基于MPR 算法的Ad-Hoc 网络多跳语音通信方案设计

韦万书

（广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510663）

0 引 言

在抢险救灾、户外探险、应急服务、边防巡逻以及国防战备等领域，通常需要在野外快速灵活部署一个或多个无线通信网络用于临时通信，并且在具备一定通信覆盖能力的前提下，组网迅速、网内节点能够自由移动、抗毁性强，Ad-Hoc 网络能够满足这样的需求。通过声音传播信息是人类最基础、最重要的通信方式，语音（实时）通信是Ad-Hoc 网络中不可或缺的一项应用需求。然而在信道带宽有限、频率资源有限的超短波（Very High Frequency，VHF）频段实现多跳中继的实时语音通信，必须创新带宽分配、语音压缩以及路由开销均衡等相关技术。

1 Ad-Hoc 网络和实时语音通信

Ad-Hoc 网络是一种没有网络控制中心、网内所有节点地位平等的无线移动通信网络，采用分层式网络协议和分布式算法实现网络的自组织和运行。Ad-Hoc 网络的所有节点都具备终端收发功能和报文中继转发能力。当通信的源节点和目的节点不在单跳通信范围内时，可以通过中间节点分组转发进行通信；有时转发的中间节点不止一个，需要经过多个节点接力转发通信，多节点网络甚至会同时经过多条路径转发同一报文到达目的节点，此时需要路由算法制定最佳中继路线。因此，Ad-Hoc 网络又被称为移动自组织网络、多跳无线中继网或无固定设施的网络[1]。

国际电信组织（International Telecommunication Union，ITU）研究了语音延迟对用户听感的影响，该研究表明（如图1 所示）：通信双方语音时延小于150 ms 时，用户感受最佳；当时延大于400 ms 而小于500 ms 时，多数用户感受糟糕；当时延大于500 ms时，几乎所有用户无法忍受。因此，时延越小，用户对通话质量的感知体验越好。

图1 通话效果与端到端语音时延的关系曲线

Ad-Hoc 网络中因为多跳中继的路径不同，导致接收端接收到的语音分组包间隔不同，语音回放变得断断续续，也就是产生了抖动现象，需要将抖动时延限制在一定范围内，避免破坏音频的连续性。

在无线信道质量不佳、误码率提高或路径不可达时会引起语音包丢包现象。语音具有连续性，人耳对语音中较小时间片丢失引起的扰动不敏感，因此允许语音通信中有少量丢包。经验表明，低于2%的丢包率不会影响用户体验[2]。

在无线移动网络中进行实时语音通信，重点在于控制传输的时延和抖动，以保证语音通信的实时性，不需要像传输数据一样要求百分百正确。

2 MPR 广播协议

Ad-Hoc 网络的性能很大程度上取决于应用的组网协议，根据系统应用需求、组网规模以及通信带宽等因素，选择合适的组网协议是设计Ad-Hoc 网络的重要工作。本方案基于实时语音广播需求，采用基于邻居信息的广播协议。该协议根据网络拓扑信息，使用已知路由的节点来覆盖网络的所有节点，广播覆盖率高，广播冗余度低[3,4]。

其 中， 多 协 议 路 由 器（Multiprotocol Router，MPR）算法是一种基于邻居信息的广播协议。MPR的主要思想是发送节点，利用已知的两跳范围邻居节点的拓扑信息，根据最大覆盖原则优选其中部分节点转发分组包，由近及远依次中继，最终实现全网的广播覆盖。设节点x为广播报文发送节点，N-1(x)为节点x的一跳邻居节点，N2(x)为节点x的两跳邻居节点，中继节点的选择算法基本步骤如下。

第一，初始化中继节点集合MPR_Group(x)，缺省为空。

第二，搜索N-1(x)中的节点，选择N2(x)中对应某些节点的唯一邻居节点，加入到MPR_Group(x)中作为多跳中继节点。若N2(x)中还有节点没有被MPR_Group(x)中的节点覆盖，执行第三步，否则结束。

第三，对于N-1(x)中不属于MPR_Group(x)的节点，依次计算覆盖N2(x)邻居数最多的N-1(x)节点，加入到MPR_Group(x)集合。若N2(x)中还有节点不能通过MPR_Group(x)中的节点覆盖，此时需要判断MPR_Group(x)中的节点总数是否大于中继节点设定总数，若小于继续执行第三步，否则结束。

以如图2 所示拓扑结构自组网为例，节点A进行MPR 计算，按照MPR 算法描述，N2(A)中节点H、I、J、P、Q都仅有一个一跳邻居节点，它们的邻居节点分别是B、C、G，将节点B、C、G加入到MPR_Group(A)中，这些节点覆盖了N2(A)中H、I、J、K、P、Q节点。N2(A)中还有节点L、M没有被覆盖，N-1(A)中未被MPR_Group(A)包括的节点有D、E、F，其中节点D同时覆盖了K、L节点，节点E同时覆盖了L、M节点，节点D和E被加入到MPR_Group(A)中。由此，最终MPR_Group(A)中节点包含B、C、G、D、E。

图2 一个自组织网络拓扑

若通过部分优势修剪（Partial Dominant Pruning，PDP）算法，每个节点在计算转发节点集合时去掉已经被上一跳节点覆盖的与本节点相同的两跳邻居节点，可以进一步减少网络上的广播包，降低广播开销[3,4]。应用PDP 算法，图2 拓扑结构中的节点D可以从MPR_Group(A)中剔除，因为节点D覆盖的节点K和L分别被节点C和E覆盖了，节点C、E已经包含在了MPR_Group(A)中。

3 窄带多跳语音中继通信

本方案探讨一款50 kHz 带宽的手持式超短波频段窄带移动通信设备，该设备具备Ad-Hoc 组网能力，网络容量为64 个，但仅限于数据中继传输功能，语音通信为半双工单跳通信。文章在该设备上实现多跳语音实时通信，目标是拓展实现不小于四跳的中继语音通信。

设备物理层采用时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）方式将整个物理信道分为同步时隙、数据时隙以及语音时隙。同步时隙用于系统时钟同步，数据时隙用于传输MPR 路由广播在内的数据业务，语音时隙用于传输语音业务。发送节点产生语音业务时，通过设计约定，将语音时隙以动态的TDMA接入使用，发起节点占用随按即说（Push To Talk，PTT）发起时刻的语音时隙。第一跳中继节点占用第2 个语音时隙，第二跳中继节点占用第3 个语音时隙，依次类推转发语音包。

语音编码算法采用混合激励线性预测（Mixed Excitation Linear Prediction，MELP）模型算法,可将16 位8 kb/s 采样速率的语音压缩为2.4 kb/s 编码语音数据。该编码算法吸取了多带激励声码器的分带技术优点，还采用了自适应谱增强、脉冲和噪声的混合激励以及脉冲相位抖动等措施，跟相同比特率的编解码算法相比，能够获得更好的合成语音质量。高压缩的语音编码不仅可以提高传输效率，还能保证接收端有足够的缓存区以抵消多跳中继带来的语音抖动问题。

以线性拓扑结构的五跳中继通信为例，省略去了周期循环的同步时隙，多跳语音传输TDMA 时隙的分配情况如图3 所示，每个时隙64 ms。当呼叫节点在第0 语音时隙发送语音包时，该语音包携带语音包编号、最大生存跳数以及MPR 节点等信息，呼叫节点一跳范围内的所有节点都可以在第0 语音时隙进行接收；一跳范围内的邻居节点解析语音包中的勤务信息，判断本节点是否需要转发，将需要转发的节点在第2 语音时隙中进行转发，生存跳减1，同时更新本节点的MPR 节点信息；二跳节点在第2 语音时隙接收一跳节点转发的语音包，并在第4 语音时隙转发语音包，三跳、四跳、五跳节点以此类推。同时考虑无线通信的空间复用性，当四跳节点转发语音报文时，初始呼叫节点可以在该时隙发送下一个语音报文，这样可以大大减小系统语音时延，提高语音服务质量。通过语音包编号剔除接收到的重复语音包[5]。

图3 多跳语音传输物理层时隙分配

图4 多跳中继与单跳语音输出时延

使用KSW-WNS02 无线信道仿真仪模拟自由空间通信环境，测试多跳语音中继延时。在设备单跳语音通信固有延时的基础上，比较四跳和五跳的中继语音输出延时，测试结果表明：四跳语音中继平均传输延时为479.0 ms；五跳语音中继平均传输延时为607.9 ms。

4 结 论

针对多跳中继语音通信的应用需求，文章对Ad-Hoc 网络和实时语音通信进行了论述，并提出一种基于MPR 广播协议、物理层采用TDMA 接入方式、采用MELP 模型算法将16 位8 kb/s 采样速率的语音压缩为2.4 kb/s 编码语音数据，在50 kHz 带宽的VHF频段手持式窄带通信设备实现多跳语音组网通信，满足应急、户外探险、军用班排级团队的无线通信需求。