戰術通信網絡的資源管理技術研究

王 俊，田永春

0 引言

戰術通信網絡以無線信道為主，具有多種網絡并存，具有帶寬資源有限、節點機動性、用戶移動性、抗毀性和安全性等特點。但是，隨著業務系統的信息需求快速增長，戰術通信網絡的無線信道帶寬受限、信息傳輸速率不高和業務容量小等特點，帶來了通信服務質量差和帶寬利用率低等一系列問題，極大地降低了戰術通信系統的效率［1－2］。

通常用戶對各種業務和應用體驗的滿意程度通過服務質量(QoS)來衡量［3－4］。因此，如何在有限、可用的通信資源基礎上，實現動態地配置網絡資源，提高數據傳輸效率，有效保障端到端多類型業務傳輸服務質量(QoS)是當前迫切需要解決的問題。

目前實現QoS最常見的方法和途徑是實現資源的過量配置，特別是有線的IP網絡，其趨勢是傳輸帶寬越來越寬、傳輸速度越來越快。而對于戰術通信網絡，一方面由于其接入手段涵蓋了空天地等接入方式，其傳輸鏈路的特點也各不相同，另一方面由于其傳輸鏈路多為無線方式，造成網絡資源尤其是帶寬資源非常有限、變化也相對于有線網更頻繁。要想實現資源的過量配置技術難度大，同時短期無法實現。因此文中采用另一種思路來實現QoS，即在現有通信資源的基礎上，進行優化利用，這種思路通常稱為資源管理。其目標是通過一定的策略對戰術通信網絡進行實時、可預見、智能化和協調一致的調整和干預，對用戶行為、鏈路資源以及網絡路由交換資源等進行動態控制，以實現整個網絡資源的合理與高效利用，以達到保證整個網絡的穩定性和可靠性，保障在戰術通信網絡上進行的各種業務的服務質量(QoS)的目的［5－6］。

1 分層體制下業務QoS保障的缺陷

目前基于IP技術體制的網絡都是基于分層的設計，這種思想簡化了網絡設計的同時也暴露出了很大的不靈活性，具體如下:

1)在戰術通信網絡中，不同的業務通常有不同的重要程度，包括業務優先級與用戶優先級，這兩種優先級通常都體現在業務的控制信令中，而網絡層在轉發時通常只關注IP消息本身，而不關注IP載荷。而在IP消息頭中的只有TOS或DSCP字段能夠體現出IP消息的優先級，但這僅僅用于區分服務模型，并且業務優先級以及用戶優先級與TOS或DSCP值之間沒有建立起關聯。

2)每種業務都對網絡資源有一定的需求，目前的分層接口之間并未傳遞這樣的信息，導致應用層產生業務，網絡層盡力轉發;網絡層擁塞，應用層在不知情的情況下仍然產生業務，最終使得業務均不受控制，很容易造成網絡擁塞。

3)IP通信網的路由協議通常只會選擇出最優的一個下一跳地址作為到達某個目的地的路由，因此所有發往某個目的地的IP消息都會往該路由投遞。對于網絡資源稀缺的戰術通信網來說很容易造成網絡擁塞，并且發生擁塞后路由也無法即時更新，最終導致業務的用戶體驗下降。

圖1 資源管理總體框架Fig．1 Overall framework for resource management

因此，為了更好地保障業務的QoS，需要引入跨層思想，將應用層產生的業務對網絡資源的需求提取出來，同時將網絡層當前的資源狀況獲取到，兩者進行分析和對接，確保每個業務都可觀可控。

2 戰術通信網絡的資源管理框架

針對通用IP分層體制暴露出的問題，文中采用跨層設計的思想，以業務流為主線，提出戰術通信網絡的跨層資源管理的思路和總體框架，對業務特征提取、業務接納控制、業務控制、資源預留、信道分配、隊列調度、端到端QoS多徑路由等各個方面進行融合設計，以滿足戰術通信網絡對資源整體優化以及對業務提供端到端QoS保障的需求。當中綜合考慮了基于流的實時性業務以及基于分組的非實時性業務兩種業務類型以及節點處于用戶節點和網絡節點兩種角色的節點類型，同時還考慮了業務在控制平面和數據平面的情況，具體如圖1所示。

為了在對業務提供QoS保障的同時提高網絡的效率，文中將執行資源管理的功能劃分為了6個主要的邏輯功能實體，即業務特征提取與映射、業務接納控制、業務控制、QoS選路、隊列(分為了綜合服務隊列與區分服務隊列)以及信道傳輸，他們根據業務的不同類型按照不同的資源管理要求進行處理。在圖1中，中間部分是6個資源管理邏輯功能實體，對業務逐次進行處理;右邊部分是各個資源管理邏輯功能實體所產生的與資源管理相關的輸出參數;左邊是各個資源管理邏輯功能實體在處理業務時需要使用的輸入參數。此外，虛線箭頭代表業務的控制平面，而實線箭頭代表業務的數據平面。文中提出的資源管理思路如下。

1)業務從應用層產生，首先經過業務特征提取與映射處理。提取出業務屬性(包括業務標識和優先級)以及用戶屬性(用戶標識和優先級)，并將該業務的要求映射成為定量的資源要求與傳輸要求，這些信息將作為下面各層資源管理邏輯功能模塊的輸入參數與判斷依據。

2)當提取了業務特征之后，業務控制需要對業務進行業務接納控制處理。一方面業務接納控制將根據業務和用戶的優先級等信息確定該業務和相關用戶的重要程度;另一方面是對該業務對資源的需求(包括資源要求和傳輸要求等)和當前的網絡資源狀況進行對比，以確定網絡當前是否有能力為該業務提供服務，或能夠為該業務提供QoS保障。綜合兩個方面進行分析，最終確定是否接納該業務，或向用戶協商是否需要降級提供服務。

如果接納該業務，首先，業務控制將對業務進行分類，確定該業務是基于流的實時性業務還是基于分組的非實時性業務，并且通過用戶標識解析出對端IP地址;其次，將根據業務和用戶的優先級等信息確定該業務和相關用戶的重要程度;再次，對該業務對資源的需求(包括資源要求和傳輸要求等)和當前的網絡資源狀況進行對比。通過三個方面的綜合分析，最終確定為該業務提供基于何種等級的服務:綜合服務、區分服務或者盡力而為的服務。

3)業務控制處理后，則將對該業務進行QoS選路。在選路時，首先根據業務QoS保障等級，將業務分為綜合服務保障以及區分服務保障兩類。然后再以業務的資源要求、傳輸要求和IP地址為依據，結合本節點的資源狀態和QoS路由協議生產的多徑QoS路由表所提供的端到端資源態勢情況，選擇一條合適的路徑。

4)當QoS選路完成后，業務將進入隊列調度處理。隊列調度將根據業務控制對業務的QoS保障等級的劃分結果將業務插入到綜合服務隊列與區分服務隊列(盡力而為服務隊列默認作為區分服務隊列的最低優先級)中，并根據傳輸要求對不同業務執行不同的調度算法，同時根據下層網絡傳輸資源狀況執行出隊列操作。同時隊列也將根據上層的資源預留要求對不同標記的業務預留相應的綜合服務隊列資源，并將下層網絡傳輸資源狀況與隊列資源狀況綜合分析并進行虛擬化處理，生成可供上層應用、業務控制、路由識別與比較的網絡資源狀況。

5)在信道傳輸時，將根據不同的標記進行傳輸，并根據資源預留請求預留信道資源。同時信道傳輸模塊將監控傳輸資源狀態，以便及時將網絡傳輸資源狀況傳遞給隊列調度模塊進行綜合的資源虛擬化處理。信道傳輸主要執行不同的MAC接入協議、信道分配算法等。

3 資源管理的關鍵技術

3． 1 多徑QoS路由協議

該項關鍵技術主要為上層的業務控制提供接納控制依據，同時也為每個業務提供選路的依據。

由于用戶對于基于流的實時性業務的會話建立時延較為敏感，因此，需要在業務產生時就能夠獲取到第一手的從源端到目的端之間各條路徑的網絡資源狀況，特別是帶寬資源狀況。這就要求多徑QoS路由協議能夠隨時對整個子網(域)內的網絡資源狀況有個初步的掌握。因此多徑QoS路由協議采用主動式的路由方式，通過攜帶有跳數信息和單節點帶寬信息的路由更新消息的交互，計算出本節點到其他各個節點的多徑QoS路由，每條路徑都以跳數和估算出的端到端帶寬信息為衡量依據。

其中，端到端帶寬信息通過單節點帶寬帶寬與跳數信息進行估算:

設 P={p1，p2，…，pn}代表一條路徑，pk(1≤k≤n)為某路徑上第k個節點，p1為源節點，pn為目的節點，bk為第k個節點的可用帶寬。對跳數≤3的路徑，路徑可用帶寬計算為Bp=min{bk|1≤k≤n}/n;否則，Bp=min{bk|1≤k≤n}/4，Bp除以路徑跳數是考慮到流內的干擾，而4跳以后流內干擾變為恒定值［7］。

這樣，從源節點到目的節點之間就存在多跳路徑，并且每條路徑都有其跳數和大致的帶寬范圍信息，便于當某條路徑擁塞后仍然能有備選路徑可供選擇。

3． 2 基于業務類型的QoS保障模式

該項關鍵技術主要為實時性(需要建鏈)以及非實時性(不需要建鏈)業務提供有針對性的QoS保障服務。

從技術角度，QoS是一組服務要求的參數，網絡必須滿足這些參數才能確保數據傳輸的相應服務級別，具體可量化為帶寬、時延、抖動、丟失率等性能指標。根據不同業務所關注的指標的不同，將業務分為兩個大類，即基于流的實時性業務、基于分組的非實時性業務。其中，基于流的實時性業務包含話音、視頻以及文件傳輸等類型的業務，涵蓋了控制平面和數據平面兩部分，首先，通過控制平面會話控制信令進行端到端建立連接，然后再傳輸數據平面的業務媒體數據;基于分組的非實時性業務則包括消息、郵件、指控等類型的業務，主要體現在數據平面，直接發送業務數據，無需建立連接。

因此，針對這兩種業務，采用綜合服務、區分服務以及盡力而為服務(以最低優先級的區分服務形式體現)共存的QoS保障模式，并且在為業務制定服務等級時還同時考慮到業務屬性以及用戶屬性，即業務本身的優先級以及業務相關聯用戶的優先級因素。在網絡資源足夠的情況下，基于流的實時性業務都按照綜合服務保障類型進行QoS保障，基于分組的非實時性業務都按照區分服務保障類型進行QoS保障。當網絡資源不足或者綜合服務隊列擁塞時，只為優先級高的實時性業務提供綜合服務保障，而優先級低的實時性業務則根據用戶選擇拒絕服務或者降級為區分服務保障類型。同理，對于基于分組的非實時性業務，在網絡資源足夠的情況下，提供區分服務保障，當網絡資源不足或者區分服務隊列擁塞時，則根據用戶選擇拒絕服務或者降級為最低優先級的區分服務保障類型，等同于盡力而為服務保障類型。

這樣，就能夠確保實時性業務數據流的一系列數據分組均按照相對固定的路徑進行傳輸，從而降低抖動時延。而讓非實時性業務數據分組根據即時網絡狀態進行選路。

3． 3 動態資源預留

該項關鍵技術主要解決實時性業務在建鏈過程中由于網絡資源變化但未即時更新QoS路由表所導致資源預留不成功的問題。

基于Ad Hoc的戰術通信網絡是一個網絡資源動態變化的網絡，雖然多徑QoS路由表能夠提供一個大概的全子網(域)范圍內的資源態勢信息，但多徑QoS路由的原理是主動式路由觸發方式，路由信息的更新具有周期，因此，當前的多徑QoS路由表所提供的端到端帶寬等信息通常是幾秒鐘前的信息，只能為QoS選路提供一個大致的參考，不一定是最準確和真實的。因此，在資源預留建立預留路徑通道時，需要引入修正機制，以應對執行預留的途中發現當前資源不夠的情況。具體原理如圖2所示。

圖2 動態資源預留原理Fig．2 Principle for dynamic resource reservation

其中，源節點S，目的地節點D，假如根據多徑QoS路由表提供的信息建立的預留通道為S－1－2－3－D，而當通道建立的過程中，預留信令走到節點3后發現3－D的路徑不能滿足資源預留的要求，則節點3則會就地尋找新的合適的路徑，如果找不到新的合適的路徑，則會向上一跳節點報告資源預留通道建立失敗，節點2也會就地尋找新的合適的路徑，找不到則會向2的上一跳報告資源預留通道建立失敗，如果節點1找到了新的合適的路徑，假設是1－7，則會從節點1新建立一條資源預留通道，假設為S－1－7－6－D。假如所有節點都找不到新的合適的路徑，則資源預留通道建立失敗的信息最終會反饋到源節點S處，最終導致業務會話建立失敗。

這樣，當網絡資源發生改變但還未來得及更新多徑路由表的情況下，也能夠確保實時性業務數據流即使選擇到不合適的路徑后也能夠通過修正而選擇到合適的路徑。

4 仿真驗證

使用OPNET 14．5對資源管理技術進行仿真試驗，考察資源在同樣的網絡場景、不同業務情況下管理技術對具有代表性的話音業務性能的影響，包括會話業務的建立時延、話音媒體抖動等方面。試驗分兩次進行仿真，其仿真試驗場景和業務參數如圖3和表1所示。

圖3 仿真試驗場景Fig．3 Simulation scenario

表1 兩次仿真試驗的業務參數Table 1 Parameters for two business simulation

第一次仿真試驗結果如圖4所示，分別從話音會話控制信令建立時延、話音媒體數據抖動時延、話音媒體數據丟失率三個方面對比Voice1和Voice2的結果。

圖4 第一次仿真試驗的結果Fig．4 Results for first simulation

其中，在話音會話控制信令建立時延和話音媒體數據抖動時延的對比中，淺色細線代表沒有使用資源管理的情況，深色粗線代表使用了資源管理的情況。通過分析可以看出，無論是否使用資源管理技術，在會話建立時延方面差別不大，總體上都控制在0．5 s以內。而在話音數據抖動時延方面，可以看出采用了資源管理技術的情況，話音抖動非常小，幾乎為零;而未采用資源管理的情況下，話音抖動在0．012 ～0．014 s之間，抖動時延相對較大。

在話音媒體數據包的丟失率方面，淺色細線代表話音媒體數據發送量，深色粗線代表話音媒體數據接收量。通過分析可以看出，采用了資源管理的情況下，話音媒體數據幾乎不存在丟包情況，而未采用資源管理的情況下，存在較大的丟包率，通話質量較差。

第二次仿真試驗結果如圖5所示，分別從話音會話控制信令建立時延、話音媒體數據抖動時延、話音媒體數據端到端傳輸時延以及突發數據業務端到端傳輸時延四個方面對比。

圖5 第二次仿真試驗的結果Fig．5 Results for second simulation

其中，淺色細線代表沒有使用資源管理的情況，深色粗線代表使用了資源管理的情況。通過分析可以看出，無論使用還是不使用資源管理技術，在話音會話控制信令的會話建立時延方面差別不大，總體上都控制在0．5 s以內。在話音媒體數據的抖動時延方面，可以看出采用了資源管理技術的情況，話音抖動非常小，分布在 0左右，最大的抖動僅為0．001 5 s;而未采用資源管理的情況下，可以看到在100～124 s、188～200 s的區間，由于網絡帶寬能夠滿足業務需求，業務數據包均按照路由協議選擇的路徑傳輸，因此話音抖動很小，分布在0左右;但在124～188 s的區間，由于網絡中存在突發數據Data1、2、3、4，網絡帶寬供不應求，四路突發數據與原先Voice1、2的話音業務處于不受控的自由競爭中，造成有的Voice1、2數據包發生丟棄或者被迫選擇其他路徑進行傳輸，從而導致話音抖動比較劇烈，對通話質量有一定的影響。在話音媒體數據的端到端傳輸時延方面，使用了資源管理技術的情況下，話音響應時延很穩定，在0．25～0．3 s之間;而沒有采用資源管理技術的情況下，端到端傳輸時延就有較大的差別，時延分布在 0．25～4．4 s之間，在 100～124 s、188 ～ 200 s的區間，時延穩定在0．25 s左右，在124～188 s的區間，時延呈上漲趨勢，最大漲到了4．4 s，端到端傳輸時延的不穩定，產生這種現象的原因與抖動時延的產生原因相同。在突發數據業務的端到端傳輸時延方面，使用了資源管理的情況下，發送10K字節的報文需要2．6 s左右的響應時延;而未使用資源管理的情況下，四個突發業務數據的端到端時延呈上升趨勢分別為4．4 s、5．1 s、6．0 s以及6．8 s。

通過以上兩組仿真試驗的對比分析，戰術通信網絡的資源管理技術對業務的QoS保障的效果是非常明顯的，在同樣的網絡資源狀況下，使用資源管理技術能夠在不犧牲明顯的會話建立時延的基礎上，有效降低抖動時延、端到端傳輸時延以及丟包率。

6 結語

未來的戰術通信網絡將采用全IP的和面向服務的技術體制，因此如何管理網絡通信資源并且提高業務的QoS，是急需解決的問題。文中針對該問題提出了一種全新的跨層協作的資源管理解決思路，通過在資源管理總體框架、多徑QoS路由、QoS保障措施以及動態資源預留等方面進行了探索和創新，達到了資源的優化利用和業務服務質量的提高，并最終用仿真進行了驗證。

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