战术宽带组网波形的QoS保障体系设计

刘海英

（中国电子科技集团公司第七研究所，广东 广州 510310）

1 引言

1.1 宽带组网波形简介

战术通信系统是有机连接各种指挥、武器平台和传感器的桥梁与纽带，是支撑未来战争向空天化、高节奏、快反应转变的先决条件和核心技术之一，是我军信息化建设的关键领域。战术通信系统以无线通信为主，其中宽带战术电台是构成战术通信系统的核心装备，支持旅和旅以下的作战部队，为地面、空中和海上的机动平台提供大容量动中通的骨干连接，图1是宽带组网波形应用的作战概念图。

图1 宽带组网波形应用作战概念图

宽带组网波形针对战场恶劣环境设计的自适应宽带传输能力，能够进行快速的指令下达和大容量态势信息的分发，实现语音、数据、视频一体化无缝传递。宽带组网波形是运行在基于软件无线电技术实现的战术电台上的新一代战术波形，是实现战术电台功能、性能的核心组件。

宽带组网波形主要的功能、性能指标是：通信频段范围为30 MHz到6 GHz、信道带宽为1.2 MHz到30 MHz、支持不低于5 Mbit·s-1的网络吞吐量；网络规模不小于1000节点；为满足不同的作战环境，波形物理层由多种信号空间构成，具备较强的抗干扰和自组织、自恢复组网能力。

1.2 波形的Qos需求

宽带组网波形（以下简称波形）构成的网络旨在提供大容量“动中通”的骨干连接，支持各种类型的语音、视频、话音和视频会议和各类数据报文的传输。语音和视频业务对传送时间、时延抖动和丢包率有严格要求。宽带组网波形需要满足的作战业务和多媒体业务类型如表1中业务类型分类所示，这些业务在延迟和丢弃优先级方面具有不同的要求。各种各种业务类型的报文，以及语音、视频、在线聊天、会议等应用业务都将在宽带波形组成的网络中同时发生。

因此，波形QoS的设计目标是确保最高优先级任务和消息获得对资源的优先访问，为作战效能创造最大的价值，当网络负载超过容量时，更高优先级的任务继续满足其QoS性能要求，同时牺牲低价值任务的性能；系统能在拥挤状态下通过推迟或消除从低优先级开始的功能，以“正常地”降级。

参考文献[8]中的美军战术通信系统相关需求定义，给出宽带组网波形需要满足的不同作战业务和多媒体业务对应的QoS保障参数，如表1所示。

1.3 波形Qos设计面临的问题

与典型的民用互联网网络不同，宽带组网波形构成的战术通信网络是动态、自组织、自我修复的无线网络。战术通信网络由于节点的移动、变化的地形环境、敌方的通信对抗、频谱和计算资源的约束，致使链路状况、网络拓扑、链路容量、丢包率和端到端延迟会发生不断的变化，战术网络必须建立和维护网络连接的坚韧性，同时满足各种业务达到不同作战人员的QoS需求。

表1 作战业务QoS保障参数表

在有线网环境下，IP互联的QoS保障主要是通过过度供应，即添加更多容量，直到性能问题消失。而在频率资源、处理资源受限、并且比光纤或其他有线线路要高几个数量级的链路误码率的移动战术环境下，波形必须预期并处理拥塞，通过确保分配约束的资源或牺牲不太关键的信息流来完成关键信息的分发（例如火力呼叫、关键语音业务）。

2 宽带组网波形的Qos保障设计

2.1 宽带组网波形的协议体系

在介绍波形的Qos保障体系之前，首先介绍波形的协议体系。为满足第一部分描述的波形需求，参考美军现役宽带波形的协议体系设计的波形协议体系结构如图2所示：

图2 宽带组网波形的协议体系

（1）信号空间层。提供窄带、宽带、抗干扰和低截获/低检测四种物理层波形以适应不同的作战要求。物理层实现借鉴了文献[15]中所设计的战术宽带网络波形在峰均比抑制技术。各信号空间的实现均采用射频功率控制、前向纠错和速率自适应算法。

（2）移动数据链路层。主要完成RF环境监测、信道资源分配功能，可在子网构建与业务需求不断变化的动态环境下进行TDMA动态时隙分配和信道指派，实现有/无GPS的同步、虚电路支持功能。

（3）移动内联网层。负责实现MANET组网、自适应链路管理，实现流量控制，防止下层（移动数据链路层）的缓冲器溢出。

（4）波形互联网层：采用标准的IP协议，完成IP层的数据传输、路由选择、Qos排队与调度等功能，实现与其他IP网互联。

（5）波形应用层：包括波形提供宽带能力支持的多种战术应用程序（IP语音，交互式视频、位置报告等）、域名管理、目录服务以及QoS管理。

2.2 宽带组网波形Qos保障设计

（1）波形Qos设计

参考文献[4]中战术网络环境下，战术无线网络、移动环境和资源管理的QoS的研究内容，为了满足宽带组网波形在战场恶劣条件下语音、数据、视频一体化的同时运行与无缝传递，实现端到端传输的可预测性、减少人工配置，宽带波形在协议栈的各层都进行了Qos设计。下面按协议栈的分层分别介绍其Qos实现方式。

1）互联网层的QoS设计

作为战场的骨干传输链路，宽带组网波形所组成的网络会与其他支持各种QoS架构的外部网络，如大容量的微波接力机、卫星设备、带宽较窄的超短波和短波设备组成的不同速率的网络有接口。为实现与应用层程序和外部网络的互联，互联网层QoS的实现采用了IETF定义的标准的DiffServ（在文献[11]中定义）和IntServ（在文献[10]中定义）两种模型的混合架构。波形实现符合DiffServ模型要求，除了逐流管理的关键流量外，所有入口流量都将映射到DiffServ的分类。需要每流管理的会话型业务（如语音、视频、等对时延和抖动有较高要求的交互类多媒体业务）将通过IntServ模型支持。

在流量控制方面，通过对随机公平（S F Q,Stochastic Fairness Queueing）、令牌桶过滤器（TBF,Token Bucket Filter）、随机早期检测（RED, Random Early Detect）和加权循环（WRR, Weighted Round Robin）等排队算法研究后，考虑到战术环境的约束，提出在每个IP分类的排队机制使用分级令牌桶（HTB,Hierarchical Tokens Bucket）流量控制机制。HTB不仅能够满足不同等级用户不同服务质量的需求，同时满足了带宽分配、管理、整形、限速、用户分级、带宽利用等要素，尤为重要的是可以充分使用无线资源，能够将两种矛盾因素有机地结合在了一起，很好地适应战术条件频谱资源、带宽资源奇缺的特征。以往的系统中，HTB没有得到应用的原因是由于HTB的实现需要消耗较多的计算资源，在当前嵌入式设备处理器水平条件下已不存在这个问题。

2）移动内联网层QoS设计

移动内联网层由五个主要模块组成，如图3所示。

报文转发模块执行报文的分组交换。模块为每个级别的流量优先级分配一个单独的队列，从而支持多级优先级。链路度量模块收集和评估由移动数据链路层提供的无线信道信息，报告给路由和群集模块。分簇控制模块根据链路度量自动完成分簇和维护。为减少IP报头开销，本设计采用业界已经证明、在无线链路上较为理想的IP数据压缩协议ROHC协议（参见文献[5]）来对IP数据报头进行压缩。

虚电路支持模块用于为IntServ模型提供会话型业务中创建/拆除业务发起端和目标的虚电路。当作战平台上的应用程序建立新的语音或视频会议会话时，虚电路支持模块的启动建链过程，协议使用支持IntServ模型的RSVP信令。图4为宽带组网波形多节点建立虚电路的示意图：

图3 移动内联网层功能框架

图4 宽带组网波形虚电路建立示意图

RSVP协议在无线网络应用的主要问题是不能提供灵活的资源预留机制，无法在战术环境下动态调整链路资源。宽带波形设计参考美军战术波形对RSVP的改进后的技术dRsvp技术，参见文献[3]，即通过增加少量信令为代价，实现节点预留资源的动态调整，达到充分利用网络资源的目的。该协议已作为美军现役电台的宽带波形技术体制。

3）移动数据链路层QoS设计

移动数据链路层包括TDMA信道接入、统一时隙分配、时间同步、射频链路管理、数据链路层排队和逐跳可靠传输6个模块。

TDMA信道接入和统一时隙分配协议两个模块的设计参考了美军宽带波形的数据链路层的实现技术USAP（Unifying Slot Assignment Protocol）。文献[1]中对USAP的算法从原理上进行了介绍；文献[2]中分析了USAP协议的设计思想和资源管理方法。USAP是针对战术环境多跳多信道自组织网络的一种分布式时分多址协议，是美军现役电台的核心关键技术。在文献[13]中对USAP虚拟电路连接的评估模型在链路容量下降等多种情况下的各种性能指标进行说明。排队模块设计了多个队列来满足多信道TDMA组网控制、不同的业务数据报、虚拟电路的实时性和可靠性需求。

射频链路管理模块的主要功能是链路测量和邻居发现、确定无线链路的质量、接收机指示发射机调整发射参数、速率和发射功率等，确保在高动态的战术环境中，波形保持稳定的链路。逐跳可靠传输模块用于跟踪电台到电台逐跳传输的可靠性，根据需要向发射机发送选择性确认。

4）物理层的Qos设计

在物理层使用自适应技术来增强拓扑链接的稳定性和吞吐量。从图5可以看到，在满足误码率BER（Bit Error Rate）的要求下，获得不同的信噪比SNR（Signal-Noise Ratio）值和不同调制方案的选择。

电台之间通过测量接收端信噪比和误码率，采用开环与闭环过程进行滤波与归一化处理，驱动状态机控制状态转移，由移动链路层调整物理层信道带宽、调制方式、分集级数、信道编码，实时调整节点到节点间的速率，达到最大的吞吐量以及最大的通信距离。

（2）波形的QoS管理

为实现波形的动态自配置、自恢复，减少人工参与，提高战术网络的智能化程度和管理效率，波形的Qos管理采用IETF定义的基于策略的Qos管理框架（PBNM, Policy Based Network Management），参见文献[7]。文献[9]给出了战术网络采用PBNM的优势、战术网络PBNM的架构和涉及的关键技术。

波形协议栈中应用层的Qos管理模块实现PBMN的本地策略决策点（LPDP, Local Policy Decision Point）功能，完成电台内部资源调度的策略缓存与管理、网络业务性能（流量、队列时延）监视和网络资源状态（可用带宽、信道误码等）监视与报告。

在作战任务规划阶段即已开始电台波形Qos管理的过程。网络管理员根据指挥员作战任务与通信优先级的关系，在一级管理中心的网络管理软件上配置任务优先级与任务条件（例如作战区域、时间、拓扑、使用频段、中继等），形成多个配置策略。一级管理中心中的PDP将这些策略逐级下发给下一级的PDP，电台内部的LPDP接收上一级网管系统（平台的网管或作战区域网管）的各种策略模板，根据条件执行策略。图6中显示了网络管理软件和战术电台内部的PBNM主要功能实体。

用于实施波形Q o s控制策略的实体是策略执行点（PEP, Policy Enforcement Point），同时实现DiffServ模型中每跳行为（PHBs, Per Hop Behaviors），PEP附着在TCP/UDP协议之上，部署于电台对外的每个入口和出口处，PEP向LPDP请求得到策略配置，具体实现各个接口处的包过滤、流量优先排序、数据包队列策略和带宽分配。

（3）战术环境TCP协议的改进

图6 网络管理软件的PDP配置电台的PDP

文献[14]对战术环境下TCP性能下降的原因进行了详细说明。通过对文献[6]介绍的多种无线自组网的多种提案（CP-F、ELFN、ATCP、Fixed RTO和TCPDOOR）进行研究、仿真对比分析后，宽带波形选用ATCP协议作为解决战术环境TCP协议的方案。ATCP协议通过在网络层和原有的传输层TCP协议之间加入一层新的ATCP层，基于ICMP（Internet控制信息协议）和ECN（显式拥塞通知，见文献[12]定义）方案检测网络分离和拥塞，由此中间层跟踪来自和去往传输层的分组，使得在不需要的时候并不调用TCP的拥塞控制机制。

3 试验验证

为验证宽带波形Qos实现的效果，构建了如图7所示的测试环境。

测试环境包含5台战术电台，电台的天线口通过射频线缆联入射频网络控制器（测试设备），构成可以模拟无线信道条件的无线网状网络。射频网络控制器在连接在信道发生服务器的配置计算机的设置下，在各个不同信道口可产生不同的信道衰落模型、一种或多种叠加的自然干扰噪声、一种或多种叠加的干扰类型（模拟敌方实施的多种干扰），从而模拟较真实的战场信道条件。

图7 宽带电台系统测试环境

5台宽带电台分别连接IP电话机、数据报文发生器和产生视频流的计算机。为测试波形的Qos性能，试验设计了在5个节点同时传输视频流、一般数据报文、时间敏感报文等测试用例。举例说明，用例一在网络性能下降时，并行传输高优先级的视频流和多条低优先级的数据流，试验表明网络能够保障高质量的视频流流畅、无抖动的传输；用例二各宽带电台同时传输各类IP话音以及视频流时，此时有时间敏感信息的传递，则时间敏感信息优先传递。各项测试结果表明，波形达到设计要求。

4 结束语

本文设计的宽带组网波形Qos保障技术，能够满足低延迟、面向会话的语音、视频和交互性任务和不同传输需求的数据报在战术环境的Qos保障需求，可以解决我军宽带电台现有的组网能力差、自适应能力弱、对多种业务的传输保证不足等一系列弊病，对于我军新一代宽带电台的波形设计将具有参考价值。