基于带宽估计的海上战术通信网络分级传输系统

孙晨辉，王 蕾

（中国船舶集团第七一五研究所，浙江 杭州 310012）

0 引言

随着海军作战模式从传统的单平台作战转为多平台及岸海联动的体系化协同作战，“网络中心化”正代替“平台中心化”成为新的数据导向。与其相关的作战应用、各平台节点之间的数据交互对海上战术通信网络提出了更高的要求。

不同于普通家用或办公网络，海上战术通信网络是有线及无线混杂的异构型网络[1]，体系中不同的作战节点对于数据传输的丢包率、时延、带宽的要求也不尽相同。除此以外，海上战术通信网络的应用场景也较为特殊，具有移动性强、抗毁性要求高、带宽资源有限的特点[2]；且易受天气、海况和平台转向等因素影响造成丢包、延时等通信质量下降的问题。在目前的体系化协同作战中，数据报文可按照类型分为目标级数据和特征级数据，另外还包括一些平台导航、工作参数等报文。其中，目标级报文发送节拍快、报文较短、允许一定的丢包率但对时延要求较高；而特征级报文发送节拍慢、报文较长，且数据具有连续性，对丢包率要求较高，但允许一定的时延。因此，针对不同的传输需求选择合适的路由协议，可以更好地提高通信质量和传输效率。与此同时，在任务或者训练期间，不同型号的舰艇所分配到的带宽资源大小往往都有所不同，其相对的传输能力也各有差异，并且考虑到信号衰减、噪声干扰、组网协议开销等因素，海上战术通信网络实际的吞吐量可变。因此，如何依据当前战场环境和海上战术通信网络的实时传输能力及时调整传输策略，进行数据报文的分级传输，成为协同作战任务中保障数据服务的关键。

本文针对多种类型数据报文的多样化传输需求以及动态的海上战术通信网络传输能力，以数据报文的发送节拍为采样周期，动态计算实时的传输带宽，设计了基于带宽估计的海上战术通信网络分级传输系统，并对其关键技术进行研究。

1 基于带宽估计的分级传输系统架构

本文设计的基于带宽估计的海上战术通信网络分级传输系统采用客户端/服务器（Client/Server，C/S）架构，整个系统由一台数据服务器和若干台数据服务客户端软件组成。该模式能灵活应对作战编组变化，扩展性强。具体作战点位设置如下：在岸端设置一台数据服务器用于数据报文的缓存和分发，每个作战节点平台包括指挥所数据综合处理中心各配置一台数据转发客户端，分别向数据服务器发布和订阅数据报文。具体传输架构如图1 所示。

图1 基于带宽估计的分级传输系统架构示意图

各作战平台节点通过数据转发客户端软件将本舰船产生的数据通过海上战术通信网络发布至岸端数据服务器，位于综合处理中心的数据转发客户端软件向数据服务器发送数据订阅请求，从数据服务器上订阅各平台的数据报文并转发至综合处理系统，为作战态势生成和目标判情等提供数据支持[3]。同时，位于综合处理中心的数据转发客户端软件也会将处理后的态势生成结果、目标判情结果、平台数据传输等级设置以及一些其他的岸海互动操作报文回送至各个平台，并由各作战节点平台上的转发软件分发给各个数据产生节点。

在不同类型报文路由协议的选择上，本系统采用了用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）和传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）两种路由协议。针对发送节拍快、延时要求高且允许一定丢包率的目标级数据报文，采用UDP 协议进行传输。UDP 是一种无连接的传输协议，吞吐量不受拥挤控制算法的调节，不会因丢包触发重传机制而消耗带宽资源，同时目标级数据发送周期短，短时间内变化不明显，部分丢包不会影响态势生成结果。对于数据连续性强、丢包率要求高的特征级数据，由于数据量较大，在传输过程中采用了分包传输的方式。如果与目标级数据一样采用UDP 传输，动态的丢包会导致数据的不连续，可能导致重要特征数据丢失，影响专家对目标进行判别，从而导致贻误战机，因此对特征级数据采用TCP 协议进行传输。不同于UDP 协议，TCP 是面向连接的传输控制协议，具有高可靠性，不会出现丢失或者乱序。但是，由于海上战术通信网络相比于有线网络更高的丢包率，TCP 一旦检测出丢包便会触发拥塞控制机制[4]，对丢失的数据报文进行重传，从而占用带宽，降低发送速率。并且传统的TCP 拥塞控制算法过分保守，这会导致数据传输能力大打折扣。除此以外，各作战平台的节点带宽资源也会随着作战统筹方案而进行调整。因此，当下海上战术通信网络的传输能力和带宽是动态变化的，需要实时地根据各作战平台节点的带宽及时地调整传输等级，以保证数据能实时送至综合处理中心。

本文设计的分级传输系统将传输等级定为4 个等级，分别对应海上战术通信网络带宽为256 kb·s-1、512 kb·s-1、1 Mb·s-1和2 Mb·s-1（以上带宽数值为上行下行总带宽），并依据特征数据报文内容的重要性分别将其划分为4 个等级，使之与网络带宽等级一一对应。如图2 所示，图2（a）为各作战节点的数据转发工作流程，各节点数据转发软件在冷启动时各自将初始传输等级设置为1级，以防止突发的大流量造成堵塞，同时分别将目标级数据报文及对应的特征级数据报文通过海上战术通信网络向指挥所数据服务器发布数据，期间如果收到传输等级调节指令就立即调整数据传输等级，并继续向数据服务器发布数据。图2（b）为综合处理中心数据转发软件的工作流程，该软件从服务器订阅、获取各作战平台节点的数据报文，并依据数据流量及报文中的时间戳信息计算各作战平台节点的实时带宽，并根据计算结果及时向对应的作战节点平台发布调整传输等级的指令来保障重要数据报文的传输效率。

图2 数据服务软件客户端工作流程

2 基于带宽估计的传输等级调节算法

由于TCP 协议的拥塞机制，一旦链路中出现丢包情况，其慢启动门限（ssthresh）和拥塞窗口（cwnd）都会直接减半[5]，这种过分保守的恢复机制会降低传输的吞吐量，尤其在海上战术通信网的运用场景下，连续的丢包会持续触发该机制，导致传输效果非常不理想。

在本协同作战系统中，从各作战节点平台传输至综合处理中心的所有数据报文，其产生和发送的节拍都相对固定。因此在采样周期的选择上，本算法选择其中发送周期最长的一类数据报文作为估算当前带宽的单位周期时间T，于是第n个传输周期内的采样带宽可以表示为：

式中：BWsample(n)表示当前采样周期内某作战节点的通信带宽估值，D(n)为综合处理中心转发软件从数据服务器所获取的该节点的数据报文字节数。由于数据报文类型确定，假定有k类报文，D(n)可用式（2）表示：

至此，已经得出一个周期内的采样带宽值，但由于受环境及系统内样机工作状态等突发因素影响，部分相邻周期所计算的带宽值会出现较大幅度的波动，可能导致所设置的传输等级与实际传输带宽不匹配，从而导致拥塞，影响重要战场数据的上传。因此，本算法通过引入加权系数∂将前序带宽采样值纳入带宽估计的计算公式中，并用计算所得的BW(n)对慢启动门限和拥塞窗口进行设置。

其中∂的取值为：

同时根据所计算得到的BW(n)选择与该作战节点当前传输能力相匹配的传输等级。例如计算带宽介于256 kb·s-1和512 kb·s-1之间就选择一级传输等级；如果计算带宽介于512 kb·s-1和1 Mb·s-1之间就选择二级传输等级，以此类推。得到相应传输等级结果后，由综合处理中心转发软件通过海上战术通信网发送到对应平台，并由该平台转发软件对传输等级进行及时调整。

3 仿真试验及结果分析

本文通过使用迈思源信息技术有限公司开发的HoloWan 网络仿真仪模拟海上战术通信网络的时延、丢包和带宽抖动。为保证数据量以及发送节拍的一致性，在实验室搭建一套由3 个同类型作战节点平台构成的协同作战体系。3 个平台分别采用UDP 协议、TCP 协议和基于带宽的分级传输方法进行数据传输。

3.1 实验数据和参数设置

本次实验数据来源为对某次海上任务XXX 平台数据记录仪记录数据的回放。此次仿真实验的3个平台采用同一段数据源。通过计算，该数据源在第二节中定义的带宽估计周期T（32 s）内产生的所有报文总流量为1 792 kB。实验中，HoloWan 网络仿真仪的参数设置如下：时延500～1 000 ms，丢包率0.5%～3%，带宽设置为512 kb·s-1～2 Mb·s-1。本次实验的网络拓扑如图3 所示。在仿真实验进行过程中，采用UDP 和TCP 两种传输方式的平台不设置传输等级，转发数据记录仪数据回放所产生的所有数据报文，而分级传输系统则将冷启动等级设为一级传输，实验时长为30 min。

图3 网络拓扑图

3.2 仿真结果分析

本文仿真了在模拟海上战术通信网络下相同数据报文在3 种传输模式下的传输情况，并以丢包率和数据延时情况作为评价标准。如图4（a）所示，UDP 的传输方式在模拟的网络下丢包率非常严重，并且变化非常大，而TCP 的传输方式丢包率很低。虽然本文的分级传输方法丢包率高于TCP，但总体相对较低，并且通过数据统计分析，在传输过程中主要丢包为用UDP 发送的目标级数据报文。从图4（b）可以看出，TCP 传输方式下数据延迟随着丢包和带宽的变化变得越来越高，由于丢包触发的拥塞控制机制导致网络堵塞，数据传输延迟，反观UDP 由于不需要建立连接，延时则很低，而分级传输的延时接近于UDP 的延时。因此，基于带宽估计的分级传输方式可以综合UDP 和TCP 二者的优点，在保证不丢包的情况下很好地降低了数据传输的延时。虽然该方法会因为分级传输的机制处于较低传输等级时而丢弃部分数据，但是能保证更重要的数据以较低的丢包率和较低的延时回传到综合处理中，为现场专家的判情提供及时的数据支持。

图4 仿真结果

4 结语

本文提出了一种基于带宽估计的海上战术通信网络分级传输机制。该机制依据重要程度及需求优先级，将数据报文分类对应4 个等级的带宽需求；在任务期间综合处理中心数据服务软件以各作战节点平台报文发送节拍为采样周期对其进行动态带宽估算并及时对数据传输等级进行调整；同时在传输过程分别采用UDP 协议和TCP 协议以满足体系化协同作战应用对目标级报文和特征级报文在数据延时和丢包率方面的不同需求。仿真实验表明，本文所设计的基于带宽估计的分级传输系统在高时延、高丢包率且带宽抖动的海上战术通信链路环境下，不仅能保证目标级报文的及时传输，同时在特征级报文的完整性方面也有很大的提高。