接续网络的可靠组播在应急通信中的应用设计*

(重庆邮电大学 通信学院 NGN研究所,重庆 400065)

1 引 言

近年来，整个世界范围内爆发了很多的危机和灾难，如：2001年美国的“9.11”事件，2004年西班牙马德里的火车爆炸、亚洲海啸，2005年伦敦恐怖爆炸，以及2008年的四川汶川“5·12”大地震。在类似的紧急环境中，正常的通信通道常因为过载而不能有效使用，况且，在很多情况下正常通信基础设施很可能由于完全被破坏或者因功率损耗而不能运行。以“5.12”汶川大地震为例，强烈的地震造成道路塌方、通信中断、电力中断，外界无法与汶川灾区取得直接联系，政府相关部门和救助人员无法及时获得受灾情况，也无法向汶川灾区的群众提供余震预报等相关的重要信息。由此可见，紧急情况下保障通信的正常运行是至关重要的。

多播和广播业务(MBS)在应急通信中起着重要的作用。在紧急情况下，它将文本、视频或者音频等信息传送给幸存者，通知受难者具体位置、灾难详情以及应对灾难的方法，同时，也将环境宣传资料传送给不同的救援队伍，如危机处理中心、警察局、紧急医疗中心等。MBS的特性是处理紧急情况的一种理想方法，在灾难后无线信道迅速通过多个中继站(RS)和基站(BS)的多路复用确保了信息可靠地到达接收者。因多个BS和RS同时将信息传送给移动台(MS), 实现了宏分集性，提高了接收端的信噪比，从而使运动中的MS实现无缝连接。本文分析了不基于自动重传请求(ARQ)机制的MBS应用情况，为了提高紧急情况下通信的可靠性，本文设计了两种基于ARQ机制的MBS应用，并从时延和可靠性的角度分析了其性能。

2 MBS的预传送方法

MBS有很多种预传送的选择。在没有灾难发生时，有效的BS就足以覆盖整个区域，通过多个BS的MBS，可以使MS从几个BS中接收到信号，从而提高了信号质量，使得运动中的MS实现无缝连接。而在灾难发生之后，某些BS可能遭到破坏或者完全不能工作，在这种情况下，通过使用RS来增强区域的临时覆盖信号，以达到正常通信。图1显示了灾难前后的网络通信状况。

(a)正常情况下的通信情况

(b)灾难发生时的通信状况图1 灾难前后的网络通信状况

MBS是作为一种增强的组播技术，当前存在两种基于分组预传送的MBS同步机制，它们通过使用预定义的相关传送次数完成预传送。首先，每个RS报告它的进程延时(DR)，然后MR-BS决定最大的RS累积延时(DM)，最后，所有RS的等待时间Wi经过累积后报告给RS。而MB业务中只要用基于参数DM的目标传送时间实现数据同步。换句话说，与相对等待时间相比，当RS将信息传送到MS时， RS通知的是完全传送时间。本文另外设计两种针对提高MBS可靠性而提出的预传送机制。该机制的思想是使用ARQ方法，当某RS检测到错包、丢包、漏包，就会向上级发送请求，要求重新发送。现将4种可选方案用表1说明。

表1 MBS预传送的方案

3 可靠组播运行模式设计

可靠组播运行模式的设计是在UP-MBS和MP-MBS的基础上，嵌入ARQ机制，达到提高信息传送可靠性的目的。其设计思想是：BS首先要基于树中RS的深度和总树深度、受RS服务的MS总数、信道质量3个要素选出机会RS(ORS)或关键RS(CRS)，这些ORS或CRS将作为具备ARQ机制的节点。一般来说，备选的ORS/CRS不应在最长的路径末梢，应是ORS/CRS的最大时延。最后，在进行消息传递时，ORS/CRS首先会检查来自上级的包是否被破坏，如果包没有被破坏，就将其标识为规则RS的包保留，进行下级传送。如果该包已经被破坏，ORS/CRS检查是否有机会从父节点获得重传，如果没有重传的可能，那么就将该包丢弃；如果有重传的机会，那么ORS/CRS向父节点发送请求，等待重传。以图2作为其网络结构图，分别对R-UP-MBS和R-MP-MBS的运行模式进行详细阐述。

图2 MBS的树状结构

3.1 R-UP-MBS的运行模式

(a)UP-MBS的运行模式

(b)R-UP-MBS运行模式(RS-1向上级请求重传)

(c)请求重传后图3 运行模式

UP-MBS的通信模式下，不同的RS接收到的信号都是不可靠的，每个RS如果发现从上级接收到的包已经被破坏或者在传输过程中丢失，那么只会进行简单的丢弃，不对下级的传送负责，其运行模式如图3(a)所示。而R-UP-MBS针对UP-MBS的通信缺陷引入了ARQ机制。这种运行模式中，那些被选中的ORS在检测到上级传送无效时，会利用它们的空闲时间段向其父RS或者BS请求重传，这样在既不引入额外延时的同时，又提高了链路的可靠性。其运行模式如图3(b)和图3(c)所示。

R-UP-MBS在不引入额外时延的情况下，选择RS-1和RS-3作为ORS，使用ARQ机制提高链路的可靠性。首先和图3(a)中UP-MBS运行方式一样，BS在第一帧的下行链路将包预先传送给一跳距离的所有RS。但当RS-1检查这个包，并且识别出它们被破坏时，RS-1就启动ARQ机制，利用在目标传送帧之前的空闲时间向BS发出重传请求，如图3(b)所示。RS-2没有ARQ机制，它等待下一个帧传送给它的子节点。RS-3也有ARQ机制，但它接收到了正确的包。图3(c)中显示了BS回应给RS-1的NACK消息，并且重传这个被丢弃的包，这一次RS-1成功接收。在RS-1向上一级请求重传的过程中，RS-2继续将包向前传送给RS-4，而RS-3无后续的中间节点，在第二帧的下行链路处于等待的空闲状态。最后，在第三帧，不管RS-4有没有得到正确的接收(如果没有正确接收，RS-4就将该包丢弃处理)，所有的RS和BS同时将正确包传送给目标节点MS。至此，整个信息传送过程结束。

3.2 R-MP-MBS的运行

R-MP-MBS也是使用ARQ机制来提高组播传送可靠性的通信模式。为了避免反馈拥塞，该运行模式只允许关键的RS具有重传请求的功能，简称为CRS。和UP-MBS相比，这种方法会引入额外的时延，但因其是使用相同的频带同时将包传送给多个RS，却可以获得增益。缺点是当包传送给一个CRS，树中同一等级的所有其它CRS/RS也将接收到一个复制包，而不是新包，这个包将被丢弃。

由于在RS处不存在重传的空闲时间，那么Dmax(总树深度)及Ni(RS所处网络结构树中的位置)和CRS没有直接的联系。R-MP-MBS中选择CRS的因素主要基于两方面：一是由RS所服务的MS，二是RS的信道质量。例如：在图2，RS-2 为7个MS提供服务，RS-4为5个MS提供服务。故在同等信道质量下，RS-1和RS-3相比，它们更具备做CRS的资格。

R-MP-MBS的运行模式以图2的拓扑结构为例。RS-2和RS-4作为CRS，RS-1和RS-3作为非CRS。每个节点进程的延时为DR(i)，将RS-2的进程延时设置成能容纳两个重传，将RS-4设置成容纳一个重传(为了提高可靠性，提前在MBS机制中引入了时延)。RS-1和RS-3不管包是否正确都不做任何的重传请求，图4显示了该机制的进程方式。

图4 R-MP-MBS中ARQ机制的运行状况

(1) BS将包发送给所有的下一级RS，RS-1正确接收，但RS-3和RS-2没有接收到正确的包；

(2) RS-2发送NACK消息给BS要求重传，BS收到消息后回应，并重新把包发送给所有一跳距离的RS，这时RS-1做丢弃处理，RS-3正确接收，但RS-2还是没有正确接收；

(3) RS-2再次发送NACK消息给BS要求重传，BS收到消息后再次将包发送一次，这时所有的下一跳RS都已接收到了；

(4) RS-2将包发送给RS-4，RS-1和RS-3处于等待状态，但是RS-4没有正确接收；

(5) RS-4重复一个RS-2的请求过程直至正确接收；

(6) 最后，BS和所有的RS同时传送MBS包给MS。

4 结 论

本文评估了应急通信条件下接续/无线网络中组播/广播的实用性，详细说明了怎样方便地搭建一个临时的通信架构。此外，本文还集中讨论了两种使用ARQ的技术：R-UP-MBS和R-MP-MBS。R-UP-MBS在不引入时延的情况下使用MBS的同步请求提高可靠性；而R-MP-MBS使用MBS的同步请求会引入时延，然后这种时延的影响和智能的CRS机制相比是微不足道的。本文所提出的这两种技术都有利于在接续网络中提高PER性能及通信的可靠性。总之，这两种技术在应急通信中都是提高MBS的有效解决方案。

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