微小型無人機通信中繼動態帶寬分配方法及實驗分析*

趙增輝,程國建,劉篤仁

(1.西安培華學院中興電信學院,西安 610125;2.西安石油大學計算機學院,西安 710065;3.西安電子科技大學電子工程學院,西安 710071)

微小型無人機通信中繼動態帶寬分配方法及實驗分析*

趙增輝1*,程國建2,劉篤仁3

(1.西安培華學院中興電信學院,西安 610125;2.西安石油大學計算機學院,西安 710065;3.西安電子科技大學電子工程學院,西安 710071)

以MUAV戰術通信中繼應用場景為模型,對戰場中存在的各種不同的業務類型有針對性的采用優先級轉換策略及流量聚合機制進行動態帶寬分配。該方法參考了IEEE 802.11p分類標準并建立了該標準與WME的等價關系。試驗發現,流量聚合機制和“插隊”機制的引入,能顯著提高系統節點的吞吐量,并降低節點的傳輸時延。實驗證明,該動態帶寬分配方法能夠有效優化帶寬分配,降低系統延時(20 ms以下),更好地達到無人機戰術中繼網絡的要求。

計算機;微小型無人機;帶寬分配;IEEE 802.11p;優先級;流量聚合

微小型無人機MUAV(Micro-Unmanned Aerial Vehicle)具有機動性好、部署迅速、體積小、易于操控并具有較強戰場適應能力[1-2],其在戰術通信的中繼平臺構建無線戰術局域網中起著至關重要的作用。但是,戰場環境變化莫測、信息量大、等級分明,導致MUAV通信中繼網絡對系統傳輸質量的要求各異[3]。例如,信息量較大且對時效性要求較高的視頻監控信息傳輸;有些信息量較小但對時效性要求較高,如:指揮命令的傳輸;還有些信息量大但對時效性要求不高,如:戰場圖像的傳輸。因此,為確保MUAV通信中繼網絡中信息分配合理、網絡通暢、傳輸及時、吞吐量達標等,就要在傳輸過程中對業務類型先細致區分后再進行傳輸。總而言之,隨著技術的進步,研究出能夠符合戰術環境要求,部署快,針對性強的通信中繼動態帶寬分配系統成為MUAV通信中繼研究的重要內容。

本文針對戰場中的實際應用場景對MUAV戰術通信中繼系統進行分析,對戰場中存在的各種不同的業務類型有針對性的采用優先級轉換策略及流量聚合機制進行動態帶寬分配,優先級轉換策略是通過對CPE用戶端設備(Customer Premise Equipment)進行識別并將信息進行分類然后動態賦予優先級,這種方法不僅節省了系統開銷并且有利于提高通信中繼網絡的傳輸效率。

1 MUAV通信中繼網絡的數據傳輸需求

圖1為傳統戰術局域網及MUAV通信中繼網絡的對比圖。傳統戰術局域網較MUAV戰術通信中繼平臺的網絡拓撲結構有較大區別。MUAV通信中繼網絡利用分時多址TDMA(Time Dicision Multiple Address)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[4]。戰術局域網一般存在多個用戶節點和一個接入節點,也稱接入控制器AC(Access Controller),本地局域網與戰術互聯網通過AC節點進行互聯。

圖1 傳統戰術局域網及MUAV通信中繼網絡圖

由于戰場環境千變萬化,微小型無人機的中繼網絡轉發數據的業務類型因此也會不斷發生改變。微小型無人機中繼網絡中MUAV作為接入點AP(Access Point),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。

假設某一時刻,C0節點承載的信息量較大,如:視頻監控信息,對時效性要求較高且所需帶寬相對較大。在傳統輪詢算法中,每輪詢一次,節點C0就會產生一定長度的信息,且在傳統輪詢算法中,一個節點只能在一個輪詢周期內被輪詢一次,所以當一個周期的輪詢結束后,將會積累一定的數據需要等待下次輪詢才能完成傳輸。然而,積累的數據在等待進行下一次輪詢前,又會產生新的待發數據。最終,此節點的緩沖區隊長會逐漸增大,使數據喪失時效性。因此,當CPE用戶端承載信息量較大、時效性要求較高時,傳統的輪詢算法將不能達到及時傳輸要求,并會導致效率低下、信息大量堆積、傳輸不及時等嚴重問題。

再次假設,某一時刻,C1節點承載的信息量較小,如:指揮命令,但對時效性要求較高,需在發布命令的第一時間進行傳輸。然而傳統先進先出FIFO(First In First Out)存儲器的服務機制將按照先進先傳輸的原則進行傳輸,傳輸過程中不存在任何的“插隊”請求。因此,該傳統的傳輸機制將會導致重要的信息也必須按次序等待輪詢,使重要數據無法及時傳輸,這對戰場情況將造成較為嚴重的影響。

正是因為戰場這種等級分明關系的關系存在,而戰場環境又千變萬化。因此,對戰場中存在的各種不同的業務類型必須有針對性的進行調節并進行動態帶寬分配。

2 業務類型區分的動態帶寬分配

802.11協議組是國際電工電子工程學會(IEEE)為無線局域網絡制定的標準,IEEE 802.11標準協議市委室內靜止環境而設計的通信標準,具有較小的時延擴展和滿是變的信道特性,本文以IEEE 802.11p分類標準作為參考[5]。IEEE 802.11p服務類型建議以0-7進行8級分類,DSCP差分服務代碼點(Differentiated Services Code Point),是IETF于1998年12月發布的Diff-Serv的QoS分類標準,DSCP值的范圍為0～63(0的優先級最低,63的優先級最高)[6]。

IEEE 802.11p標準的業務類型一般分為8種,因而存在8個優先級,優先級可用3位二進制碼表示,分別為C位(Command,控制位)、D位(Delay,時延位)以及B位(Bandwidth,帶寬位)。當其中任何一位的數值為1時,都擁有優先權,可優先進行傳輸。其優先級賦予流程圖如圖2所示,當信息傳輸到無人機中轉設備時,AP按照信息頭部的DSCP值賦予其C、D、B表示位,位置在DSCP與DATA數據之間。

圖2 優先級賦予流程圖

通信中繼網絡信息傳輸過程中,將按照CPE的優先級高低進行傳輸,優先級越高的在與其他信息競爭時越能夠獲得優先傳輸的權利,并獲得更多的通信時間。

MUAV戰術通信中繼網絡中,當傳輸信息量較大時,可采用先將數據幀聚合再賦予優先級的方法,以提高信息傳輸的效率[7],具體賦予流程如圖3所示。

圖3 聚合流量優先級賦予流程圖

系統輪詢時,將根據圖4的算法流程圖進行動態帶寬的分配。

圖4 算法流程圖

圖5 網絡拓撲結構

3 實驗分析

本實驗過程中,使用如圖5所示節點數為7的網絡拓撲結構進行試驗。試驗中假設微小型無人機的中繼節點為AP,CPE端為C0～C6節點。其中,C0連接的為網絡攝像機;C1、C2分別連接圖片及文字信息客戶端,C3語音信息的客戶端;剩余C4～C6節點均與普通數據終端相連。實驗測試時間為250 s。實驗準備工作完成后,將通過Ix Chariot 6.7網絡測試軟件對通信中繼網絡中節點的吞吐量和時延情況進行測試評估[8]。

吞吐量是指對網絡、設備、端口、虛電路或其他設施,單位時間內成功地傳送數據的數量,常用來表示一個系統的測試性能。本文通過對戰場中存在的各種不同的業務類型有針對性的采用優先級轉換策略及流量聚合機制進行動態帶寬分配,并將測試結果與傳統的帶寬分配方法進行比較。

圖6為C0節點的吞吐量在不同帶寬分配策略下隨時間的變化情況。由圖6可得,隨著時間的推移,業務量的逐漸增大,無優先級的吞吐量最小隨時間的變化情況也不明顯。有優先級的帶寬分配策略,其吞吐量較無優先級的有明顯提高,且隨著時間的增長吞吐量也逐漸上升。而流量聚合優先級帶寬分配策略,其吞吐量提升最明顯。出現以上現象的原因為無優先級的傳統帶寬分配,其依次輪詢的機制使得C0節點吞吐量很小并且很快便不再升高,因而其吞吐量最小。而有優先級的帶寬分配,因其具有業務類型發現能力,并可以通過動態帶寬分配的方法識別業務的類型,進而使節點優先級得以提高,從而進一步提升其吞吐量。當聚合流量策略與優先級策略結合時,其傳輸效率得到了大大的提高,因而其吞吐量得到極大的提升。

圖6 不同帶寬分配策略導致C0吞吐量的變化

圖7 不同帶寬分配策略導致C0延時的變化

圖7為不同帶寬分配策略下所導致的C0節點的延時情況。由圖7可得,無優先級的傳統帶寬分配,其延時最高。采用優先級策略后,延時情況明顯減小。而聚合策略和優先級的結合策略,延時情況最小。這是因為無優先級的傳統帶寬分配需依次等待AP的輪詢,因而使得延時情況較為嚴重。而當有優先級的動態帶寬分配方法后,其節點優先級得以有效提高,從而顯著降低了系統延時。當聚合流量策略與優先級結合時,由于聚合使得系統開銷大大減小,效率大大提高,因而其延時情況最小。由此可得,聚合流量優先級的動態帶寬分配方法最能有效地避免延時情況的發生。

假設系統在傳輸大量信息時,需立即下達一指揮命令。圖8為具有“插隊”特權的帶寬分配及傳統帶寬分配的延時情況對比圖。

圖8 “插隊”特權導致C2端延時的變化

如圖8所示,可見無優先級的傳統帶寬分配方法延時情況較為嚴重且隨著時間的推移,傳輸壓力越來越大其延時情況也越來越嚴重。而具有“插隊”特權的帶寬分配方法,其延時情況很小,基本都低于20 ms,且隨時間的推移,無明顯增加現象。這是因為,無優先級的傳統帶寬分配,需按次等待AP輪詢,故其延時較為嚴重。而具有“插隊”特權的帶寬分配方法,因其具有優先傳輸能力,因而能夠得到及時傳輸,故延時情況不明顯。

4 結論

本文通過對無人機通信中繼網絡的研究,對戰場中存在的各種不同的業務類型有針對性的采用優先級轉換策略及流量聚合機制進行動態帶寬分配。試驗發現,流量聚合機制和“插隊”機制的引入,能顯著提高系統節點的吞吐量,并降低節點的傳輸時延。實驗證明,該動態帶寬分配方法不僅節省了系統開銷并且有利于提高通信中繼網絡的傳輸效率,能更好地達到MUAV通信中繼網絡的要求。

[1] 曲東才. 微型無人機研制的關鍵技術及軍事應用[J]. 飛機設計,2007,27(3):46-51.

[2] 崔紅霞,林宗堅,李國忠,等. 基于無人機系統制作大比例尺正射影像[J]. 電子器件,2008,31(1):334-337.

[3] 王海濤. 應急通信發展現狀和技術手段分析[J]. 電力系統通信,2011,32(220):1-6.

[4] Andrew S Tanenbaum,David J Wetherall. 計算機網絡[M]. 第5版. 北京:清華大學出版社,2012:90-96.

[5] 張強,付敬奇. 一種IEEE 802.11接入機制的新退避算法[J]. 傳感技術學報,2008,21(12):2075-2077.

[6] Crow B P,Widjaja I,Kim J G,et al. IEEE 802.11 Wireless Local Area Networks[J]. IEEE Communications Magazine[J]. 1997,35(9):116-126.

[7] 史明偉. 基于IEEE802.11硬件平臺的TDMA多址協議設計與實現[D]. 西安:西安電子科技大學,2013.

[8] 王鵬,馬永青,汪宏昇,等. 無人機通信應用設想及關鍵技術[J]. 飛航導彈,2011(5):53-56.

Bandwidth Allocation Basing on Services’ Type Detection in MUAV Communication Relay*

ZHAOZenhui1*,CHENGGuojian2,LIUDuren3

(1.Xi’an Peihua University,ZTE Telecommunications College,Xi’an 610125,China;2.Xi’an Shiyou University,School of computer Science,Xi’an 710065,China;3.XIDAN University,School of Electronic Engineering,Xi’an 710071,China)

To model the MUAV communication relay in tactical conditions,a variety of different business types targeted by priority transformation strategy and flow aggregation mechanism for dynamic bandwidth allocation was proposed. This method referenced for IEEE 802.11 p classification standards and the standard with WME equicalence relation was established. The study found that the polymerization mechanism and the introduction of“jumping the queue”could significantly improve the throughput of system node,and reduce the transmission delay of nodes. The experiments showed that the dynamic bandwidth allocation method could effectively optimize the bandwidth allocation,reduce the delay of the system(under 20 ms)and better meet the needs of MUAV tactical relay network.

computer science;MUAV;bandwidth;IEEE 802.11p;priority;traffic aggregation

項目來源:西安培華學院陜西省教育廳專項科研計劃項目(15JK2097)

2016-04-08 修改日期:2016-05-14

TN92

A

1005-9490(2017)03-0713-04

C:1200;6140

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.039