一種用于有線無線網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及有線無線網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量優(yōu)化，公開了一種用于有線無線網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制方法，包括搭建有線/無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)定有線/無線網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)，計(jì)算得到網(wǎng)絡(luò)擁塞控制率，對瓶頸路由器進(jìn)行擁塞控制等四個(gè)步驟。適用于有線/無線網(wǎng)絡(luò)混合架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，針對實(shí)時(shí)流媒體數(shù)據(jù)應(yīng)用場合，維持了隊(duì)列長度更好的收斂性，數(shù)據(jù)包傳輸過程中的延時(shí)變化率相對較小，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量較高。
【專利說明】
-種用于有線無線網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及有線/無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量優(yōu)化，更具體的是一種基于最小方差控制的 網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 互聯(lián)網(wǎng)作為信息社會的支撐基礎(chǔ)設(shè)施，已成為衡量國家科技創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)競爭的一 項(xiàng)重要指標(biāo)。隨著超高速光通信、無線移動通信、大規(guī)模接入、泛在互聯(lián)等技術(shù)的迅速發(fā)展， 互聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)集成、移動計(jì)算、普適服務(wù)等新應(yīng)用的不斷創(chuàng)新，人們對互聯(lián)網(wǎng)功能、性能、服務(wù) 質(zhì)量、可控性和可信性等方面的期望越來越高。
[0003] 在服務(wù)質(zhì)量方面，現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)面向非實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)通信沒有提供服務(wù)質(zhì)量保障措 施。雖然0SI/RM為服務(wù)質(zhì)量預(yù)留一些服務(wù)質(zhì)量參數(shù)，但長期空缺未用。TCP^P的服務(wù)質(zhì)量保 障主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率、延遲、擁塞控制和帶寬管理、流量優(yōu)化等。下一代互聯(lián)網(wǎng) 環(huán)境下新型應(yīng)用(如虛擬試驗(yàn)、視頻點(diǎn)播、實(shí)時(shí)影像等)融合文本、圖形、圖像、視頻、動畫、語 音等綜合服務(wù)，當(dāng)前體系結(jié)構(gòu)的服務(wù)質(zhì)量保障能力不能滿足下一代互聯(lián)網(wǎng)需求。隨著網(wǎng)絡(luò) 規(guī)模的擴(kuò)大、網(wǎng)絡(luò)用戶的增加 W及不同類型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的大量涌現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)擁塞成為了影響網(wǎng) 絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵問題。
[0004] 隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，人們在無線終端上對基于語音和視頻的流媒體服務(wù) 有很大的需求。無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速發(fā)展，覆蓋范圍廣，終端產(chǎn)品豐富使得無線流媒體傳輸系 統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，如無線視頻監(jiān)控、無線可視電話、視頻點(diǎn)播、手機(jī)電視直播、移動會議 等。流媒體傳輸具有高網(wǎng)絡(luò)帶寬、低傳輸延遲、低延遲抖動W及對傳輸可靠性要求相對較低 的特點(diǎn)。有線/無線網(wǎng)絡(luò)作為最流行的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要用來解決最后一百米的接入問 題，即在主干網(wǎng)依然是傳統(tǒng)的有線連接而在用戶接入端通過無線連接，從而避免在辦公室、 家里有過多的網(wǎng)絡(luò)布線。
[0005] 傳統(tǒng)的擁塞控制算法主要針對的是有線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，將數(shù)據(jù)包丟失作為擁塞發(fā)生的 標(biāo)志，而在無線鏈路中存在一定的比特錯誤。一些擁塞控制算法據(jù)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)耐禃r(shí)間 來區(qū)分比特錯誤或者是擁塞帶來的數(shù)據(jù)包丟失，或者通過顯式擁塞標(biāo)示來表示擁塞。
[0006] 另一方面，流媒體等新興網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的興起也對網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)提出了一些新的要 求。在對流媒體的擁塞控制中，另一些擁塞控制算法更注重于對其突發(fā)性、實(shí)時(shí)性的研究。 考慮到當(dāng)實(shí)時(shí)流媒體數(shù)據(jù)延時(shí)變化較大時(shí)，對于用戶的觀賞性帶來負(fù)面影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 1、本發(fā)明的目的。
[000引針對有線/無線網(wǎng)絡(luò)混合架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，在無線鏈路中存在一定的比特錯誤;考慮到當(dāng) 實(shí)時(shí)流媒體數(shù)據(jù)延時(shí)變化較大時(shí)，對于用戶的觀賞性帶來負(fù)面影響，設(shè)計(jì)一種針對性的基 于最小方差控制的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方法(MVCC)。
[0009] 2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案。
[0010] (1巧線/無線網(wǎng)絡(luò)擁塞控制模型。
[0011] 在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)擁塞TCP/AQM流模型中，沒有考慮到當(dāng)前非對稱數(shù)字用戶網(wǎng)絡(luò)中上 下行帶寬的不同W及無線鏈路中的比特錯誤，基于有線/無線網(wǎng)絡(luò)特性的改進(jìn)的TCP/AQM流 模型為：
[0012]
[oou]其中w(t)是TCP源在t時(shí)刻的數(shù)據(jù)發(fā)送窗日大小飽），T(t)和Τρ分別為是往返時(shí)間 (秒)和傳輸延時(shí)(秒），N(t)為在t時(shí)刻共享網(wǎng)絡(luò)帶寬的TCP數(shù)據(jù)源數(shù)目，C(t)為瓶頸鏈路帶 寬（包/秒），q(t)為瓶頸路由器緩存隊(duì)列長度(包），p(t)，pui(t)和pdi(t)分別是t時(shí)刻的標(biāo) 記/丟棄概率和上行、下行鏈路丟包率，Tah(t)是當(dāng)前時(shí)刻和上一次成功接收標(biāo)記概率的時(shí) 間間隔(秒）；
[0014]設(shè)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載數(shù)目、鏈路容量、鏈路丟包率和延時(shí)為常數(shù)，即N(t)=N，C(t) = C，qui(t)=qdi(t) = qi，T(t) = Tah(t) = T〇,隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的越來越大和硬件計(jì)算能力的越來 越快，假設(shè)隊(duì)列延時(shí)遠(yuǎn)小于傳輸延時(shí)；
[001引令昧'=0和4 = 0，可得系統(tǒng)的平衡點(diǎn)（W0,q0,p0)為：

，q0為期望的緩存隊(duì)列長度，忽略系統(tǒng)時(shí)滯的影響，f(t-T0)=f(t)， 在平衡點(diǎn)附近對非線性系統(tǒng)（1)進(jìn)行小信號線性化處理得：
[0023] (2)廣義最小方差控制器。
[0024] 具體的控制思路和設(shè)計(jì)方法如下。
[0025]設(shè)系統(tǒng)方程為：
[00%] N(Z-i)y(k)=M(Z_i)u(k)+e 化） （5)
[0027]其中y化)是系統(tǒng)的輸出，U化)為系統(tǒng)的控制輸入，e化)為系統(tǒng)誤差，可W用其來表 示網(wǎng)絡(luò)的不確定性，N(Z^i)和M(Z^i)分別是系統(tǒng)傳遞函數(shù)的分母和分子部分。
[002引為了保證系統(tǒng)輸出方差最小，控制器為：
[0029]
樹
[0030] 其中多項(xiàng)式E(Z-i)和F(Z-i)滿足Dio曲antine方程 [003。 N(Z-i)E(Z-i)+F(Z_i) = l (7)
[0032] 關(guān)于控制器穩(wěn)定性充要條件的可W通過理論證明。
[0033] (3)基于最小方差的擁塞控制方法。
[0034] 圖1為本發(fā)明的步驟流程；
[0035] 步驟1:搭建有線/無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中Si是數(shù)據(jù)發(fā)送端，Ri為路由器，di是數(shù)據(jù) 接收端，Ro是瓶頸路由器，Ro與Si之間是有線鏈路，Ri與di之間是有線鏈路，Ro與Ri之間是無 線瓶頸鏈路；
[0036] 步驟2:設(shè)定有線/無線網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)，包括傳輸延時(shí)Τρ(單位:秒），數(shù)據(jù)包大小(單 位:字節(jié)），無線瓶頸鏈路帶寬C(單位:包/秒或Mb/s)，發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)帶寬（單位:包/秒或 Mb/s)，路由器緩存大?。▎挝?包），期望隊(duì)列長度qo(單位:包），TCP數(shù)據(jù)源數(shù)目Ν(單位： 個(gè)），鏈路丟包率P1，仿真持續(xù)時(shí)間(單位:秒）；
[0037] 步驟3:計(jì)算得到網(wǎng)絡(luò)擁塞控制率，將步驟2中的有線/無線網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)代入有 線/無線網(wǎng)絡(luò)擁塞控制模型，計(jì)算
，其 中qo為期望的緩存隊(duì)列長度，C為瓶頸鏈路帶寬，Τρ為傳輸延時(shí)延，N為負(fù)載數(shù)目，P1為鏈路丟 包率，獲得有線/無線網(wǎng)絡(luò)擁塞控制模型的離散傳遞函數(shù)，其分子為M(Z^i)，分母為N(Z^i)， 求解Diophantine方程N(yùn)(Z-i化(Z-i)+F(Z-i) = l，可得多項(xiàng)式E(Z-i)和F(Z-i)，進(jìn)而得到網(wǎng)絡(luò) 擁塞巧制率；
[0038] 步驟4:對瓶頸路由器進(jìn)行擁塞控制，采用步驟3中的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制率。
[0039] 3、本發(fā)明的有益效果。
[0040] 為了提高流媒體應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，將廣義最小方差控制方法引入有線/無線 網(wǎng)絡(luò)擁塞控制中，從而降低延時(shí)抖動對視頻等流媒體質(zhì)量的影響。一種基于最小方差控制 的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方法，適用于有線/無線網(wǎng)絡(luò)混合架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，針對實(shí)時(shí)流媒體數(shù)據(jù)應(yīng)用場 合，維持了隊(duì)列長度更好的收斂性，數(shù)據(jù)包傳輸過程中的延時(shí)變化率相對較小，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì) 量較高。
【附圖說明】
[0041 ]圖1本發(fā)明的步驟流程圖。
[0042] 圖2本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
[0043] 圖3對比方法的瓶頸路由器隊(duì)列長度。
[0044] 圖4本發(fā)明方法的瓶頸路由器隊(duì)列長度。
[0045] 圖5對比方法的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的隊(duì)列長度。
[0046] 圖6本發(fā)明方法的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的隊(duì)列長度。
【具體實(shí)施方式】
[0047] 實(shí)施例
[004引圖2為帶瓶頸鏈路的有線/無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中Si是數(shù)據(jù)發(fā)送端，Ri為路由器， di是數(shù)據(jù)接收端。
[0049]設(shè)傳輸延時(shí)Tp = 0.01s，數(shù)據(jù)包大小為500字節(jié)，無線瓶頸鏈路帶寬C = 25化acket/ S(IMb/s)，發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)帶寬為2500packet/s(lOMb/s)，路由器緩存大小為300packet， 期望隊(duì)列長度q〇= 10化acket，TCP數(shù)據(jù)源數(shù)目N=30,鏈路丟包率pi = 0.1，仿真持續(xù)時(shí)間為 100s。
[00加]計(jì)算
[0051 ]所 WM(Z-i ) = 203.8+407.6Z-1+203.8z-2
[0052] N(Z-i) = 7.56-7.2z-i+1.5z_2
[005；3 ]求解D i ο 地an t i ne方程N(yùn) (Z-i 化(Z-i) +F (Z-i) = 1 得
[0054] E(Z_i) = l
[005引 F(Z-i)=-6.56+7z-1-1.5z-2
[0化6]網(wǎng)絡(luò)擁塞控制率為
[0化7]
[005引在瓶頸路由器中分別嘗試了對比方法(傳統(tǒng)的擁塞控制算法)和本發(fā)明方法，圖3 為對比方法(PI)的瓶頸路由器Ro中緩存中的隊(duì)列長度，圖4為本發(fā)明方法(MVCC)的瓶頸路Ro 中緩存中的隊(duì)列長度。對比圖3與圖4可W看出，本方法維持了隊(duì)列長度更好的收斂性，即數(shù) 據(jù)包傳輸過程中的延時(shí)變化率相對較小，從而提高了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，降低延時(shí)抖動對視頻 等流媒體質(zhì)量的影響。
[0059]改變網(wǎng)絡(luò)負(fù)載數(shù)目驗(yàn)證本發(fā)明方法在隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的魯棒性，在30s隨機(jī)加入 10個(gè)TCP數(shù)據(jù)發(fā)送源，并在70s隨機(jī)結(jié)束20個(gè)TCP數(shù)據(jù)發(fā)送源。圖5為對比方法(PI)的隨機(jī)網(wǎng) 絡(luò)環(huán)境下的隊(duì)列長度，圖6為本發(fā)明方法(MVCC)的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的隊(duì)列長度。比圖5與圖6 可W看出，由于本發(fā)明方法在最小方差控制中考慮了系統(tǒng)的噪聲和隨機(jī)性，在變化連接數(shù) 的情況下，本發(fā)明方法具有較好的魯棒性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于有線無線網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制方法，其特征在于:包括如下四個(gè)步驟： 步驟1:搭建有線/無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中Si是數(shù)據(jù)發(fā)送端，Ri為路由器，cU是數(shù)據(jù)接收 端，Ro是瓶頸路由器，Ro與Si之間是有線鏈路，心與土之間是有線鏈路，R〇與仏之間是無線瓶 頸鏈路； 步驟2:設(shè)定有線/無線網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)，包括傳輸延時(shí)!^，數(shù)據(jù)包大小，無線瓶頸鏈路帶寬 C，發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)帶寬，路由器緩存大小，期望隊(duì)列長度qo，TCP數(shù)據(jù)源數(shù)目N，鏈路丟包率 P1，仿真持續(xù)時(shí)間； 步驟3:計(jì)算得到網(wǎng)絡(luò)擁塞控制率，將步驟2中的有線/無線網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)代入有線/無 線網(wǎng)絡(luò)擁塞控制模型，其中qo為 期望的緩存隊(duì)列長度，C為瓶頸鏈路帶寬，TPS傳輸延時(shí)延，N為負(fù)載數(shù)目，pi為鏈路丟包率， 獲得有線/無線網(wǎng)絡(luò)擁塞控制模型的離散傳遞函數(shù)，其分子為M(Z<)，分母為N(Z<)，求解 Diophantine方程N(yùn)(Z-XZ-q+FU-4 = 1，可得多項(xiàng)式E(Z-4和F(Z-進(jìn)而得到網(wǎng)絡(luò)擁塞 控制率； 步驟4:對瓶頸路由器進(jìn)行擁塞控制，采用步驟3中的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制率。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于有線無線網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制方法，其特征在于:有線/無線 網(wǎng)絡(luò)擁塞控制模型的離散傳遞函數(shù)為3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于有線無線網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制方法，其特征在于：網(wǎng)絡(luò)擁塞控 制率為其中多項(xiàng)式E (Z-1)和F (Z-1)滿足D i ophant ine方程 N(Z_1)E(Z_1)+F(Z_1) = l〇
【文檔編號】H04W28/02GK106059943SQ201610674930
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月17日 公開號201610674930.4, CN 106059943 A, CN 106059943A, CN 201610674930, CN-A-106059943, CN106059943 A, CN106059943A, CN201610674930, CN201610674930.4
【發(fā)明人】葛龍, 楊歆豪, 滕詣迪
【申請人】葛龍