战术通信网络的资源管理技术研究

王 俊，田永春

0 引言

战术通信网络以无线信道为主，具有多种网络并存，具有带宽资源有限、节点机动性、用户移动性、抗毁性和安全性等特点。但是，随着业务系统的信息需求快速增长，战术通信网络的无线信道带宽受限、信息传输速率不高和业务容量小等特点，带来了通信服务质量差和带宽利用率低等一系列问题，极大地降低了战术通信系统的效率［1－2］。

通常用户对各种业务和应用体验的满意程度通过服务质量(QoS)来衡量［3－4］。因此，如何在有限、可用的通信资源基础上，实现动态地配置网络资源，提高数据传输效率，有效保障端到端多类型业务传输服务质量(QoS)是当前迫切需要解决的问题。

目前实现QoS最常见的方法和途径是实现资源的过量配置，特别是有线的IP网络，其趋势是传输带宽越来越宽、传输速度越来越快。而对于战术通信网络，一方面由于其接入手段涵盖了空天地等接入方式，其传输链路的特点也各不相同，另一方面由于其传输链路多为无线方式，造成网络资源尤其是带宽资源非常有限、变化也相对于有线网更频繁。要想实现资源的过量配置技术难度大，同时短期无法实现。因此文中采用另一种思路来实现QoS，即在现有通信资源的基础上，进行优化利用，这种思路通常称为资源管理。其目标是通过一定的策略对战术通信网络进行实时、可预见、智能化和协调一致的调整和干预，对用户行为、链路资源以及网络路由交换资源等进行动态控制，以实现整个网络资源的合理与高效利用，以达到保证整个网络的稳定性和可靠性，保障在战术通信网络上进行的各种业务的服务质量(QoS)的目的［5－6］。

1 分层体制下业务QoS保障的缺陷

目前基于IP技术体制的网络都是基于分层的设计，这种思想简化了网络设计的同时也暴露出了很大的不灵活性，具体如下:

1)在战术通信网络中，不同的业务通常有不同的重要程度，包括业务优先级与用户优先级，这两种优先级通常都体现在业务的控制信令中，而网络层在转发时通常只关注IP消息本身，而不关注IP载荷。而在IP消息头中的只有TOS或DSCP字段能够体现出IP消息的优先级，但这仅仅用于区分服务模型，并且业务优先级以及用户优先级与TOS或DSCP值之间没有建立起关联。

2)每种业务都对网络资源有一定的需求，目前的分层接口之间并未传递这样的信息，导致应用层产生业务，网络层尽力转发;网络层拥塞，应用层在不知情的情况下仍然产生业务，最终使得业务均不受控制，很容易造成网络拥塞。

3)IP通信网的路由协议通常只会选择出最优的一个下一跳地址作为到达某个目的地的路由，因此所有发往某个目的地的IP消息都会往该路由投递。对于网络资源稀缺的战术通信网来说很容易造成网络拥塞，并且发生拥塞后路由也无法即时更新，最终导致业务的用户体验下降。

图1 资源管理总体框架Fig．1 Overall framework for resource management

因此，为了更好地保障业务的QoS，需要引入跨层思想，将应用层产生的业务对网络资源的需求提取出来，同时将网络层当前的资源状况获取到，两者进行分析和对接，确保每个业务都可观可控。

2 战术通信网络的资源管理框架

针对通用IP分层体制暴露出的问题，文中采用跨层设计的思想，以业务流为主线，提出战术通信网络的跨层资源管理的思路和总体框架，对业务特征提取、业务接纳控制、业务控制、资源预留、信道分配、队列调度、端到端QoS多径路由等各个方面进行融合设计，以满足战术通信网络对资源整体优化以及对业务提供端到端QoS保障的需求。当中综合考虑了基于流的实时性业务以及基于分组的非实时性业务两种业务类型以及节点处于用户节点和网络节点两种角色的节点类型，同时还考虑了业务在控制平面和数据平面的情况，具体如图1所示。

为了在对业务提供QoS保障的同时提高网络的效率，文中将执行资源管理的功能划分为了6个主要的逻辑功能实体，即业务特征提取与映射、业务接纳控制、业务控制、QoS选路、队列(分为了综合服务队列与区分服务队列)以及信道传输，他们根据业务的不同类型按照不同的资源管理要求进行处理。在图1中，中间部分是6个资源管理逻辑功能实体，对业务逐次进行处理;右边部分是各个资源管理逻辑功能实体所产生的与资源管理相关的输出参数;左边是各个资源管理逻辑功能实体在处理业务时需要使用的输入参数。此外，虚线箭头代表业务的控制平面，而实线箭头代表业务的数据平面。文中提出的资源管理思路如下。

1)业务从应用层产生，首先经过业务特征提取与映射处理。提取出业务属性(包括业务标识和优先级)以及用户属性(用户标识和优先级)，并将该业务的要求映射成为定量的资源要求与传输要求，这些信息将作为下面各层资源管理逻辑功能模块的输入参数与判断依据。

2)当提取了业务特征之后，业务控制需要对业务进行业务接纳控制处理。一方面业务接纳控制将根据业务和用户的优先级等信息确定该业务和相关用户的重要程度;另一方面是对该业务对资源的需求(包括资源要求和传输要求等)和当前的网络资源状况进行对比，以确定网络当前是否有能力为该业务提供服务，或能够为该业务提供QoS保障。综合两个方面进行分析，最终确定是否接纳该业务，或向用户协商是否需要降级提供服务。

如果接纳该业务，首先，业务控制将对业务进行分类，确定该业务是基于流的实时性业务还是基于分组的非实时性业务，并且通过用户标识解析出对端IP地址;其次，将根据业务和用户的优先级等信息确定该业务和相关用户的重要程度;再次，对该业务对资源的需求(包括资源要求和传输要求等)和当前的网络资源状况进行对比。通过三个方面的综合分析，最终确定为该业务提供基于何种等级的服务:综合服务、区分服务或者尽力而为的服务。

3)业务控制处理后，则将对该业务进行QoS选路。在选路时，首先根据业务QoS保障等级，将业务分为综合服务保障以及区分服务保障两类。然后再以业务的资源要求、传输要求和IP地址为依据，结合本节点的资源状态和QoS路由协议生产的多径QoS路由表所提供的端到端资源态势情况，选择一条合适的路径。

4)当QoS选路完成后，业务将进入队列调度处理。队列调度将根据业务控制对业务的QoS保障等级的划分结果将业务插入到综合服务队列与区分服务队列(尽力而为服务队列默认作为区分服务队列的最低优先级)中，并根据传输要求对不同业务执行不同的调度算法，同时根据下层网络传输资源状况执行出队列操作。同时队列也将根据上层的资源预留要求对不同标记的业务预留相应的综合服务队列资源，并将下层网络传输资源状况与队列资源状况综合分析并进行虚拟化处理，生成可供上层应用、业务控制、路由识别与比较的网络资源状况。

5)在信道传输时，将根据不同的标记进行传输，并根据资源预留请求预留信道资源。同时信道传输模块将监控传输资源状态，以便及时将网络传输资源状况传递给队列调度模块进行综合的资源虚拟化处理。信道传输主要执行不同的MAC接入协议、信道分配算法等。

3 资源管理的关键技术

3． 1 多径QoS路由协议

该项关键技术主要为上层的业务控制提供接纳控制依据，同时也为每个业务提供选路的依据。

由于用户对于基于流的实时性业务的会话建立时延较为敏感，因此，需要在业务产生时就能够获取到第一手的从源端到目的端之间各条路径的网络资源状况，特别是带宽资源状况。这就要求多径QoS路由协议能够随时对整个子网(域)内的网络资源状况有个初步的掌握。因此多径QoS路由协议采用主动式的路由方式，通过携带有跳数信息和单节点带宽信息的路由更新消息的交互，计算出本节点到其他各个节点的多径QoS路由，每条路径都以跳数和估算出的端到端带宽信息为衡量依据。

其中，端到端带宽信息通过单节点带宽带宽与跳数信息进行估算:

设 P={p1，p2，…，pn}代表一条路径，pk(1≤k≤n)为某路径上第k个节点，p1为源节点，pn为目的节点，bk为第k个节点的可用带宽。对跳数≤3的路径，路径可用带宽计算为Bp=min{bk|1≤k≤n}/n;否则，Bp=min{bk|1≤k≤n}/4，Bp除以路径跳数是考虑到流内的干扰，而4跳以后流内干扰变为恒定值［7］。

这样，从源节点到目的节点之间就存在多跳路径，并且每条路径都有其跳数和大致的带宽范围信息，便于当某条路径拥塞后仍然能有备选路径可供选择。

3． 2 基于业务类型的QoS保障模式

该项关键技术主要为实时性(需要建链)以及非实时性(不需要建链)业务提供有针对性的QoS保障服务。

从技术角度，QoS是一组服务要求的参数，网络必须满足这些参数才能确保数据传输的相应服务级别，具体可量化为带宽、时延、抖动、丢失率等性能指标。根据不同业务所关注的指标的不同，将业务分为两个大类，即基于流的实时性业务、基于分组的非实时性业务。其中，基于流的实时性业务包含话音、视频以及文件传输等类型的业务，涵盖了控制平面和数据平面两部分，首先，通过控制平面会话控制信令进行端到端建立连接，然后再传输数据平面的业务媒体数据;基于分组的非实时性业务则包括消息、邮件、指控等类型的业务，主要体现在数据平面，直接发送业务数据，无需建立连接。

因此，针对这两种业务，采用综合服务、区分服务以及尽力而为服务(以最低优先级的区分服务形式体现)共存的QoS保障模式，并且在为业务制定服务等级时还同时考虑到业务属性以及用户属性，即业务本身的优先级以及业务相关联用户的优先级因素。在网络资源足够的情况下，基于流的实时性业务都按照综合服务保障类型进行QoS保障，基于分组的非实时性业务都按照区分服务保障类型进行QoS保障。当网络资源不足或者综合服务队列拥塞时，只为优先级高的实时性业务提供综合服务保障，而优先级低的实时性业务则根据用户选择拒绝服务或者降级为区分服务保障类型。同理，对于基于分组的非实时性业务，在网络资源足够的情况下，提供区分服务保障，当网络资源不足或者区分服务队列拥塞时，则根据用户选择拒绝服务或者降级为最低优先级的区分服务保障类型，等同于尽力而为服务保障类型。

这样，就能够确保实时性业务数据流的一系列数据分组均按照相对固定的路径进行传输，从而降低抖动时延。而让非实时性业务数据分组根据即时网络状态进行选路。

3． 3 动态资源预留

该项关键技术主要解决实时性业务在建链过程中由于网络资源变化但未即时更新QoS路由表所导致资源预留不成功的问题。

基于Ad Hoc的战术通信网络是一个网络资源动态变化的网络，虽然多径QoS路由表能够提供一个大概的全子网(域)范围内的资源态势信息，但多径QoS路由的原理是主动式路由触发方式，路由信息的更新具有周期，因此，当前的多径QoS路由表所提供的端到端带宽等信息通常是几秒钟前的信息，只能为QoS选路提供一个大致的参考，不一定是最准确和真实的。因此，在资源预留建立预留路径通道时，需要引入修正机制，以应对执行预留的途中发现当前资源不够的情况。具体原理如图2所示。

图2 动态资源预留原理Fig．2 Principle for dynamic resource reservation

其中，源节点S，目的地节点D，假如根据多径QoS路由表提供的信息建立的预留通道为S－1－2－3－D，而当通道建立的过程中，预留信令走到节点3后发现3－D的路径不能满足资源预留的要求，则节点3则会就地寻找新的合适的路径，如果找不到新的合适的路径，则会向上一跳节点报告资源预留通道建立失败，节点2也会就地寻找新的合适的路径，找不到则会向2的上一跳报告资源预留通道建立失败，如果节点1找到了新的合适的路径，假设是1－7，则会从节点1新建立一条资源预留通道，假设为S－1－7－6－D。假如所有节点都找不到新的合适的路径，则资源预留通道建立失败的信息最终会反馈到源节点S处，最终导致业务会话建立失败。

这样，当网络资源发生改变但还未来得及更新多径路由表的情况下，也能够确保实时性业务数据流即使选择到不合适的路径后也能够通过修正而选择到合适的路径。

4 仿真验证

使用OPNET 14．5对资源管理技术进行仿真试验，考察资源在同样的网络场景、不同业务情况下管理技术对具有代表性的话音业务性能的影响，包括会话业务的建立时延、话音媒体抖动等方面。试验分两次进行仿真，其仿真试验场景和业务参数如图3和表1所示。

图3 仿真试验场景Fig．3 Simulation scenario

表1 两次仿真试验的业务参数Table 1 Parameters for two business simulation

第一次仿真试验结果如图4所示，分别从话音会话控制信令建立时延、话音媒体数据抖动时延、话音媒体数据丢失率三个方面对比Voice1和Voice2的结果。

图4 第一次仿真试验的结果Fig．4 Results for first simulation

其中，在话音会话控制信令建立时延和话音媒体数据抖动时延的对比中，浅色细线代表没有使用资源管理的情况，深色粗线代表使用了资源管理的情况。通过分析可以看出，无论是否使用资源管理技术，在会话建立时延方面差别不大，总体上都控制在0．5 s以内。而在话音数据抖动时延方面，可以看出采用了资源管理技术的情况，话音抖动非常小，几乎为零;而未采用资源管理的情况下，话音抖动在0．012 ～0．014 s之间，抖动时延相对较大。

在话音媒体数据包的丢失率方面，浅色细线代表话音媒体数据发送量，深色粗线代表话音媒体数据接收量。通过分析可以看出，采用了资源管理的情况下，话音媒体数据几乎不存在丢包情况，而未采用资源管理的情况下，存在较大的丢包率，通话质量较差。

第二次仿真试验结果如图5所示，分别从话音会话控制信令建立时延、话音媒体数据抖动时延、话音媒体数据端到端传输时延以及突发数据业务端到端传输时延四个方面对比。

图5 第二次仿真试验的结果Fig．5 Results for second simulation

其中，浅色细线代表没有使用资源管理的情况，深色粗线代表使用了资源管理的情况。通过分析可以看出，无论使用还是不使用资源管理技术，在话音会话控制信令的会话建立时延方面差别不大，总体上都控制在0．5 s以内。在话音媒体数据的抖动时延方面，可以看出采用了资源管理技术的情况，话音抖动非常小，分布在 0左右，最大的抖动仅为0．001 5 s;而未采用资源管理的情况下，可以看到在100～124 s、188～200 s的区间，由于网络带宽能够满足业务需求，业务数据包均按照路由协议选择的路径传输，因此话音抖动很小，分布在0左右;但在124～188 s的区间，由于网络中存在突发数据Data1、2、3、4，网络带宽供不应求，四路突发数据与原先Voice1、2的话音业务处于不受控的自由竞争中，造成有的Voice1、2数据包发生丢弃或者被迫选择其他路径进行传输，从而导致话音抖动比较剧烈，对通话质量有一定的影响。在话音媒体数据的端到端传输时延方面，使用了资源管理技术的情况下，话音响应时延很稳定，在0．25～0．3 s之间;而没有采用资源管理技术的情况下，端到端传输时延就有较大的差别，时延分布在 0．25～4．4 s之间，在 100～124 s、188 ～ 200 s的区间，时延稳定在0．25 s左右，在124～188 s的区间，时延呈上涨趋势，最大涨到了4．4 s，端到端传输时延的不稳定，产生这种现象的原因与抖动时延的产生原因相同。在突发数据业务的端到端传输时延方面，使用了资源管理的情况下，发送10K字节的报文需要2．6 s左右的响应时延;而未使用资源管理的情况下，四个突发业务数据的端到端时延呈上升趋势分别为4．4 s、5．1 s、6．0 s以及6．8 s。

通过以上两组仿真试验的对比分析，战术通信网络的资源管理技术对业务的QoS保障的效果是非常明显的，在同样的网络资源状况下，使用资源管理技术能够在不牺牲明显的会话建立时延的基础上，有效降低抖动时延、端到端传输时延以及丢包率。

6 结语

未来的战术通信网络将采用全IP的和面向服务的技术体制，因此如何管理网络通信资源并且提高业务的QoS，是急需解决的问题。文中针对该问题提出了一种全新的跨层协作的资源管理解决思路，通过在资源管理总体框架、多径QoS路由、QoS保障措施以及动态资源预留等方面进行了探索和创新，达到了资源的优化利用和业务服务质量的提高，并最终用仿真进行了验证。

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