業務類型發現的MUAV動態帶寬分配*

鄭垚睿，羅衛兵，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

業務類型發現的MUAV動態帶寬分配*

鄭垚睿，羅衛兵，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：針對戰術環境下微小型無人機通信中繼平臺的應用，提出了一種具有業務類型發現能力的動態帶寬分配方法，構建了符合戰術應用場景的業務類型分類，引入流量聚合機制、業務類型發現機制和“插隊”特權，完成了帶寬的動態分配。實驗表明，基于業務類型發現的動態帶寬分配方法能夠有效提升“熱點”節點的吞吐量，降低“緊急”節點的傳輸時延，較好地滿足了戰術應用要求。

關鍵詞：微小型無人機；通信中繼；業務類型；插隊；吞吐量；時延

0引言

微小型無人機(micro-unmanned aerial vehicle,MUAV)作為中繼平臺構建無線戰術局域網，具有部署靈活、易于控制和很強的戰場適應能力等優點[1]。然而，戰場信息種類繁多、等級分明，對系統傳輸質量的要求各有不同。例如，指揮命令通常短小卻實時性要求很高，視頻監控信息通常數據量龐大且對時延敏感，戰場圖像通常數據量大卻對時延要求并不苛刻。若對業務類型不加以細致區分而直接傳輸，必將在帶寬資源有限的MUAV通信中繼網絡中造成報文堆積、網絡延時、吞吐量下降等問題，從而導致重要信息阻塞與網絡擁塞[2]。因此，能夠符合戰術環境要求，按照業務類型的不同實現帶寬資源的動態分配成為MUAV通信中繼研究的熱點。

典型的業務識別方法有端口識別法、深度數據包檢測法等[3]。端口識別法依據端口號識別業務，但在復雜多變的戰場環境中，端口的業務類型并不固定，并且許多業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]；深度數據包檢測法雖識別精度高，但其對于新網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務進行優先分配時隙的考慮。文獻[7]采用動態的二叉樹塊內均分算法，適用于用戶有應急需要、發送較長報文、占用連續多時隙的場合，但是算法復雜度高，引入了一定的系統開銷。文獻[8]提出了一種基于優先級的時隙分配策略，但沒有考慮到在網絡負載增重情況下，流量聚合技術對系統傳輸效率的提高作用。

本文通過對MUAV戰術通信中繼應用場景進行分析，提出了一種基于業務類型發現與流量聚合機制的動態帶寬分配方法，采用優先級轉換策略，識別客戶端設備(customer premise equipment,CPE)承載信息類別并動態賦予其優先級，在保證較小系統開銷的同時提高了MUAV戰術中繼網絡傳輸效率。

1MUAV通信中繼網絡的數據傳輸需求

MUAV通信中繼網絡利用TDMA訪問機制僅需改變時隙分配即可表現出靈活的組網能力、良好的抗截獲和抗干擾性能[9]。中繼網絡中，MUAV作為接入點(access point,AP)，承擔CPE的輪詢和時隙調度工作。所連客戶端承載戰場視頻、音頻、圖像、文字等一系列戰術信息。典型的MUAV通信中繼網絡拓撲結構如圖1所示。

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

戰場需求瞬息萬變，MUAV中繼網絡轉發數據的業務類型也因此不斷改變。如圖1所示，某一時刻，節點C0承載戰場高清視頻信息，所需帶寬相對較大，延時容忍度低。假設每經過一個輪詢周期，節點C0就會產生長度為2時隙×數據速率的信息，但是由于傳統輪詢算法只允許一個節點在一個輪詢周期內被輪詢一次，且最多獲得1時隙的傳輸時間，故當輪詢結束后，將會積累1時隙×數據速率的數據需要等待下次輪詢才能完成傳輸，但是在下一個輪詢周期，節點C0又會產生2個時隙新的待發數據。由此類推，k個周期之后，節點C0將產生2k單位的數據，但是只能傳輸其中的k個單位，其緩沖區的等待隊列將達到k。如果k→ ∞，那么此節點的緩沖區隊長也趨于無窮大，使數據喪失時效性。傳統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承載大數據、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節點承載戰場的指揮控制等命令信息。該信息數據量小，卻對延時相當敏感，需在第一時間完成傳輸。傳統FIFO服務機制不允許任何節點的“插隊”請求[10]。無論節點所需傳輸的數據價值多大，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。

戰場關系層級分明，戰場狀態瞬息萬變。因此，節點的調度及帶寬的分配必須具有依據不同業務類型動態按需調節的能力。

2業務類型區分的動態帶寬分配

在業務類型的區分上，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)標識來進行區分，并據其對應的逐跳行為(per hop behavior,PHB)完成數據的轉發[11]。結合戰場CPE可能承載的數據類型，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種不同的業務類型。定義8個優先級，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，表示數據流擁有最高的優先級和絕對的“插隊”特權；D(Delay)為時延位，置于1時，表示數據流為時延敏感性業務，需進行優先的傳輸；B(Bandwidth)為帶寬位，置于1時，表示所傳業務數據量大，需提高時隙數量的分配。詳細的業務類型和優先級對應關系如表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通信中繼設備的DSCP分類值域及WME等價

表2　業務類型及優先級對應關系

當數據流到達MUAV中轉設備時，AP依據數據流頭部DSCP值賦予其3位優先級表示位，置于DSCP與數據部分之間，并計算出相應優先級，如圖2所示。

圖2　優先級賦予流程圖Fig.2　Procedure of giving priority to single frame

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

當所傳數據量大時，可以將多個源和目的地址相同的數據幀合成一個更大的幀進行傳輸[14]。將同類型單個數據幀的DSCP域提取至聚合幀頭部，依轉換關系得出該聚合數據幀的優先級。隨后，AP端依此優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為該動態帶寬分配流程圖。

3實驗與分析

使用如圖5所示的網絡測試床，建立一個節點數為10的分布式移動網絡拓撲。設中繼節點C9為AP，安裝于MUAV上。C0～C8為CPE端，位于地面。其中C0連接網絡攝像機；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均與普通數據終端相連。測試時長300 s。實驗環境搭載完畢后，通過Ix Chariot 6.7網絡測試軟件對關鍵節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C4節點于某一時刻需觀看來自C0客戶端的實時視頻信息，對業務類型發現的動態帶寬分配和傳統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，當業務量增大時，傳統帶寬分配的依次輪詢機制使得C0節點吞吐量很小并且很快達

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

到瓶頸；而具有業務類型發現能力的動態帶寬分配通過識別視頻流業務類型，動態提升C0節點優先級，使其吞吐量有了顯著提升。當對C0節點應用聚合策略時，其帶寬分配進一步大幅度提高。除此之外，如圖7所示，在傳統帶寬分配中，因等待AP輪詢，C4節點的信息延時很高，無法保證流暢的視頻信息傳輸；而動態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”節點的時間優先級，顯著降低了系統延時。當采用聚合策略時，因聚合引入的少量系統開銷，系統延時略有提升。

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

寬分配所導致的延時情況。

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

圖5　實驗用測試床拓撲結構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，網絡傳輸壓力大時，在傳統帶寬分配中，因等待AP輪詢和空閑時隙分配，需立即傳輸的C2節點的命令信息得不到迅速響應，延時相當嚴重。而具有業務類型發現能力的動態帶寬分配賦予了C2節點信息控制優先級表示位C，即 “插隊”特權，使其得以優先傳輸，確保了指揮命令的時效性。

4結束語

本文針對MUAV戰術通信中繼應用場景，提出了基于業務類型發現的動態帶寬分配方法。該方法構建了IEEE 802.11P分類標準的WME等價關系，符合戰術應用場景。通過引入流量聚合機制和“插隊”機制，顯著提升了“熱點”節點的吞吐量，降低了“緊急”節點的傳輸時延。實驗證明，該方法能夠動態優化帶寬分配、降低延時，較好地滿足無人機戰術中繼網絡的需求。

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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