王曉琳 吳鵬飛 鐘 武

（1.中國船舶重工集團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)在臨時處突、調(diào)度、巡查中對移動指揮的需求十分強烈。與此同時，移動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］，在大型的行動中，這將對現(xiàn)場與指揮中心的傳輸帶寬提出很高的要求。

目前，遠(yuǎn)距離寬帶無線傳輸基本上基于公共無線網(wǎng)絡(luò)回傳或者衛(wèi)星回傳的方式實現(xiàn)，其中衛(wèi)星通信受限于資源，對于公共無線網(wǎng)絡(luò)而言，各運營商目前已經(jīng)實現(xiàn)了3G/4G網(wǎng)絡(luò)國內(nèi)90%區(qū)域的覆蓋，但是對于各運營商覆蓋效果良莠不齊，通過單運營商難以滿足長距離持續(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)下實現(xiàn)多運營商的聚合，大幅提升上行帶寬，滿足多指揮調(diào)度應(yīng)用場景需要；另一方面，能夠在公共網(wǎng)絡(luò)覆蓋不佳的情況下，通過專用網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)單點數(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 可視化移動指揮的通信現(xiàn)狀

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，無論是公共無線網(wǎng)絡(luò)或者是專用無線網(wǎng)絡(luò)都在往高帶寬以及高速率的方向演進(jìn)，移動指揮調(diào)度為了能夠最大化地獲取現(xiàn)場圖像以及態(tài)勢信息從而實現(xiàn)可視化指揮，對網(wǎng)絡(luò)帶寬提出了很高的要求，而當(dāng)前受限于無線通信技術(shù)的發(fā)展瓶頸，單個無線通信技術(shù)很難滿足各行業(yè)在面臨可視化指揮場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)可視化移動指揮業(yè)務(wù)需求中，對網(wǎng)絡(luò)帶寬提出較高要求的主要是視頻圖像以及視頻會議等業(yè)務(wù)。當(dāng)前移動指揮現(xiàn)場編隊之間，大多使用單運營商的3G/4G路由器提供數(shù)據(jù)的回傳，當(dāng)前運營商4G網(wǎng)絡(luò)速率如表2。

表2 各運營商LTE網(wǎng)絡(luò)強覆蓋區(qū)域峰值速率［4］

由上文可知，當(dāng)前可視化移動指揮的應(yīng)用在通信技術(shù)上仍有兩個方面的問題，一方面是編隊之間的寬帶通信問題，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，運動狀態(tài)時數(shù)據(jù)丟包率達(dá)到12%以上［5］，對于實時視頻流傳輸難以達(dá)到較好的效果；另一方面是編隊與指揮中心的寬帶通信問題，運營商由于側(cè)重于下行業(yè)務(wù)，單個運營商上行帶寬無法滿足可視化移動指揮所需要的帶寬資源，同時在各運營商弱覆蓋區(qū)域效果將會更差［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)計以及路由交換策略，在充分利用公共無線網(wǎng)絡(luò)資源的基礎(chǔ)上，通過專用無線網(wǎng)絡(luò)補充，以實現(xiàn)可視化移動指揮應(yīng)用對寬帶網(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指揮場景的應(yīng)用方式

多鏈路聚合通信設(shè)計通過實現(xiàn)公網(wǎng)多運營商鏈路［9］以及寬帶自組網(wǎng)鏈路進(jìn)行聚合，形成一個移動押解現(xiàn)場編隊之間、編隊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指揮過程中的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)高帶寬傳輸需要，另一方面通過路由策略調(diào)整，解決公網(wǎng)運營商無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果不一，寬帶自組網(wǎng)可靠性不高的問題。在針對移動指揮場景下，通過自組織網(wǎng)絡(luò)提供編隊之間的音視頻數(shù)據(jù)傳輸，通過公網(wǎng)聚合提供與指揮中心之間的音視頻傳輸；同時提供當(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指揮中的應(yīng)用模型

整個設(shè)計中存在公網(wǎng)鏈路聚合策略設(shè)計、實時流媒體數(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)計等關(guān)鍵技術(shù)的解決。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)

3.2.1 公網(wǎng)鏈路聚合策略設(shè)計

1）公網(wǎng)鏈路聚合策略

移動鏈路聚合與策略路由技術(shù)有兩部分組成，其中前端需要對現(xiàn)有信道質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測，并根據(jù)相應(yīng)的規(guī)則策略對文件進(jìn)行拆包分解，通過不同運營商通道回傳至服務(wù)端，后臺服務(wù)端完成對數(shù)據(jù)包的識別以及重組。

圖2 公網(wǎng)鏈路聚合流程

2）無線信道質(zhì)量監(jiān)測

無線質(zhì)量監(jiān)測的目的是為了在后續(xù)選路的時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)測的作用。無線質(zhì)量監(jiān)測將通過前端的4G模塊實現(xiàn)。以LTE為例，將無線質(zhì)量分為5檔（對于3G可以類似的進(jìn)行分級）。

表3 無線信道質(zhì)量權(quán)重分配

3）可傳輸速率監(jiān)測

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

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

（2）然后采用試探性增減的方式來探測鏈路實際可用帶寬，例如鏈路1質(zhì)量得分為100，通過試探性將其它鏈路上的包逐漸增加到鏈路1上，根據(jù)RTP包擴展的糾錯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。

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，報警為最高優(yōu)先級、對講其次、最后為音視頻流，權(quán)重分配為10，8，6，當(dāng)探測得到的可傳輸帶寬（探測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冗余糾錯包）時，先保證權(quán)重10的報警數(shù)據(jù)傳輸，再保證權(quán)重8的對講數(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 實時流媒體數(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)行實時圖像傳輸時需要采用糾錯機制對RTP包進(jìn)行恢復(fù)。

1）RTP流識別

因為RTP是動態(tài)端口，正常情況下RTP流的識別應(yīng)通過控制協(xié)議進(jìn)行，由于可能存在應(yīng)用使用私有協(xié)議的情況，此時不容易解析控制協(xié)議，考慮通過RTP流的特征進(jìn)行識別。其中同一個RTP流的序列號是連續(xù)的［8］，根據(jù)這個特征，可設(shè)置一定門限，當(dāng)收到連續(xù)序列號的包超過門限，即識別出RTP流。

2）RTP丟包恢復(fù)

例如在30%的丟包環(huán)境下，可采用每兩個RTP包發(fā)送一個糾錯冗余包的方式進(jìn)行恢復(fù)，這樣如果這三個包只丟失一個原始包，不同時丟失冗余包，即可恢復(fù)出來。30%丟包環(huán)境，這兩個同時丟失概率為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)用來保證。

3）動態(tài)糾錯冗余率調(diào)整

采用兩個RTP包發(fā)送一個冗余包的方式，會產(chǎn)生額外50%的帶寬需求，可以根據(jù)傳輸情況調(diào)整糾錯冗余包的冗余率，此時可以擴展協(xié)議，通過接收端反饋丟包率，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

通過網(wǎng)絡(luò)可傳速率進(jìn)行監(jiān)測，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)編隊中某臺車輛進(jìn)行隧道或公網(wǎng)覆蓋差區(qū)域時，無法達(dá)到數(shù)據(jù)回傳指揮中心要求，可通過寬帶自組網(wǎng)跳轉(zhuǎn)至其他車輛進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳。

2）當(dāng)編隊間寬帶自組網(wǎng)受干擾導(dǎo)致傳輸效率下降時，可通過公網(wǎng)對數(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)主要針對多鏈路聚合后通信速率進(jìn)行實際測試，圖3主要針對公網(wǎng)聚合后測試效果進(jìn)行了整理。

圖3對靜止?fàn)顟B(tài)下公網(wǎng)聚合上行速率與單網(wǎng)狀態(tài)下進(jìn)行了對比測試?？梢钥闯?，靜止?fàn)顟B(tài)下，各運營商網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)相對穩(wěn)定，波動幅度較小，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試

圖4對運動狀態(tài)下公網(wǎng)聚合上行速率與單網(wǎng)狀態(tài)下進(jìn)行了對比測試?？梢钥闯?，運動狀態(tài)下，各運營商網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)相對不穩(wěn)定，波動幅度較大，在實際應(yīng)用中，通信效果不佳。通過公網(wǎng)聚合后，一方面能夠提供相對穩(wěn)定的通信鏈路，另一方面，能夠進(jìn)行鏈路聚合擴展帶寬。

圖4 運動狀態(tài)下公網(wǎng)鏈路聚合上行速率測試

5 結(jié)語

對于可視化移動指揮的業(yè)務(wù)場景，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)需要解決的重點問題。本文通過對移動指揮現(xiàn)有的技術(shù)難點提出多鏈路聚合的設(shè)計方案，能夠基于低成本的情況大幅度提高通信帶寬，同時通過一系列的路由策略，保障通信鏈路的穩(wěn)定，能夠解決可視化移動指揮場景遇到的帶寬瓶頸問題。