多鏈路聚合通信在移動指揮場景的設計?

王曉琳 吳鵬飛 鐘 武

（1.中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430207）（2.武漢邁力特通信有限公司 武漢 430207）

1 引言

當前，各行業在臨時處突、調度、巡查中對移動指揮的需求十分強烈。與此同時，移動指揮從前期的話音指揮也逐步延伸為可視化圖形指揮［1～2］，在大型的行動中，這將對現場與指揮中心的傳輸帶寬提出很高的要求。

目前，遠距離寬帶無線傳輸基本上基于公共無線網絡回傳或者衛星回傳的方式實現，其中衛星通信受限于資源，對于公共無線網絡而言，各運營商目前已經實現了3G/4G網絡國內90%區域的覆蓋，但是對于各運營商覆蓋效果良莠不齊，通過單運營商難以滿足長距離持續的數據上傳要求。

因此，需要探索一種多聚合通信［6］方式，一方面能夠在3G/4G網絡下實現多運營商的聚合，大幅提升上行帶寬，滿足多指揮調度應用場景需要；另一方面，能夠在公共網絡覆蓋不佳的情況下，通過專用網絡實現單點數據路由切換與轉發，用以保障數據有效回傳。

2 可視化移動指揮的通信現狀

隨著無線通信技術的發展，無論是公共無線網絡或者是專用無線網絡都在往高帶寬以及高速率的方向演進，移動指揮調度為了能夠最大化地獲取現場圖像以及態勢信息從而實現可視化指揮，對網絡帶寬提出了很高的要求，而當前受限于無線通信技術的發展瓶頸，單個無線通信技術很難滿足各行業在面臨可視化指揮場景中所需要的基本數據傳輸要求。

表1 各行業在移動指揮中的通信現狀及需求分析［10～12］

由上表分析可，在當前各行業可視化移動指揮業務需求中，對網絡帶寬提出較高要求的主要是視頻圖像以及視頻會議等業務。當前移動指揮現場編隊之間，大多使用單運營商的3G/4G路由器提供數據的回傳，當前運營商4G網絡速率如表2。

表2 各運營商LTE網絡強覆蓋區域峰值速率［4］

由上文可知，當前可視化移動指揮的應用在通信技術上仍有兩個方面的問題，一方面是編隊之間的寬帶通信問題，雖然現在各廠商推出了寬帶自組網技術［7］，但是受環境影響以較大，運動狀態時數據丟包率達到12%以上［5］，對于實時視頻流傳輸難以達到較好的效果；另一方面是編隊與指揮中心的寬帶通信問題，運營商由于側重于下行業務，單個運營商上行帶寬無法滿足可視化移動指揮所需要的帶寬資源，同時在各運營商弱覆蓋區域效果將會更差［3］。

基于此現狀，本文提出一種基于多鏈路聚合通信的網絡設計以及路由交換策略，在充分利用公共無線網絡資源的基礎上，通過專用無線網絡補充，以實現可視化移動指揮應用對寬帶網絡通信的需要。

3 多鏈路聚合通信方案

3.1 基于多鏈路聚合通信在可視化移動指揮場景的應用方式

多鏈路聚合通信設計通過實現公網多運營商鏈路［9］以及寬帶自組網鏈路進行聚合，形成一個移動押解現場編隊之間、編隊與指揮中心之間的融合寬帶網絡，一方面滿足可視化移動指揮過程中的數據業務高帶寬傳輸需要，另一方面通過路由策略調整，解決公網運營商無線網絡覆蓋效果不一，寬帶自組網可靠性不高的問題。在針對移動指揮場景下，通過自組織網絡提供編隊之間的音視頻數據傳輸，通過公網聚合提供與指揮中心之間的音視頻傳輸；同時提供當寬帶自組網連通性不夠以及公網覆蓋較差的場景下多種路由交換策略，以保障數據之間的有效交互。

圖1 多鏈路聚合通信在可視化移動指揮中的應用模型

整個設計中存在公網鏈路聚合策略設計、實時流媒體數據可靠傳輸技術以及公專網鏈路聚合路由策略設計等關鍵技術的解決。

3.2 關鍵技術的實現

3.2.1 公網鏈路聚合策略設計

1）公網鏈路聚合策略

移動鏈路聚合與策略路由技術有兩部分組成，其中前端需要對現有信道質量進行監測，并根據相應的規則策略對文件進行拆包分解，通過不同運營商通道回傳至服務端，后臺服務端完成對數據包的識別以及重組。

圖2 公網鏈路聚合流程

2）無線信道質量監測

無線質量監測的目的是為了在后續選路的時候挑選比較好的鏈路或者避免比較壞的鏈路，起到類似事前預測的作用。無線質量監測將通過前端的4G模塊實現。以LTE為例，將無線質量分為5檔（對于3G可以類似的進行分級）。

表3 無線信道質量權重分配

3）可傳輸速率監測

可傳輸速率分和無線質量分加到一起得到路由鏈路總得分。通過得分權重對文件進行比例分包，由不同鏈路通道進行傳輸。具體實現如下。

（1）當前端與后臺服務端之間每成功收到一個單向包，根據大小和時間戳間隔（需要精確同步）計算實時帶寬，網絡時延包括傳輸時延以及處理時延，其中處理時延非線性，以此作為基準帶寬。

（2）然后采用試探性增減的方式來探測鏈路實際可用帶寬，例如鏈路1質量得分為100，通過試探性將其它鏈路上的包逐漸增加到鏈路1上，根據RTP包擴展的糾錯冗余包反饋的丟包率判斷是否能繼續增加，如果丟包率變化還在容許門限內，則繼續增加，這樣可以得到一個極限值，可得到鏈路1上行傳輸速率。上行鏈路傳輸速率將進行分級。

表4 可傳輸速率權重分配

4）QOS保證策略

優先的區分處理如下。

（1）業務類型區分：業務類型根據地址區分，報警為最高優先級、對講其次、最后為音視頻流，權重分配為10，8，6，當探測得到的可傳輸帶寬（探測到的模塊傳輸總速率）小于總傳輸需求（收到的包的總速率+RTP冗余糾錯包）時，先保證權重10的報警數據傳輸，再保證權重8的對講數據，低權重的業務數據被丟棄。

（2）終端類型區分：終端類型根據終端IP地址區分，編隊指揮車權重最高為10，指揮中心終端其次為8，最后為其他車輛終端，優先保障指揮車請求的數據

（3）帶寬預留：給特定業務（特定地址）或特定終端（特定地址）預留帶寬。

3.2.2 實時流媒體數據可靠傳輸技術

考慮到寬帶自組網丟包率較高，在進行實時圖像傳輸時需要采用糾錯機制對RTP包進行恢復。

1）RTP流識別

因為RTP是動態端口，正常情況下RTP流的識別應通過控制協議進行，由于可能存在應用使用私有協議的情況，此時不容易解析控制協議，考慮通過RTP流的特征進行識別。其中同一個RTP流的序列號是連續的［8］，根據這個特征，可設置一定門限，當收到連續序列號的包超過門限，即識別出RTP流。

2）RTP丟包恢復

例如在30%的丟包環境下，可采用每兩個RTP包發送一個糾錯冗余包的方式進行恢復，這樣如果這三個包只丟失一個原始包，不同時丟失冗余包，即可恢復出來。30%丟包環境，這兩個同時丟失概率為9%，可保證91%的數據傳輸正確，余下的9%可由源和目的端的視頻流應用來保證。

3）動態糾錯冗余率調整

采用兩個RTP包發送一個冗余包的方式，會產生額外50%的帶寬需求，可以根據傳輸情況調整糾錯冗余包的冗余率，此時可以擴展協議，通過接收端反饋丟包率，前端根據丟包率調整冗余率。

3.2.3 聚合路由切換策略設計

通過網絡可傳速率進行監測，掌握寬帶自組網以及公網鏈路狀態，根據門限值設定路由交換策略。

1）當編隊中某臺車輛進行隧道或公網覆蓋差區域時，無法達到數據回傳指揮中心要求，可通過寬帶自組網跳轉至其他車輛進行數據回傳。

2）當編隊間寬帶自組網受干擾導致傳輸效率下降時，可通過公網對數據進行轉發至其他車輛。

4 數值與結果分析

本節主要針對多鏈路聚合后通信速率進行實際測試，圖3主要針對公網聚合后測試效果進行了整理。

圖3對靜止狀態下公網聚合上行速率與單網狀態下進行了對比測試。可以看出，靜止狀態下，各運營商網絡狀態相對穩定，波動幅度較小，聚合后效果可以達到10Mbps上行速率，能夠在一定程度上提高上行帶寬，提高使用效果。

圖3 靜止狀態下公網鏈路聚合上行速率測試

圖4對運動狀態下公網聚合上行速率與單網狀態下進行了對比測試。可以看出，運動狀態下，各運營商網絡狀態相對不穩定，波動幅度較大，在實際應用中，通信效果不佳。通過公網聚合后，一方面能夠提供相對穩定的通信鏈路，另一方面，能夠進行鏈路聚合擴展帶寬。

圖4 運動狀態下公網鏈路聚合上行速率測試

5 結語

對于可視化移動指揮的業務場景，如何提供可靠的通信鏈路以及穩定的高帶寬是業務需要解決的重點問題。本文通過對移動指揮現有的技術難點提出多鏈路聚合的設計方案，能夠基于低成本的情況大幅度提高通信帶寬，同時通過一系列的路由策略，保障通信鏈路的穩定，能夠解決可視化移動指揮場景遇到的帶寬瓶頸問題。