高速移動(dòng)環(huán)境下4G鏈路的測(cè)量與預(yù)測(cè)

賈 濤 霍長(zhǎng)凡 張 寬 趙建邦

(中車青島四方車輛研究所有限公司電子事業(yè)部 山東 青島 266000)

0 引 言

互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的快速發(fā)展和普及把人類社會(huì)中的信息孤島有效地連接起來(lái),信息的共享和暢通讓互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)成為人類學(xué)習(xí)知識(shí)和獲取知識(shí)的最主要的渠道,而且現(xiàn)在人們的生活、工作、娛樂(lè)、出行、健康等各方面都依賴網(wǎng)絡(luò)。中國(guó)高鐵技術(shù)快速發(fā)展,截至2019年底,中國(guó)高速鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到3.5萬(wàn)公里,世界領(lǐng)先。高鐵以其突出的便利性與經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)成為人們?nèi)粘３鲂械氖走x。所以兩者結(jié)合,如何在高鐵上為乘客提供實(shí)時(shí)的互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn),提供視頻直播的服務(wù),為乘客提供實(shí)時(shí)的時(shí)政新聞及娛樂(lè)資訊,對(duì)3G/4G網(wǎng)絡(luò)的通信能力提出更高的要求[1],主要原因是高鐵一直在高速移動(dòng)中。

中國(guó)高鐵動(dòng)車組的運(yùn)行速度在一般在250 km/h以上,而中國(guó)高鐵標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組復(fù)興號(hào)的運(yùn)行速度達(dá)到350 km/h,在如此高速移動(dòng)的載體上借助3G/4G網(wǎng)絡(luò)提供穩(wěn)定、高速的網(wǎng)絡(luò)接入,在技術(shù)上面臨非常大的挑戰(zhàn)。

中國(guó)高鐵車體采用金屬封閉架構(gòu),對(duì)4G/5G等高頻的無(wú)線空口信號(hào)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的屏蔽作用;同時(shí)高鐵在高速的連續(xù)移動(dòng)下,會(huì)產(chǎn)生Cell的快速連續(xù)切換,同時(shí)也會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的多普勒效應(yīng)[2],產(chǎn)生的頻偏會(huì)影響信道的通信能力。

高鐵沿線的3G/4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋不連續(xù),質(zhì)量不統(tǒng)一[3]。中國(guó)高鐵的建設(shè)往往選擇人員稀少地區(qū),導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)商專門建設(shè)的基站密度小,部分區(qū)域會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)問(wèn)題。雖然運(yùn)營(yíng)商還在不斷地補(bǔ)充和優(yōu)化,但是這需要一個(gè)過(guò)程。目前,沿途的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境還比較差,網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)不夠穩(wěn)定[4],尤其是穿越隧道的時(shí)候。

乘客個(gè)人通信終端的能力參差不齊,無(wú)法獲得最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)性能。乘客的個(gè)人通信終端屬于移動(dòng)終端,受限其功耗和尺寸問(wèn)題,其通信能力相比企業(yè)級(jí)通信設(shè)備比較弱,而且其通信天線在金屬車體內(nèi),嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。

基于以上的分析就產(chǎn)生了一個(gè)新的技術(shù)路線,即通過(guò)統(tǒng)一的企業(yè)通信網(wǎng)關(guān)基于3G/4G網(wǎng)絡(luò)提供高速網(wǎng)絡(luò)連接。在車廂內(nèi),通過(guò)把3G/4G轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)Wi-Fi技術(shù),簡(jiǎn)化對(duì)乘客終端的要求。更重要的點(diǎn)在于,因?yàn)椴渴鸾y(tǒng)一的企業(yè)通信網(wǎng)關(guān),所以可以在這個(gè)企業(yè)通信網(wǎng)關(guān)上進(jìn)行硬件、軟件的定制和調(diào)優(yōu)?；谌筮\(yùn)營(yíng)商的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)部署多條車地通信無(wú)線網(wǎng)鏈路,采用聚合的方式進(jìn)行總帶寬的提升,并通過(guò)定制的業(yè)務(wù)層面調(diào)優(yōu)算法,實(shí)現(xiàn)直播類視頻在做鏈路上的智能調(diào)度,提升車輛整體傳輸帶寬的同時(shí),優(yōu)化業(yè)務(wù)體驗(yàn)。通過(guò)Active模式獲取3G/4G網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量,可以優(yōu)化視頻傳輸,為用戶提供高質(zhì)量的視頻傳輸質(zhì)量。

如之前所述,由于高鐵移動(dòng)速度快,3G/4G網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的變化迅速,要求系統(tǒng)能對(duì)鏈路質(zhì)量的變化快速做出反應(yīng),甚至還需要根據(jù)大數(shù)據(jù)、訓(xùn)練、算法對(duì)鏈路質(zhì)量的變化進(jìn)行預(yù)判,這就給技術(shù)的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)很大的困難和挑戰(zhàn)。

為此,本文針對(duì)高速移動(dòng)下的3G/4G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新性提出了一種基于大數(shù)據(jù)預(yù)判的鏈路質(zhì)量動(dòng)態(tài)感知方法,該方法可以針對(duì)通信鏈路進(jìn)行持續(xù)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確探測(cè),即MLQMP-BD(Multi-link Quality Measurement and Prediction based on Big Data)網(wǎng)絡(luò)探測(cè)方法。該方法綜合了大數(shù)據(jù)技術(shù)、Active模式和Passive模式,同時(shí)具備動(dòng)態(tài)調(diào)整的能力,能靈活應(yīng)對(duì)車輛移動(dòng)速度的變化。

基于MLQMP-BD獲得的鏈路質(zhì)量狀態(tài),通過(guò)反饋到上端應(yīng)用層,可以動(dòng)態(tài)地進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)傳輸策略的優(yōu)化的調(diào)整,保證直播視頻播放的流暢。

1 網(wǎng)絡(luò)測(cè)量技術(shù)

MLQMP-BD的實(shí)現(xiàn)的一個(gè)最重要的基礎(chǔ)就是鏈路質(zhì)量探測(cè),關(guān)于鏈路質(zhì)量的探測(cè)區(qū)分為Active模式獲取和Passive模式獲取兩種方法。

1.1 Active模式獲取

Active模式獲取,即通過(guò)定義和構(gòu)造指定的測(cè)試報(bào)文,并按照一定的規(guī)則注入到網(wǎng)絡(luò)中,通過(guò)在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸,傳輸結(jié)束后就可以獲得很多代表網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量指標(biāo),例如鏈路丟包率、往返時(shí)延、鏈路抖動(dòng)范圍等[5]。Ping就是最常用的一種Active模式方法,傳統(tǒng)Ping采用ICMP報(bào)文,還有TCP Ping及UDP Ping,通過(guò)模擬構(gòu)造四層的報(bào)文,讓探測(cè)的報(bào)文結(jié)構(gòu)更貼近實(shí)際業(yè)務(wù)傳輸?shù)那闆r。具體測(cè)試時(shí)又區(qū)分單向測(cè)量和雙向測(cè)量。

Active模式的方式在開發(fā)實(shí)現(xiàn)時(shí)比較簡(jiǎn)單,開源的工具也很多,因此也是大家常用的探測(cè)方法。Active模式的缺點(diǎn)在于需要向現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)中額外注入專門用于測(cè)試的探測(cè)包,如果構(gòu)造的報(bào)文太多,比如為了模擬壓力測(cè)試,那么這樣就會(huì)加重網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載,導(dǎo)致鏈路變擁塞或者更加擁塞,得到的驗(yàn)證結(jié)果會(huì)有實(shí)際情況不符;但是如果構(gòu)造的報(bào)文太少,得到的探測(cè)質(zhì)量可能會(huì)比較好,但可能實(shí)際業(yè)務(wù)負(fù)擔(dān)比較重,所以這時(shí)獲得的結(jié)果也是不夠準(zhǔn)確的。

1.2 Passive模式

Passive模式方法也稱為隨路測(cè)量方法,其利用網(wǎng)絡(luò)中真實(shí)的業(yè)務(wù)流量作為載體,通過(guò)監(jiān)視接口中經(jīng)過(guò)的真實(shí)業(yè)務(wù)流量,測(cè)量并獲取網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前質(zhì)量[6]。因?yàn)槭侵苯油ㄟ^(guò)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)的真實(shí)業(yè)務(wù)流量,所以這樣獲得的結(jié)果與實(shí)際情況完全吻合。另外,Passive模式的方法不需要單獨(dú)向網(wǎng)絡(luò)中導(dǎo)入額外的測(cè)試流量,所以不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生干擾或者加重負(fù)載。但是Passive模式也不是一點(diǎn)缺點(diǎn)都沒(méi)有,因?yàn)樗蕾囌鎸?shí)業(yè)務(wù)流量,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有業(yè)務(wù)流量時(shí),Passive模式方法就失效。而且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有流量時(shí),還不能確定是因?yàn)殒溌焚|(zhì)量太差導(dǎo)致的斷流,還是真實(shí)沒(méi)有業(yè)務(wù)發(fā)生。另外,因?yàn)镻assive模式需要對(duì)業(yè)務(wù)流量進(jìn)行額外的處理,在業(yè)務(wù)量很大時(shí),會(huì)產(chǎn)生很大的處理負(fù)擔(dān),也會(huì)為業(yè)務(wù)產(chǎn)生額外的延時(shí)。針對(duì)被動(dòng)測(cè)量的缺點(diǎn),需要有其他手段進(jìn)行補(bǔ)充。

Passive模式方法在實(shí)現(xiàn)時(shí),主要是依賴對(duì)業(yè)務(wù)報(bào)文進(jìn)行Match-Remark及Match-Measure的方式,即在本端對(duì)匹配的報(bào)文進(jìn)行特殊位的標(biāo)記,對(duì)端收到報(bào)文后,匹配這些特殊的標(biāo)記位,從而可以得到丟包率、時(shí)延等空口鏈路質(zhì)量[7]。

1.3 傳統(tǒng)測(cè)量方法的弊端

無(wú)論是Active模式方法還是Passive模式方法,都有一個(gè)相同的適用前提,即測(cè)量的環(huán)境是靜止的,即針對(duì)某條鏈路在t0時(shí)刻開始啟動(dòng)測(cè)量,經(jīng)過(guò)δ時(shí)間,在t0+δ時(shí)刻獲得一個(gè)測(cè)量結(jié)果,具體情境見圖1?；诖私Y(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)度是完全沒(méi)問(wèn)題的。

圖1 移動(dòng)狀態(tài)下測(cè)量遇到的問(wèn)題

但是高鐵是一個(gè)高速移動(dòng)的環(huán)境,給傳統(tǒng)的Active模式及Passive模式都帶來(lái)了很大的問(wèn)題。以350 km/h的復(fù)興號(hào)為例,針對(duì)某條鏈路在t0時(shí)刻開始進(jìn)行測(cè)量,經(jīng)過(guò)δ時(shí)間獲得了一個(gè)測(cè)量結(jié)果,這個(gè)結(jié)果是這條鏈路當(dāng)前真實(shí)的質(zhì)量嗎?理論上已經(jīng)不是了。如果在探索花了2 s時(shí)間,這時(shí)車輛其實(shí)已經(jīng)移動(dòng)了近200 m,可能已經(jīng)進(jìn)入隧道,或者發(fā)生了基站的切換。

根據(jù)一個(gè)基站的實(shí)際覆蓋能力,按照350 km/h估算,平均3～6 s就會(huì)進(jìn)行一次基站的切換,這就對(duì)沿線運(yùn)營(yíng)商基站網(wǎng)絡(luò)的覆蓋及能力的連續(xù)性提出了非常高的挑戰(zhàn),需要在高鐵高速移動(dòng)時(shí)可以平滑地連續(xù)切換。在基站切換的過(guò)程中,如果我們的速度慢,是感覺(jué)不到延遲的。但是高鐵的速度很快,可能會(huì)因?yàn)檫\(yùn)營(yíng)商基站優(yōu)化不足,導(dǎo)致切換慢,從而出現(xiàn)短暫的信號(hào)丟失,如果在信號(hào)覆蓋不連續(xù)時(shí),基站切換帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)延遲,用戶會(huì)有更加明確的感知。

基于此,現(xiàn)實(shí)中不能完全簡(jiǎn)單地依托實(shí)時(shí)測(cè)量鏈路質(zhì)量進(jìn)行業(yè)務(wù)的優(yōu)化,因?yàn)閬?lái)不及,即優(yōu)化傳輸策略的執(zhí)行與當(dāng)前測(cè)量鏈路質(zhì)量有一個(gè)時(shí)間差δ。

2 多車地?zé)o線鏈路

雖然4G網(wǎng)絡(luò)可以提供高速的傳輸性能,但是對(duì)于一列超過(guò)600名乘客的高鐵來(lái)說(shuō),一條4G鏈路的傳輸帶寬還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足,所以可以通過(guò)并行疊加多條3G/4G無(wú)線鏈路(未來(lái)可以切換5G鏈路),實(shí)現(xiàn)帶寬提升的同時(shí),提高車地鏈路的可靠性和可用性。

另一方面,由于高鐵沿途各運(yùn)營(yíng)商部署無(wú)線網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量不一,可能出現(xiàn)信號(hào)不連續(xù)或信號(hào)未調(diào)優(yōu)的情況,再者因?yàn)榻饘佘圀w屏蔽和Cell快速切換,如果只有1條3G/4G鏈路,根本無(wú)法保證鏈路的可靠性、穩(wěn)定性及可用性[8],所以通過(guò)選擇鐵路沿線三大運(yùn)營(yíng)商的多個(gè)4G鏈路進(jìn)行聚合,可以大大降低風(fēng)險(xiǎn)。

本文提到的多車地?zé)o線鏈路傳輸系統(tǒng),通過(guò)捆綁多條運(yùn)營(yíng)商無(wú)線通信通道,大大提升整體的傳輸性能,同時(shí)規(guī)避單鏈路傳輸質(zhì)量不可控的問(wèn)題。在多鏈路具體實(shí)現(xiàn)中,高鐵上的企業(yè)通信網(wǎng)關(guān)一般是通過(guò)9條無(wú)線空口鏈路分別連接到不同的運(yùn)營(yíng)商基站,每個(gè)運(yùn)營(yíng)商有3條,應(yīng)對(duì)3扇區(qū)的設(shè)計(jì),可以充分利用基站的數(shù)據(jù)通信能力,同時(shí)提高了可靠性。多車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)架構(gòu)見圖2。

圖2 多車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)架構(gòu)

在真實(shí)的運(yùn)行場(chǎng)景中,同一時(shí)刻,這九條鏈路的差異是動(dòng)態(tài)變化的,這時(shí)就需要通過(guò)動(dòng)態(tài)、持續(xù)的鏈路測(cè)量,在不同鏈路之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)度,保證最終乘客觀看視頻的質(zhì)量。

3 基于大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)的高速多鏈路質(zhì)量探測(cè)原理

在高鐵環(huán)境中聚合運(yùn)營(yíng)商多3G/4G鏈路為乘客提供直播視頻類的業(yè)務(wù),需要不斷地對(duì)每條質(zhì)量不確定的鏈路進(jìn)行實(shí)時(shí)的、動(dòng)態(tài)的、持續(xù)的測(cè)量,并且因?yàn)檐囕v本身在高速移動(dòng)狀態(tài),所以需要更加先進(jìn)的算法才能實(shí)現(xiàn)目的。

本文創(chuàng)新性地提出了基于大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)的技術(shù),針對(duì)高速移動(dòng)狀態(tài)的多鏈路進(jìn)行測(cè)量,基于此獲取的鏈路質(zhì)量可以在網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行數(shù)據(jù)差異化調(diào)度。質(zhì)量好的鏈路多承擔(dān)業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā);對(duì)質(zhì)量差的鏈路減少業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā);而對(duì)于質(zhì)量很差的鏈路,應(yīng)該停止使用,否則會(huì)發(fā)生丟包等問(wèn)題。而對(duì)于上層業(yè)務(wù)應(yīng)用本身不需要關(guān)心網(wǎng)絡(luò)層面多鏈路之間的流量調(diào)度,只是需要基于探測(cè)的結(jié)果和鏈路質(zhì)量預(yù)測(cè)的結(jié)果,對(duì)視頻的分辨率進(jìn)行動(dòng)態(tài)的編碼調(diào)整。

如何才能實(shí)現(xiàn)高速狀態(tài)下對(duì)多條鏈路進(jìn)行實(shí)時(shí)的質(zhì)量判定和探測(cè),主要分為兩個(gè)部分:一是大數(shù)據(jù)的采集和學(xué)習(xí);二是關(guān)于多鏈路的流量調(diào)度。

3.1 大數(shù)據(jù)采集和學(xué)習(xí)

在本文中,之所以采用大數(shù)據(jù)采集和學(xué)習(xí),主要目的是為了解決車輛在高速移動(dòng)下的鏈路質(zhì)量判定和預(yù)判。

一條3G/4G鏈路的質(zhì)量,是與3G/4G信號(hào)有直接關(guān)系,而影響3G/4G信號(hào)接收的因素包括:與車輛和基站的相對(duì)距離、基站發(fā)射功率、車體無(wú)線天線的增益能力、車廂屏蔽情況、信道擁塞情況、相對(duì)速度、天氣情況等。所以確定一個(gè)假設(shè):在相同的網(wǎng)絡(luò)和地理?xiàng)l件下,3G/4G信號(hào)傳輸距離、基站功率、天線角度、車廂屏蔽情況等主要因素均相同,運(yùn)營(yíng)商的服務(wù)能力不會(huì)發(fā)生大的波動(dòng),所以具有高參考價(jià)值。通過(guò)大數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)和分析,就可以對(duì)鏈路的質(zhì)量進(jìn)行預(yù)判。

數(shù)據(jù)采集主要包括以下五個(gè)方面:(1) 絕對(duì)時(shí)間;(2) GPS地理坐標(biāo);(3) 車輛速度;(4) 無(wú)線空口質(zhì)量;(5) 每個(gè)3G/4G通道的帶寬、利用率等指標(biāo)。

如前文所述,在t0時(shí)刻,在(Lonx,Laty)坐標(biāo)位置,車速為(zkm/h),此時(shí)的3G/4G無(wú)線信號(hào)指標(biāo)(RSSI/SNR/Cell ID/MCC)。此時(shí)開始對(duì)每條3G/4G鏈路進(jìn)行Active模式和Passive模式測(cè)試,經(jīng)過(guò)δ時(shí)間,就可以得到一組數(shù)據(jù)。同時(shí),在車輛運(yùn)行中,每隔n分鐘自動(dòng)進(jìn)行一組各維度數(shù)據(jù)的采集和鏈路質(zhì)量的測(cè)量,把這些數(shù)據(jù)在車輛本地進(jìn)行大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),通過(guò)深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的擬合,最終可以實(shí)現(xiàn)鏈路質(zhì)量的預(yù)判,并有時(shí)間、坐標(biāo)強(qiáng)關(guān)聯(lián),最后通過(guò)與業(yè)務(wù)應(yīng)用的聯(lián)動(dòng),業(yè)務(wù)層應(yīng)用可以實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地進(jìn)行編碼、速率的調(diào)整,保證乘客看到流量的畫面。

3.2 鏈路質(zhì)量預(yù)測(cè)

鏈路質(zhì)量的預(yù)測(cè)主要是包括兩種類型,即Active模式和Passive模式。Active模式是通過(guò)注入新的報(bào)文獲得鏈路質(zhì)量;Passive模式是針對(duì)隨路的真實(shí)業(yè)務(wù)報(bào)文進(jìn)行Remark、業(yè)務(wù)解析等動(dòng)作,從而獲得鏈路質(zhì)量。

針對(duì)Active模式探測(cè),可以生成指定數(shù)量的、指定長(zhǎng)度的報(bào)文,在具體到鏈路通道層面,需要通過(guò)修改路由的方式去改變具體的4G通道,具體示例如下:

假定無(wú)線通信網(wǎng)關(guān)的IP配置為7.7.2.254;enp2s0上的地址是192.168.10.2,這個(gè)地址是Wi-Fi系統(tǒng)提供給用戶的服務(wù)器地址;vnp2m2就是基于enp2s0這個(gè)物理網(wǎng)口,enp2s0連接到無(wú)線通信網(wǎng)關(guān)(其實(shí)是個(gè)路由器)。

ip addr add dev vnp3m2 7.7.2.201/24

//從這個(gè)源地址出去的,代碼走4G卡1通道

ip addr add dev vnp3m2 7.7.2.202/24

//從這個(gè)源地址出去的,代碼走4G卡2通道

ip addr add dev vnp3m2 7.7.2.203/24

//從這個(gè)源地址出去的,代碼走4G卡3通道

ip addr add dev vnp3m2 7.7.2.204/24

//從這個(gè)源地址出去的,代碼走4G卡4通道

ip addr add dev vnp3m2 7.7.2.205/24

//從這個(gè)源地址出去的,代碼走4G卡5通道

ip addr add dev vnp3m2 7.7.2.206/24

//從這個(gè)源地址出去的,代碼走4G卡6通道

ip addr add dev vnp3m2 7.7.2.207/24

//從這個(gè)源地址出去的,代碼走4G卡7通道

ip addr add dev vnp3m2 7.7.2.208/24

//從這個(gè)源地址出去的,代碼走4G卡8通道

ip addr add dev vnp3m2 7.7.2.209/24

//從這個(gè)源地址出去的,代碼走4G卡9通道

針對(duì)Passive模式探測(cè),本文同時(shí)使用Remark和業(yè)務(wù)解析兩種方式,其中業(yè)務(wù)解析是依靠針對(duì)視頻流進(jìn)行解碼的方式進(jìn)行鏈路質(zhì)量信息的獲取,有區(qū)別傳統(tǒng)簡(jiǎn)單Remark的方式。因?yàn)檫@是從真實(shí)的視頻數(shù)據(jù)流中獲取QoS信息,所以能更加真實(shí)地反映鏈路的質(zhì)量。

3.3 鏈路質(zhì)量探測(cè)的實(shí)現(xiàn)框架

如3.1和3.2兩節(jié)所述,鏈路質(zhì)量的探測(cè)和獲取是通過(guò)多種手段結(jié)合實(shí)現(xiàn),包括基于大數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)、Active模式和Passive模式,每種技術(shù)不是孤立使用的,通過(guò)一個(gè)整體架構(gòu)為業(yè)務(wù)層面的多通道業(yè)務(wù)聚合提供必要的底層鏈路質(zhì)量數(shù)據(jù)支撐,該架構(gòu)需要具備的能力總結(jié)如下:

(1) 此機(jī)制可以通過(guò)大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)對(duì)移動(dòng)中的高鐵列車每條鏈路的質(zhì)量進(jìn)行預(yù)判。

(2) 此機(jī)制可以通過(guò)長(zhǎng)期的大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí),根據(jù)各種相關(guān)數(shù)據(jù)組合下的實(shí)際業(yè)務(wù)呈現(xiàn)效果進(jìn)行深度學(xué)習(xí)算法的持續(xù)自動(dòng)優(yōu)化和數(shù)據(jù)調(diào)度算法的改進(jìn)。

(3) 此機(jī)制能實(shí)時(shí)、持續(xù)、準(zhǔn)確地采集設(shè)備GPS、時(shí)間、車速、每條空口鏈路的指標(biāo)、每個(gè)空口的端口狀態(tài)、帶寬利用率,并進(jìn)行大數(shù)據(jù)的采集及到地面的傳輸能力。

(4) 此機(jī)制能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地探測(cè)出鏈路的丟包率、往返時(shí)延等鏈路質(zhì)量數(shù)據(jù)信息,通過(guò)API反饋本地上層業(yè)務(wù)調(diào)度提供參考依據(jù)。

(5) 此機(jī)制能實(shí)時(shí)、自動(dòng)地根據(jù)鏈路探測(cè)和預(yù)測(cè)的結(jié)果,對(duì)網(wǎng)絡(luò)的流量進(jìn)行本地化的調(diào)度以保證整個(gè)系統(tǒng)能正常運(yùn)行。

(6) 此機(jī)制可以實(shí)時(shí)根據(jù)探索的結(jié)果,根據(jù)算法自動(dòng)調(diào)整鏈路質(zhì)量測(cè)試模式,以適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)變化狀況。

整個(gè)多質(zhì)量鏈路探測(cè)框架如圖3所示,包括數(shù)據(jù)采集模塊、Active模塊、Passive模塊、數(shù)據(jù)智能調(diào)度模塊、業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)模塊、地面大數(shù)據(jù)計(jì)算模塊、車載大數(shù)據(jù)計(jì)算模塊、地面控制模塊。

圖3 基于大數(shù)據(jù)的多鏈路質(zhì)量探測(cè)框架模型

3.3.1大數(shù)據(jù)采集模塊

大數(shù)據(jù)采集模塊本質(zhì)是通過(guò)持續(xù)的、周期的數(shù)據(jù)采集,把影響鏈路性能的各種維度的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,在本地進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算的同時(shí),也會(huì)在鏈路空閑階段同步到地面大數(shù)據(jù)計(jì)算模塊進(jìn)行存儲(chǔ)和計(jì)算。

在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中,所有相關(guān)數(shù)據(jù)會(huì)跟具體的車輛(設(shè)備ID)、線路進(jìn)行關(guān)聯(lián),獲得某列車在某個(gè)區(qū)間運(yùn)行時(shí)的3G/4G鏈路傳輸質(zhì)量熱力圖。地面的大數(shù)據(jù)模塊因?yàn)榭梢垣@得全國(guó)所有列車的相關(guān)數(shù)據(jù),通過(guò)集中的大數(shù)據(jù)計(jì)算,可以挖掘深度的信息關(guān)聯(lián)規(guī)律,從而進(jìn)一步優(yōu)化大數(shù)據(jù)的算法,并可以把優(yōu)化的算法通過(guò)控制面分發(fā)到各列車上的車載大數(shù)據(jù)計(jì)算模塊。

在實(shí)際采集過(guò)程中,一定會(huì)存在常態(tài)規(guī)律值和短期異常值的識(shí)別,如果新獲取的值比之前獲取的累加平均值高30%,會(huì)認(rèn)為是一個(gè)短期異常數(shù)據(jù)。

3.3.2主動(dòng)鏈路探測(cè)模塊

主動(dòng)鏈路探測(cè)本身需要報(bào)文的注入,會(huì)加劇鏈路的覆蓋,所以會(huì)間隔長(zhǎng)周期進(jìn)行調(diào)用,作為Passive模式的對(duì)比和補(bǔ)充。結(jié)合大數(shù)據(jù)采集模塊,對(duì)于每次的主動(dòng)鏈路探測(cè)結(jié)果,與時(shí)間、地理位置關(guān)聯(lián),其結(jié)果反饋給大數(shù)據(jù)計(jì)算模塊,作為數(shù)據(jù)導(dǎo)入,可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的預(yù)判。其工作流程見圖4。

圖4 Active模式子模塊工作流程

主動(dòng)鏈路探測(cè)的算法比較簡(jiǎn)單,主動(dòng)鏈路探測(cè)進(jìn)程會(huì)關(guān)聯(lián)一個(gè)計(jì)時(shí)器,當(dāng)計(jì)時(shí)器歸零,探測(cè)模塊開始發(fā)送探測(cè)包,根據(jù)控制面導(dǎo)入的數(shù)據(jù)生成規(guī)則,每輪生成n個(gè)數(shù)據(jù)探測(cè)報(bào)文,通過(guò)CPU生成報(bào)文后,發(fā)向目的地,該序列為{N1,N2,…,Nn},每個(gè)報(bào)文會(huì)記錄發(fā)送時(shí)間戳;每接收到一個(gè)回應(yīng)包Ri也會(huì)記錄時(shí)間軸。

首先可以比較簡(jiǎn)單的獲取的丟包率指標(biāo):即

丟包率=((發(fā)包數(shù)量-收包數(shù)量)/發(fā)包數(shù)量)×100%

同時(shí),根據(jù)每個(gè)報(bào)文的發(fā)包時(shí)間戳和收包時(shí)間戳,就會(huì)得到每個(gè)報(bào)文的RTTi數(shù)據(jù),即得到鏈路雙向的時(shí)延,把周期內(nèi)所有未丟數(shù)據(jù)包的時(shí)延計(jì)算平均值,就可以得出鏈路往返時(shí)延的均值,通過(guò)對(duì)比不同報(bào)文的RTT值,可以得到鏈路時(shí)延的抖動(dòng)率。

3.3.3Passive鏈路探測(cè)模塊

Passive模式子模塊的實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜,首先該模塊保留了傳統(tǒng)“著色”法原理,通過(guò)在報(bào)頭中標(biāo)記一些特殊比特,運(yùn)用Match-Remark和Match-Measure的方式進(jìn)行報(bào)文的統(tǒng)計(jì)、核算。但是標(biāo)準(zhǔn)的IP報(bào)頭中可利用空余位不足,所以本文設(shè)計(jì)在車地的IPsec安全隧道報(bào)頭中增加一定冗余的信息字段,即Remark序號(hào)、時(shí)間戳等信息。最后在隧道接收端對(duì)Remark的IPSec流量進(jìn)行匹配和統(tǒng)計(jì),通過(guò)算法可以獲取此時(shí)該無(wú)線通道的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

另一種被動(dòng)鏈路質(zhì)量探測(cè)的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)車載的業(yè)務(wù)端實(shí)現(xiàn)的,即通過(guò)解析真實(shí)的業(yè)務(wù)層面視頻流,基于視頻流總的I幀和P幀信息的統(tǒng)計(jì)和時(shí)間戳來(lái)判斷鏈路的質(zhì)量。

3.3.4數(shù)據(jù)調(diào)度模塊

數(shù)據(jù)調(diào)度模塊最核心的目的是在9個(gè)不同的3G/4G鏈路之間進(jìn)行數(shù)據(jù)流量的分配,保證高質(zhì)量的鏈路可以發(fā)送更多的數(shù)據(jù),低質(zhì)量的鏈路不發(fā)送數(shù)據(jù),規(guī)避丟包引起關(guān)鍵數(shù)據(jù)丟失。

數(shù)據(jù)調(diào)度模塊工作在L3層,把9條鏈路視為WECMP等價(jià)路由鏈路,根據(jù)大數(shù)據(jù)計(jì)算模塊、動(dòng)態(tài)探測(cè)模塊輸入的實(shí)時(shí)信息,在不同鏈路之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的調(diào)度。具體調(diào)度時(shí),根據(jù)鏈路質(zhì)量的得分,會(huì)分配不同的權(quán)重,權(quán)重高會(huì)被分配轉(zhuǎn)發(fā)更多的數(shù)據(jù),權(quán)重為0,則不會(huì)被分配流量。

同時(shí)根據(jù)大數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果,也是考慮鏈路質(zhì)量的穩(wěn)定性,即對(duì)每條鏈路會(huì)設(shè)置一個(gè)懲罰值,在鏈路懲罰期內(nèi),即使預(yù)測(cè)鏈路質(zhì)量會(huì)變好,也不會(huì)立刻調(diào)整WECMP的權(quán)重,防止剛增加分配流量,該鏈路的質(zhì)量又快速變差,快速的質(zhì)量翻動(dòng)也會(huì)嚴(yán)重影響視頻播放的質(zhì)量。

3.3.5業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)模塊

該模塊作為一個(gè)數(shù)據(jù)中間層,把鏈路質(zhì)量探測(cè)框架最后的結(jié)果實(shí)時(shí)持續(xù)地發(fā)送到業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)模塊,由業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一和噪聲數(shù)據(jù)的去重,通過(guò)北向的API發(fā)送到應(yīng)用層的各個(gè)業(yè)務(wù)進(jìn)程。

4 高速環(huán)境下多4G聚合鏈路動(dòng)態(tài)探測(cè)能力驗(yàn)證

基于本文提供的MLQMP-BD探測(cè)方法,在高速移動(dòng)環(huán)境下,采用多4G鏈路動(dòng)態(tài)測(cè)量及聚合,實(shí)現(xiàn)高速、高質(zhì)量、自適應(yīng)的車地通信鏈路,用來(lái)支撐直播視頻流的播放體驗(yàn)。經(jīng)過(guò)實(shí)地的驗(yàn)證,得到良好的測(cè)試效果。具體測(cè)試過(guò)程及結(jié)果如下:

實(shí)際測(cè)試的兩地距離大概1 000 km,高鐵試驗(yàn)列車的行進(jìn)速度從100～300 km/h,其中中心服務(wù)器配置9張SIM數(shù)據(jù)卡,每個(gè)運(yùn)營(yíng)商各3張。通過(guò)沿途實(shí)際的測(cè)試,9張數(shù)據(jù)卡通過(guò)帶寬的聚合,峰值可以達(dá)到68 Mbit/s,具體見圖5。

圖5 沿途性能測(cè)試結(jié)果

通過(guò)沿途真實(shí)播放直播視頻節(jié)目,分析直播播放效果,基于MLQMP-BD的車地鏈路探測(cè)很好地支撐了車地多鏈路的實(shí)時(shí)探測(cè)和動(dòng)態(tài)切換。

在300 km/h速率下,同時(shí)播放2路8 Mbit/s碼流的高清視頻,可以實(shí)現(xiàn)下載速率20 Mbit/s,1.2倍于媒體碼率,畫面流暢無(wú)卡頓。不同碼流的直播節(jié)目下載速率對(duì)比可見圖6。

圖6 不同碼流的直播節(jié)目下載速率對(duì)比

測(cè)試結(jié)論:列車在300 km及以上的高速運(yùn)行狀態(tài)下,基站大約12 s切換一次,基于MLQMP-BD的動(dòng)態(tài)+多鏈路聚合的技術(shù)仍然能保25～30 Mbit/s的聚合速率,滿足多路高清視頻的正常播放。

5 結(jié) 語(yǔ)

為了保障高速移動(dòng)環(huán)境中的信號(hào)傳播水平以確保高鐵乘客可以有效應(yīng)用網(wǎng)絡(luò),基于大數(shù)據(jù)的高速多鏈路動(dòng)態(tài)感知機(jī)制方案的設(shè)計(jì)尤為重要。本文介紹了多鏈路動(dòng)態(tài)感知機(jī)制的整體功能需求,決定了設(shè)計(jì)所需要解決的實(shí)際問(wèn)題,緊接著介紹了各個(gè)模塊的設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)主要涉及大數(shù)據(jù)計(jì)算模塊、數(shù)據(jù)調(diào)度模塊、主動(dòng)測(cè)量模塊、被動(dòng)測(cè)量模塊等幾大主要的子模塊,模塊之間相互作用,整體之間相互關(guān)聯(lián),缺一不可。