一种短波通信可靠多播群组管理方法*

(空军工程大学 电讯工程学院，西安 710077)

1 引 言

短波数据通信由于其自身信道的不稳定性，相较于其它通信方式存在信道质量差、丢包率高等特点，且电离层的变化、多径干扰、衰落、频偏等因素都会影响数据的传输。

美军在MIL-STD-188-184军标中定义了无线多播数据链路协议；Johnson博士借鉴ACP142中的P-MUL协议定义了一种需要接收方反馈ACK/NCK信息的短波通信可靠多播协议；北约标准STANAG4538定义了一对数据传输协议HDL(High throughput Data Link)和LDL(Low latency Data Link)；Harris公司在HDL的基础上发展了一种新的数据链路传输协议HDL+，并在其生产的商业短波电台中提供了一种不需要答复的广播服务[1]。通过对这些协议的分析发现，目前短波多播群组管理方面还不是很完善。

在多播协议中群组管理是需要解决的一个重要问题，外军协议也未对多播的群组管理问题给出清晰的设计方案，网络结构只是传统的单层模型。多播数据传输网络内部成员数量并不固定，当有临时节点加入或退出时，存在工作效率低、节点处理时延较长、网络复杂度较高等问题。本文针对这些问题，在基于异步短波通信可靠多播协议条件下，提出一种树形分层多播网络群组管理模型，通过“分层”降低短波多播网络在有节点加入或退出时与网络内部成员的交互次数，使上述问题能得到明显改善。

2 异步短波通信可靠多播协议

由于第二代短波通信并没有实现发送方和接收方的时钟同步，故短波可靠多播传输协议都是基于异步反馈的条件，因此在实现可靠多播时存在的主要问题是反馈信息的信道争用方式[2]。

2.1 网络编号

短波网络中应对每个节点进行编号，以便区分和管理，同时要求编号自适应调整。当有节点加入时，其节点编号自动补到网络末尾；当有节点退出时，该节点编号由网络最末编号顶替。一般来说，发送数据的多播节点的网络编号为1，在网络内某一节点需要发送数据时，对应节点网络编号自动更新为1，而原1号节点的网络编号自动更新为当前多播节点的原网络编号，这主要是为了方便后面接收节点的超时计算。

2.2 反馈信息的发送

多播节点处理接收节点的反馈信息。反馈信息是在多播节点向网络内所有接收节点发送完全部数据之后传输，按照一定的信道争用方式顺序发送反馈信息，采用一个类似于令牌环的信道争用方式。以多播节点为例，在多播节点发送完全部数据后，各接收节点按照网络编号依次发送反馈信息，当编号为2的接收节点收到多播节点的数据发送完毕标志位之后，首先广播反馈信息，多播节点与其它接收节点都将收到这个信息，则编号为3及后续节点也将依次发送自己的反馈信息。

由于短波数据传输的低可靠性，所有二级节点特别是与自身编号相邻的接收节点可能会出现信息丢失情况，因此对于某一个接收节点从最近的一次接收到其它接收节点的反馈信息开始根据相应编号的差值计算并更新超时，多播节点同样计算并更新超时。单节点传输超时的设定略大于实际反馈信息发送所需的时间，同时对超时设定要确保满足以下条件：

Tturnar+(n-2)Ttran+Tmax>(n-2)Tmax+Ttran

(1)

(2)

式中，n为二级节点数，Tmax为实际节点反馈信息需要的传输时间，Tturnar是链路轮回时间，Ttran是为单节点超时设定。

这样保证了在极限情况下反馈信道不发生拥塞：即在编号为n-1的接收节点没有收到任何前面接收节点反馈信息，同时其它接收节点均可以正确接收反馈信息；编号为n的接收节点无法接收到编号为n-1的接收节点反馈信息的情况下，编号为n-1的节点从多播节点接收信息的接收标志开始计算超时后发送反馈信息，仍然与编号为n的接收节点接收到编号为n-2的接收节点的反馈信息开始计算超时后发送发反馈信息的数据不发生碰撞。

2.3 反馈信息的处理

当接收节点返回的是ACK信息时，则不再接收多播节点，针对其它接收节点要求重发数据，直到新一轮多播开始。

对于多播节点在接收到反馈信息之后，自动记录返回ACK或NCK的子网编号，同时根据所有的NCK信息确定需要重发的数据包队列。实际中存在多播节点未收到某一个接收节点的反馈信息，系统设定若在第五次多播中仍没有这个接收节点的反馈信息，则认为这个接收节点第一次丢失的是ACK信息，系统默认该接收节点已经可靠接收全部数据，多播节点就不需要继续给该节点发送数据。若存在只有一个接收节点的反馈信息丢失而其它节点均为ACK信息的情况，多播节点无法确认丢失为何种反馈信息及需要重传的数据包队列，就将上一次发送的数据包队列进行重新发送。

3 网络节点变动时延分析

3.1 单层多播网络

单层多播网络是单个多播节点对多个接收节点的单层网络结构(见图1)，当有一个节点或多个节点需要加入或退出该网络时，则需要通知该网络的所有节点。

图1 单层多播网络模型

假设多播网络有n个节点，采用异步短波可靠多播协议，若有m个节点需加入该网络，则必须通知网络中所有节点。为了防止频率冲突，该节点不能在网络多播时加入，而且该节点不是网络成员，所以不能以广播形式通知该网络的所有节点，故只能采取点对点的方式进行通知。在通知过程中，若出现数据丢失，则丢失数据的节点根据反馈到该节点的信息来确定重发的数据。当该节点收到网络内所有节点的确认信息后，该节点加入网络成功，直到m个节点均加入到该网络为止。

假设添加第一个节点时网络有n个节点，Pe为数据交付率，T服从二项分布，xi为概率大小，则：

TT1ωXiPe1-Pe

其中T1为发送信息的时间和收到确认信息所用的时间之和，t为通知一个节点成功所需时间，则添加1个节点所需总时间为

Tall=[T1·Pe+ω·(1-Pe)]·n+t·n

(3)

令t=T1·Pe+ω·(1-Pe)，则添加m个节点需要的时间为

T=tn+t(n+1)+…+t(n+m-1)=

(4)

而网络内节点的退出分为两种情况。第一种是某节点通知网络退出的情况，该节点必须通知网络内所有节点，发送退出信息，并处理反馈信息，在收到网络内所有节点的确认反馈信息后，该节点退出。网络内节点总数为n，退出节点数为m，数据交付率为Pe，则若退出m个节点需要的时间为

(5)

第二种是某节点在未通知网络的情况下退出，此时，多播节点在多播时将不会得到该节点的反馈信息，根据若干次超时计算，多播节点就判定该节点退出，并将这一信息多播给网络其它节点，在收到所有节点反馈信息后，该节点确认退出。

3.2 分层多播网络

在短波网络初建时将整个网络划分为若干个子网络[3]，子网不影响各节点之间的点对点通信(如图2)。各子网中规定一个节点作为该子网的首节点，即群首节点，另外规定一个节点作为备用群首节点，设置备用群首节点是为了避免该子网群首节点变为下次多播节点而导致加入网络失败，当群首节点成为下次多播节点时，备用节点将顶替该群首节点，成为该子网新的群首节点。临时有节点加入网络时，在可覆盖范围内，根据链路质量分析原则任意加入到与自己通信状况最好的群首节点，并加入该群首节点所在的子网中[4]。

图2 分层可靠多播网络模型

子网内的群首节点可以由任意节点担任，但是在网络建立初期就已经选定好。

假设分层多播网络内有n个节点，有m个节点需加入该网络，并设子网数量为P，每组成员(节点)不固定，采用异步短波可靠多播协议。当有节点需要加入网络时，首先根据链路质量分析原则判定与哪一群首节点通信状况最好，则其确定加入哪一子网络，欲加入网络的节点不必像单层多播网络那样去通知所有的网络成员，该节点只需通知其所加入子网的群首节点和备用群首节点即可；当有节点退出时，该节点同样只需通知所在群群首节点和备用节点即可，所以：

Tall=2t

(6)

由于子网的划分数量和网络规模、可用频点数量、网络中信道质量因素之间的关系还未进行深入研究，故未能给出在有多个节点需要加入或退出网络时的具体最优分组方法，只是推导出其所需的最大时间，但对体现这种分层模型的优越性并无影响。所以m个节点加入或退出时所需时间为

T=2tm<最大时间>

(7)

4 仿真与分析

4.1 仿真环境及参数设置

使用Matlab软件对两种模型节点变动时处理时延进行模拟分析，实验结果选择相同参数情况下多次测试的平均值。设定反馈信息的分组交付率为0.8、0.85、0.9、0.95，单个数据包的传输时间为4.8 s，链路轮回时间设置为1.5 s。仿真中设整个网络有30个节点。仿真结果如图3和图4所示。

图3 节点加入处理延时曲线

4.2 仿真结果分析

短波数据通信由于其自身的信道特点，如信道质量差、数据传输时丢包与错误概率高，要实现可靠传输则需要重传的次数也较多，对传输延时影响较大[5]。

通过对两种网络模型的比较，由图3和图4可以看出，当网络有临时节点加入和退出时，要交互的节点过多，工作效率低，节点处理时延受节点加入和退出数量的影响较明显；而分层网络模型在网络内节点变动时影响不大，当有临时节点加入或退出时，只需通知该群组的群首节点和备用节点即可，使得交互次数明显减少，降低了节点管理的处理时延。通过仿真比较可以明显看出，该分层模型在有节点加入、退出等群组管理时具有优越性并且较单层模型有了很大改善。

图4 节点删除处理延时曲线

此外由仿真结果可以看到，节点处理时延与节点个数呈线性关系，且受到数据交付率的影响；而分层可靠多播网络模型在网络节点变动时，受数据分组交付率影响较小，传输的可靠性较单层网络模型也有很大提高。

5 结 论

目前，我国的短波网络化发展尚处于起步阶段，可靠多播通信协议和规程并不完善，其中群组管理是短波可靠多播协议的一个重要部分，它影响到多播过程能否高效、可靠地运行。本文通过网络分层方法来进行多播群组管理，对临时节点加入或退出网络的节点处理时延进行了具体分析和比较。理论分析和仿真结果表明，该方法可为未来短波多播协议的完善起到一定的参考作用，在短波多播业务中也有良好的实用价值。进一步研究的重点是当多播通信过程中正常节点成为盲节点时，群首节点对盲节点当前状态的判定和处理问题。

参考文献：

[1] Eric Koski. Concepts for A Reliable Multicast Data Link Protocol for HF Radio Communications[R].[S.l.]:Harris Corporation Rochester,2009.

[2] Johnson E E, Balakrishnan M，Tang Z. Impact of Turnaround Time on Wireless MAC Protocols[C]//Proceedings of MILCOM 2003. Boston:IEEE, 2003：375-381.

[3] 林祥军.多对多组岛层级可靠组播的研究与设计[D]. 吉林：吉林大学，2005.

LIN Xiang-jun.The Research and Design of the Reliable Many-to-Many Group Islands Level Multicast[D]. Jilin: Jilin University, 2005. (in Chinese)

[4] Zhang Huiyan，Eric E Johnson. A Third-Generation Multicast Protocol for HF Wireless Networks[D].Las Cruces,New Mexico:New Mexico State University,2005.

[5] 黄庆宁.低速率短波传输系统中混合ARQ技术实现[D].南京：东南大学，2005.

HUANG Qing-ning.Mix ARQ Techniques Implement in Low-spreed of HF Transmit System [D]. Nanjing: Southeast University, 2005. (in Chinese)