基于帶寬估計(jì)的海上戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)分級傳輸系統(tǒng)

孫晨輝，王 蕾

（中國船舶集團(tuán)第七一五研究所，浙江 杭州 310012）

0 引言

隨著海軍作戰(zhàn)模式從傳統(tǒng)的單平臺作戰(zhàn)轉(zhuǎn)為多平臺及岸海聯(lián)動的體系化協(xié)同作戰(zhàn)，“網(wǎng)絡(luò)中心化”正代替“平臺中心化”成為新的數(shù)據(jù)導(dǎo)向。與其相關(guān)的作戰(zhàn)應(yīng)用、各平臺節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交互對海上戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。

不同于普通家用或辦公網(wǎng)絡(luò)，海上戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)是有線及無線混雜的異構(gòu)型網(wǎng)絡(luò)[1]，體系中不同的作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率、時(shí)延、帶寬的要求也不盡相同。除此以外，海上戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景也較為特殊，具有移動性強(qiáng)、抗毀性要求高、帶寬資源有限的特點(diǎn)[2]；且易受天氣、海況和平臺轉(zhuǎn)向等因素影響造成丟包、延時(shí)等通信質(zhì)量下降的問題。在目前的體系化協(xié)同作戰(zhàn)中，數(shù)據(jù)報(bào)文可按照類型分為目標(biāo)級數(shù)據(jù)和特征級數(shù)據(jù)，另外還包括一些平臺導(dǎo)航、工作參數(shù)等報(bào)文。其中，目標(biāo)級報(bào)文發(fā)送節(jié)拍快、報(bào)文較短、允許一定的丟包率但對時(shí)延要求較高；而特征級報(bào)文發(fā)送節(jié)拍慢、報(bào)文較長，且數(shù)據(jù)具有連續(xù)性，對丟包率要求較高，但允許一定的時(shí)延。因此，針對不同的傳輸需求選擇合適的路由協(xié)議，可以更好地提高通信質(zhì)量和傳輸效率。與此同時(shí)，在任務(wù)或者訓(xùn)練期間，不同型號的艦艇所分配到的帶寬資源大小往往都有所不同，其相對的傳輸能力也各有差異，并且考慮到信號衰減、噪聲干擾、組網(wǎng)協(xié)議開銷等因素，海上戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)際的吞吐量可變。因此，如何依據(jù)當(dāng)前戰(zhàn)場環(huán)境和海上戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)傳輸能力及時(shí)調(diào)整傳輸策略，進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)文的分級傳輸，成為協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)中保障數(shù)據(jù)服務(wù)的關(guān)鍵。

本文針對多種類型數(shù)據(jù)報(bào)文的多樣化傳輸需求以及動態(tài)的海上戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸能力，以數(shù)據(jù)報(bào)文的發(fā)送節(jié)拍為采樣周期，動態(tài)計(jì)算實(shí)時(shí)的傳輸帶寬，設(shè)計(jì)了基于帶寬估計(jì)的海上戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)分級傳輸系統(tǒng)，并對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

1 基于帶寬估計(jì)的分級傳輸系統(tǒng)架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的基于帶寬估計(jì)的海上戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)分級傳輸系統(tǒng)采用客戶端/服務(wù)器（Client/Server，C/S）架構(gòu)，整個系統(tǒng)由一臺數(shù)據(jù)服務(wù)器和若干臺數(shù)據(jù)服務(wù)客戶端軟件組成。該模式能靈活應(yīng)對作戰(zhàn)編組變化，擴(kuò)展性強(qiáng)。具體作戰(zhàn)點(diǎn)位設(shè)置如下：在岸端設(shè)置一臺數(shù)據(jù)服務(wù)器用于數(shù)據(jù)報(bào)文的緩存和分發(fā)，每個作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)平臺包括指揮所數(shù)據(jù)綜合處理中心各配置一臺數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)客戶端，分別向數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)布和訂閱數(shù)據(jù)報(bào)文。具體傳輸架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于帶寬估計(jì)的分級傳輸系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

各作戰(zhàn)平臺節(jié)點(diǎn)通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)客戶端軟件將本艦船產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過海上戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)布至岸端數(shù)據(jù)服務(wù)器，位于綜合處理中心的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)客戶端軟件向數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)訂閱請求，從數(shù)據(jù)服務(wù)器上訂閱各平臺的數(shù)據(jù)報(bào)文并轉(zhuǎn)發(fā)至綜合處理系統(tǒng)，為作戰(zhàn)態(tài)勢生成和目標(biāo)判情等提供數(shù)據(jù)支持[3]。同時(shí)，位于綜合處理中心的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)客戶端軟件也會將處理后的態(tài)勢生成結(jié)果、目標(biāo)判情結(jié)果、平臺數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃壴O(shè)置以及一些其他的岸?；硬僮鲌?bào)文回送至各個平臺，并由各作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)平臺上的轉(zhuǎn)發(fā)軟件分發(fā)給各個數(shù)據(jù)產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)。

在不同類型報(bào)文路由協(xié)議的選擇上，本系統(tǒng)采用了用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）和傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）兩種路由協(xié)議。針對發(fā)送節(jié)拍快、延時(shí)要求高且允許一定丟包率的目標(biāo)級數(shù)據(jù)報(bào)文，采用UDP 協(xié)議進(jìn)行傳輸。UDP 是一種無連接的傳輸協(xié)議，吞吐量不受擁擠控制算法的調(diào)節(jié)，不會因丟包觸發(fā)重傳機(jī)制而消耗帶寬資源，同時(shí)目標(biāo)級數(shù)據(jù)發(fā)送周期短，短時(shí)間內(nèi)變化不明顯，部分丟包不會影響態(tài)勢生成結(jié)果。對于數(shù)據(jù)連續(xù)性強(qiáng)、丟包率要求高的特征級數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)量較大，在傳輸過程中采用了分包傳輸?shù)姆绞?。如果與目標(biāo)級數(shù)據(jù)一樣采用UDP 傳輸，動態(tài)的丟包會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不連續(xù)，可能導(dǎo)致重要特征數(shù)據(jù)丟失，影響專家對目標(biāo)進(jìn)行判別，從而導(dǎo)致貽誤戰(zhàn)機(jī)，因此對特征級數(shù)據(jù)采用TCP 協(xié)議進(jìn)行傳輸。不同于UDP 協(xié)議，TCP 是面向連接的傳輸控制協(xié)議，具有高可靠性，不會出現(xiàn)丟失或者亂序。但是，由于海上戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)相比于有線網(wǎng)絡(luò)更高的丟包率，TCP 一旦檢測出丟包便會觸發(fā)擁塞控制機(jī)制[4]，對丟失的數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行重傳，從而占用帶寬，降低發(fā)送速率。并且傳統(tǒng)的TCP 擁塞控制算法過分保守，這會導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸能力大打折扣。除此以外，各作戰(zhàn)平臺的節(jié)點(diǎn)帶寬資源也會隨著作戰(zhàn)統(tǒng)籌方案而進(jìn)行調(diào)整。因此，當(dāng)下海上戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力和帶寬是動態(tài)變化的，需要實(shí)時(shí)地根據(jù)各作戰(zhàn)平臺節(jié)點(diǎn)的帶寬及時(shí)地調(diào)整傳輸?shù)燃?，以保證數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)送至綜合處理中心。

本文設(shè)計(jì)的分級傳輸系統(tǒng)將傳輸?shù)燃壎? 個等級，分別對應(yīng)海上戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)帶寬為256 kb·s-1、512 kb·s-1、1 Mb·s-1和2 Mb·s-1（以上帶寬數(shù)值為上行下行總帶寬），并依據(jù)特征數(shù)據(jù)報(bào)文內(nèi)容的重要性分別將其劃分為4 個等級，使之與網(wǎng)絡(luò)帶寬等級一一對應(yīng)。如圖2 所示，圖2（a）為各作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工作流程，各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)軟件在冷啟動時(shí)各自將初始傳輸?shù)燃壴O(shè)置為1級，以防止突發(fā)的大流量造成堵塞，同時(shí)分別將目標(biāo)級數(shù)據(jù)報(bào)文及對應(yīng)的特征級數(shù)據(jù)報(bào)文通過海上戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)向指揮所數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)布數(shù)據(jù)，期間如果收到傳輸?shù)燃壵{(diào)節(jié)指令就立即調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃墸⒗^續(xù)向數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)布數(shù)據(jù)。圖2（b）為綜合處理中心數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)軟件的工作流程，該軟件從服務(wù)器訂閱、獲取各作戰(zhàn)平臺節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)報(bào)文，并依據(jù)數(shù)據(jù)流量及報(bào)文中的時(shí)間戳信息計(jì)算各作戰(zhàn)平臺節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)帶寬，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果及時(shí)向?qū)?yīng)的作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)平臺發(fā)布調(diào)整傳輸?shù)燃壍闹噶顏肀Ｕ现匾獢?shù)據(jù)報(bào)文的傳輸效率。

圖2 數(shù)據(jù)服務(wù)軟件客戶端工作流程

2 基于帶寬估計(jì)的傳輸?shù)燃壵{(diào)節(jié)算法

由于TCP 協(xié)議的擁塞機(jī)制，一旦鏈路中出現(xiàn)丟包情況，其慢啟動門限（ssthresh）和擁塞窗口（cwnd）都會直接減半[5]，這種過分保守的恢復(fù)機(jī)制會降低傳輸?shù)耐掏铝?，尤其在海上?zhàn)術(shù)通信網(wǎng)的運(yùn)用場景下，連續(xù)的丟包會持續(xù)觸發(fā)該機(jī)制，導(dǎo)致傳輸效果非常不理想。

在本協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)中，從各作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)平臺傳輸至綜合處理中心的所有數(shù)據(jù)報(bào)文，其產(chǎn)生和發(fā)送的節(jié)拍都相對固定。因此在采樣周期的選擇上，本算法選擇其中發(fā)送周期最長的一類數(shù)據(jù)報(bào)文作為估算當(dāng)前帶寬的單位周期時(shí)間T，于是第n個傳輸周期內(nèi)的采樣帶寬可以表示為：

式中：BWsample(n)表示當(dāng)前采樣周期內(nèi)某作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)的通信帶寬估值，D(n)為綜合處理中心轉(zhuǎn)發(fā)軟件從數(shù)據(jù)服務(wù)器所獲取的該節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)報(bào)文字節(jié)數(shù)。由于數(shù)據(jù)報(bào)文類型確定，假定有k類報(bào)文，D(n)可用式（2）表示：

至此，已經(jīng)得出一個周期內(nèi)的采樣帶寬值，但由于受環(huán)境及系統(tǒng)內(nèi)樣機(jī)工作狀態(tài)等突發(fā)因素影響，部分相鄰周期所計(jì)算的帶寬值會出現(xiàn)較大幅度的波動，可能導(dǎo)致所設(shè)置的傳輸?shù)燃壟c實(shí)際傳輸帶寬不匹配，從而導(dǎo)致?lián)砣?，影響重要?zhàn)場數(shù)據(jù)的上傳。因此，本算法通過引入加權(quán)系數(shù)?將前序帶寬采樣值納入帶寬估計(jì)的計(jì)算公式中，并用計(jì)算所得的BW(n)對慢啟動門限和擁塞窗口進(jìn)行設(shè)置。

其中?的取值為：

同時(shí)根據(jù)所計(jì)算得到的BW(n)選擇與該作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前傳輸能力相匹配的傳輸?shù)燃?。例如?jì)算帶寬介于256 kb·s-1和512 kb·s-1之間就選擇一級傳輸?shù)燃墸蝗绻?jì)算帶寬介于512 kb·s-1和1 Mb·s-1之間就選擇二級傳輸?shù)燃?，以此類推。得到相?yīng)傳輸?shù)燃壗Y(jié)果后，由綜合處理中心轉(zhuǎn)發(fā)軟件通過海上戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)發(fā)送到對應(yīng)平臺，并由該平臺轉(zhuǎn)發(fā)軟件對傳輸?shù)燃夁M(jìn)行及時(shí)調(diào)整。

3 仿真試驗(yàn)及結(jié)果分析

本文通過使用邁思源信息技術(shù)有限公司開發(fā)的HoloWan 網(wǎng)絡(luò)仿真儀模擬海上戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延、丟包和帶寬抖動。為保證數(shù)據(jù)量以及發(fā)送節(jié)拍的一致性，在實(shí)驗(yàn)室搭建一套由3 個同類型作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)平臺構(gòu)成的協(xié)同作戰(zhàn)體系。3 個平臺分別采用UDP 協(xié)議、TCP 協(xié)議和基于帶寬的分級傳輸方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和參數(shù)設(shè)置

本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源為對某次海上任務(wù)XXX 平臺數(shù)據(jù)記錄儀記錄數(shù)據(jù)的回放。此次仿真實(shí)驗(yàn)的3個平臺采用同一段數(shù)據(jù)源。通過計(jì)算，該數(shù)據(jù)源在第二節(jié)中定義的帶寬估計(jì)周期T（32 s）內(nèi)產(chǎn)生的所有報(bào)文總流量為1 792 kB。實(shí)驗(yàn)中，HoloWan 網(wǎng)絡(luò)仿真儀的參數(shù)設(shè)置如下：時(shí)延500～1 000 ms，丟包率0.5%～3%，帶寬設(shè)置為512 kb·s-1～2 Mb·s-1。本次實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3 所示。在仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中，采用UDP 和TCP 兩種傳輸方式的平臺不設(shè)置傳輸?shù)燃?，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)記錄儀數(shù)據(jù)回放所產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)報(bào)文，而分級傳輸系統(tǒng)則將冷啟動等級設(shè)為一級傳輸，實(shí)驗(yàn)時(shí)長為30 min。

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3.2 仿真結(jié)果分析

本文仿真了在模擬海上戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)下相同數(shù)據(jù)報(bào)文在3 種傳輸模式下的傳輸情況，并以丟包率和數(shù)據(jù)延時(shí)情況作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。如圖4（a）所示，UDP 的傳輸方式在模擬的網(wǎng)絡(luò)下丟包率非常嚴(yán)重，并且變化非常大，而TCP 的傳輸方式丟包率很低。雖然本文的分級傳輸方法丟包率高于TCP，但總體相對較低，并且通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，在傳輸過程中主要丟包為用UDP 發(fā)送的目標(biāo)級數(shù)據(jù)報(bào)文。從圖4（b）可以看出，TCP 傳輸方式下數(shù)據(jù)延遲隨著丟包和帶寬的變化變得越來越高，由于丟包觸發(fā)的擁塞控制機(jī)制導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)堵塞，數(shù)據(jù)傳輸延遲，反觀UDP 由于不需要建立連接，延時(shí)則很低，而分級傳輸?shù)难訒r(shí)接近于UDP 的延時(shí)。因此，基于帶寬估計(jì)的分級傳輸方式可以綜合UDP 和TCP 二者的優(yōu)點(diǎn)，在保證不丟包的情況下很好地降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)。雖然該方法會因?yàn)榉旨墏鬏數(shù)臋C(jī)制處于較低傳輸?shù)燃墪r(shí)而丟棄部分?jǐn)?shù)據(jù)，但是能保證更重要的數(shù)據(jù)以較低的丟包率和較低的延時(shí)回傳到綜合處理中，為現(xiàn)場專家的判情提供及時(shí)的數(shù)據(jù)支持。

圖4 仿真結(jié)果

4 結(jié)語

本文提出了一種基于帶寬估計(jì)的海上戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)分級傳輸機(jī)制。該機(jī)制依據(jù)重要程度及需求優(yōu)先級，將數(shù)據(jù)報(bào)文分類對應(yīng)4 個等級的帶寬需求；在任務(wù)期間綜合處理中心數(shù)據(jù)服務(wù)軟件以各作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)平臺報(bào)文發(fā)送節(jié)拍為采樣周期對其進(jìn)行動態(tài)帶寬估算并及時(shí)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夁M(jìn)行調(diào)整；同時(shí)在傳輸過程分別采用UDP 協(xié)議和TCP 協(xié)議以滿足體系化協(xié)同作戰(zhàn)應(yīng)用對目標(biāo)級報(bào)文和特征級報(bào)文在數(shù)據(jù)延時(shí)和丟包率方面的不同需求。仿真實(shí)驗(yàn)表明，本文所設(shè)計(jì)的基于帶寬估計(jì)的分級傳輸系統(tǒng)在高時(shí)延、高丟包率且?guī)挾秳拥暮Ｉ蠎?zhàn)術(shù)通信鏈路環(huán)境下，不僅能保證目標(biāo)級報(bào)文的及時(shí)傳輸，同時(shí)在特征級報(bào)文的完整性方面也有很大的提高。