自適應容錯算法在基站數據交互中的研究

喻陽儉，雷 磊，崔新友，陳世純，劉 臺，朱 超

(1.陸軍工程大學 軍械士官學校,武漢 430000；2.武漢中原電子集團有限公司,武漢 430000)

0 引言

目前戰術通信相比民用通信技術來說傳輸速率較低，最高傳輸速率一般在幾百kbit/s左右，傳輸的內容通常分為話音和數據兩種格式，視頻由于信息量大在傳輸過程中效果不好，限制了作戰應用和作戰效果。隨著通信技術的快速發展，尤其是現代戰爭作戰概念的變化，數據量的快速增長，必須采用高的傳輸速率、高的網絡性和高的移動性數據傳輸途徑，就需要優化現有通信技術手段[1-4]。文獻[3]詳細介紹了國內外軍用無線接入技術的發展研究過程、關鍵技術和應用場景等內容。考慮戰場上復雜的環境和各種情況下的通信需求，需要一種靈活性強的組網技術手段。

文獻[4]中提出一種專用調度通信系統，由中央系統控制中心、軟件管理終端、基站中心臺、移動接入點等組成。系統采用公共使用的信道，同時對空閑的信道進行動態分配，在 某個時隙沒有被分配為數據信道時，可以暫時將該時隙作為信令時隙使用，當該時隙用于信令傳輸時，在確保信令傳輸的可靠性的同時，其調制方式和編碼方式與信令信道相同，可以進一步提升系統抗干擾能力和糾錯能力。

任何一個用戶在控制中心的控制下，通過調用系統信道資源中的空閑信道可與系統中的另一用戶進行通信，最后實驗結果證明，該調度通信系統穩定性好、抗干擾能力強和組網靈活。

基于軍用通信的特點，以軍用電臺作為無線信道平臺，采用保密性強、穩定性好的標準協議可以滿足實時交互的業務需求，同時還需要具備一些抗干擾能力。目前采用較多的是超短波電臺，通信距離上最大可以覆蓋幾十千米范圍內的用戶。同時，基站一般都是由由超短波電臺配接網絡控制設備、交換機組成，通過交換機的控制，可以實現不同小區之間的電臺進行互聯通信，傳輸語音和視頻等信息，通過合理規劃基站部署，移動用戶可以在整個無線信號覆蓋區域內隨遇接入[4]。

為了充分利用信道資源，無線節點之間的通信組網方式一般有兩種：無中心自組網方式和中心組網方式。自組網方式是各個節點之間相互配合組網，可以允許多個節點的加入，用戶節點之間可以相互數據傳輸，孤立節點對網絡運行的影響小 ,網絡成本較低，當一條鏈路出現問題時，可以切換到其它接入點，不會影響整個網絡的通信性能。這種通信模式在軍事通信中也得到了廣泛的運用。“基站-移動端”的組網方式屬于中心組網方式， 引入了中心節點的最大好處就是中心節點來控制數據的分發，通過控制上行和下行數據的傳輸時機，最大程度上信道使用效率 ，為此而增加的基站設備和控制信道開銷，其脆弱性是顯而易見的 ，當移動端數量增多時，需要處理大量復雜的數據量，這就需要基站具有一定的容錯能力[5-9]。

隨著民用通信技術的發展，在解決軍用特定數據業務傳輸問題時，可以考慮民用數據業務傳輸的技術和方法進行研究。由于考慮到保密性，目前關于軍用基站相關的研究文獻較少。本文主要借鑒相關數據交互中容錯算法的思路，經過優化之后應用于特定的基站傳輸中，只針對軟件部分進行設計優化，不改動任何硬件結構。

1 基站的系統模型

1.1 硬件結構

RAP是無線接入模式(radio access pattern)的簡稱，或特指無線接入系統中的無線接入點(radio access point)。交換機、4部或6部基站超短波電臺和其它相關輔助設備組成基站交換平臺(簡稱基站)，以移動話/移動數超短波電臺作為移動終端接入節點。終端接入節點以RAP超短波為鏈路接入基站，基站之間通過微波、有線或雙模衛星組成骨干網，構成了以基站為中心支持全雙工話音、IP數據和短信等綜合業務的接入系統，而且移動終端接入節點和基站都具有移動能力，是完全的動中通信系統。

指揮系統的話音、數據和短信等業務通過移動終端接入節點接入基站交換平臺，基站完成處理、路由，通過干線信道傳輸到目的基站交換平臺，再通過超短波鏈路到達目的移動終端接入節點，并最終傳輸到目的指揮系統，完成遂行作戰指揮。RAP系統具備動中支持IP數據的能力，基站采用的數據業務臺實現對數據的支持，為保證數據臺信道得到充分利用，系統采用基站集中控制的接入方式，基站決定移動數據臺的數據接入時機和策略。

RAP數據接入和傳輸由信令臺和數據臺配合完成，RAP系統中下行信令信道相對空閑，基于這個特性，基站采用在下行信令信道上輪詢數據中繼臺，數據中繼臺在數據臺信道上應答響應，并完成數據傳輸。

1.2 軟件設計

如圖1所示，基站的工作流程大概可以劃分為3個過程，在階段1完成握手流程；在階段2完成同步入網管理流程；在階段3完成數據業務交互過程。在階段1，基站與所連接的設備建立鏈接關系，確定基站端身份。有關階段2具體時間間隔，每個無線終端在下行鏈路接收相應數據，同時每個無線終端在上行鏈路發射數據，每個無線終端在被指定的間隔內進行偵聽，在指定接收間隔外，無線終端就處于功率休眠狀態，在階段3處理無線終端控制數據幀中，沒有安排上行傳輸時隙的終端稱為無源終端，無源終端由基站進行輪詢，是否在下一個控制數據幀中需要時隙，在建立新的連接時，把每個控制數據幀用于連接的時隙的號碼通知給無線終端和基站，以確保數據幀通過下一個輪詢周期轉發至相應站點。

圖1 基站工作流程

本文在ubuntu平臺上進行開發，開發語言為C語言，需要安裝相關的庫來進行程序的開發與編譯。軟件的設計主要需要完成3個階段，即完成握手過程，入網過程和業務交互過程，設計依據是按照相關通信協議格式來完成的。在實驗過程中，開發相適應的配置管理軟件，進行相應參數的設置，進而來完成電臺角色的轉變。采用緩存隊列和狀態機的方式來進行自適應容錯算法的實現。緩存隊列來緩存即將交互的數據，如果狀態機反饋異常，需要從新選擇路徑并將數據從緩存隊列中取出來，再進行發送。數據的交互成功必須是一個雙向應答的過程。

當數據交互完畢后，移動端可能因為信道的切換而退出組網，此時基站會收到移動端發送的退網信息，進行注銷移動端相關信息，退網流程完畢。軟件的實現過程邏輯清晰，明確了系統的工作流程和狀態，最大限度的保證數據傳輸的成功率。

2 自適應容錯算法的實現

在實際通信過程中，自適應容錯算法主要有兩個重要的過程：首先為了提高基站與移動端數據交互的實時性，采用動態輪詢機制能夠提高移動端的數據接入效率，對于多移動節點的情況下，能夠在一定程度上解決數據交互資源的均衡性；其次采用多路徑數據傳輸策略，利用馬爾科夫進行建模，能夠有效減少網絡網絡的擁塞程度，充分利用馬爾科夫的狀態反饋功能，當某條數據鏈路傳輸異常的同時，重新選擇另外一條鏈路進行傳播，從而確保數據的可靠交互。

2.1 動態調度輪詢機制

輪詢策略能夠充分利用信道的資源，外國學者R. B.Cooper搭建了輪詢策略的數學模型，在這個模型的基礎上，Hashida從各個方面更加細化描述了輪詢策略的數學模型。外國知名研究機構采用基于令牌方式的無線令牌環協議的方式來進行動態分配：根據移動端的數量和需要傳輸數據量的變化來動態分配時隙，充分利用信道的資源。動態分配方案需要充分考慮各種可能出現的數據傳輸情況，實現的過程中比較復雜，并要為傳輸新的分配而開銷信道[10-12]。

在實際過程中MS(mobile station)在訪問需要數據傳輸的信道之前向BS(base station)注冊；因此，BS知道所有注冊MS的注冊信息和MS的總數。在圖2中存在兩種輪詢模式，單播模式和多播模式，BS將從單播切換到多播輪詢對于單播輪詢來說，可用帶寬是不夠的。 此外，在單播輪詢模式下，輪詢延遲根據MSS的總數線性增加，在這種情況下不能及時處理大量需要進行數據傳輸業務。 因此本文提出一種在單播和多播輪詢模式之間切換輪詢模式。在戰術通信系統中，其中無線傳輸范圍可達幾十千米。 采用輪詢訪問控制基站(BS)依次輪詢移動站點(MSS)，當BS中有大量MSS時，它將增加輪詢延遲。

圖2 單播和多播輪訓機制

較長時間的無效輪詢，可能不能保證實時服務的QoS(quality of service)網絡服務質量要求，為指定的網絡通信提供更好的服務能力，從而還會產生網絡的一系列安全問題，會帶來網絡延遲和阻塞問題的產生。在不進行單播輪詢的情況下會導致較長的等待時間。 因此，本文提出了一種自適應輪詢方法來切換輪詢模式，采用MSS數和剩余帶寬兩個因素，來確定單播或者是多播模式。

單播模式可以建立基站和客戶端點到點的連接，客戶端可以從基站接受數據流。多播是一種介于單播通信和廣播通信[13]之間的一種通信方式，它可以將基站想要發送的數據傳遞至一個子網的不同接受客戶端[14-15]。在傳遞數據的過程中，發送端和接受端都不需要知道對方的具體情況，但是當多播模式下需要占用較多的信道資源，需要同時考慮信道的帶寬。如圖3中所示，在沒有數據交互過程中，單播輪詢模式可能會消耗一定的時間，此時可以多播模式，同時訪問下行移動終端。能夠提高輪詢機制的分組延遲及穩定性，以及系統中的站點接入效率[16-19]。

圖3 單播輪詢機制時延開銷

2.2 多路徑選擇模型

在傳輸數據層中可以采用多路徑數據傳輸方案的策略，傳輸控制協議(TCP,transfer control protocol)和流控制傳輸協議 (SCTP,stream control transmission protocol) 兩種協議可以用來實現多路徑數據傳輸。傳輸控制協議在網絡中應用較多，它是一種面向連接的、可靠的、基于字節流的傳輸層控制協議。流控制傳輸協議可以應用于組網通信的兩端需要同時傳輸多個數據流的協議，它的功能與UDP(user datagram protocol)和TCP相似。本文采用的多路徑傳輸方案，不簡單在路徑間進行輪詢調度發送，同時考慮多路徑間的特性差異，而是端到端的全部路徑均可能參與數據傳輸。同時采用馬爾科夫建立精確的數學模型，在數據發送中選擇不同的策略進行數據交互，綜合考慮多方面因素，可以更加有效的均衡數據流量。

2.2.1 模型建立

從馬爾可夫決策[20-24]過程四重組出發構建基于馬爾可夫決策過程的動態路徑選擇模型。 假設共有n條路徑,n條路徑的往返時延、丟包率和最大窗口分別為Tk，Pk，Wk，其中k={1,2,3…,n} 。

1)離散狀態集。在實際過程中，當前窗口的大小做為下個窗口大小的唯一影響因素，其狀態轉換過程具有馬爾可夫性，各條路徑的擁塞窗口可以建立轉態如下：

S={(cw1,cw2,cw3,…,cwn)|cwk∈[1,Wk],

i=1,2,3,…,k}

(1)

3)狀態轉移概率。從文獻[11]中可以得出，在行動am時的擁塞控制可以表示為：

(a)如果在路徑k上數據傳輸成功，此時則將cwk增加min(βm/cwall,1/cwk)；

(b)如果在路徑k上數據傳輸失敗，此時則將cwk減少至cwk/2；

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

2.2.2 應用實例

考慮由于路徑過多會造成并行傳輸吞吐量過大的情況，選擇使用3條路徑做為實際研究，此時擁塞窗口的集合可以表示為：

S={(cw1,cw2,cw3),cwk∈[1,Wk],k∈{1,2,3}}

(8)

行動集合Aall={a1,a2,a3,...,a8}中共有7種行動策略，a1表示選擇路徑1，a2表示選擇路徑2，a3表示選擇路徑3，a4表示同時選擇路徑1和路徑2，a5表示同時選擇路徑1和路徑3，a6表示同時選擇路徑2和路徑3，a7表示同時選擇路徑1、路徑2和路徑3。當采取行動am∈{a1,a2,a3}時，只使用1條路徑進行數據傳輸，不向其它路徑調度數據，則其它路徑的擁塞窗口值大小保持不變，狀態的變化有2種，且有：

(9)

再由公式(4)～(6)可以進一步求出轉態轉移概率，選取單條路徑做為數據傳輸通道時，預期吞吐量為單條路徑時的吞吐量。當采取行動am∈{a4,a5,a6}時，使用3條路徑中的2條路徑進行數據傳輸，其它窗口的擁塞值保持不變，狀態的變化狀態4種，預期吞吐量為2條路徑并行時的吞吐量。當采取行動a7時，同時使用3條路徑進行數據傳輸，狀態的變化狀態8種，預期吞吐量為3條路徑并行時的吞吐量。

從圖4中可以看出，數據包在傳輸過程中可以通過異常狀態反饋的方式來確定，是否成功完成數據包的交互，當交互過程異常的時候，采用另外一種路徑進行數據傳輸，保證數據傳輸過程中的可靠性。而且當數據較多的時候，多路徑傳輸可以加快傳輸的速度。

圖4 多路徑數據傳輸示意圖

數據在傳輸過程中，本來就是一個不確定狀態的過程，在無線環境中很難絕對保證數據的可靠傳輸，通過反饋機制可以知道在每個流程的狀態，可以很好的采用馬爾可夫模型進行建模。通過建立動態多路徑傳輸方法，能夠有效解決路徑擁堵和數據在傳輸過程中丟失的問題。

3 實驗結果與分析

在戰術通信網絡中，滿足較好公平性指數的情況下，數據傳輸時延[25-26]和丟包率[27]的大小將明顯影響實時業務的質量。 因此丟包率和時延是評價實時業務調度算法的重要指標[28-30]。本文采用基站端下行數據進行傳輸過程中記錄數據丟包率和時延相關參數。在實際設計中要求平均傳輸時延和丟包率是越低越好。

圖5 不同方案數據傳輸實驗結果

在驗證基站的數據交互功能時，采用性能穩定的接入端，確保接入端設備的可靠性，將自適應容錯算法融入到基站數據交互中，嚴格按照網絡通信拓撲結構環境，即中心基站和移動端的組網方式進行試驗，分布式、一體化的戰術通信網絡架構[31]。本文在傳輸等量的數據業務時(考慮電臺的帶寬有限)，記錄不同方案基站端下行數據傳輸實驗結果，數據由基站傳輸到移動端，再由移動端返回應答報文，整個過程記做數據傳輸1次。圖5(a) 對基站的丟包率進行了分析， 從中可知隨著數據傳輸次數的增多，由于內部處理不當或者無線環境不穩定的影響，難以保證所有的數據均傳輸成功，因此會有一定數量的包被丟棄，丟包率也隨之提升。運用自適應容錯機制之后，數據傳輸的容錯能力增強，優先選擇路徑較優的通道接受調度，會充分利用高質量的信道，數據丟包率最高為0.3%，而其它兩種機制的丟包率增幅較大，最高丟包率分別達到4.3%和2.8%。從平均時延的角度出發，自適應容錯機制采用動態輪詢機制，提高了信道的利用率和接入效率，能夠有效降低時延開銷，動態輪詢機制和緩存機制(事先將數據包緩存，數據交互失敗重新發送)雖然可以降低一些時延開銷，當節點間傳輸數據時，節點如果丟包之前數據包要經過多次傳輸嘗試，會浪費一定的時延開銷。但是由于采用動態輪詢機制之后，能夠合理利用時間進行上行和下行數據傳輸，減少信道的阻塞，在一定程度上可以保證數據傳輸過程中的實時性。緩存機制的作用是緩存即將交互的數據包，可以保證從新傳輸數據，也能夠提高數據交互過程中的可靠性，進而降低丟包率。

4 結束語

本文首先介紹了基站的硬件框架和軟件設計流程，通過采用動態輪詢機制，不斷切換單播模式和多播模式，提高實時性和移動端數據交互接入效率。在礎上建立了基于馬爾可夫決策過程的動態路徑選擇模型動態路徑選擇方法可以在路徑質量變化時有效地將數據均衡到較優路徑進行傳輸,在不影響并行數據傳輸魯棒性的基礎上提升吞吐量, 能最小化數據傳輸時延和降低丟包率，對通信量進行全局最優分配，能有效降低路徑發生擁塞的概率。優化后的基站擁有傳輸速率高、可靠性強的能力，可以高效和移動端之間傳輸話音、數據、圖像和視頻等多媒體業務信息，最后在實際基站平臺進行驗證，實驗證明移動用戶的接入是實時的、安全的和可靠的，并可提供容錯能力好的傳輸、計算和信息服務，實現了數據業務交互的高效要求。