0 引　言

随着电子信息、网络通信等技术的快速发展，越来越多的无线通信手段在舰船上得到了部署和运用，涵盖卫星、短波、超短波、微波、光等多种通信频段。由于信道特性、传播方式、技术体制的不同，各无线通信手段在覆盖范围、传输速率、业务承载等传输能力方面存在较大的差异。例如，卫星通信覆盖范围广、传输速率高，可承担大容量业务信息的传输；短波通信主要通过海面波传输，可提供超视距的基本连通性保障^[1]。而与此同时，随着舰船业务的不断拓展，其所需要传输的业务也越来越多，不同业务在传输带宽、时延、可靠性等方面的通信需求各有不同。因此，海上业务传输需求的多样性以及海上无线信道传输能力的差异化，要求海上通信网络必须能够自适应调度各类无线通信手段，按需为各类业务提供传输服务，在确保各类不同业务的传输质量的同时提高多种无线通信手段的资源利用率。多无线信道资源调度技术的目标是实现多类无线信道资源的按需调度，成为解决此类问题的重要途径^[2]，也是近年来信息通信领域的研究重点。晁小雨等^[3]采用基于层次分析法的网络接入策略，从多种通信手段中优选一种手段进行网络接入，但由于只是选择了单一网络进行接入，网络资源综合利用率不高。詹长健等^[4]采用多资源感知与自适应传输技术，构建了一种多无线信道的空地综合网络系统，使得高容迟性业务通过卫星链路传输，避免使用超低时延链路，该技术主要针对卫星信道特性以及大容量业务进行设计，并不完全适用于对传输时延要求较高的业务。李可惟等^[5]在媒体接入控制（Media Access Control, MAC）层提出了一种多信道传输协议，节点间通过请求发送/允许发送（Request To Send/Clear To Send, RTS/CTS）交换时延信息与传输方案，以避免传输冲突造成的低信道利用率和能量损失，该算法主要针对水声信道高时延、低速率的传输特性进行设计，具有一定的应用局限性。李可惟等^[6]通过比较虚拟专用网络（Virtual Private Network, VPN）与Socks5等协议的优缺点，提出了一种多信道分流传输和合流算法，较好实现了多信道业务传输，该算法采用隧道机制，通过客户端-服务器端模式实现，主要针对面向连接的、基于传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）的业务有效。张宣^[7]设计了基于马尔可夫模型的时延预测算法以及链路分级调度算法，从而保障复杂场景下的信息传输能力，该算法主要以时延大小衡量业务的传输效果，未综合考虑带宽、可靠性等传输需求。谢贯楠等^[8]针对流媒体业务传输，提出了并行传输子流速率分配、多路数据包调度、拥塞控制等策略，提高了用户业务满意度，适用于话音、视频等业务传输。张治霖等^[9]利用效用函数对网络属性值进行标准化，利用改进的逼近最优解排序法（Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution, TOPSIS）对候选方案进行排序，以降低接入成本和提高业务完成率，该算法运算复杂度较高，并不适合实时业务的传输需求。赵夙等^[10]提出一种自适应网络编码的多路径并发传输控制算法，引入强化学习，通过自适应的网络编码，根据当前网络状况智能地选择编码分组大小与冗余大小，从而解决数据包的乱序问题，该算法要对网络进行强化学习，预测和对业务数据再编码，复杂度较高。

由于不同业务对带宽、时延、可靠性等方面的传输需求不同，而上述算法均未根据业务的不同传输需求对无线信道进行差异化调度，使得算法只适用于特定业务的传输，无法确保对更多业务都具有适用性，且上述算法针对的都是单跳可达的传输手段，对于多跳传输网络并未考虑，不完全适用于海上无线传输环境。因此，本文针对海上业务传输需求的多样性以及海上无线信道资源传输能力的差异化，提出一种面向业务特性的多无线信道资源传输调度算法。

1 传输模式

海上舰船平台典型互连关系如图1所示。

舰船平台间通信具有以下特点：舰船平台间传输的业务类型多样，包括话音、视频、报文、数据等不同业务，不同业务在传输带宽、时延、可靠性等方面的需求各不相同；舰船平台间往往存在多条传输路径，且各传输路径的带宽、时延、误码率等传输能力不同，如图1中传输路径S-A-C-D、S-B-D；舰船平台间可能需要经过中继节点中转才能通信，同一传输路径上的各传输链路的传输能力也不相同，如对于图中的传输路径S-A-C-D，链路S-A的传输能力与C-D的传输能力可能不同。

为提高业务数据传输效率，需综合利用各条传输路径。根据传输路径的组合方式，可得多网优选、多网组合、多网并发、确认重传4种传输模式：1）多网优选，发送方从多条传输路径中自动优选某一传输路径进行数据传输；2）多网组合，发送方自动优选多条传输路径，并将业务数据按照一定规则分摊到选中的多条传输路径上并行传输，在接收端对接收数据进行排序后再提交给应用，以实现传输的负载均衡；3）多网并发，发送方自动优选多条传输路径，并将同一份业务数据复制多份同时在多条传输路径上进行并行传输，在接收端对接收数据进行去重后再将提交给应用。4）确认重传，发送方发送数据后必须等待接收方回送的接收确认后才能继续发送后续业务数据。当发送方未收到接收方的接收确认时，需采用数据重传机制确保数据的正确送达。传输模型如图2所示。

2 自适应传输调度 2.1 算法结构

面向业务特性的多无线信道资源调度算法的主要目标是实现业务应用与无线信道的按需配接，其算法结构如图3所示。具体步骤为：

1）业务感知。接收各类上层业务应用的业务数据，采用业务感知技术^[11]识别业务的类型，并根据不同业务对传输带宽、时延、可靠性等要求敏感程度的不同获知该业务的传输特性要求，对业务数据设置相应的QoS权值。

2）链路感知。接收来自卫星、短波、超短波、微波、光等无线信道上报的信道状态、链路质量，得到单跳链路传输能力（传输带宽、时延、误码率）。在此基础上，根据全网的网络拓扑计算得到从发送方到接收方的每一条端到端多跳路径的传输能力值。

3）传输调度与策略优选。首先，根据多网优选、多网组合、多网并发、确认重传4种传输模式以及发送方与接收方之间的各条端到端传输路径的组合，得到所有的候选传输策略，并计算得到各种候选传输策略的综合带宽、时延、误码率等传输能力值。然后，针对业务的时延、带宽、可靠性等传输特性要求计算各种候选传输策略相应的业务传输服务质量值。最后，选择业务传输服务质量值最大的候选传输策略为最优的传输策略，从而确定传输模式与传输路径进行数据传输。

2.2 业务感知

业务感知步骤识别业务类型后，根据业务类型对带宽、时延、可靠性等传输要求的不同，对该业务设定相应的QoS权值，包括带宽权值$ {\alpha }_{b} $、时延权值$ {\alpha }_{t} $与可靠性权值$ {\alpha }_{l} $。$ {\alpha }_{b} $、$ {\alpha }_{t} $、$ {\alpha }_{l} $取值关系为：

$ \left\{\begin{aligned} &{\alpha }_{b} > 0,{\alpha }_{t} > 0,{\alpha }_{l} > 0，\\ &{\alpha }_{b}+{\alpha }_{t}+{\alpha }_{l}=1。\end{aligned}\right. $

(1)

$ {\alpha }_{b} $、$ {\alpha }_{t} $、$ {\alpha }_{l} $取值根据具体要求进行预先设置，其典型取值见文献[12]，也可根据具体的应用需求，在满足式(1)的情况下，调整各权值系数的取值，以获得更细致的业务分类和传输需求权重。

2.3 链路感知

1）单跳链路传输能力感知

链路感知步骤接收来自卫星、微波、超短波、短波、光等各无线信道上报的信道状态、链路质量等信息，并经舰船平台间信息同步后，得到全网拓扑以及通过单跳（单一无线信道）可达节点之间的链路带宽、时延和丢包率等传输能力值。节点$ i $、$ j $之间的单跳链路的带宽、时延、丢包率分别记为$ {Link(i,j)}_{b} $、$ {Link (i,j)}_{t} $、$ {Link(i,j)}_{l} $。

2）端到端多跳路径传输能力计算

对于每一条从发送方到接收方的传输路径，中间可能经过多个中继节点和多条单跳链路，而中间节点间传输链路的传输能力可能存在一定差异。为了得到端到端传输路径的传输能力，需根据传输路径上的单跳链路的传输能力，计算得到端到端多跳路径的带宽、时延、丢包率等传输能力值。

假定第$ n $条端到端传送路径上经过的中间节点依次为$ {N}_{1} $,$ {N}_{2} $,...,$ {N}_{m} $，端到端传输路径的带宽、时延、丢包率记为$ {V(S,D,n)}_{b} $、$ {V(S,D,n)}_{t} $和$ {V(S,D,n)}_{l} $，则：

①端到端传输路径的传输带宽为该传输路径上所有单跳链路传输带宽的最小值，计算公式为：

$ \begin{split} &{V(S,D,n)}_{b}=\mathrm {min}\{{\mathrm {Link}\left(S,{N}_{1}\right)}_{b},\\ &{\mathrm {Link}\left({N}_{1},{N}_{2}\right)}_{b},\dots ,{\mathrm {Link}\left({N}_{m},D\right)}_{b}\} 。\end{split}$

(2)

②端到端传输路径的传输时延为该传输路径上所有单跳链路传输时延的和，计算公式为：

$ \begin{split} &{V(S,D,n)}_{t}={\mathrm {Link}(S,{N}_{1})}_{t}+\\ &{\mathrm{Link}({N}_{1},{N}_{2})}_{t}+\dots +{\mathrm{Link}({N}_{m},D)}_{t} 。\end{split}$

(3)

③端到端传输路径的传输丢包率为该传输路径上所有单跳链路传输丢包率的累积，计算公式为：

$\begin{split} &{V\left(S,D,n\right)}_{l}=1-{\left\{\right(1-\mathrm{Link}(S,{N}_{1})}_{l})\times \\ &\left({1-\mathrm{Link}\left({N}_{1},{N}_{2}\right)}_{l}\right)\times \dots \times {(1-\mathrm{Link}({N}_{m},D)}_{l})\} 。\end{split}$

(4)

2.4 传输调度与策略优选

1）候选传输策略获知

根据多网优选、多网组合、多网并发、确认重传等传输模式与各条端到端传输路径的组合，可得所有候选传输策略。对于图1所示网络拓扑，所有候选传输策略见表1。

2）候选传输策略综合传输能力值计算

①多网优选模式下，各种候选传输策略综合传输能力值

多网优选模式是从多条端到端传输路径中固定选择一条路径进行数据传送，其综合传输带宽、时延、丢包率为所选择的那条传输路径的端到端传输带宽、时延、丢包率。多网优选模式第$ n $条传送路径的综合传输带宽、时延、丢包率等能力值记为$ {Z(S,D,YX,n)}_{b} $、$ {Z(S,D,YX,n)}_{t} $、$ {Z(S,D,YX,n)}_{l} $，其计算公式为：

$ \left\{\begin{aligned} &{Z\left(S,D,YX,n\right)}_{b}={V\left(S,D,n\right)}_{b}，\\ &Z{\left(S,D,YX,n\right)}_{t}={V\left(S,D,n\right)}_{t}，\\ &{Z\left(S,D,YX,n\right)}_{l}={V\left(S,D,n\right)}_{l}。\end{aligned}\right. $

(5)

通过式(5)可分别计算得到表1中多网优选模式下候选传输策略1、2、3的综合传输能力值。

②多网组合模式下，各种候选传输策略综合传输能力值。

多网组合模式是从所有的端到端传输路径中选择2条或多条传输路径，将业务数据分摊到这些传输路径上进行传送，其综合传输带宽、时延、丢包率为所选所有传输路径的传输带宽之和、传输时延最大值、传输丢包率加权。多网组合模式选择第$ m $、$ n $等多条端到端传输路径的综合传输带宽、时延、丢包率等能力值记为$ {Z(S,D,ZH,mn\dots )}_{b} $、$ {Z(S,D,ZH,mn\dots )}_{t} $、$ {Z(S,D,ZH,mn\dots )}_{l} $，其计算公式为：

$ {\left\{\begin{aligned} &{Z(S,D,ZH,mn\dots )}_{b}={V(S,D,m)}_{b}+{V(S,D,n)}_{b}+\dots ，\\ &Z{\left(S,D,ZH,mn\dots \right)}_{t}={\max\{V\left(S,D,m\right)}_{t}{,V(S,D,n)}_{t},\dots \}，\\ &{Z\left(S,D,ZH,mn\dots \right)}_{l}=1-\\ &\displaystyle\frac{\left\{1-{V\left(S,D,m\right)}_{l}\right\}\times {V\left(S,D,m\right)}_{b}+\left\{1-{V\left(S,D,n\right)}_{l}\right\}\times {V\left(S,D,n\right)}_{b}+\dots }{\{{V\left(S,D,m\right)}_{b}+{V\left(S,D,n\right)}_{b}+\dots \}}。\end{aligned}\right. }$

(6)

通过式(6)可分别计算得到表1中多网组合模式下候选传输策略4～候选传输策略7的综合传输能力值。

③多网并发模式下，各种候选传输策略综合传输能力值。

多网并发模式是将同一份业务数据复制多份，从所有的端到端传输路径中选择2条或多条传送路径，将复制的多份数据从选择的传输路径中同时传输出去，在接收端只需从一条传输路径中正确接收数据就认为接收成功。多网并发模式的综合传输带宽、时延、丢包率为所选所有传输路径的传输带宽最小值、传输时延最大值、传输丢包率的积。多网并发模式选择第$ m $、$ n $等多条传输路径的综合传输带宽记为$ {Z} $$(S, { D,BF,mn\dots )}_{b} $、$ Z{S(S,D,BF,mn\dots )}_{t} $、$ {Z(S,D,BF,mn\dots )}_{l} $，其计算公式为：

$ {\left\{\begin{aligned} &{Z(S,D,BF,mn\dots )}_{b}={\min\left\{V\right(S,D,m)}_{b}{,V(S,D,n)}_{b},\dots \}，\\ &Z{\left(S,D,BF,mn\dots \right)}_{t}={\max\{V\left(S,D,m\right)}_{t}{,V(S,D,n)}_{t},\dots \}，\\ &{Z\left(S,D,BF,mn\dots \right)}_{l}=1-｛1-{V\left(S,D,m\right)}_{l}｝\times \\ &\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\{1-{V\left(S,D,n\right)}_{l}\}\times \dots。\end{aligned}\right. }$

(7)

通过式(7)可分别计算得到表1中多网并发模式下候选传输策略8～候选传输策略11的综合传输能力值。

④确认重传模式下，各种候选传输策略综合传输参数

确认重传传输模式是将一份业务数据发送出去后，需得到接收方对该份业务数据的确认信息。确认重传模式需在多网组合模式的基础上考虑丢包后重传的情况，且假设最大重传2次（可设置）。确认重传模式选择第$ m $、$ n $等多条传输路径的综合传输带宽记为$Z(S, D, QR,mn\dots )_{b} $、$ Z{S(S,D,QR,mn\dots )}_{t} $、$ {Z(S,D,QR,mn\dots )}_{l} $，其计算公式为：

$ {\left\{\begin{aligned} &{Z\left(S,D,QR,mn\dots \right)}_{b}=｛1-{Z\left(S,D,ZH,mn\dots \right)}_{l}-,\\ &{{Z\left(S,D,ZH,mn\dots \right)}_{l}}^{2}｝\times {Z\left(S,D,ZH,mn\dots \right)}_{l},\\ &Z{\left(S,D,QR,mn\dots \right)}_{t}=｛1+{Z\left(S,D,ZH,mn\dots \right)}_{l}+,\\ &{{Z\left(S,D,ZH,mn\dots \right)}_{l}}^{2}｝\times {Z\left(S,D,ZH,mn\dots \right)}_{t},\\ &{Z\left(S,D,BF,QR\dots \right)}_{l}={Z\left(S,D,ZH,mn\dots \right)}_{l}+\\ &\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{{Z\left(S,D,ZH,mn\dots \right)}_{l}}^{2}。\end{aligned}\right. }$

(8)

通过式(8)可分别计算得到表1中确认重传模式下候选传输策略12、13、14、15的综合传输能力值。

3）面向业务特性的业务传输服务质量值计算

得到所有候选传输策略的综合带宽、时延、误码率等综合传输能力值后，针对该业务数据的传输QoS权值，加权求和得到各候选传输策略面向该业务传输特性要求的业务传输服务质量值$ Q(S,D,\Delta ,\Omega ) $。其中，$ \mathrm{\Delta }\in ｛YX、ZH、BF、QR｝ $，$ \Omega $为各候选传输策略对应的传输路径，业务传输服务质量值计算公式为：

$ \begin{split} &Q\left(S,D,\mathrm{\Delta },\mathrm{\Omega }\right)={\alpha }_{b}\times \frac{{Z(S,D,\Delta ,\Omega )}_{b}}{\text{{带宽最大值}}}+{\alpha }_{t}\times \\ &\left(1-\frac{{Z\left(S,D,\Delta ,\Omega \right)}_{t}}{\text{{时延最大值}}}\right)+{\alpha }_{l}\times (1-\frac{{Z\left(S,D,\Delta ,\Omega \right)}_{l}}{\text{{误码率最大值}}}) 。\end{split}$

(9)

4）最优传输策略选择

求得所有候选传输策略的业务传输服务质量值后，选择使得业务传输服务质量值最大的传输调度策略为最优的传输策略，从而确定传输方式和传输路径。

3 仿真结果

为了评估算法的有效性，采用Matlab进行仿真实验。仿真2个舰船平台间同时存在3条传输路径，且每条传输路径均分别由1条无线信道组成，即3条传输路径对应3条无线信道。各无线信道的带宽、时延、丢包率见表2。

仿真业务模型：采用0～1均匀分布方式随机生成100种业务流的带宽权值$ {\alpha }_{b} $、时延权值$ {\alpha }_{t} $与可靠性权值$ {\alpha }_{l} $（经归一化处理），以仿真舰船上不同的业务流类型。计算得到的各业务流的业务传输服务质量值如图4所示。

可知，本文算法得到的各业务数据流的业务传输服务质量值都在0.7以上，且有约20%的业务数据流的综合传输质量在0.9以上，说明本文算法针对不同的业务流均能获得较高的传输服务质量。统计分析可知，采用多链并发和确认重传模式的业务数据流具有较高的业务服务质量值。

为进一步验证本文算法的用户满意度，搭建实物演示环境。实验环境由2台PC、6台交换机和3台IXIA网络损伤仪组成。其中，2台PC模拟2个舰船，分别采用多网卡方式连接至交换机，交换机之间通过IXIA网络损伤仪相连，通过IXIA网络损伤仪设置传输带宽、时延和丢包率以模拟多条不同的无线信道环境。在PC2上搭建流媒体服务器，通过PC1访问流媒体服务器上的视频（视频源来自互联网）。IXIA网络损伤仪初始参数设置与表2相同，为验证视频丢包情况，在实验过程中将丢包率分别提高至10%、20%、15%。在此场景下，比较本文算法、文献[3]、文献[7]算法的视频播放效果。实验环境如图5所示。

PC1上流媒体客户端的视频播放效果如图6所示。可知，随着丢包率的上升，当不采用任何调度算法时，图像出现大面积花屏；采用文献[3]算法传输时，在图像左上侧海浪处、右侧船舷处有较大的阴影；采用文献[7]算法传输时，在图像左上侧海浪处、左上侧船舷处有阴影；采用本文算法，由于采用了多网并发等传输模式，能从不同信道接收数据进行合包，从而最大程度恢复了不同信道上的丢包数据，因此，在图像左侧基本上看不见任何阴影，有效提升了业务的服务质量。

4 结　语

本文针对海上业务传输需求的多样性以及海上无线信道传输能力的差异化，提出一种面向业务特性的海上多无线信道资源传输调度算法。根据不同业务数据流在传输带宽、时延、可靠性等方面的业务特性要求，自适应选择多网优选、多网组合、多网并发、确认重传传输模式和最优的端到端传输路径，从而实现了多业务特性与多信道能力的有机配接。仿真结果表明，对于不同的业务数据流，本文算法均有效提升了无线信道的资源利用率和业务数据的传输服务质量。