嚴格要求。寬帶組網(wǎng)波形需要滿足的作戰(zhàn)業(yè)務和多媒體業(yè)務類型如表1中業(yè)務類型分類所示，這些業(yè)務在延遲和丟棄優(yōu)先級方面具有不同的要求。各種各種業(yè)務類型的報文，以及語音、視頻、在線聊天、會議等應用業(yè)務都將在寬帶波形組成的網(wǎng)絡中同時發(fā)生。

因此，波形QoS的設計目標是確保最高優(yōu)先級任務和消息獲得對資源的優(yōu)先訪問，為作戰(zhàn)效能創(chuàng)造最大的價值，當網(wǎng)絡負載超過容量時，更高優(yōu)先級的任務繼續(xù)滿足其QoS性能要求，同時犧牲低價值任務的性能；系統(tǒng)能在擁擠狀態(tài)下通過推遲或消除從低優(yōu)先級開始的功能，以“正常地”降級。

參考文獻[8]中的美軍戰(zhàn)術通信系統(tǒng)相關需求定義，給出寬帶組網(wǎng)波形需要滿足的不同作戰(zhàn)業(yè)務和多媒體業(yè)務對應的QoS保障參數(shù)，如表1所示。

1.3 波形Qos設計面臨的問題

與典型的民用互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡不同，寬帶組網(wǎng)波形構成的戰(zhàn)術通信網(wǎng)絡是動態(tài)、自組織、自我修復的無線網(wǎng)絡。戰(zhàn)術通信網(wǎng)絡由于節(jié)點的移動、變化的地形環(huán)境、敵方的通信對抗、頻譜和計算資源的約束，致使鏈路狀況、網(wǎng)絡拓撲、鏈路容量、丟包率和端到端延遲會發(fā)生不斷的變化，戰(zhàn)術網(wǎng)絡必須建立和維護網(wǎng)絡連接的堅韌性，同時滿足各種業(yè)務達到不同作戰(zhàn)人員的QoS需求。

表1 作戰(zhàn)業(yè)務QoS保障參數(shù)表

在有線網(wǎng)環(huán)境下，IP互聯(lián)的QoS保障主要是通過過度供應，即添加更多容量，直到性能問題消失。而在頻率資源、處理資源受限、并且比光纖或其他有線線路要高幾個數(shù)量級的鏈路誤碼率的移動戰(zhàn)術環(huán)境下，波形必須預期并處理擁塞，通過確保分配約束的資源或犧牲不太關鍵的信息流來完成關鍵信息的分發(fā)（例如火力呼叫、關鍵語音業(yè)務）。

2 寬帶組網(wǎng)波形的Qos保障設計

2.1 寬帶組網(wǎng)波形的協(xié)議體系

在介紹波形的Qos保障體系之前，首先介紹波形的協(xié)議體系。為滿足第一部分描述的波形需求，參考美軍現(xiàn)役寬帶波形的協(xié)議體系設計的波形協(xié)議體系結構如圖2所示：

圖2 寬帶組網(wǎng)波形的協(xié)議體系

（1）信號空間層。提供窄帶、寬帶、抗干擾和低截獲/低檢測四種物理層波形以適應不同的作戰(zhàn)要求。物理層實現(xiàn)借鑒了文獻[15]中所設計的戰(zhàn)術寬帶網(wǎng)絡波形在峰均比抑制技術。各信號空間的實現(xiàn)均采用射頻功率控制、前向糾錯和速率自適應算法。

（2）移動數(shù)據(jù)鏈路層。主要完成RF環(huán)境監(jiān)測、信道資源分配功能，可在子網(wǎng)構建與業(yè)務需求不斷變化的動態(tài)環(huán)境下進行TDMA動態(tài)時隙分配和信道指派，實現(xiàn)有/無GPS的同步、虛電路支持功能。

（3）移動內聯(lián)網(wǎng)層。負責實現(xiàn)MANET組網(wǎng)、自適應鏈路管理，實現(xiàn)流量控制，防止下層（移動數(shù)據(jù)鏈路層）的緩沖器溢出。

（4）波形互聯(lián)網(wǎng)層：采用標準的IP協(xié)議，完成IP層的數(shù)據(jù)傳輸、路由選擇、Qos排隊與調度等功能，實現(xiàn)與其他IP網(wǎng)互聯(lián)。

（5）波形應用層：包括波形提供寬帶能力支持的多種戰(zhàn)術應用程序（IP語音，交互式視頻、位置報告等）、域名管理、目錄服務以及QoS管理。

2.2 寬帶組網(wǎng)波形Qos保障設計

（1）波形Qos設計

參考文獻[4]中戰(zhàn)術網(wǎng)絡環(huán)境下，戰(zhàn)術無線網(wǎng)絡、移動環(huán)境和資源管理的QoS的研究內容，為了滿足寬帶組網(wǎng)波形在戰(zhàn)場惡劣條件下語音、數(shù)據(jù)、視頻一體化的同時運行與無縫傳遞，實現(xiàn)端到端傳輸?shù)目深A測性、減少人工配置，寬帶波形在協(xié)議棧的各層都進行了Qos設計。下面按協(xié)議棧的分層分別介紹其Qos實現(xiàn)方式。

1）互聯(lián)網(wǎng)層的QoS設計

作為戰(zhàn)場的骨干傳輸鏈路，寬帶組網(wǎng)波形所組成的網(wǎng)絡會與其他支持各種QoS架構的外部網(wǎng)絡，如大容量的微波接力機、衛(wèi)星設備、帶寬較窄的超短波和短波設備組成的不同速率的網(wǎng)絡有接口。為實現(xiàn)與應用層程序和外部網(wǎng)絡的互聯(lián)，互聯(lián)網(wǎng)層QoS的實現(xiàn)采用了IETF定義的標準的DiffServ（在文獻[11]中定義）和IntServ（在文獻[10]中定義）兩種模型的混合架構。波形實現(xiàn)符合DiffServ模型要求，除了逐流管理的關鍵流量外，所有入口流量都將映射到DiffServ的分類。需要每流管理的會話型業(yè)務（如語音、視頻、等對時延和抖動有較高要求的交互類多媒體業(yè)務）將通過IntServ模型支持。

在流量控制方面，通過對隨機公平（S F Q,Stochastic Fairness Queueing）、令牌桶過濾器（TBF,Token Bucket Filter）、隨機早期檢測（RED, Random Early Detect）和加權循環(huán)（WRR, Weighted Round Robin）等排隊算法研究后，考慮到戰(zhàn)術環(huán)境的約束，提出在每個IP分類的排隊機制使用分級令牌桶（HTB,Hierarchical Tokens Bucket）流量控制機制。HTB不僅能夠滿足不同等級用戶不同服務質量的需求，同時滿足了帶寬分配、管理、整形、限速、用戶分級、帶寬利用等要素，尤為重要的是可以充分使用無線資源，能夠將兩種矛盾因素有機地結合在了一起，很好地適應戰(zhàn)術條件頻譜資源、帶寬資源奇缺的特征。以往的系統(tǒng)中，HTB沒有得到應用的原因是由于HTB的實現(xiàn)需要消耗較多的計算資源，在當前嵌入式設備處理器水平條件下已不存在這個問題。

2）移動內聯(lián)網(wǎng)層QoS設計

移動內聯(lián)網(wǎng)層由五個主要模塊組成，如圖3所示。

報文轉發(fā)模塊執(zhí)行報文的分組交換。模塊為每個級別的流量優(yōu)先級分配一個單獨的隊列，從而支持多級優(yōu)先級。鏈路度量模塊收集和評估由移動數(shù)據(jù)鏈路層提供的無線信道信息，報告給路由和群集模塊。分簇控制模塊根據(jù)鏈路度量自動完成分簇和維護。為減少IP報頭開銷，本設計采用業(yè)界已經(jīng)證明、在無線鏈路上較為理想的IP數(shù)據(jù)壓縮協(xié)議ROHC協(xié)議（參見文獻[5]）來對IP數(shù)據(jù)報頭進行壓縮。

虛電路支持模塊用于為IntServ模型提供會話型業(yè)務中創(chuàng)建/拆除業(yè)務發(fā)起端和目標的虛電路。當作戰(zhàn)平臺上的應用程序建立新的語音或視頻會議會話時，虛電路支持模塊的啟動建鏈過程，協(xié)議使用支持IntServ模型的RSVP信令。圖4為寬帶組網(wǎng)波形多節(jié)點建立虛電路的示意圖：

圖3 移動內聯(lián)網(wǎng)層功能框架

圖4 寬帶組網(wǎng)波形虛電路建立示意圖

RSVP協(xié)議在無線網(wǎng)絡應用的主要問題是不能提供靈活的資源預留機制，無法在戰(zhàn)術環(huán)境下動態(tài)調整鏈路資源。寬帶波形設計參考美軍戰(zhàn)術波形對RSVP的改進后的技術dRsvp技術，參見文獻[3]，即通過增加少量信令為代價，實現(xiàn)節(jié)點預留資源的動態(tài)調整，達到充分利用網(wǎng)絡資源的目的。該協(xié)議已作為美軍現(xiàn)役電臺的寬帶波形技術體制。

3）移動數(shù)據(jù)鏈路層QoS設計

移動數(shù)據(jù)鏈路層包括TDMA信道接入、統(tǒng)一時隙分配、時間同步、射頻鏈路管理、數(shù)據(jù)鏈路層排隊和逐跳可靠傳輸6個模塊。

TDMA信道接入和統(tǒng)一時隙分配協(xié)議兩個模塊的設計參考了美軍寬帶波形的數(shù)據(jù)鏈路層的實現(xiàn)技術USAP（Unifying Slot Assignment Protocol）。文獻[1]中對USAP的算法從原理上進行了介紹；文獻[2]中分析了USAP協(xié)議的設計思想和資源管理方法。USAP是針對戰(zhàn)術環(huán)境多跳多信道自組織網(wǎng)絡的一種分布式時分多址協(xié)議，是美軍現(xiàn)役電臺的核心關鍵技術。在文獻[13]中對USAP虛擬電路連接的評估模型在鏈路容量下降等多種情況下的各種性能指標進行說明。排隊模塊設計了多個隊列來滿足多信道TDMA組網(wǎng)控制、不同的業(yè)務數(shù)據(jù)報、虛擬電路的實時性和可靠性需求。

射頻鏈路管理模塊的主要功能是鏈路測量和鄰居發(fā)現(xiàn)、確定無線鏈路的質量、接收機指示發(fā)射機調整發(fā)射參數(shù)、速率和發(fā)射功率等，確保在高動態(tài)的戰(zhàn)術環(huán)境中，波形保持穩(wěn)定的鏈路。逐跳可靠傳輸模塊用于跟蹤電臺到電臺逐跳傳輸?shù)目煽啃?，根?jù)需要向發(fā)射機發(fā)送選擇性確認。

4）物理層的Qos設計

在物理層使用自適應技術來增強拓撲鏈接的穩(wěn)定性和吞吐量。從圖5可以看到，在滿足誤碼率BER（Bit Error Rate）的要求下，獲得不同的信噪比SNR（Signal-Noise Ratio）值和不同調制方案的選擇。

電臺之間通過測量接收端信噪比和誤碼率，采用開環(huán)與閉環(huán)過程進行濾波與歸一化處理，驅動狀態(tài)機控制狀態(tài)轉移，由移動鏈路層調整物理層信道帶寬、調制方式、分集級數(shù)、信道編碼，實時調整節(jié)點到節(jié)點間的速率，達到最大的吞吐量以及最大的通信距離。

（2）波形的QoS管理

為實現(xiàn)波形的動態(tài)自配置、自恢復，減少人工參與，提高戰(zhàn)術網(wǎng)絡的智能化程度和管理效率，波形的Qos管理采用IETF定義的基于策略的Qos管理框架（PBNM, Policy Based Network Management），參見文獻[7]。文獻[9]給出了戰(zhàn)術網(wǎng)絡采用PBNM的優(yōu)勢、戰(zhàn)術網(wǎng)絡PBNM的架構和涉及的關鍵技術。

波形協(xié)議棧中應用層的Qos管理模塊實現(xiàn)PBMN的本地策略決策點（LPDP, Local Policy Decision Point）功能，完成電臺內部資源調度的策略緩存與管理、網(wǎng)絡業(yè)務性能（流量、隊列時延）監(jiān)視和網(wǎng)絡資源狀態(tài)（可用帶寬、信道誤碼等）監(jiān)視與報告。

在作戰(zhàn)任務規(guī)劃階段即已開始電臺波形Qos管理的過程。網(wǎng)絡管理員根據(jù)指揮員作戰(zhàn)任務與通信優(yōu)先級的關系，在一級管理中心的網(wǎng)絡管理軟件上配置任務優(yōu)先級與任務條件（例如作戰(zhàn)區(qū)域、時間、拓撲、使用頻段、中繼等），形成多個配置策略。一級管理中心中的PDP將這些策略逐級下發(fā)給下一級的PDP，電臺內部的LPDP接收上一級網(wǎng)管系統(tǒng)（平臺的網(wǎng)管或作戰(zhàn)區(qū)域網(wǎng)管）的各種策略模板，根據(jù)條件執(zhí)行策略。圖6中顯示了網(wǎng)絡管理軟件和戰(zhàn)術電臺內部的PBNM主要功能實體。

用于實施波形Q o s控制策略的實體是策略執(zhí)行點（PEP, Policy Enforcement Point），同時實現(xiàn)DiffServ模型中每跳行為（PHBs, Per Hop Behaviors），PEP附著在TCP/UDP協(xié)議之上，部署于電臺對外的每個入口和出口處，PEP向LPDP請求得到策略配置，具體實現(xiàn)各個接口處的包過濾、流量優(yōu)先排序、數(shù)據(jù)包隊列策略和帶寬分配。

（3）戰(zhàn)術環(huán)境TCP協(xié)議的改進

圖6 網(wǎng)絡管理軟件的PDP配置電臺的PDP

文獻[14]對戰(zhàn)術環(huán)境下TCP性能下降的原因進行了詳細說明。通過對文獻[6]介紹的多種無線自組網(wǎng)的多種提案（CP-F、ELFN、ATCP、Fixed RTO和TCPDOOR）進行研究、仿真對比分析后，寬帶波形選用ATCP協(xié)議作為解決戰(zhàn)術環(huán)境TCP協(xié)議的方案。ATCP協(xié)議通過在網(wǎng)絡層和原有的傳輸層TCP協(xié)議之間加入一層新的ATCP層，基于ICMP（Internet控制信息協(xié)議）和ECN（顯式擁塞通知，見文獻[12]定義）方案檢測網(wǎng)絡分離和擁塞，由此中間層跟蹤來自和去往傳輸層的分組，使得在不需要的時候并不調用TCP的擁塞控制機制。

3 試驗驗證

為驗證寬帶波形Qos實現(xiàn)的效果，構建了如圖7所示的測試環(huán)境。

測試環(huán)境包含5臺戰(zhàn)術電臺，電臺的天線口通過射頻線纜聯(lián)入射頻網(wǎng)絡控制器（測試設備），構成可以模擬無線信道條件的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡。射頻網(wǎng)絡控制器在連接在信道發(fā)生服務器的配置計算機的設置下，在各個不同信道口可產生不同的信道衰落模型、一種或多種疊加的自然干擾噪聲、一種或多種疊加的干擾類型（模擬敵方實施的多種干擾），從而模擬較真實的戰(zhàn)場信道條件。

圖7 寬帶電臺系統(tǒng)測試環(huán)境

5臺寬帶電臺分別連接IP電話機、數(shù)據(jù)報文發(fā)生器和產生視頻流的計算機。為測試波形的Qos性能，試驗設計了在5個節(jié)點同時傳輸視頻流、一般數(shù)據(jù)報文、時間敏感報文等測試用例。舉例說明，用例一在網(wǎng)絡性能下降時，并行傳輸高優(yōu)先級的視頻流和多條低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)流，試驗表明網(wǎng)絡能夠保障高質量的視頻流流暢、無抖動的傳輸；用例二各寬帶電臺同時傳輸各類IP話音以及視頻流時，此時有時間敏感信息的傳遞，則時間敏感信息優(yōu)先傳遞。各項測試結果表明，波形達到設計要求。

4 結束語

本文設計的寬帶組網(wǎng)波形Qos保障技術，能夠滿足低延遲、面向會話的語音、視頻和交互性任務和不同傳輸需求的數(shù)據(jù)報在戰(zhàn)術環(huán)境的Qos保障需求，可以解決我軍寬帶電臺現(xiàn)有的組網(wǎng)能力差、自適應能力弱、對多種業(yè)務的傳輸保證不足等一系列弊病，對于我軍新一代寬帶電臺的波形設計將具有參考價值。