多鏈路聚合通信在移動(dòng)指揮場(chǎng)景的設(shè)計(jì)?

王曉琳 吳鵬飛 鐘 武

（1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所 武漢 430207）（2.武漢邁力特通信有限公司 武漢 430207）

1 引言

當(dāng)前，各行業(yè)在臨時(shí)處突、調(diào)度、巡查中對(duì)移動(dòng)指揮的需求十分強(qiáng)烈。與此同時(shí)，移動(dòng)指揮從前期的話音指揮也逐步延伸為可視化圖形指揮［1～2］，在大型的行動(dòng)中，這將對(duì)現(xiàn)場(chǎng)與指揮中心的傳輸帶寬提出很高的要求。

目前，遠(yuǎn)距離寬帶無(wú)線傳輸基本上基于公共無(wú)線網(wǎng)絡(luò)回傳或者衛(wèi)星回傳的方式實(shí)現(xiàn)，其中衛(wèi)星通信受限于資源，對(duì)于公共無(wú)線網(wǎng)絡(luò)而言，各運(yùn)營(yíng)商目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了3G/4G網(wǎng)絡(luò)國(guó)內(nèi)90%區(qū)域的覆蓋，但是對(duì)于各運(yùn)營(yíng)商覆蓋效果良莠不齊，通過(guò)單運(yùn)營(yíng)商難以滿足長(zhǎng)距離持續(xù)的數(shù)據(jù)上傳要求。

因此，需要探索一種多聚合通信［6］方式，一方面能夠在3G/4G網(wǎng)絡(luò)下實(shí)現(xiàn)多運(yùn)營(yíng)商的聚合，大幅提升上行帶寬，滿足多指揮調(diào)度應(yīng)用場(chǎng)景需要；另一方面，能夠在公共網(wǎng)絡(luò)覆蓋不佳的情況下，通過(guò)專用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)數(shù)據(jù)路由切換與轉(zhuǎn)發(fā)，用以保障數(shù)據(jù)有效回傳。

2 可視化移動(dòng)指揮的通信現(xiàn)狀

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)論是公共無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或者是專用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)都在往高帶寬以及高速率的方向演進(jìn)，移動(dòng)指揮調(diào)度為了能夠最大化地獲取現(xiàn)場(chǎng)圖像以及態(tài)勢(shì)信息從而實(shí)現(xiàn)可視化指揮，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬提出了很高的要求，而當(dāng)前受限于無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展瓶頸，單個(gè)無(wú)線通信技術(shù)很難滿足各行業(yè)在面臨可視化指揮場(chǎng)景中所需要的基本數(shù)據(jù)傳輸要求。

表1 各行業(yè)在移動(dòng)指揮中的通信現(xiàn)狀及需求分析［10～12］

由上表分析可，在當(dāng)前各行業(yè)可視化移動(dòng)指揮業(yè)務(wù)需求中，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬提出較高要求的主要是視頻圖像以及視頻會(huì)議等業(yè)務(wù)。當(dāng)前移動(dòng)指揮現(xiàn)場(chǎng)編隊(duì)之間，大多使用單運(yùn)營(yíng)商的3G/4G路由器提供數(shù)據(jù)的回傳，當(dāng)前運(yùn)營(yíng)商4G網(wǎng)絡(luò)速率如表2。

表2 各運(yùn)營(yíng)商LTE網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)覆蓋區(qū)域峰值速率［4］

由上文可知，當(dāng)前可視化移動(dòng)指揮的應(yīng)用在通信技術(shù)上仍有兩個(gè)方面的問(wèn)題，一方面是編隊(duì)之間的寬帶通信問(wèn)題，雖然現(xiàn)在各廠商推出了寬帶自組網(wǎng)技術(shù)［7］，但是受環(huán)境影響以較大，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)數(shù)據(jù)丟包率達(dá)到12%以上［5］，對(duì)于實(shí)時(shí)視頻流傳輸難以達(dá)到較好的效果；另一方面是編隊(duì)與指揮中心的寬帶通信問(wèn)題，運(yùn)營(yíng)商由于側(cè)重于下行業(yè)務(wù)，單個(gè)運(yùn)營(yíng)商上行帶寬無(wú)法滿足可視化移動(dòng)指揮所需要的帶寬資源，同時(shí)在各運(yùn)營(yíng)商弱覆蓋區(qū)域效果將會(huì)更差［3］。

基于此現(xiàn)狀，本文提出一種基于多鏈路聚合通信的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)以及路由交換策略，在充分利用公共無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源的基礎(chǔ)上，通過(guò)專用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充，以實(shí)現(xiàn)可視化移動(dòng)指揮應(yīng)用對(duì)寬帶網(wǎng)絡(luò)通信的需要。

3 多鏈路聚合通信方案

3.1 基于多鏈路聚合通信在可視化移動(dòng)指揮場(chǎng)景的應(yīng)用方式

多鏈路聚合通信設(shè)計(jì)通過(guò)實(shí)現(xiàn)公網(wǎng)多運(yùn)營(yíng)商鏈路［9］以及寬帶自組網(wǎng)鏈路進(jìn)行聚合，形成一個(gè)移動(dòng)押解現(xiàn)場(chǎng)編隊(duì)之間、編隊(duì)與指揮中心之間的融合寬帶網(wǎng)絡(luò)，一方面滿足可視化移動(dòng)指揮過(guò)程中的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)高帶寬傳輸需要，另一方面通過(guò)路由策略調(diào)整，解決公網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果不一，寬帶自組網(wǎng)可靠性不高的問(wèn)題。在針對(duì)移動(dòng)指揮場(chǎng)景下，通過(guò)自組織網(wǎng)絡(luò)提供編隊(duì)之間的音視頻數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)公網(wǎng)聚合提供與指揮中心之間的音視頻傳輸；同時(shí)提供當(dāng)寬帶自組網(wǎng)連通性不夠以及公網(wǎng)覆蓋較差的場(chǎng)景下多種路由交換策略，以保障數(shù)據(jù)之間的有效交互。

圖1 多鏈路聚合通信在可視化移動(dòng)指揮中的應(yīng)用模型

整個(gè)設(shè)計(jì)中存在公網(wǎng)鏈路聚合策略設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)流媒體數(shù)據(jù)可靠傳輸技術(shù)以及公專網(wǎng)鏈路聚合路由策略設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)的解決。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

3.2.1 公網(wǎng)鏈路聚合策略設(shè)計(jì)

1）公網(wǎng)鏈路聚合策略

移動(dòng)鏈路聚合與策略路由技術(shù)有兩部分組成，其中前端需要對(duì)現(xiàn)有信道質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)相應(yīng)的規(guī)則策略對(duì)文件進(jìn)行拆包分解，通過(guò)不同運(yùn)營(yíng)商通道回傳至服務(wù)端，后臺(tái)服務(wù)端完成對(duì)數(shù)據(jù)包的識(shí)別以及重組。

圖2 公網(wǎng)鏈路聚合流程

2）無(wú)線信道質(zhì)量監(jiān)測(cè)

無(wú)線質(zhì)量監(jiān)測(cè)的目的是為了在后續(xù)選路的時(shí)候挑選比較好的鏈路或者避免比較壞的鏈路，起到類似事前預(yù)測(cè)的作用。無(wú)線質(zhì)量監(jiān)測(cè)將通過(guò)前端的4G模塊實(shí)現(xiàn)。以LTE為例，將無(wú)線質(zhì)量分為5檔（對(duì)于3G可以類似的進(jìn)行分級(jí)）。

表3 無(wú)線信道質(zhì)量權(quán)重分配

3）可傳輸速率監(jiān)測(cè)

可傳輸速率分和無(wú)線質(zhì)量分加到一起得到路由鏈路總得分。通過(guò)得分權(quán)重對(duì)文件進(jìn)行比例分包，由不同鏈路通道進(jìn)行傳輸。具體實(shí)現(xiàn)如下。

（1）當(dāng)前端與后臺(tái)服務(wù)端之間每成功收到一個(gè)單向包，根據(jù)大小和時(shí)間戳間隔（需要精確同步）計(jì)算實(shí)時(shí)帶寬，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延包括傳輸時(shí)延以及處理時(shí)延，其中處理時(shí)延非線性，以此作為基準(zhǔn)帶寬。

（2）然后采用試探性增減的方式來(lái)探測(cè)鏈路實(shí)際可用帶寬，例如鏈路1質(zhì)量得分為100，通過(guò)試探性將其它鏈路上的包逐漸增加到鏈路1上，根據(jù)RTP包擴(kuò)展的糾錯(cuò)冗余包反饋的丟包率判斷是否能繼續(xù)增加，如果丟包率變化還在容許門限內(nèi)，則繼續(xù)增加，這樣可以得到一個(gè)極限值，可得到鏈路1上行傳輸速率。上行鏈路傳輸速率將進(jìn)行分級(jí)。

表4 可傳輸速率權(quán)重分配

4）QOS保證策略

優(yōu)先的區(qū)分處理如下。

（1）業(yè)務(wù)類型區(qū)分：業(yè)務(wù)類型根據(jù)地址區(qū)分，報(bào)警為最高優(yōu)先級(jí)、對(duì)講其次、最后為音視頻流，權(quán)重分配為10，8，6，當(dāng)探測(cè)得到的可傳輸帶寬（探測(cè)到的模塊傳輸總速率）小于總傳輸需求（收到的包的總速率+RTP冗余糾錯(cuò)包）時(shí)，先保證權(quán)重10的報(bào)警數(shù)據(jù)傳輸，再保證權(quán)重8的對(duì)講數(shù)據(jù)，低權(quán)重的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)被丟棄。

（2）終端類型區(qū)分：終端類型根據(jù)終端IP地址區(qū)分，編隊(duì)指揮車權(quán)重最高為10，指揮中心終端其次為8，最后為其他車輛終端，優(yōu)先保障指揮車請(qǐng)求的數(shù)據(jù)

（3）帶寬預(yù)留：給特定業(yè)務(wù)（特定地址）或特定終端（特定地址）預(yù)留帶寬。

3.2.2 實(shí)時(shí)流媒體數(shù)據(jù)可靠傳輸技術(shù)

考慮到寬帶自組網(wǎng)丟包率較高，在進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像傳輸時(shí)需要采用糾錯(cuò)機(jī)制對(duì)RTP包進(jìn)行恢復(fù)。

1）RTP流識(shí)別

因?yàn)镽TP是動(dòng)態(tài)端口，正常情況下RTP流的識(shí)別應(yīng)通過(guò)控制協(xié)議進(jìn)行，由于可能存在應(yīng)用使用私有協(xié)議的情況，此時(shí)不容易解析控制協(xié)議，考慮通過(guò)RTP流的特征進(jìn)行識(shí)別。其中同一個(gè)RTP流的序列號(hào)是連續(xù)的［8］，根據(jù)這個(gè)特征，可設(shè)置一定門限，當(dāng)收到連續(xù)序列號(hào)的包超過(guò)門限，即識(shí)別出RTP流。

2）RTP丟包恢復(fù)

例如在30%的丟包環(huán)境下，可采用每?jī)蓚€(gè)RTP包發(fā)送一個(gè)糾錯(cuò)冗余包的方式進(jìn)行恢復(fù)，這樣如果這三個(gè)包只丟失一個(gè)原始包，不同時(shí)丟失冗余包，即可恢復(fù)出來(lái)。30%丟包環(huán)境，這兩個(gè)同時(shí)丟失概率為9%，可保證91%的數(shù)據(jù)傳輸正確，余下的9%可由源和目的端的視頻流應(yīng)用來(lái)保證。

3）動(dòng)態(tài)糾錯(cuò)冗余率調(diào)整

采用兩個(gè)RTP包發(fā)送一個(gè)冗余包的方式，會(huì)產(chǎn)生額外50%的帶寬需求，可以根據(jù)傳輸情況調(diào)整糾錯(cuò)冗余包的冗余率，此時(shí)可以擴(kuò)展協(xié)議，通過(guò)接收端反饋丟包率，前端根據(jù)丟包率調(diào)整冗余率。

3.2.3 聚合路由切換策略設(shè)計(jì)

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可傳速率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，掌握寬帶自組網(wǎng)以及公網(wǎng)鏈路狀態(tài)，根據(jù)門限值設(shè)定路由交換策略。

1）當(dāng)編隊(duì)中某臺(tái)車輛進(jìn)行隧道或公網(wǎng)覆蓋差區(qū)域時(shí)，無(wú)法達(dá)到數(shù)據(jù)回傳指揮中心要求，可通過(guò)寬帶自組網(wǎng)跳轉(zhuǎn)至其他車輛進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳。

2）當(dāng)編隊(duì)間寬帶自組網(wǎng)受干擾導(dǎo)致傳輸效率下降時(shí)，可通過(guò)公網(wǎng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)至其他車輛。

4 數(shù)值與結(jié)果分析

本節(jié)主要針對(duì)多鏈路聚合后通信速率進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，圖3主要針對(duì)公網(wǎng)聚合后測(cè)試效果進(jìn)行了整理。

圖3對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)下公網(wǎng)聚合上行速率與單網(wǎng)狀態(tài)下進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試?？梢钥闯?，靜止?fàn)顟B(tài)下，各運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，波動(dòng)幅度較小，聚合后效果可以達(dá)到10Mbps上行速率，能夠在一定程度上提高上行帶寬，提高使用效果。

圖3 靜止?fàn)顟B(tài)下公網(wǎng)鏈路聚合上行速率測(cè)試

圖4對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下公網(wǎng)聚合上行速率與單網(wǎng)狀態(tài)下進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試?？梢钥闯?，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，各運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)相對(duì)不穩(wěn)定，波動(dòng)幅度較大，在實(shí)際應(yīng)用中，通信效果不佳。通過(guò)公網(wǎng)聚合后，一方面能夠提供相對(duì)穩(wěn)定的通信鏈路，另一方面，能夠進(jìn)行鏈路聚合擴(kuò)展帶寬。

圖4 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下公網(wǎng)鏈路聚合上行速率測(cè)試

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于可視化移動(dòng)指揮的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，如何提供可靠的通信鏈路以及穩(wěn)定的高帶寬是業(yè)務(wù)需要解決的重點(diǎn)問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)移動(dòng)指揮現(xiàn)有的技術(shù)難點(diǎn)提出多鏈路聚合的設(shè)計(jì)方案，能夠基于低成本的情況大幅度提高通信帶寬，同時(shí)通過(guò)一系列的路由策略，保障通信鏈路的穩(wěn)定，能夠解決可視化移動(dòng)指揮場(chǎng)景遇到的帶寬瓶頸問(wèn)題。