(重慶郵電大學(xué) 通信學(xué)院 NGN研究所,重慶 400065)

1 引 言

近年來，整個世界范圍內(nèi)爆發(fā)了很多的危機和災(zāi)難，如：2001年美國的“9.11”事件，2004年西班牙馬德里的火車爆炸、亞洲海嘯，2005年倫敦恐怖爆炸，以及2008年的四川汶川“5·12”大地震。在類似的緊急環(huán)境中，正常的通信通道常因為過載而不能有效使用，況且，在很多情況下正常通信基礎(chǔ)設(shè)施很可能由于完全被破壞或者因功率損耗而不能運行。以“5.12”汶川大地震為例，強烈的地震造成道路塌方、通信中斷、電力中斷，外界無法與汶川災(zāi)區(qū)取得直接聯(lián)系，政府相關(guān)部門和救助人員無法及時獲得受災(zāi)情況，也無法向汶川災(zāi)區(qū)的群眾提供余震預(yù)報等相關(guān)的重要信息。由此可見，緊急情況下保障通信的正常運行是至關(guān)重要的。

多播和廣播業(yè)務(wù)(MBS)在應(yīng)急通信中起著重要的作用。在緊急情況下，它將文本、視頻或者音頻等信息傳送給幸存者，通知受難者具體位置、災(zāi)難詳情以及應(yīng)對災(zāi)難的方法，同時，也將環(huán)境宣傳資料傳送給不同的救援隊伍，如危機處理中心、警察局、緊急醫(yī)療中心等。MBS的特性是處理緊急情況的一種理想方法，在災(zāi)難后無線信道迅速通過多個中繼站(RS)和基站(BS)的多路復(fù)用確保了信息可靠地到達(dá)接收者。因多個BS和RS同時將信息傳送給移動臺(MS), 實現(xiàn)了宏分集性，提高了接收端的信噪比，從而使運動中的MS實現(xiàn)無縫連接。本文分析了不基于自動重傳請求(ARQ)機制的MBS應(yīng)用情況，為了提高緊急情況下通信的可靠性，本文設(shè)計了兩種基于ARQ機制的MBS應(yīng)用，并從時延和可靠性的角度分析了其性能。

2 MBS的預(yù)傳送方法

MBS有很多種預(yù)傳送的選擇。在沒有災(zāi)難發(fā)生時，有效的BS就足以覆蓋整個區(qū)域，通過多個BS的MBS，可以使MS從幾個BS中接收到信號，從而提高了信號質(zhì)量，使得運動中的MS實現(xiàn)無縫連接。而在災(zāi)難發(fā)生之后，某些BS可能遭到破壞或者完全不能工作，在這種情況下，通過使用RS來增強區(qū)域的臨時覆蓋信號，以達(dá)到正常通信。圖1顯示了災(zāi)難前后的網(wǎng)絡(luò)通信狀況。

(a)正常情況下的通信情況

(b)災(zāi)難發(fā)生時的通信狀況圖1 災(zāi)難前后的網(wǎng)絡(luò)通信狀況

MBS是作為一種增強的組播技術(shù)，當(dāng)前存在兩種基于分組預(yù)傳送的MBS同步機制，它們通過使用預(yù)定義的相關(guān)傳送次數(shù)完成預(yù)傳送。首先，每個RS報告它的進(jìn)程延時(DR)，然后MR-BS決定最大的RS累積延時(DM)，最后，所有RS的等待時間Wi經(jīng)過累積后報告給RS。而MB業(yè)務(wù)中只要用基于參數(shù)DM的目標(biāo)傳送時間實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。換句話說，與相對等待時間相比，當(dāng)RS將信息傳送到MS時， RS通知的是完全傳送時間。本文另外設(shè)計兩種針對提高M(jìn)BS可靠性而提出的預(yù)傳送機制。該機制的思想是使用ARQ方法，當(dāng)某RS檢測到錯包、丟包、漏包，就會向上級發(fā)送請求，要求重新發(fā)送?，F(xiàn)將4種可選方案用表1說明。

表1 MBS預(yù)傳送的方案

3 可靠組播運行模式設(shè)計

可靠組播運行模式的設(shè)計是在UP-MBS和MP-MBS的基礎(chǔ)上，嵌入ARQ機制，達(dá)到提高信息傳送可靠性的目的。其設(shè)計思想是：BS首先要基于樹中RS的深度和總樹深度、受RS服務(wù)的MS總數(shù)、信道質(zhì)量3個要素選出機會RS(ORS)或關(guān)鍵RS(CRS)，這些ORS或CRS將作為具備ARQ機制的節(jié)點。一般來說，備選的ORS/CRS不應(yīng)在最長的路徑末梢，應(yīng)是ORS/CRS的最大時延。最后，在進(jìn)行消息傳遞時，ORS/CRS首先會檢查來自上級的包是否被破壞，如果包沒有被破壞，就將其標(biāo)識為規(guī)則RS的包保留，進(jìn)行下級傳送。如果該包已經(jīng)被破壞，ORS/CRS檢查是否有機會從父節(jié)點獲得重傳，如果沒有重傳的可能，那么就將該包丟棄；如果有重傳的機會，那么ORS/CRS向父節(jié)點發(fā)送請求，等待重傳。以圖2作為其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，分別對R-UP-MBS和R-MP-MBS的運行模式進(jìn)行詳細(xì)闡述。

圖2 MBS的樹狀結(jié)構(gòu)

3.1 R-UP-MBS的運行模式

(a)UP-MBS的運行模式

(b)R-UP-MBS運行模式(RS-1向上級請求重傳)

(c)請求重傳后圖3 運行模式

UP-MBS的通信模式下，不同的RS接收到的信號都是不可靠的，每個RS如果發(fā)現(xiàn)從上級接收到的包已經(jīng)被破壞或者在傳輸過程中丟失，那么只會進(jìn)行簡單的丟棄，不對下級的傳送負(fù)責(zé)，其運行模式如圖3(a)所示。而R-UP-MBS針對UP-MBS的通信缺陷引入了ARQ機制。這種運行模式中，那些被選中的ORS在檢測到上級傳送無效時，會利用它們的空閑時間段向其父RS或者BS請求重傳，這樣在既不引入額外延時的同時，又提高了鏈路的可靠性。其運行模式如圖3(b)和圖3(c)所示。

R-UP-MBS在不引入額外時延的情況下，選擇RS-1和RS-3作為ORS，使用ARQ機制提高鏈路的可靠性。首先和圖3(a)中UP-MBS運行方式一樣，BS在第一幀的下行鏈路將包預(yù)先傳送給一跳距離的所有RS。但當(dāng)RS-1檢查這個包，并且識別出它們被破壞時，RS-1就啟動ARQ機制，利用在目標(biāo)傳送幀之前的空閑時間向BS發(fā)出重傳請求，如圖3(b)所示。RS-2沒有ARQ機制，它等待下一個幀傳送給它的子節(jié)點。RS-3也有ARQ機制，但它接收到了正確的包。圖3(c)中顯示了BS回應(yīng)給RS-1的NACK消息，并且重傳這個被丟棄的包，這一次RS-1成功接收。在RS-1向上一級請求重傳的過程中，RS-2繼續(xù)將包向前傳送給RS-4，而RS-3無后續(xù)的中間節(jié)點，在第二幀的下行鏈路處于等待的空閑狀態(tài)。最后，在第三幀，不管RS-4有沒有得到正確的接收(如果沒有正確接收，RS-4就將該包丟棄處理)，所有的RS和BS同時將正確包傳送給目標(biāo)節(jié)點MS。至此，整個信息傳送過程結(jié)束。

3.2 R-MP-MBS的運行

R-MP-MBS也是使用ARQ機制來提高組播傳送可靠性的通信模式。為了避免反饋擁塞，該運行模式只允許關(guān)鍵的RS具有重傳請求的功能，簡稱為CRS。和UP-MBS相比，這種方法會引入額外的時延，但因其是使用相同的頻帶同時將包傳送給多個RS，卻可以獲得增益。缺點是當(dāng)包傳送給一個CRS，樹中同一等級的所有其它CRS/RS也將接收到一個復(fù)制包，而不是新包，這個包將被丟棄。

由于在RS處不存在重傳的空閑時間，那么Dmax(總樹深度)及Ni(RS所處網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)樹中的位置)和CRS沒有直接的聯(lián)系。R-MP-MBS中選擇CRS的因素主要基于兩方面：一是由RS所服務(wù)的MS，二是RS的信道質(zhì)量。例如：在圖2，RS-2 為7個MS提供服務(wù)，RS-4為5個MS提供服務(wù)。故在同等信道質(zhì)量下，RS-1和RS-3相比，它們更具備做CRS的資格。

R-MP-MBS的運行模式以圖2的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例。RS-2和RS-4作為CRS，RS-1和RS-3作為非CRS。每個節(jié)點進(jìn)程的延時為DR(i)，將RS-2的進(jìn)程延時設(shè)置成能容納兩個重傳，將RS-4設(shè)置成容納一個重傳(為了提高可靠性，提前在MBS機制中引入了時延)。RS-1和RS-3不管包是否正確都不做任何的重傳請求，圖4顯示了該機制的進(jìn)程方式。

圖4 R-MP-MBS中ARQ機制的運行狀況

(1) BS將包發(fā)送給所有的下一級RS，RS-1正確接收，但RS-3和RS-2沒有接收到正確的包；

(2) RS-2發(fā)送NACK消息給BS要求重傳，BS收到消息后回應(yīng)，并重新把包發(fā)送給所有一跳距離的RS，這時RS-1做丟棄處理，RS-3正確接收，但RS-2還是沒有正確接收；

(3) RS-2再次發(fā)送NACK消息給BS要求重傳，BS收到消息后再次將包發(fā)送一次，這時所有的下一跳RS都已接收到了；

(4) RS-2將包發(fā)送給RS-4，RS-1和RS-3處于等待狀態(tài)，但是RS-4沒有正確接收；

(5) RS-4重復(fù)一個RS-2的請求過程直至正確接收；

(6) 最后，BS和所有的RS同時傳送MBS包給MS。

4 結(jié) 論

本文評估了應(yīng)急通信條件下接續(xù)/無線網(wǎng)絡(luò)中組播/廣播的實用性，詳細(xì)說明了怎樣方便地搭建一個臨時的通信架構(gòu)。此外，本文還集中討論了兩種使用ARQ的技術(shù)：R-UP-MBS和R-MP-MBS。R-UP-MBS在不引入時延的情況下使用MBS的同步請求提高可靠性；而R-MP-MBS使用MBS的同步請求會引入時延，然后這種時延的影響和智能的CRS機制相比是微不足道的。本文所提出的這兩種技術(shù)都有利于在接續(xù)網(wǎng)絡(luò)中提高PER性能及通信的可靠性。總之，這兩種技術(shù)在應(yīng)急通信中都是提高M(jìn)BS的有效解決方案。

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