微小型無人機(jī)通信中繼動態(tài)帶寬分配方法及實驗分析*

趙增輝,程國建,劉篤仁

(1.西安培華學(xué)院中興電信學(xué)院,西安 610125;2.西安石油大學(xué)計算機(jī)學(xué)院,西安 710065;3.西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院,西安 710071)

微小型無人機(jī)通信中繼動態(tài)帶寬分配方法及實驗分析*

趙增輝1*,程國建2,劉篤仁3

(1.西安培華學(xué)院中興電信學(xué)院,西安 610125;2.西安石油大學(xué)計算機(jī)學(xué)院,西安 710065;3.西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院,西安 710071)

以MUAV戰(zhàn)術(shù)通信中繼應(yīng)用場景為模型,對戰(zhàn)場中存在的各種不同的業(yè)務(wù)類型有針對性的采用優(yōu)先級轉(zhuǎn)換策略及流量聚合機(jī)制進(jìn)行動態(tài)帶寬分配。該方法參考了IEEE 802.11p分類標(biāo)準(zhǔn)并建立了該標(biāo)準(zhǔn)與WME的等價關(guān)系。試驗發(fā)現(xiàn),流量聚合機(jī)制和“插隊”機(jī)制的引入,能顯著提高系統(tǒng)節(jié)點的吞吐量,并降低節(jié)點的傳輸時延。實驗證明,該動態(tài)帶寬分配方法能夠有效優(yōu)化帶寬分配,降低系統(tǒng)延時(20 ms以下),更好地達(dá)到無人機(jī)戰(zhàn)術(shù)中繼網(wǎng)絡(luò)的要求。

計算機(jī);微小型無人機(jī);帶寬分配;IEEE 802.11p;優(yōu)先級;流量聚合

微小型無人機(jī)MUAV(Micro-Unmanned Aerial Vehicle)具有機(jī)動性好、部署迅速、體積小、易于操控并具有較強(qiáng)戰(zhàn)場適應(yīng)能力[1-2],其在戰(zhàn)術(shù)通信的中繼平臺構(gòu)建無線戰(zhàn)術(shù)局域網(wǎng)中起著至關(guān)重要的作用。但是,戰(zhàn)場環(huán)境變化莫測、信息量大、等級分明,導(dǎo)致MUAV通信中繼網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的要求各異[3]。例如,信息量較大且對時效性要求較高的視頻監(jiān)控信息傳輸;有些信息量較小但對時效性要求較高,如:指揮命令的傳輸;還有些信息量大但對時效性要求不高,如:戰(zhàn)場圖像的傳輸。因此,為確保MUAV通信中繼網(wǎng)絡(luò)中信息分配合理、網(wǎng)絡(luò)通暢、傳輸及時、吞吐量達(dá)標(biāo)等,就要在傳輸過程中對業(yè)務(wù)類型先細(xì)致區(qū)分后再進(jìn)行傳輸?？偠灾?隨著技術(shù)的進(jìn)步,研究出能夠符合戰(zhàn)術(shù)環(huán)境要求,部署快,針對性強(qiáng)的通信中繼動態(tài)帶寬分配系統(tǒng)成為MUAV通信中繼研究的重要內(nèi)容。

本文針對戰(zhàn)場中的實際應(yīng)用場景對MUAV戰(zhàn)術(shù)通信中繼系統(tǒng)進(jìn)行分析,對戰(zhàn)場中存在的各種不同的業(yè)務(wù)類型有針對性的采用優(yōu)先級轉(zhuǎn)換策略及流量聚合機(jī)制進(jìn)行動態(tài)帶寬分配,優(yōu)先級轉(zhuǎn)換策略是通過對CPE用戶端設(shè)備(Customer Premise Equipment)進(jìn)行識別并將信息進(jìn)行分類然后動態(tài)賦予優(yōu)先級,這種方法不僅節(jié)省了系統(tǒng)開銷并且有利于提高通信中繼網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率。

1 MUAV通信中繼網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸需求

圖1為傳統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)局域網(wǎng)及MUAV通信中繼網(wǎng)絡(luò)的對比圖。傳統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)局域網(wǎng)較MUAV戰(zhàn)術(shù)通信中繼平臺的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有較大區(qū)別。MUAV通信中繼網(wǎng)絡(luò)利用分時多址TDMA(Time Dicision Multiple Address)訪問機(jī)制僅需改變時隙分配即可表現(xiàn)出靈活的組網(wǎng)能力、良好的抗截獲和抗干擾性能[4]。戰(zhàn)術(shù)局域網(wǎng)一般存在多個用戶節(jié)點和一個接入節(jié)點,也稱接入控制器AC(Access Controller),本地局域網(wǎng)與戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)通過AC節(jié)點進(jìn)行互聯(lián)。

圖1 傳統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)局域網(wǎng)及MUAV通信中繼網(wǎng)絡(luò)圖

由于戰(zhàn)場環(huán)境千變?nèi)f化,微小型無人機(jī)的中繼網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)類型因此也會不斷發(fā)生改變。微小型無人機(jī)中繼網(wǎng)絡(luò)中MUAV作為接入點AP(Access Point),承擔(dān)CPE的輪詢和時隙調(diào)度工作。所連客戶端承載戰(zhàn)場視頻、音頻、圖像、文字等一系列戰(zhàn)術(shù)信息。

假設(shè)某一時刻,C0節(jié)點承載的信息量較大,如:視頻監(jiān)控信息,對時效性要求較高且所需帶寬相對較大。在傳統(tǒng)輪詢算法中,每輪詢一次,節(jié)點C0就會產(chǎn)生一定長度的信息,且在傳統(tǒng)輪詢算法中,一個節(jié)點只能在一個輪詢周期內(nèi)被輪詢一次,所以當(dāng)一個周期的輪詢結(jié)束后,將會積累一定的數(shù)據(jù)需要等待下次輪詢才能完成傳輸。然而,積累的數(shù)據(jù)在等待進(jìn)行下一次輪詢前,又會產(chǎn)生新的待發(fā)數(shù)據(jù)。最終,此節(jié)點的緩沖區(qū)隊長會逐漸增大,使數(shù)據(jù)喪失時效性。因此,當(dāng)CPE用戶端承載信息量較大、時效性要求較高時,傳統(tǒng)的輪詢算法將不能達(dá)到及時傳輸要求,并會導(dǎo)致效率低下、信息大量堆積、傳輸不及時等嚴(yán)重問題。

再次假設(shè),某一時刻,C1節(jié)點承載的信息量較小,如:指揮命令,但對時效性要求較高,需在發(fā)布命令的第一時間進(jìn)行傳輸。然而傳統(tǒng)先進(jìn)先出FIFO(First In First Out)存儲器的服務(wù)機(jī)制將按照先進(jìn)先傳輸?shù)脑瓌t進(jìn)行傳輸,傳輸過程中不存在任何的“插隊”請求。因此,該傳統(tǒng)的傳輸機(jī)制將會導(dǎo)致重要的信息也必須按次序等待輪詢,使重要數(shù)據(jù)無法及時傳輸,這對戰(zhàn)場情況將造成較為嚴(yán)重的影響。

正是因為戰(zhàn)場這種等級分明關(guān)系的關(guān)系存在,而戰(zhàn)場環(huán)境又千變?nèi)f化。因此,對戰(zhàn)場中存在的各種不同的業(yè)務(wù)類型必須有針對性的進(jìn)行調(diào)節(jié)并進(jìn)行動態(tài)帶寬分配。

2 業(yè)務(wù)類型區(qū)分的動態(tài)帶寬分配

802.11協(xié)議組是國際電工電子工程學(xué)會(IEEE)為無線局域網(wǎng)絡(luò)制定的標(biāo)準(zhǔn),IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議市委室內(nèi)靜止環(huán)境而設(shè)計的通信標(biāo)準(zhǔn),具有較小的時延擴(kuò)展和滿是變的信道特性,本文以IEEE 802.11p分類標(biāo)準(zhǔn)作為參考[5]。IEEE 802.11p服務(wù)類型建議以0-7進(jìn)行8級分類,DSCP差分服務(wù)代碼點(Differentiated Services Code Point),是IETF于1998年12月發(fā)布的Diff-Serv的QoS分類標(biāo)準(zhǔn),DSCP值的范圍為0～63(0的優(yōu)先級最低,63的優(yōu)先級最高)[6]。

IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)的業(yè)務(wù)類型一般分為8種,因而存在8個優(yōu)先級,優(yōu)先級可用3位二進(jìn)制碼表示,分別為C位(Command,控制位)、D位(Delay,時延位)以及B位(Bandwidth,帶寬位)。當(dāng)其中任何一位的數(shù)值為1時,都擁有優(yōu)先權(quán),可優(yōu)先進(jìn)行傳輸。其優(yōu)先級賦予流程圖如圖2所示,當(dāng)信息傳輸?shù)綗o人機(jī)中轉(zhuǎn)設(shè)備時,AP按照信息頭部的DSCP值賦予其C、D、B表示位,位置在DSCP與DATA數(shù)據(jù)之間。

圖2 優(yōu)先級賦予流程圖

通信中繼網(wǎng)絡(luò)信息傳輸過程中,將按照CPE的優(yōu)先級高低進(jìn)行傳輸,優(yōu)先級越高的在與其他信息競爭時越能夠獲得優(yōu)先傳輸?shù)臋?quán)利,并獲得更多的通信時間。

MUAV戰(zhàn)術(shù)通信中繼網(wǎng)絡(luò)中,當(dāng)傳輸信息量較大時,可采用先將數(shù)據(jù)幀聚合再賦予優(yōu)先級的方法,以提高信息傳輸?shù)男蔥7],具體賦予流程如圖3所示。

圖3 聚合流量優(yōu)先級賦予流程圖

系統(tǒng)輪詢時,將根據(jù)圖4的算法流程圖進(jìn)行動態(tài)帶寬的分配。

圖4 算法流程圖

圖5 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 實驗分析

本實驗過程中,使用如圖5所示節(jié)點數(shù)為7的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗。試驗中假設(shè)微小型無人機(jī)的中繼節(jié)點為AP,CPE端為C0～C6節(jié)點。其中,C0連接的為網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī);C1、C2分別連接圖片及文字信息客戶端,C3語音信息的客戶端;剩余C4～C6節(jié)點均與普通數(shù)據(jù)終端相連。實驗測試時間為250 s。實驗準(zhǔn)備工作完成后,將通過Ix Chariot 6.7網(wǎng)絡(luò)測試軟件對通信中繼網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的吞吐量和時延情況進(jìn)行測試評估[8]。

吞吐量是指對網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、端口、虛電路或其他設(shè)施,單位時間內(nèi)成功地傳送數(shù)據(jù)的數(shù)量,常用來表示一個系統(tǒng)的測試性能。本文通過對戰(zhàn)場中存在的各種不同的業(yè)務(wù)類型有針對性的采用優(yōu)先級轉(zhuǎn)換策略及流量聚合機(jī)制進(jìn)行動態(tài)帶寬分配,并將測試結(jié)果與傳統(tǒng)的帶寬分配方法進(jìn)行比較。

圖6為C0節(jié)點的吞吐量在不同帶寬分配策略下隨時間的變化情況。由圖6可得,隨著時間的推移,業(yè)務(wù)量的逐漸增大,無優(yōu)先級的吞吐量最小隨時間的變化情況也不明顯。有優(yōu)先級的帶寬分配策略,其吞吐量較無優(yōu)先級的有明顯提高,且隨著時間的增長吞吐量也逐漸上升。而流量聚合優(yōu)先級帶寬分配策略,其吞吐量提升最明顯。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因為無優(yōu)先級的傳統(tǒng)帶寬分配,其依次輪詢的機(jī)制使得C0節(jié)點吞吐量很小并且很快便不再升高,因而其吞吐量最小。而有優(yōu)先級的帶寬分配,因其具有業(yè)務(wù)類型發(fā)現(xiàn)能力,并可以通過動態(tài)帶寬分配的方法識別業(yè)務(wù)的類型,進(jìn)而使節(jié)點優(yōu)先級得以提高,從而進(jìn)一步提升其吞吐量。當(dāng)聚合流量策略與優(yōu)先級策略結(jié)合時,其傳輸效率得到了大大的提高,因而其吞吐量得到極大的提升。

圖6 不同帶寬分配策略導(dǎo)致C0吞吐量的變化

圖7 不同帶寬分配策略導(dǎo)致C0延時的變化

圖7為不同帶寬分配策略下所導(dǎo)致的C0節(jié)點的延時情況。由圖7可得,無優(yōu)先級的傳統(tǒng)帶寬分配,其延時最高。采用優(yōu)先級策略后,延時情況明顯減小。而聚合策略和優(yōu)先級的結(jié)合策略,延時情況最小。這是因為無優(yōu)先級的傳統(tǒng)帶寬分配需依次等待AP的輪詢,因而使得延時情況較為嚴(yán)重。而當(dāng)有優(yōu)先級的動態(tài)帶寬分配方法后,其節(jié)點優(yōu)先級得以有效提高,從而顯著降低了系統(tǒng)延時。當(dāng)聚合流量策略與優(yōu)先級結(jié)合時,由于聚合使得系統(tǒng)開銷大大減小,效率大大提高,因而其延時情況最小。由此可得,聚合流量優(yōu)先級的動態(tài)帶寬分配方法最能有效地避免延時情況的發(fā)生。

假設(shè)系統(tǒng)在傳輸大量信息時,需立即下達(dá)一指揮命令。圖8為具有“插隊”特權(quán)的帶寬分配及傳統(tǒng)帶寬分配的延時情況對比圖。

圖8 “插隊”特權(quán)導(dǎo)致C2端延時的變化

如圖8所示,可見無優(yōu)先級的傳統(tǒng)帶寬分配方法延時情況較為嚴(yán)重且隨著時間的推移,傳輸壓力越來越大其延時情況也越來越嚴(yán)重。而具有“插隊”特權(quán)的帶寬分配方法,其延時情況很小,基本都低于20 ms,且隨時間的推移,無明顯增加現(xiàn)象。這是因為,無優(yōu)先級的傳統(tǒng)帶寬分配,需按次等待AP輪詢,故其延時較為嚴(yán)重。而具有“插隊”特權(quán)的帶寬分配方法,因其具有優(yōu)先傳輸能力,因而能夠得到及時傳輸,故延時情況不明顯。

4 結(jié)論

本文通過對無人機(jī)通信中繼網(wǎng)絡(luò)的研究,對戰(zhàn)場中存在的各種不同的業(yè)務(wù)類型有針對性的采用優(yōu)先級轉(zhuǎn)換策略及流量聚合機(jī)制進(jìn)行動態(tài)帶寬分配。試驗發(fā)現(xiàn),流量聚合機(jī)制和“插隊”機(jī)制的引入,能顯著提高系統(tǒng)節(jié)點的吞吐量,并降低節(jié)點的傳輸時延。實驗證明,該動態(tài)帶寬分配方法不僅節(jié)省了系統(tǒng)開銷并且有利于提高通信中繼網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率,能更好地達(dá)到MUAV通信中繼網(wǎng)絡(luò)的要求。

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Bandwidth Allocation Basing on Services’ Type Detection in MUAV Communication Relay*

ZHAOZenhui1*,CHENGGuojian2,LIUDuren3

(1.Xi’an Peihua University,ZTE Telecommunications College,Xi’an 610125,China;2.Xi’an Shiyou University,School of computer Science,Xi’an 710065,China;3.XIDAN University,School of Electronic Engineering,Xi’an 710071,China)

To model the MUAV communication relay in tactical conditions,a variety of different business types targeted by priority transformation strategy and flow aggregation mechanism for dynamic bandwidth allocation was proposed. This method referenced for IEEE 802.11 p classification standards and the standard with WME equicalence relation was established. The study found that the polymerization mechanism and the introduction of“jumping the queue”could significantly improve the throughput of system node,and reduce the transmission delay of nodes. The experiments showed that the dynamic bandwidth allocation method could effectively optimize the bandwidth allocation,reduce the delay of the system(under 20 ms)and better meet the needs of MUAV tactical relay network.

computer science;MUAV;bandwidth;IEEE 802.11p;priority;traffic aggregation

項目來源:西安培華學(xué)院陜西省教育廳專項科研計劃項目(15JK2097)

2016-04-08 修改日期:2016-05-14

TN92

A

1005-9490(2017)03-0713-04

C:1200;6140

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.039