业务类型发现的MUAV动态带宽分配*

郑垚睿，罗卫兵，史国炜，余缘敏，吴智正

(武警工程大学 信息工程系，陕西 西安　710086)



指挥控制与通信

业务类型发现的MUAV动态带宽分配*

郑垚睿，罗卫兵，史国炜，余缘敏，吴智正

(武警工程大学 信息工程系，陕西 西安710086)

摘要：针对战术环境下微小型无人机通信中继平台的应用，提出了一种具有业务类型发现能力的动态带宽分配方法，构建了符合战术应用场景的业务类型分类，引入流量聚合机制、业务类型发现机制和“插队”特权，完成了带宽的动态分配。实验表明，基于业务类型发现的动态带宽分配方法能够有效提升“热点”节点的吞吐量，降低“紧急”节点的传输时延，较好地满足了战术应用要求。

关键词：微小型无人机；通信中继；业务类型；插队；吞吐量；时延

0引言

微小型无人机(micro-unmanned aerial vehicle,MUAV)作为中继平台构建无线战术局域网，具有部署灵活、易于控制和很强的战场适应能力等优点[1]。然而，战场信息种类繁多、等级分明，对系统传输质量的要求各有不同。例如，指挥命令通常短小却实时性要求很高，视频监控信息通常数据量庞大且对时延敏感，战场图像通常数据量大却对时延要求并不苛刻。若对业务类型不加以细致区分而直接传输，必将在带宽资源有限的MUAV通信中继网络中造成报文堆积、网络延时、吞吐量下降等问题，从而导致重要信息阻塞与网络拥塞[2]。因此，能够符合战术环境要求，按照业务类型的不同实现带宽资源的动态分配成为MUAV通信中继研究的热点。

典型的业务识别方法有端口识别法、深度数据包检测法等[3]。端口识别法依据端口号识别业务，但在复杂多变的战场环境中，端口的业务类型并不固定，并且许多业务都可采用随机端口或伪装端口，使得端口识别法有很大的局限性[4]；深度数据包检测法虽识别精度高，但其对于新网络应用检测的滞后性及对加密P2P应用检测能力的有限性都限制了其在MUAV通信中继网络的应用[5]。文献[6]中提出了一种公平的端到端时隙分配算法，然而却忽略了对时延敏感业务进行优先分配时隙的考虑。文献[7]采用动态的二叉树块内均分算法，适用于用户有应急需要、发送较长报文、占用连续多时隙的场合，但是算法复杂度高，引入了一定的系统开销。文献[8]提出了一种基于优先级的时隙分配策略，但没有考虑到在网络负载增重情况下，流量聚合技术对系统传输效率的提高作用。

本文通过对MUAV战术通信中继应用场景进行分析，提出了一种基于业务类型发现与流量聚合机制的动态带宽分配方法，采用优先级转换策略，识别客户端设备(customer premise equipment,CPE)承载信息类别并动态赋予其优先级，在保证较小系统开销的同时提高了MUAV战术中继网络传输效率。

1MUAV通信中继网络的数据传输需求

MUAV通信中继网络利用TDMA访问机制仅需改变时隙分配即可表现出灵活的组网能力、良好的抗截获和抗干扰性能[9]。中继网络中，MUAV作为接入点(access point,AP)，承担CPE的轮询和时隙调度工作。所连客户端承载战场视频、音频、图像、文字等一系列战术信息。典型的MUAV通信中继网络拓扑结构如图1所示。

图1　MUAV通信中继网络拓扑图Fig.1　Topologies of MUAV communication relay

战场需求瞬息万变，MUAV中继网络转发数据的业务类型也因此不断改变。如图1所示，某一时刻，节点C0承载战场高清视频信息，所需带宽相对较大，延时容忍度低。假设每经过一个轮询周期，节点C0就会产生长度为2时隙×数据速率的信息，但是由于传统轮询算法只允许一个节点在一个轮询周期内被轮询一次，且最多获得1时隙的传输时间，故当轮询结束后，将会积累1时隙×数据速率的数据需要等待下次轮询才能完成传输，但是在下一个轮询周期，节点C0又会产生2个时隙新的待发数据。由此类推，k个周期之后，节点C0将产生2k单位的数据，但是只能传输其中的k个单位，其缓冲区的等待队列将达到k。如果k→ ∞，那么此节点的缓冲区队长也趋于无穷大，使数据丧失时效性。传统固定策略轮询法以相同的时隙分配传递每个CPE的信息，当所属CPE承载大数据、低时延信息时，这种方法必然不能满足传输要求，造成报文堆积、延时严重及吞吐量下降等问题。

又如，某一时刻，C2节点承载战场的指挥控制等命令信息。该信息数据量小，却对延时相当敏感，需在第一时间完成传输。传统FIFO服务机制不允许任何节点的“插队”请求[10]。无论节点所需传输的数据价值多大，都必须按次序等待AP的轮询。较高的轮询等待可能会使得指挥信息丧失时效性。

战场关系层级分明，战场状态瞬息万变。因此，节点的调度及带宽的分配必须具有依据不同业务类型动态按需调节的能力。

2业务类型区分的动态带宽分配

在业务类型的区分上，IEEE做了大量建议。IEEE 802.11P建议8级分类，用差异服务编码指示(differentiated services code point,DSCP)标识来进行区分，并据其对应的逐跳行为(per hop behavior,PHB)完成数据的转发[11]。结合战场CPE可能承载的数据类型，本文参考了IEEE 802.11P建议的分类标准，但并没有完全采用RFC 791规定的类型，而是作了近似的无线多媒体拓展(wireless multimedia extensions,WME)等价。DSCP的具体定义值及自定义的WME分类如表1所示。

如表1所示，存在8种不同的业务类型。定义8个优先级，用3位二进制码表示， 分为C，D，B3组，如表2所示。其中，C(Command)为控制位，置于1时，表示数据流拥有最高的优先级和绝对的“插队”特权；D(Delay)为时延位，置于1时，表示数据流为时延敏感性业务，需进行优先的传输；B(Bandwidth)为带宽位，置于1时，表示所传业务数据量大，需提高时隙数量的分配。详细的业务类型和优先级对应关系如表2所示。其中，视频类型2是比视频类型1对信道要求更高的交互式视频信息。

表1　MUAV通信中继设备的DSCP分类值域及WME等价

表2　业务类型及优先级对应关系

当数据流到达MUAV中转设备时，AP依据数据流头部DSCP值赋予其3位优先级表示位，置于DSCP与数据部分之间，并计算出相应优先级，如图2所示。

图2　优先级赋予流程图Fig.2　Procedure of giving priority to single frame

MUAV战术通信中继网络的优先级以时隙的占有为体现[12-13]。通常，具有较高优先级的CPE在与其他活跃CPE分享信道资源时，依照优先级比例取得传输时隙，有机会获得更多的通信时间。

当所传数据量大时，可以将多个源和目的地址相同的数据帧合成一个更大的帧进行传输[14]。将同类型单个数据帧的DSCP域提取至聚合帧头部，依转换关系得出该聚合数据帧的优先级。随后，AP端依此优先级完成时隙的相应分配[15]。如图3所示，图3英文标示见图2。

图4为该动态带宽分配流程图。

3实验与分析

使用如图5所示的网络测试床，建立一个节点数为10的分布式移动网络拓扑。设中继节点C9为AP，安装于MUAV上。C0～C8为CPE端，位于地面。其中C0连接网络摄像机；C1连接承载图片信息的客户端；C2，C3分别连接承载文字及语音指挥命令信息的客户端；其余CPE均与普通数据终端相连。测试时长300 s。实验环境搭载完毕后，通过Ix Chariot 6.7网络测试软件对关键节点吞吐量和端到端时延2个指标进行实时测控并完成相应指标的评估。

假设C4节点于某一时刻需观看来自C0客户端的实时视频信息，对业务类型发现的动态带宽分配和传统固定带宽分配分别进行测试，图6为不同带宽分配策略下吞吐量的变化情况。图7为延时情况。

如图6所示，当业务量增大时，传统带宽分配的依次轮询机制使得C0节点吞吐量很小并且很快达

图3　聚合流量优先级赋予流程图Fig.3　Procedure of giving priority to aggregated frames

到瓶颈；而具有业务类型发现能力的动态带宽分配通过识别视频流业务类型，动态提升C0节点优先级，使其吞吐量有了显著提升。当对C0节点应用聚合策略时，其带宽分配进一步大幅度提高。除此之外，如图7所示，在传统带宽分配中，因等待AP轮询，C4节点的信息延时很高，无法保证流畅的视频信息传输；而动态带宽分配方法通过将信息流时延表示位D置1，有效提升了“热点”节点的时间优先级，显著降低了系统延时。当采用聚合策略时，因聚合引入的少量系统开销，系统延时略有提升。

假设C2节点在C0节点传输大量实时视频信息，即网络拥挤时，需向C5节点下达遥控命令。此时，在C5节点用Ix Chariot软件测量收到C2指令的延时。图8为有 “插队” 特权的带宽分配和传统带

宽分配所导致的延时情况。

图4　动态带宽分配流程图Fig.4　Procedure of the dynamic bandwidth allocation

图5　实验用测试床拓扑结构Fig.5　Topologies of the test bed

图6　不同带宽分配策略导致C0吞吐量的变化Fig.6　Changes of C0 throughput influenced by different strategies of bandwidth allocation

图7　不同带宽分配策略导致C0延时的变化Fig.7　Changes of C0 delay influenced by different strategies of bandwidth allocation

图8　“插队”特权导致C2端延时的变化Fig.8　Changes of C2 delay influenced by“jumping the queue” privilege

如图8所示，网络传输压力大时，在传统带宽分配中，因等待AP轮询和空闲时隙分配，需立即传输的C2节点的命令信息得不到迅速响应，延时相当严重。而具有业务类型发现能力的动态带宽分配赋予了C2节点信息控制优先级表示位C，即 “插队”特权，使其得以优先传输，确保了指挥命令的时效性。

4结束语

本文针对MUAV战术通信中继应用场景，提出了基于业务类型发现的动态带宽分配方法。该方法构建了IEEE 802.11P分类标准的WME等价关系，符合战术应用场景。通过引入流量聚合机制和“插队”机制，显著提升了“热点”节点的吞吐量，降低了“紧急”节点的传输时延。实验证明，该方法能够动态优化带宽分配、降低延时，较好地满足无人机战术中继网络的需求。

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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

作者简介：郑垚睿(1991-)，男，河南鄢陵人。硕士生，主要研究方向通信指挥与军事信息系统工程。

通信地址：710086陕西省西安市武警工程大学信息工程系E-mail：410997337@qq.com

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2016.02.019

中图分类号：TN92

文献标志码：A

文章编号：1009-086X(2016)-02-0114-05