接續(xù)網絡的可靠組播在應急通信中的應用設計*

(重慶郵電大學 通信學院 NGN研究所,重慶 400065)

1 引 言

近年來，整個世界范圍內爆發(fā)了很多的危機和災難，如：2001年美國的“9.11”事件，2004年西班牙馬德里的火車爆炸、亞洲海嘯，2005年倫敦恐怖爆炸，以及2008年的四川汶川“5·12”大地震。在類似的緊急環(huán)境中，正常的通信通道常因為過載而不能有效使用，況且，在很多情況下正常通信基礎設施很可能由于完全被破壞或者因功率損耗而不能運行。以“5.12”汶川大地震為例，強烈的地震造成道路塌方、通信中斷、電力中斷，外界無法與汶川災區(qū)取得直接聯(lián)系，政府相關部門和救助人員無法及時獲得受災情況，也無法向汶川災區(qū)的群眾提供余震預報等相關的重要信息。由此可見，緊急情況下保障通信的正常運行是至關重要的。

多播和廣播業(yè)務(MBS)在應急通信中起著重要的作用。在緊急情況下，它將文本、視頻或者音頻等信息傳送給幸存者，通知受難者具體位置、災難詳情以及應對災難的方法，同時，也將環(huán)境宣傳資料傳送給不同的救援隊伍，如危機處理中心、警察局、緊急醫(yī)療中心等。MBS的特性是處理緊急情況的一種理想方法，在災難后無線信道迅速通過多個中繼站(RS)和基站(BS)的多路復用確保了信息可靠地到達接收者。因多個BS和RS同時將信息傳送給移動臺(MS), 實現(xiàn)了宏分集性，提高了接收端的信噪比，從而使運動中的MS實現(xiàn)無縫連接。本文分析了不基于自動重傳請求(ARQ)機制的MBS應用情況，為了提高緊急情況下通信的可靠性，本文設計了兩種基于ARQ機制的MBS應用，并從時延和可靠性的角度分析了其性能。

2 MBS的預傳送方法

MBS有很多種預傳送的選擇。在沒有災難發(fā)生時，有效的BS就足以覆蓋整個區(qū)域，通過多個BS的MBS，可以使MS從幾個BS中接收到信號，從而提高了信號質量，使得運動中的MS實現(xiàn)無縫連接。而在災難發(fā)生之后，某些BS可能遭到破壞或者完全不能工作，在這種情況下，通過使用RS來增強區(qū)域的臨時覆蓋信號，以達到正常通信。圖1顯示了災難前后的網絡通信狀況。

(a)正常情況下的通信情況

(b)災難發(fā)生時的通信狀況圖1 災難前后的網絡通信狀況

MBS是作為一種增強的組播技術，當前存在兩種基于分組預傳送的MBS同步機制，它們通過使用預定義的相關傳送次數(shù)完成預傳送。首先，每個RS報告它的進程延時(DR)，然后MR-BS決定最大的RS累積延時(DM)，最后，所有RS的等待時間Wi經過累積后報告給RS。而MB業(yè)務中只要用基于參數(shù)DM的目標傳送時間實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。換句話說，與相對等待時間相比，當RS將信息傳送到MS時， RS通知的是完全傳送時間。本文另外設計兩種針對提高MBS可靠性而提出的預傳送機制。該機制的思想是使用ARQ方法，當某RS檢測到錯包、丟包、漏包，就會向上級發(fā)送請求，要求重新發(fā)送?，F(xiàn)將4種可選方案用表1說明。

表1 MBS預傳送的方案

3 可靠組播運行模式設計

可靠組播運行模式的設計是在UP-MBS和MP-MBS的基礎上，嵌入ARQ機制，達到提高信息傳送可靠性的目的。其設計思想是：BS首先要基于樹中RS的深度和總樹深度、受RS服務的MS總數(shù)、信道質量3個要素選出機會RS(ORS)或關鍵RS(CRS)，這些ORS或CRS將作為具備ARQ機制的節(jié)點。一般來說，備選的ORS/CRS不應在最長的路徑末梢，應是ORS/CRS的最大時延。最后，在進行消息傳遞時，ORS/CRS首先會檢查來自上級的包是否被破壞，如果包沒有被破壞，就將其標識為規(guī)則RS的包保留，進行下級傳送。如果該包已經被破壞，ORS/CRS檢查是否有機會從父節(jié)點獲得重傳，如果沒有重傳的可能，那么就將該包丟棄；如果有重傳的機會，那么ORS/CRS向父節(jié)點發(fā)送請求，等待重傳。以圖2作為其網絡結構圖，分別對R-UP-MBS和R-MP-MBS的運行模式進行詳細闡述。

圖2 MBS的樹狀結構

3.1 R-UP-MBS的運行模式

(a)UP-MBS的運行模式

(b)R-UP-MBS運行模式(RS-1向上級請求重傳)

(c)請求重傳后圖3 運行模式

UP-MBS的通信模式下，不同的RS接收到的信號都是不可靠的，每個RS如果發(fā)現(xiàn)從上級接收到的包已經被破壞或者在傳輸過程中丟失，那么只會進行簡單的丟棄，不對下級的傳送負責，其運行模式如圖3(a)所示。而R-UP-MBS針對UP-MBS的通信缺陷引入了ARQ機制。這種運行模式中，那些被選中的ORS在檢測到上級傳送無效時，會利用它們的空閑時間段向其父RS或者BS請求重傳，這樣在既不引入額外延時的同時，又提高了鏈路的可靠性。其運行模式如圖3(b)和圖3(c)所示。

R-UP-MBS在不引入額外時延的情況下，選擇RS-1和RS-3作為ORS，使用ARQ機制提高鏈路的可靠性。首先和圖3(a)中UP-MBS運行方式一樣，BS在第一幀的下行鏈路將包預先傳送給一跳距離的所有RS。但當RS-1檢查這個包，并且識別出它們被破壞時，RS-1就啟動ARQ機制，利用在目標傳送幀之前的空閑時間向BS發(fā)出重傳請求，如圖3(b)所示。RS-2沒有ARQ機制，它等待下一個幀傳送給它的子節(jié)點。RS-3也有ARQ機制，但它接收到了正確的包。圖3(c)中顯示了BS回應給RS-1的NACK消息，并且重傳這個被丟棄的包，這一次RS-1成功接收。在RS-1向上一級請求重傳的過程中，RS-2繼續(xù)將包向前傳送給RS-4，而RS-3無后續(xù)的中間節(jié)點，在第二幀的下行鏈路處于等待的空閑狀態(tài)。最后，在第三幀，不管RS-4有沒有得到正確的接收(如果沒有正確接收，RS-4就將該包丟棄處理)，所有的RS和BS同時將正確包傳送給目標節(jié)點MS。至此，整個信息傳送過程結束。

3.2 R-MP-MBS的運行

R-MP-MBS也是使用ARQ機制來提高組播傳送可靠性的通信模式。為了避免反饋擁塞，該運行模式只允許關鍵的RS具有重傳請求的功能，簡稱為CRS。和UP-MBS相比，這種方法會引入額外的時延，但因其是使用相同的頻帶同時將包傳送給多個RS，卻可以獲得增益。缺點是當包傳送給一個CRS，樹中同一等級的所有其它CRS/RS也將接收到一個復制包，而不是新包，這個包將被丟棄。

由于在RS處不存在重傳的空閑時間，那么Dmax(總樹深度)及Ni(RS所處網絡結構樹中的位置)和CRS沒有直接的聯(lián)系。R-MP-MBS中選擇CRS的因素主要基于兩方面：一是由RS所服務的MS，二是RS的信道質量。例如：在圖2，RS-2 為7個MS提供服務，RS-4為5個MS提供服務。故在同等信道質量下，RS-1和RS-3相比，它們更具備做CRS的資格。

R-MP-MBS的運行模式以圖2的拓撲結構為例。RS-2和RS-4作為CRS，RS-1和RS-3作為非CRS。每個節(jié)點進程的延時為DR(i)，將RS-2的進程延時設置成能容納兩個重傳，將RS-4設置成容納一個重傳(為了提高可靠性，提前在MBS機制中引入了時延)。RS-1和RS-3不管包是否正確都不做任何的重傳請求，圖4顯示了該機制的進程方式。

圖4 R-MP-MBS中ARQ機制的運行狀況

(1) BS將包發(fā)送給所有的下一級RS，RS-1正確接收，但RS-3和RS-2沒有接收到正確的包；

(2) RS-2發(fā)送NACK消息給BS要求重傳，BS收到消息后回應，并重新把包發(fā)送給所有一跳距離的RS，這時RS-1做丟棄處理，RS-3正確接收，但RS-2還是沒有正確接收；

(3) RS-2再次發(fā)送NACK消息給BS要求重傳，BS收到消息后再次將包發(fā)送一次，這時所有的下一跳RS都已接收到了；

(4) RS-2將包發(fā)送給RS-4，RS-1和RS-3處于等待狀態(tài)，但是RS-4沒有正確接收；

(5) RS-4重復一個RS-2的請求過程直至正確接收；

(6) 最后，BS和所有的RS同時傳送MBS包給MS。

4 結 論

本文評估了應急通信條件下接續(xù)/無線網絡中組播/廣播的實用性，詳細說明了怎樣方便地搭建一個臨時的通信架構。此外，本文還集中討論了兩種使用ARQ的技術：R-UP-MBS和R-MP-MBS。R-UP-MBS在不引入時延的情況下使用MBS的同步請求提高可靠性；而R-MP-MBS使用MBS的同步請求會引入時延，然后這種時延的影響和智能的CRS機制相比是微不足道的。本文所提出的這兩種技術都有利于在接續(xù)網絡中提高PER性能及通信的可靠性?？傊@兩種技術在應急通信中都是提高MBS的有效解決方案。

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