一種應急通信中業(yè)務感知的寬帶自組網路由協(xié)議*

耿 志

(宸芯科技有限公司，上海 200120)

0 引 言

近年來，地質災害、火災等各種突發(fā)的自然災害及公共安全事件時有發(fā)生，嚴重危及人們生命財產安全，政府愈發(fā)重視應急產業(yè)的發(fā)展。無線自組織網絡因其具有的無中心、自組織、抗毀能力強等特性，能夠在蜂窩式移動通信系統(tǒng)或者無線局域網遭到破壞，基本的通信業(yè)務得不到保障的情況下，快速建立起第一道應急通信系統(tǒng)，被逐漸應用到公共安全、應急救援等領域[1-2]。當前的應急救援對現(xiàn)場視頻的實時傳輸以及圖像等多媒體消息傳輸有著迫切需求[3]，這對網絡的帶寬提出了更高要求，因此對寬帶自組網路由協(xié)議的研究具有重要意義。

由于信道資源有限以及網絡中節(jié)點的移動性等因素，常常使寬帶自組網承載的多媒體業(yè)務服務質量(Quality of Service，QoS)要求得不到滿足。近年來，國內外研究者們已針對不同的場景提出了各種QoS感知的路由協(xié)議來解決這一關鍵問題。從整體研究來看，這些QoS感知路由協(xié)議[4-12]主要目的是增強某些參數(shù)，如吞吐量、抖動、延遲和數(shù)據包傳遞率，但對于多業(yè)務共存的網絡可能無法兼顧不同業(yè)務的QoS需求，也無法充分利用網絡資源。因此，本文基于DSDV(Destination-Sequenced Distance-Vector Routing)協(xié)議提出一種業(yè)務感知的自組網路由協(xié)議，根據不同業(yè)務的QoS需求建立節(jié)點間的不同路由，并感知業(yè)務類型進行路由查詢。

1 寬帶自組網業(yè)務感知路由算法

1.1 算法概述

為了使節(jié)點能夠及時獲取到目的節(jié)點路由，快速轉發(fā)數(shù)據，并且考慮到在應急通信網絡中節(jié)點移動速度相對較低，在遠距離傳輸模式下拓撲結構相對穩(wěn)定，且本文研究的網絡規(guī)模中等，因此提出一種基于主動式路由協(xié)議DSDV的改進方案，根據不同類型業(yè)務的QoS需求選擇各自合適的參數(shù)來度量路徑的優(yōu)劣，最終建立到目的節(jié)點的不同路由。當節(jié)點接收到數(shù)據包后，節(jié)點首先區(qū)分是哪一類型的業(yè)務，再向路由管理模塊查詢路由，這樣可在一定程度上避免不同業(yè)務經過同一個節(jié)點導致時延敏感業(yè)務的QoS得不到滿足。此外，為進一步保障語音業(yè)務的時延要求，根據不同類型的業(yè)務對時延敏感程度的不同，將業(yè)務劃分為不同的轉發(fā)優(yōu)先級，如表1所示，語音作為應急通信中的首要業(yè)務[3]，對時延要求苛刻且業(yè)務數(shù)據量不大，因此設定語音具有更高的轉發(fā)優(yōu)先級，節(jié)點優(yōu)先轉發(fā)語音業(yè)務。

表1 業(yè)務轉發(fā)優(yōu)先級劃分

圖1所示為本文提出路由算法的設計流程圖，將業(yè)務分為時延敏感業(yè)務和非時延敏感業(yè)務兩類，節(jié)點分別創(chuàng)建并維護這兩類業(yè)務的路由表。

圖1 路由算法流程

路由表的更新和維護流程如圖2所示，節(jié)點只處理來自相鄰節(jié)點路由通告消息，根據路由通過中攜帶的目的節(jié)點與本地路由表中的目的節(jié)點序列號的大小關系按圖2中的流程分別作處理。

圖2 路由表維護流程

1.2 本設計的寬帶自組網基本體制

本設計中節(jié)點入網前由主控節(jié)點判斷是否允許接入，允許接入后占用一個固定的無線幀資源；節(jié)點入網后根據接收到的鄰節(jié)點系統(tǒng)消息，得到兩跳以內節(jié)點的拓撲情況、可用的無線幀以及節(jié)點本身待發(fā)業(yè)務量等信息，獲取無線資源。圖3所示為本設計的無線幀結構，參考LTE FDD類型幀結構設計，其中一個無線幀(Radio Frame，RF)長度為10 ms，由10個1 ms子幀組成，發(fā)送子幀和接收子幀個數(shù)比為4∶1，每個子幀由SLOT0和SLOT1兩個時隙構成，每個時隙包含若干資源塊(Physical Resource Block，PRB)。32個無線幀組成一個復幀(Multi-frame)，目前本設計中節(jié)點至少占用一個無線幀資源，因此網絡最大可支持32個節(jié)點數(shù)。節(jié)點接收到IP數(shù)據后解析判斷或遞交到AP或轉發(fā)或丟棄，若需轉發(fā)則要等待所占用的下一個無線幀到來。

圖3 本設計的幀結構

1.3 路由建立

節(jié)點入網后，會創(chuàng)建自己的時延敏感業(yè)務路由表和非時延敏感業(yè)務路由表，并廣播到全網；節(jié)點收到鄰節(jié)點入網的消息后，會根據自己保存的全網路由構造路由通告消息并廣播，使剛入網的節(jié)點快速建立其全網路由。

表2為節(jié)點創(chuàng)建的路由表結構，與原路由表相比增加了節(jié)點到目的節(jié)點路徑上的最小傳輸塊大小(MTBsize)。引入該參數(shù)的作用在于，在時延敏感業(yè)務等待發(fā)送時間內，若節(jié)點緩存隊列里到某目的節(jié)點待發(fā)的時延敏感數(shù)據包大小(PacketSize)比保存的路由表中該參數(shù)大，那么在與鄰節(jié)點進行路由信息交互時，會切換到一條到達目的節(jié)點的MTBsize大于PacketSize并且路徑時延不增的新路由；此外在節(jié)點運動過程中，當兩節(jié)點逐漸遠離時，經過這兩個節(jié)點的路徑上的MTBsize會越來越小，當MTBsize低于某個閾值時，也會切換到鏈路質量更好的路由，避免了因鏈路失效再獲取新路由導致的數(shù)據丟包問題。

1.4 路由更新與維護

節(jié)點周期性或路由有更新時廣播路由通告消息，鄰節(jié)點根據圖1所示的流程處理接收到的路由通告消息。時延敏感業(yè)務路由與非時延敏感業(yè)務路由的處理流程是一樣的，區(qū)別在于節(jié)點計算與鄰節(jié)點間的路由度量值。

對于時延敏感業(yè)務路由是以路徑時延為度量參數(shù)，主要考慮平均等待發(fā)送的時間，即接收數(shù)據的無線幀距離下一個無線幀的時間間隔。

假設節(jié)點占用的無線幀均勻分布，那么當節(jié)點占用無線幀個數(shù)為NRF時，需要等待的間隔

式中：「·?為向上取整。

每個可能的等待間隔出現(xiàn)的接收位置均有NRF個，概率為1/32，則平均等待發(fā)送時間Twait為

(1)

當節(jié)點占用無線幀個數(shù)NRF為32的因數(shù)時，式(1)即為

(2)

式中：LRF為一個無線幀長度，本設計為10 ms。節(jié)點占用RF個數(shù)越多，等待時間越小，路徑越優(yōu)。

而非時延敏感業(yè)務路由以空口傳輸能力為度量參數(shù)。物理層根據鄰節(jié)點間的鏈路質量計算出本節(jié)點與鄰節(jié)點間一個子幀空口最大傳輸塊大小(Transmission Block Size，TBsize)，那么節(jié)點N與相鄰節(jié)點間的路由度量定義為

(3)

式中：D為節(jié)點N到鄰節(jié)點的待發(fā)數(shù)據量；NRF為節(jié)點占用的RF個數(shù)；STB為一個子幀空口最大傳輸塊大小。路由度量與空口最大傳輸能力成反比，路由度量越小，表示路徑越優(yōu)。

當節(jié)點接收到鄰節(jié)點的路由通告消息后，計算與鄰節(jié)點間的路由度量值，與從路由通告中獲取到的鄰節(jié)點到目的節(jié)點路徑度量值之和，即為本節(jié)點與目的節(jié)點間的路由度量值。換言之，源節(jié)點S與目的節(jié)點D間的某條路徑的度量值可表達為所有相鄰節(jié)點間度量值的求和：

(4)

若接收到的新路徑的度量值好于本地保存路徑度量值達到某一閾值時則進行路由切換，否則仍使用當前路由，避免路由的頻繁切換。

1.5 路由波動維護策略

由于節(jié)點經常會先后收到多個到同一目的節(jié)點并具有相同序列號的路由通告信息，若路由通告中的到目的節(jié)點路由度量與本地保存的不同，將進行路由更新，這會觸發(fā)節(jié)點頻繁地發(fā)送路由通告信息，浪費了帶寬，引起路由信息在網絡中波動，影響路由的穩(wěn)定性和算法收斂性，進而影響網絡的業(yè)務傳輸性能。為有效防止這種路由波動問題，本方案給每個節(jié)點的路由表添加一個表項——路由收斂時間AST。首先計算上一次序列號更新后，路由度量的穩(wěn)定時間ST為

ST=Troute_change-Tsequence_change。

(5)

式中：Troute_change為本次序列號更新前最新的路由度量更新時間；Tsequence_change為上一次序列號更新時間。

當節(jié)點收到帶有新的序列號的路由信息時，仍然按照處理流程更新它的路由表，但是它不會立即廣播它的路由信息，而是等待一段時間以后再廣播。等待時間定義為2·ASTn，其中ASTn為序列號更新后的加權收斂時間

ASTn=α·ASTn-1+(1-α)·ST。

(6)

式中：α為加權系數(shù)，初始化值為0.875；ASTn-1為序列號更新前的加權收斂時間，初始化AST0=6 s。

2 實驗仿真與結果分析

本文仿真是在基于64位Win7系統(tǒng)下使用OPNET進行的，網絡同時承載語音業(yè)務和大負載數(shù)據業(yè)務。依據RFC2051 MANET Performance Issues中的自組網性能評價標準，本文選取語音業(yè)務端到端時延和數(shù)據業(yè)務分組投遞率兩個指標來評價寬帶自組網業(yè)務感知路由的性能，分別在不同條件下對比分析表3所列場景下語音業(yè)務端到端時延和數(shù)據業(yè)務分組投遞率的性能表現(xiàn)。各場景下除表3所列配置不同外，其他配置均相同。

表3 網絡業(yè)務及路由配置

性能指標定義：

(1)語音業(yè)務端到端時延：仿真時間內語音數(shù)據包從源節(jié)點AP到達目的節(jié)點AP的平均時延。

(2)語音業(yè)務網絡時延：整個網絡所有節(jié)點語音業(yè)務端到端時延的平均值。

(3)數(shù)據業(yè)務分組投遞率：網絡中應用層接收到數(shù)據分組與發(fā)送數(shù)據分組總個數(shù)之比。

仿真參數(shù)配置如表4所示。

表4 仿真參數(shù)配置

2.1 語音業(yè)務端到端時延

為驗證本文提出的基于業(yè)務類型及優(yōu)先級區(qū)分的寬帶路由策略(記作業(yè)務感知路由)的有效性，比較單語音業(yè)務、多業(yè)務(語音+數(shù)據)網絡中業(yè)務感知路由、非業(yè)務感知路由的語音時延表現(xiàn)。

圖4給出了網絡規(guī)模為16節(jié)點時靜態(tài)拓撲下語音時延隨跳數(shù)變化情況。可以看出，業(yè)務感知路由與網絡僅存在語音業(yè)務情況下的語音端到端時延相差不大，說明本文提出的業(yè)務感知路由可以保證多業(yè)務網絡中語音業(yè)務時延要求，不會影響到應急語音通信。此外，隨著端到端跳數(shù)的增加，相比于非業(yè)務感知路由，業(yè)務感知路由對語音業(yè)務端到端時延有明顯降低。這是因為當節(jié)點同時轉發(fā)語音數(shù)據包和分組數(shù)據包時，非業(yè)務感知路由不對業(yè)務類型進行區(qū)分，會導致時延敏感的語音數(shù)據包排隊時間長從而時延更大，這種影響會隨著源節(jié)點和目的節(jié)點之間的跳數(shù)增加而增加。

圖4 語音端到端時延隨跳數(shù)的變化

圖5給出了網絡規(guī)模分別為2、4、8、16、32節(jié)點時語音業(yè)務網絡時延變化情況?？梢钥闯?，隨著網絡規(guī)模的擴大，語音業(yè)務網絡時延逐漸增大，且相比于非業(yè)務感知路由，業(yè)務感知的語音業(yè)務網絡時延性能優(yōu)化越明顯。這是因為節(jié)點數(shù)變多時，節(jié)點占用個無線幀個數(shù)減少，根據式(1)可以看出，語音數(shù)據包等待發(fā)送的時延會隨之增大；并且當節(jié)點同時轉發(fā)語音數(shù)據包和分組數(shù)據包時，占用無線幀個數(shù)越少，分組數(shù)據包的發(fā)送時間越長，這樣當語音數(shù)據包排在分組數(shù)據包后面時，等待發(fā)送的時延就越長。而業(yè)務感知路由對語音和數(shù)據業(yè)務在路由上進行了區(qū)分，選擇轉發(fā)語音和數(shù)據業(yè)務的中繼節(jié)點不同，即使一些場景下選擇了相同的中繼節(jié)點，本文對不同業(yè)務的轉發(fā)優(yōu)先級進行劃分，節(jié)點會優(yōu)先轉發(fā)時延敏感的語音業(yè)務，加強對應急語音通信的QoS需求保障。

圖5 語音數(shù)據網絡時延隨網絡規(guī)模的變化

在應急通信場景下，整個救援系統(tǒng)由救援指揮人員、救援人員、救援車輛以及救援無人機等組成，它們在移動性上存在差異。因此，本文評估了三種路由策略在不同移動性水平下的性能。網絡規(guī)模為12節(jié)點，各節(jié)點按照Random Waypoint(Record Trajectory)移動模型移動，節(jié)點移動速度5～25 m/s，圖6給出了語音數(shù)據網絡時延隨節(jié)點移動速度的變化關系。可以看出，隨著節(jié)點運動速度的提高，三種路由的語音數(shù)據網絡時延呈上升趨勢且上升幅度不大。節(jié)點移動速度從5 m/s到25 m/s，多業(yè)務時非業(yè)務感知路由的語音數(shù)據網絡時延增大50 ms左右，而業(yè)務感知路由僅增大20 ms左右。因此，業(yè)務感知路由有效降低了多業(yè)務網絡中的語音數(shù)據網絡時延。

圖6 語音數(shù)據網絡時延隨移動速度的變化

2.2 數(shù)據業(yè)務分組投遞率

在多業(yè)務網絡中，不僅要關注語音業(yè)務時延的性能表現(xiàn)，還要兼顧其他業(yè)務的性能。圖7～9為多業(yè)務網絡中不同條件下業(yè)務感知與非業(yè)務感知兩種情況下的網絡中數(shù)據業(yè)務分組投遞率的對比。

圖7給出了網絡規(guī)模為16節(jié)點時靜態(tài)拓撲下數(shù)據業(yè)務分組投遞率隨跳數(shù)變化情況?？梢钥闯?，相同跳數(shù)下，本文提出的業(yè)務感知路由比非業(yè)務感知路由的分組投遞率略好一些。

圖7 分組投遞率隨跳數(shù)的變化

圖8給出了網絡規(guī)模分別為2、4、8、16、32節(jié)點時數(shù)據業(yè)務分組投遞率變化情況?？梢钥闯?，隨著網絡規(guī)模的擴大，數(shù)據業(yè)務分組投遞率逐漸降低。這是因為網絡節(jié)點個數(shù)越多時，節(jié)點占用的無線幀越少，空口傳輸能力不足，從而使分組投遞率隨之降低。并且從結果上看，在多業(yè)務網絡中相同網絡規(guī)模下，業(yè)務感知路由比非業(yè)務感知有著更高的分組投遞率。

圖8 分組投遞率隨網絡規(guī)模的變化

圖9給出了節(jié)點移動速度分別為5、10、15、20、25 m/s時數(shù)據業(yè)務分組投遞率的變化情況。可以看出，隨著節(jié)點移動速度的逐漸提高，兩種路由的分組投遞率基本一致且兩種路由數(shù)據業(yè)務分組投遞率均略有下降，但下降幅度不大。因為根據式(3)，數(shù)據業(yè)務路由度量參數(shù)為路徑的傳輸能力，所以當節(jié)點間鏈路質量下降時路由度量會逐漸增大，在鏈路斷開前路由管理模塊就能有所感知，提前切換到鏈路質量好的路徑，從而減少了因鏈路失效導致的明顯丟包。

圖9 分組投遞率隨移動速度的變化

3 結束語

本文提出了一種應急通信中業(yè)務感知的寬帶自組網路由策略，將業(yè)務劃分為時延敏感和非時延敏感兩種類型，分別在節(jié)點間建立對應的兩種路由，將網絡承載的多種類型業(yè)務分布在不同的路徑上，可潛在地緩解擁塞，降低端到端時延。仿真結果表明，在多業(yè)務網絡中，本文提出的業(yè)務感知路由，語音業(yè)務端到端時延性能遠好于非業(yè)務感知路由，且與只存在語音業(yè)務的網絡時延在相近水平，網絡承載的數(shù)據業(yè)務在分組投遞率方面也略優(yōu)于非業(yè)務感知路由，可見本文提出的路由策略在一定程度上可以同時兼顧網絡中不同類型業(yè)務的QoS需求，為應急通信中支持多媒體傳輸?shù)淖越M網路由算法設計提供了一定參考。另外，該策略具有一定可拓展性，后續(xù)可根據網絡承載的其他業(yè)務的QoS需求設計度量準則，進一步拓展路由。