【深度】军事信息系统中基于无线Mesh网络的内容分发方法

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【深度】军事信息系统中基于无线Mesh网络的内容分发方法

From 学术plus 学术plus 2019-03-28

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今日荐文的作者为中国电子科学研究院专家杨晨凯，潘越，郭继光。本篇节选自论文《军事信息系统中基于无线Mesh网络的内容分发方法》，发表于《中国电子科学研究院学报》第12卷第6期。

摘要：无线Mesh网络因其易部署和抗毁性强等特点，可在军事信息系统中用于无线组网。为了缓解无线Mesh网络中的网络瓶颈问题，可引入内容分发技术，以提高基于内容订阅模式的军事信息系统的服务质量。针对军事信息系统，我们设计了立体化的军事情报信息中心-战术通信卫星-小型分布式地面站-作战单元网络结构模型。在此模型基础上，我们对军事信息系统中基于无线Mesh网络的内容分发问题进行了形式化定义，并结合无线Mesh网络的分布式特点，提出了分布式四阶段启发式算法。仿真实验的结果证明该算法较大地优化了无线Mesh网络中的平均时延、网络负载等网络性能参数。

关键词：无线Mesh网络;军事信息系统;内容分发;内容镜像;分布式

引言

无线Mesh网络(Wireless Mesh Network, WMN)最初是美军为满足军事信息系统中宽带数据传输以及支持端到端IP、语音和视频信息、不采用GPS实现精确定位要求而建立的。近年来，因其具有易部署、高带宽、结构灵活和抗毁性强等特点而成为国内外研究热点，特别是在军事领域，其特性能够满足高带宽、高机动性、超视距的保障能力要求。因此，如何将军事信息系统的通信要求与无线Mesh网络的特点进行结合，寻求最优的应用配置，是值得深入研究的问题。

无线Mesh网络是一种多跳的分布式网络，如图1所示，典型的无线Mesh网络通常包含两类节点: Mesh路由器(Mesh Router, MR)和Mesh客户端(Mesh Client, MC)。在大部分的WMN应用中，Mesh路由器因其固定性而构成网络骨干。将WMN技术应用于军事信息系统，可以解决极端环境下的无线组网问题。然而在军事信息系统中，尤其是在战场环境下，往往存在无线网络资源受限问题，进而导致使用WMN进行信息分发将面临网络瓶颈问题。在无线Mesh网络中，Mesh路由器相对于Mesh客户端具有相对固定性和大容量的特性，因此可以引入内容分发(Content Delivery)技术，将Mesh路由器作为镜像服务器，以提升无线网络资源受限条件下军事信息系统中信息分发的服务质量。

图1无线Mesh网络架构

通过将内容分发技术引入到无线Mesh网络中，内容对象的镜像被分发至靠近相关MC的MR中，MC发出的数据信息请求可以被就近服务。从MC发出的数据信息请求被重定向至最近的拥有相应镜像的MR，MR将所需的数据信息通过响应消息回传给MC。由此可见，内容镜像的分发直接决定了无线Mesh网络的服务质量。以往对于内容分发技术的研究聚焦于如何通过镜像分发机制降低网络中的数据获取延迟，设计的方法更适用于便于集中控制和计算的有线网络环境，未考虑无线Mesh网络的分布式特点，如此建立的问题模型并不能真正反映无线Mesh网络中内容分发的实际情况。因此对于无线Mesh网络中的内容分发方法的研究，对于构建基于无线Mesh网络的军事信息系统具有重要意义。

本文研究了军事信息系统中基于无线Mesh网络的内容分发方法，旨在提升无线网络资源受限条件下军事信息系统中信息分发的服务质量。首先，基于无线Mesh网络，设计了立体化的军事情报信息中心-战术通信卫星-小型分布式地面站-作战单元网络结构模型。在该网络模型的基础上，我们对军事信息系统中的基于无线Mesh网络的内容分发问题进行了形式化地描述。针对该问题，本文设计了分布式四阶段启发式算法。该方法根据军事信息系统中各类型内容被订阅的热度，采用分布式的算法，将军事情报信息中心的内容镜像分发至相应的分布式地面站，以提高基于无线Mesh网络的军事信息系统的服务质量。

1 相关研究

无线Mesh网络最初是美军为满足军事通信中无线带宽数据传输等要求建立的，因其组网快速灵活、抗毁性强等特点，在军事信息系统组网中得到广泛的应用。文献[5]提出了基于802.16d的无线Mesh网络的集团军战役指挥所通信系统。系统具有保密、易于开设使用和建网费用低廉等特点。文献[6]提出了一种海战场环境下基于Mesh结构的无线网络应用方案，满足舰艇编队通信网络高速率、大容量、非视距传输的要求，对无线Mesh网络在军事通信领域的深入研究具有一定的参考价值。

然而，无论实在军事应用领域，还是学术领域，将内容分发技术引入到无线Mesh网络用于解决网络瓶颈的研究都很少。就我们的了解而言，对无线Mesh网络中内容分发技术的相关研究，主要有以下文献。在文献[7]中，作者证明了最优的内容镜像分发策略是每个内容对象的副本数量正比于pr0.667，其中pr是内容对象的热度。文献[8]中，作者对无线覆盖网络中的内容分发模型做了较为完备的理论分析，但是并没有提出具体的内容分发方法。

2 模型与定义

2.1　网络模型

军事信息系统通信网络在战时要覆盖整个作战区域，而且作战单元快速移动，要求一定要采用无线通信的方式;通信系统要具备较强的抗毁性，不能因为个别节点的毁坏而导致整个通信系统的瘫痪，要求一种无中心、分布式的方式进行组网。因此，我们设计了如图2所示的基于无线Mesh网络的军事信息系统。军事信息情报中心通过战术通信卫星与广泛分布小型分布式地面战进行通信，而地理分布邻接的小型分布式地面站之间可使用长距离无线通信技术(例如LoRa等)进行通信。另外，小型分布式地面站采用无线的方式与周围一定范围内的作战单元通信，距离较近的作战单元可直接与小型分布式地面站进行通信，距离较远的作战单元通过短距离无线通信技术(例如D2D等)组成多跳的无线Mesh网络与小型分布式地面站进行通信。在这样的网络结构中，小型分布式地面站充当了无线Mesh网络中的MR，构成网络骨干;各作战单元充当了MC，通过自组网的方式与小型分布式地面站建立通信。

由于内容分发技术的引入，可以将小型分布式地面站作为镜像服务器，情报信息中心根据各作战单元对于各项内容的订阅情况，统计各项内容的热度信息，将内容镜像分发至相应的分布式地面站，以便各作战单元可以就近获取所需的内容。对于军事信息系统中的内容和节点，我们给出如下形式的定义。

图2基于无线Mesh网络的军事信息系统

在如上述的网络模型下，最终到各分布的作战单元的内容分发由地面站和作战单元之间协同完成，缓解了无线网络资源限制引发的网络瓶颈问题。另外，由于分布式地面站缓存了情报信息中心的内容，各作战单元的主动内容请求可以在最近的缓存有该内容的地面站得到服务，降低了网络的平均请求时延，提升了军事信息系统的服务质量。由此可见，设计合理的内容分发方法，以决定将哪些内容镜像分发至哪些分布式地面站，对基于无线Mesh网络的军事信息系统的网络性能具有关键性的作用。

2.2　问题定义

定义4. 内容分发问题。在分布式地面站容量（2）和就近服务原则(3)的约束下，将情报信息中心各内容对象的镜像分发至地面站，对T最小化，以降低无线Mesh网络中传输时延的期望值。已有的研究表明内容分发问题是NP困难问题，因此定义4中所描述的无线Mesh网络中的内容分发问题也是NP困难问题。在后续的章节中，将给出该问题的解决方法并进行验证。

3 无线Mesh网络中的内容分发方法

由于该问题的NP困难性，我们无法求解出该问题的最优解。本节将给出基于贪心策略的分布式四阶段启发式算法(Four Phase Based Heuristics, FPBH)，用于计算内容分发策略。根据各内容对象的订阅信息，统计各个内容对象的热度，并据此计算每个内容对象所需的镜像数目。对于所需镜像数目为p的内容对象，将地面站组成的网络骨干进行P划分，在每个划分中选择一个镜像分发位置。由于该方法的分布式特性，不过度依赖于情报信息中心的计算能力，适用于军事信息系统中无线Mesh网络的内容分发应用场景。

3.1　热度信息收集阶段

3.2　网络拓扑划分阶段

图3 网络拓扑划分算法示例

4.3　分发策略生成阶段

4.4　内容镜像分发阶段

（仿真实验略）

4 结语

本文针对军事信息系统中基于无线Mesh网络的内容分发问题，设计了立体化的军事情报信息中心-战术通信卫星-小型分布式地面站-作战单元网络结构模型。在此基础上，提出了全新的分布式四阶段启发式算法。该方案根据各内容对象的订阅信息，统计各个内容对象的热度，并据此计算每个内容对象所需的镜像数目。对于所需镜像数目为的内容对象，将地面站组成的网络骨干进行划分，在每个划分中选择一个镜像分发位置。仿真实验证明，我们所提出的算法在平均时延，网络负载和负载分布等方面上均有良好的性能，能够极大地提高军事信息系统中网络资源受限场景下的服务质量。

（参考文献略）