多链路聚合通信在移动指挥场景的设计∗

王晓琳 吴鹏飞 钟 武

（1.中国船舶重工集团公司第七二二研究所 武汉 430207）（2.武汉迈力特通信有限公司 武汉 430207）

1 引言

当前，各行业在临时处突、调度、巡查中对移动指挥的需求十分强烈。与此同时，移动指挥从前期的话音指挥也逐步延伸为可视化图形指挥［1～2］，在大型的行动中，这将对现场与指挥中心的传输带宽提出很高的要求。

目前，远距离宽带无线传输基本上基于公共无线网络回传或者卫星回传的方式实现，其中卫星通信受限于资源，对于公共无线网络而言，各运营商目前已经实现了3G/4G网络国内90%区域的覆盖，但是对于各运营商覆盖效果良莠不齐，通过单运营商难以满足长距离持续的数据上传要求。

因此，需要探索一种多聚合通信［6］方式，一方面能够在3G/4G网络下实现多运营商的聚合，大幅提升上行带宽，满足多指挥调度应用场景需要；另一方面，能够在公共网络覆盖不佳的情况下，通过专用网络实现单点数据路由切换与转发，用以保障数据有效回传。

2 可视化移动指挥的通信现状

随着无线通信技术的发展，无论是公共无线网络或者是专用无线网络都在往高带宽以及高速率的方向演进，移动指挥调度为了能够最大化地获取现场图像以及态势信息从而实现可视化指挥，对网络带宽提出了很高的要求，而当前受限于无线通信技术的发展瓶颈，单个无线通信技术很难满足各行业在面临可视化指挥场景中所需要的基本数据传输要求。

表1 各行业在移动指挥中的通信现状及需求分析［10～12］

由上表分析可，在当前各行业可视化移动指挥业务需求中，对网络带宽提出较高要求的主要是视频图像以及视频会议等业务。当前移动指挥现场编队之间，大多使用单运营商的3G/4G路由器提供数据的回传，当前运营商4G网络速率如表2。

表2 各运营商LTE网络强覆盖区域峰值速率［4］

由上文可知，当前可视化移动指挥的应用在通信技术上仍有两个方面的问题，一方面是编队之间的宽带通信问题，虽然现在各厂商推出了宽带自组网技术［7］，但是受环境影响以较大，运动状态时数据丢包率达到12%以上［5］，对于实时视频流传输难以达到较好的效果；另一方面是编队与指挥中心的宽带通信问题，运营商由于侧重于下行业务，单个运营商上行带宽无法满足可视化移动指挥所需要的带宽资源，同时在各运营商弱覆盖区域效果将会更差［3］。

基于此现状，本文提出一种基于多链路聚合通信的网络设计以及路由交换策略，在充分利用公共无线网络资源的基础上，通过专用无线网络补充，以实现可视化移动指挥应用对宽带网络通信的需要。

3 多链路聚合通信方案

3.1 基于多链路聚合通信在可视化移动指挥场景的应用方式

多链路聚合通信设计通过实现公网多运营商链路［9］以及宽带自组网链路进行聚合，形成一个移动押解现场编队之间、编队与指挥中心之间的融合宽带网络，一方面满足可视化移动指挥过程中的数据业务高带宽传输需要，另一方面通过路由策略调整，解决公网运营商无线网络覆盖效果不一，宽带自组网可靠性不高的问题。在针对移动指挥场景下，通过自组织网络提供编队之间的音视频数据传输，通过公网聚合提供与指挥中心之间的音视频传输；同时提供当宽带自组网连通性不够以及公网覆盖较差的场景下多种路由交换策略，以保障数据之间的有效交互。

图1 多链路聚合通信在可视化移动指挥中的应用模型

整个设计中存在公网链路聚合策略设计、实时流媒体数据可靠传输技术以及公专网链路聚合路由策略设计等关键技术的解决。

3.2 关键技术的实现

3.2.1 公网链路聚合策略设计

1）公网链路聚合策略

移动链路聚合与策略路由技术有两部分组成，其中前端需要对现有信道质量进行监测，并根据相应的规则策略对文件进行拆包分解，通过不同运营商通道回传至服务端，后台服务端完成对数据包的识别以及重组。

图2 公网链路聚合流程

2）无线信道质量监测

无线质量监测的目的是为了在后续选路的时候挑选比较好的链路或者避免比较坏的链路，起到类似事前预测的作用。无线质量监测将通过前端的4G模块实现。以LTE为例，将无线质量分为5档（对于3G可以类似的进行分级）。

表3 无线信道质量权重分配

3）可传输速率监测

可传输速率分和无线质量分加到一起得到路由链路总得分。通过得分权重对文件进行比例分包，由不同链路通道进行传输。具体实现如下。

（1）当前端与后台服务端之间每成功收到一个单向包，根据大小和时间戳间隔（需要精确同步）计算实时带宽，网络时延包括传输时延以及处理时延，其中处理时延非线性，以此作为基准带宽。

（2）然后采用试探性增减的方式来探测链路实际可用带宽，例如链路1质量得分为100，通过试探性将其它链路上的包逐渐增加到链路1上，根据RTP包扩展的纠错冗余包反馈的丢包率判断是否能继续增加，如果丢包率变化还在容许门限内，则继续增加，这样可以得到一个极限值，可得到链路1上行传输速率。上行链路传输速率将进行分级。

表4 可传输速率权重分配

4）QOS保证策略

优先的区分处理如下。

（1）业务类型区分：业务类型根据地址区分，报警为最高优先级、对讲其次、最后为音视频流，权重分配为10，8，6，当探测得到的可传输带宽（探测到的模块传输总速率）小于总传输需求（收到的包的总速率+RTP冗余纠错包）时，先保证权重10的报警数据传输，再保证权重8的对讲数据，低权重的业务数据被丢弃。

（2）终端类型区分：终端类型根据终端IP地址区分，编队指挥车权重最高为10，指挥中心终端其次为8，最后为其他车辆终端，优先保障指挥车请求的数据

（3）带宽预留：给特定业务（特定地址）或特定终端（特定地址）预留带宽。

3.2.2 实时流媒体数据可靠传输技术

考虑到宽带自组网丢包率较高，在进行实时图像传输时需要采用纠错机制对RTP包进行恢复。

1）RTP流识别

因为RTP是动态端口，正常情况下RTP流的识别应通过控制协议进行，由于可能存在应用使用私有协议的情况，此时不容易解析控制协议，考虑通过RTP流的特征进行识别。其中同一个RTP流的序列号是连续的［8］，根据这个特征，可设置一定门限，当收到连续序列号的包超过门限，即识别出RTP流。

2）RTP丢包恢复

例如在30%的丢包环境下，可采用每两个RTP包发送一个纠错冗余包的方式进行恢复，这样如果这三个包只丢失一个原始包，不同时丢失冗余包，即可恢复出来。30%丢包环境，这两个同时丢失概率为9%，可保证91%的数据传输正确，余下的9%可由源和目的端的视频流应用来保证。

3）动态纠错冗余率调整

采用两个RTP包发送一个冗余包的方式，会产生额外50%的带宽需求，可以根据传输情况调整纠错冗余包的冗余率，此时可以扩展协议，通过接收端反馈丢包率，前端根据丢包率调整冗余率。

3.2.3 聚合路由切换策略设计

通过网络可传速率进行监测，掌握宽带自组网以及公网链路状态，根据门限值设定路由交换策略。

1）当编队中某台车辆进行隧道或公网覆盖差区域时，无法达到数据回传指挥中心要求，可通过宽带自组网跳转至其他车辆进行数据回传。

2）当编队间宽带自组网受干扰导致传输效率下降时，可通过公网对数据进行转发至其他车辆。

4 数值与结果分析

本节主要针对多链路聚合后通信速率进行实际测试，图3主要针对公网聚合后测试效果进行了整理。

图3对静止状态下公网聚合上行速率与单网状态下进行了对比测试。可以看出，静止状态下，各运营商网络状态相对稳定，波动幅度较小，聚合后效果可以达到10Mbps上行速率，能够在一定程度上提高上行带宽，提高使用效果。

图3 静止状态下公网链路聚合上行速率测试

图4对运动状态下公网聚合上行速率与单网状态下进行了对比测试。可以看出，运动状态下，各运营商网络状态相对不稳定，波动幅度较大，在实际应用中，通信效果不佳。通过公网聚合后，一方面能够提供相对稳定的通信链路，另一方面，能够进行链路聚合扩展带宽。

图4 运动状态下公网链路聚合上行速率测试

5 结语

对于可视化移动指挥的业务场景，如何提供可靠的通信链路以及稳定的高带宽是业务需要解决的重点问题。本文通过对移动指挥现有的技术难点提出多链路聚合的设计方案，能够基于低成本的情况大幅度提高通信带宽，同时通过一系列的路由策略，保障通信链路的稳定，能够解决可视化移动指挥场景遇到的带宽瓶颈问题。