一種短波通信可靠多播群組管理方法*

(空軍工程大學(xué) 電訊工程學(xué)院，西安 710077)

1 引 言

短波數(shù)據(jù)通信由于其自身信道的不穩(wěn)定性，相較于其它通信方式存在信道質(zhì)量差、丟包率高等特點，且電離層的變化、多徑干擾、衰落、頻偏等因素都會影響數(shù)據(jù)的傳輸。

美軍在MIL-STD-188-184軍標中定義了無線多播數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議；Johnson博士借鑒ACP142中的P-MUL協(xié)議定義了一種需要接收方反饋ACK/NCK信息的短波通信可靠多播協(xié)議；北約標準STANAG4538定義了一對數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議HDL(High throughput Data Link)和LDL(Low latency Data Link)；Harris公司在HDL的基礎(chǔ)上發(fā)展了一種新的數(shù)據(jù)鏈路傳輸協(xié)議HDL+，并在其生產(chǎn)的商業(yè)短波電臺中提供了一種不需要答復(fù)的廣播服務(wù)[1]。通過對這些協(xié)議的分析發(fā)現(xiàn)，目前短波多播群組管理方面還不是很完善。

在多播協(xié)議中群組管理是需要解決的一個重要問題，外軍協(xié)議也未對多播的群組管理問題給出清晰的設(shè)計方案，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)只是傳統(tǒng)的單層模型。多播數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部成員數(shù)量并不固定，當有臨時節(jié)點加入或退出時，存在工作效率低、節(jié)點處理時延較長、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度較高等問題。本文針對這些問題，在基于異步短波通信可靠多播協(xié)議條件下，提出一種樹形分層多播網(wǎng)絡(luò)群組管理模型，通過“分層”降低短波多播網(wǎng)絡(luò)在有節(jié)點加入或退出時與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部成員的交互次數(shù)，使上述問題能得到明顯改善。

2 異步短波通信可靠多播協(xié)議

由于第二代短波通信并沒有實現(xiàn)發(fā)送方和接收方的時鐘同步，故短波可靠多播傳輸協(xié)議都是基于異步反饋的條件，因此在實現(xiàn)可靠多播時存在的主要問題是反饋信息的信道爭用方式[2]。

2.1 網(wǎng)絡(luò)編號

短波網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)對每個節(jié)點進行編號，以便區(qū)分和管理，同時要求編號自適應(yīng)調(diào)整。當有節(jié)點加入時，其節(jié)點編號自動補到網(wǎng)絡(luò)末尾；當有節(jié)點退出時，該節(jié)點編號由網(wǎng)絡(luò)最末編號頂替。一般來說，發(fā)送數(shù)據(jù)的多播節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)編號為1，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)某一節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，對應(yīng)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)編號自動更新為1，而原1號節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)編號自動更新為當前多播節(jié)點的原網(wǎng)絡(luò)編號，這主要是為了方便后面接收節(jié)點的超時計算。

2.2 反饋信息的發(fā)送

多播節(jié)點處理接收節(jié)點的反饋信息。反饋信息是在多播節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有接收節(jié)點發(fā)送完全部數(shù)據(jù)之后傳輸，按照一定的信道爭用方式順序發(fā)送反饋信息，采用一個類似于令牌環(huán)的信道爭用方式。以多播節(jié)點為例，在多播節(jié)點發(fā)送完全部數(shù)據(jù)后，各接收節(jié)點按照網(wǎng)絡(luò)編號依次發(fā)送反饋信息，當編號為2的接收節(jié)點收到多播節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢標志位之后，首先廣播反饋信息，多播節(jié)點與其它接收節(jié)點都將收到這個信息，則編號為3及后續(xù)節(jié)點也將依次發(fā)送自己的反饋信息。

由于短波數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡涂煽啃?，所有二級?jié)點特別是與自身編號相鄰的接收節(jié)點可能會出現(xiàn)信息丟失情況，因此對于某一個接收節(jié)點從最近的一次接收到其它接收節(jié)點的反饋信息開始根據(jù)相應(yīng)編號的差值計算并更新超時，多播節(jié)點同樣計算并更新超時。單節(jié)點傳輸超時的設(shè)定略大于實際反饋信息發(fā)送所需的時間，同時對超時設(shè)定要確保滿足以下條件：

Tturnar+(n-2)Ttran+Tmax>(n-2)Tmax+Ttran

(1)

(2)

式中，n為二級節(jié)點數(shù)，Tmax為實際節(jié)點反饋信息需要的傳輸時間，Tturnar是鏈路輪回時間，Ttran是為單節(jié)點超時設(shè)定。

這樣保證了在極限情況下反饋信道不發(fā)生擁塞：即在編號為n-1的接收節(jié)點沒有收到任何前面接收節(jié)點反饋信息，同時其它接收節(jié)點均可以正確接收反饋信息；編號為n的接收節(jié)點無法接收到編號為n-1的接收節(jié)點反饋信息的情況下，編號為n-1的節(jié)點從多播節(jié)點接收信息的接收標志開始計算超時后發(fā)送反饋信息，仍然與編號為n的接收節(jié)點接收到編號為n-2的接收節(jié)點的反饋信息開始計算超時后發(fā)送發(fā)反饋信息的數(shù)據(jù)不發(fā)生碰撞。

2.3 反饋信息的處理

當接收節(jié)點返回的是ACK信息時，則不再接收多播節(jié)點，針對其它接收節(jié)點要求重發(fā)數(shù)據(jù)，直到新一輪多播開始。

對于多播節(jié)點在接收到反饋信息之后，自動記錄返回ACK或NCK的子網(wǎng)編號，同時根據(jù)所有的NCK信息確定需要重發(fā)的數(shù)據(jù)包隊列。實際中存在多播節(jié)點未收到某一個接收節(jié)點的反饋信息，系統(tǒng)設(shè)定若在第五次多播中仍沒有這個接收節(jié)點的反饋信息，則認為這個接收節(jié)點第一次丟失的是ACK信息，系統(tǒng)默認該接收節(jié)點已經(jīng)可靠接收全部數(shù)據(jù)，多播節(jié)點就不需要繼續(xù)給該節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。若存在只有一個接收節(jié)點的反饋信息丟失而其它節(jié)點均為ACK信息的情況，多播節(jié)點無法確認丟失為何種反饋信息及需要重傳的數(shù)據(jù)包隊列，就將上一次發(fā)送的數(shù)據(jù)包隊列進行重新發(fā)送。

3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點變動時延分析

3.1 單層多播網(wǎng)絡(luò)

單層多播網(wǎng)絡(luò)是單個多播節(jié)點對多個接收節(jié)點的單層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(見圖1)，當有一個節(jié)點或多個節(jié)點需要加入或退出該網(wǎng)絡(luò)時，則需要通知該網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點。

圖1 單層多播網(wǎng)絡(luò)模型

假設(shè)多播網(wǎng)絡(luò)有n個節(jié)點，采用異步短波可靠多播協(xié)議，若有m個節(jié)點需加入該網(wǎng)絡(luò)，則必須通知網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點。為了防止頻率沖突，該節(jié)點不能在網(wǎng)絡(luò)多播時加入，而且該節(jié)點不是網(wǎng)絡(luò)成員，所以不能以廣播形式通知該網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點，故只能采取點對點的方式進行通知。在通知過程中，若出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，則丟失數(shù)據(jù)的節(jié)點根據(jù)反饋到該節(jié)點的信息來確定重發(fā)的數(shù)據(jù)。當該節(jié)點收到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點的確認信息后，該節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)成功，直到m個節(jié)點均加入到該網(wǎng)絡(luò)為止。

假設(shè)添加第一個節(jié)點時網(wǎng)絡(luò)有n個節(jié)點，Pe為數(shù)據(jù)交付率，T服從二項分布，xi為概率大小，則：

TT1ωXiPe1-Pe

其中T1為發(fā)送信息的時間和收到確認信息所用的時間之和，t為通知一個節(jié)點成功所需時間，則添加1個節(jié)點所需總時間為

Tall=[T1·Pe+ω·(1-Pe)]·n+t·n

(3)

令t=T1·Pe+ω·(1-Pe)，則添加m個節(jié)點需要的時間為

T=tn+t(n+1)+…+t(n+m-1)=

(4)

而網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點的退出分為兩種情況。第一種是某節(jié)點通知網(wǎng)絡(luò)退出的情況，該節(jié)點必須通知網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點，發(fā)送退出信息，并處理反饋信息，在收到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點的確認反饋信息后，該節(jié)點退出。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點總數(shù)為n，退出節(jié)點數(shù)為m，數(shù)據(jù)交付率為Pe，則若退出m個節(jié)點需要的時間為

(5)

第二種是某節(jié)點在未通知網(wǎng)絡(luò)的情況下退出，此時，多播節(jié)點在多播時將不會得到該節(jié)點的反饋信息，根據(jù)若干次超時計算，多播節(jié)點就判定該節(jié)點退出，并將這一信息多播給網(wǎng)絡(luò)其它節(jié)點，在收到所有節(jié)點反饋信息后，該節(jié)點確認退出。

3.2 分層多播網(wǎng)絡(luò)

在短波網(wǎng)絡(luò)初建時將整個網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個子網(wǎng)絡(luò)[3]，子網(wǎng)不影響各節(jié)點之間的點對點通信(如圖2)。各子網(wǎng)中規(guī)定一個節(jié)點作為該子網(wǎng)的首節(jié)點，即群首節(jié)點，另外規(guī)定一個節(jié)點作為備用群首節(jié)點，設(shè)置備用群首節(jié)點是為了避免該子網(wǎng)群首節(jié)點變?yōu)橄麓味嗖ス?jié)點而導(dǎo)致加入網(wǎng)絡(luò)失敗，當群首節(jié)點成為下次多播節(jié)點時，備用節(jié)點將頂替該群首節(jié)點，成為該子網(wǎng)新的群首節(jié)點。臨時有節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時，在可覆蓋范圍內(nèi)，根據(jù)鏈路質(zhì)量分析原則任意加入到與自己通信狀況最好的群首節(jié)點，并加入該群首節(jié)點所在的子網(wǎng)中[4]。

圖2 分層可靠多播網(wǎng)絡(luò)模型

子網(wǎng)內(nèi)的群首節(jié)點可以由任意節(jié)點擔任，但是在網(wǎng)絡(luò)建立初期就已經(jīng)選定好。

假設(shè)分層多播網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有n個節(jié)點，有m個節(jié)點需加入該網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)子網(wǎng)數(shù)量為P，每組成員(節(jié)點)不固定，采用異步短波可靠多播協(xié)議。當有節(jié)點需要加入網(wǎng)絡(luò)時，首先根據(jù)鏈路質(zhì)量分析原則判定與哪一群首節(jié)點通信狀況最好，則其確定加入哪一子網(wǎng)絡(luò)，欲加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點不必像單層多播網(wǎng)絡(luò)那樣去通知所有的網(wǎng)絡(luò)成員，該節(jié)點只需通知其所加入子網(wǎng)的群首節(jié)點和備用群首節(jié)點即可；當有節(jié)點退出時，該節(jié)點同樣只需通知所在群群首節(jié)點和備用節(jié)點即可，所以：

Tall=2t

(6)

由于子網(wǎng)的劃分數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、可用頻點數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)中信道質(zhì)量因素之間的關(guān)系還未進行深入研究，故未能給出在有多個節(jié)點需要加入或退出網(wǎng)絡(luò)時的具體最優(yōu)分組方法，只是推導(dǎo)出其所需的最大時間，但對體現(xiàn)這種分層模型的優(yōu)越性并無影響。所以m個節(jié)點加入或退出時所需時間為

T=2tm<最大時間>

(7)

4 仿真與分析

4.1 仿真環(huán)境及參數(shù)設(shè)置

使用Matlab軟件對兩種模型節(jié)點變動時處理時延進行模擬分析，實驗結(jié)果選擇相同參數(shù)情況下多次測試的平均值。設(shè)定反饋信息的分組交付率為0.8、0.85、0.9、0.95，單個數(shù)據(jù)包的傳輸時間為4.8 s，鏈路輪回時間設(shè)置為1.5 s。仿真中設(shè)整個網(wǎng)絡(luò)有30個節(jié)點。仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 節(jié)點加入處理延時曲線

4.2 仿真結(jié)果分析

短波數(shù)據(jù)通信由于其自身的信道特點，如信道質(zhì)量差、數(shù)據(jù)傳輸時丟包與錯誤概率高，要實現(xiàn)可靠傳輸則需要重傳的次數(shù)也較多，對傳輸延時影響較大[5]。

通過對兩種網(wǎng)絡(luò)模型的比較，由圖3和圖4可以看出，當網(wǎng)絡(luò)有臨時節(jié)點加入和退出時，要交互的節(jié)點過多，工作效率低，節(jié)點處理時延受節(jié)點加入和退出數(shù)量的影響較明顯；而分層網(wǎng)絡(luò)模型在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點變動時影響不大，當有臨時節(jié)點加入或退出時，只需通知該群組的群首節(jié)點和備用節(jié)點即可，使得交互次數(shù)明顯減少，降低了節(jié)點管理的處理時延。通過仿真比較可以明顯看出，該分層模型在有節(jié)點加入、退出等群組管理時具有優(yōu)越性并且較單層模型有了很大改善。

圖4 節(jié)點刪除處理延時曲線

此外由仿真結(jié)果可以看到，節(jié)點處理時延與節(jié)點個數(shù)呈線性關(guān)系，且受到數(shù)據(jù)交付率的影響；而分層可靠多播網(wǎng)絡(luò)模型在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點變動時，受數(shù)據(jù)分組交付率影響較小，傳輸?shù)目煽啃暂^單層網(wǎng)絡(luò)模型也有很大提高。

5 結(jié) 論

目前，我國的短波網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展尚處于起步階段，可靠多播通信協(xié)議和規(guī)程并不完善，其中群組管理是短波可靠多播協(xié)議的一個重要部分，它影響到多播過程能否高效、可靠地運行。本文通過網(wǎng)絡(luò)分層方法來進行多播群組管理，對臨時節(jié)點加入或退出網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點處理時延進行了具體分析和比較。理論分析和仿真結(jié)果表明，該方法可為未來短波多播協(xié)議的完善起到一定的參考作用，在短波多播業(yè)務(wù)中也有良好的實用價值。進一步研究的重點是當多播通信過程中正常節(jié)點成為盲節(jié)點時，群首節(jié)點對盲節(jié)點當前狀態(tài)的判定和處理問題。

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