CN101227414B - 基于传输数据包长度在线优化的无线网络数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于传输数据包长度在线优化的无线网络数据传输方法。该数据传输方法根据无线网络的传输数据包长度的最优值与网络连续在线传输时间期望值和网络传输速率间的关系式来求取适宜当前网络传输的最优传输数据包的长度；其中网络连续在线传输时间期望值通过算术平均算法近似计算，而传输速率则由前次连续在线传输时间的平均网络传输速率来估计。该传输方法利用上述算法在线动态调整无线网络传输过程中传输数据包的长度，从而改善无线网络条件下的数据传输性能。本发明所提供的数据传输方法可以有效减少数据传输过程中所消耗的网络传输流量，提高无线网络环境下数据传输的效率，降低无线网络的数据传输成本。

Description

基于传输数据包长度在线优化的无线网络数据传输方法

技术领域

本发明涉及无线网络与通讯领域，特别地，涉及一种在无线网络环境下基于传输数据包长度在线动态优化的数据传输方法。

背景技术

无线网络技术具备良好的发展前景和应用需求，在远程通讯、数据传输等业务领域发展迅速。虽然无线网络相对于有线网络具备不需布线，可移动性好，实施方便等优点，但是无线网络同时存在着以下缺陷：

1)无线网络断线率高，传输差错率高，网络传输很不稳定；

2)无线网络带宽小，GPRS的平均业务速率一般为20kbit/s～40kbit/s，CDMA1X的平均业务速率为80kbit/s～100kbit/s；并且在传输过程中网络的传输速率波动和变化很大；

3)网络传输时延很大等。

以上缺陷的存在致使无线网络条件下的数据传输常常不够稳定和可靠。由于网络断线、数据包丢失等因素，丢失或传输中断的数据包将不得不重传以保证数据的完整性、可靠性，数据包重传导致无线网络条件下数据传输的网络流量耗费将增加。

为提高无线网络的数据传输效率，降低通讯成本，有必要研究如何降低网络流量耗费。而目前这方面的研究多侧重于在对无线网络传输层、链路层协议的优化上，即通过对TCP等传输层或链路层协议的局部改进和参数优化，使广泛应用于有线网络的通讯协议尽可能地适应无线网络的特性，从而提高其在无线网络环境下的应用效果和传输效率，提高数据的传输效率。目前有I-TCP(indirect TCP)、W-TCP(wireless TCP)等多种针对传输层或链路层协议改进的技术方案。但这些方案都集中在对协议的修正和改进上，而并未涉及应用层上的传输优化。

根据无线网络传输特性以及网络断线的随机过程分析，结合概率论及随机过程性质，无线网络断线过程为泊松过程，其断线率分布近似服从参数为λ的泊松分布，而参数λ则由地理位置、环境、信号等因素决定并随以上因素改变而改变。而连续两次断线点间的传输时间T则服从相对应的指数分布。推导可得无线网络最优传输数据包长度计算公式。

推导过程如下：

定义如下随机变量及参数：

D：传输数据包包头；

V：网络传输速率；

X₁：每次网络连续传输时间段上因为网络断线所丢失的数据流量；

X₂：每次连续传输时间段上数据包包头所消耗的网络流量；

G(S)：网络传输过程中因网络断线耗费的网络流量的比率；

ρ＝1-G(S)：网络传输效率(S：数据包有效传输负载)。

由上，无线网络断线率近似服从泊松分布。也因此连续在线传输时间T服从对应的指数分布。而根据随机过程特性，传输数据包是序列传送，在线传输时间是按时间段间隔发生；该随机过程符合再生过程的特性，无线网络传输过程为再生过程。

根据再生理论，对该再生过程，计算其随机变量的数学期望：

E(X₁)≈(D+S)/2， $E\left(X_2\right)\≈v\·D\frac{E\left(T\right)}{D+S}$

在网络传输过程中耗费的冗余网络流量占传输数据总量比率的数学期望为：

$G\left(S\right)=\frac{E\left(X_1\right)}{\mathrm{vE}\left(T\right)}+\frac{E\left(X_2\right)}{\mathrm{vE}\left(T\right)}=\frac{(D+S)/2}{\mathrm{vE}\left(T\right)}+\frac{D}{D+S}$

对该式两边求导得：

$G^{\′}\left(S\right)=\frac{1}{2\mathrm{vE}\left(T\right)}-\frac{D}{{(D+S)}^2}.$

当G(S)最小时，ρ＝1-G(S)最大，取得极大值。因此，为取得最优值S^*，令G′(S)＝0，于是求取到最优数据包负载大小：

$S^{*}=\sqrt{2\mathrm{vE}\left(T\right)D}-D$

最优传输数据包长度大小： $P_{\mathrm{size}}^{*}=S^{*}+D=\sqrt{2\mathrm{vE}\left(T\right)D}.$

最优传输数据包长度计算公式 $P_{\mathrm{size}}=\sqrt{2\mathrm{vE}\left(T\right)D}$

通过对无线网络数据传输过程的分析，发现无线网络传输过程中应用层传输数据包的长度与无线网络传输效率有着密切的关系；因此很有必要在应用层上对数据传输方法进行优化。

本发明利用传输数据包长度的在线动态优化，给无线网络数据传输提供了一个高可用性、高传输效率的应用层数据传输方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种高可用性的基于传输数据包长度在线动态优化的无线数据传输方法。

本发明为实现上述发明目的采用了如下的技术方案：一种基于传输数据包长度在线优化的无线网络数据传输方法，数据传输方法由以下步骤组成：

(1)用算术平均算法近似估计连续在线传输时间的数学期望值；

(2)利用近似算法估计当前网络的传输速率；

(3)由传输数据包长度最优值计算公式计算得到下一个连续时间区间内的最优数据包长度；

(4)修改下一个连续传输时间区间的传输数据包长度；

(5)每次断线后均重复以上步骤重新设定传输数据包长度，实现滚动优化。

本发明的有益效果是：

(1)数据传输过程中，由于环境因素变化、通讯终端移动等原因，网络断线率及传输速率会不断发生变化，通过该发明的动态优化思路，可以达到跟踪网络特性变化的目的；通过快速、动态的优化跟踪，可以始终使传输过程以最优或近似最优的数据包长度进行传送，可以有效的消除扰动，提高系统的稳定性，提高无线网络数据传输的效率；

(2)利用该发明解决了传输数据包长度最优值的计算公式中重要参量网络连续在线传输时间和无线网络传输速率的估算问题，从而实现在线动态优化。

(3)通过动态优化的方法来优化传输数据包的长度，有效提高了无线网络在高断线率情况下的网络传输效率；节省了数据通讯成本。

附图说明

图1是无线网络数据包传输过程示意图；

图2是基于动态优化的无线网络传输数据包长度动态调整方法示意图；

图3是无线网络数据传输方法流程图。

具体实施方式

在无线网络数据传输过程中，待传输数据通常需要拆分成一定大小的数据段，每个数据段需要添加上固定大小的首部(即数据包包头)封装为传输数据包。封装好的数据包将送到传输层，由传输层采用TCP、UDP等相关协议进行传送。传输数据包越大，有效负载所占比例越高，用于首部的传输开销相对减少；但是与此同时有效负载比例增高，因为无线网络具有高断线率，由于数据包丢失造成的网络流量损失也会相应增大。因此为了减少数据传输的网络流量耗费，传输数据包长度应该选择对两者进行折衷的传输数据包长度的最优值，即在适当提高有效载荷的基础上同时降低断线造成的流量损毁。

根据最优传输数据包长度与网络连续在线传输时间期望值、传输速率以及传输数据包包头的关系，传输数据包长度最优值根据公式：

计算。

连续在线传输时间的期望值E(T)、传输速率v在环境变化的情况下，会不断发生波动。传输数据包长度的最优值也应该是动态变化的，传输过程中检测到特性参数较大变化时，将应用公式重新计算并修正最优值，使传输过程始终工作于最优状态。

因为无线网络断线发生是随机和不可预测的，最优传输数据包长度的计算比较困难。所以，有必要采用一种近似的方法来估计其近似值。根据无线网络传输过程的特性，可以利用在线传输时间的滑动平均值来近似估计E(T)，而用前次连续传输时间的平均传输速率来近似估计近似的网络传输速率。从而计算得到当前传输数据包长度的最优值。传输数据包的长度随着传输过程不断进行在线优化，从而形成一种基于传输数据包在线动态优化的数据传输方法。

伴随着网络与通讯技术的高速发展，无线网络技术得到了广泛的推广和应用。无线网络技术具备良好的发展前景和应用需求，它在数据传输等业务领域发展迅速。GPRS/CDMA等无线网络技术都在工业监控、无线通讯上得到了广泛的应用。无线网络数据传输的可靠性、稳定性差，断线率高。基于以上原因，本发明提出了一种在无线网络环境下基于传输数据包长度在线动态优化的数据传输方法；通过采用可行的动态优化算法来调整传输数据包的长度来达到数据传输效率提高的目的。

基于传输数据包长度在线优化的无线网络数据传输方法示意图如图2、图3所示。该传输方法包括以下步骤，具体实现过程如下：

确定传输数据包长度的初始值：

该初始值由传输数据包包头D，当前网络的初始传输速率v，以及网络连续在线传输时间的期望值E(T)所决定。

其中，包头D对于传输过程为设定值，在传输过程中保持不变；当前网络的初始传输速率则可根据当前网络的状况来近似确定，例如中国联通CDMA无线网络，CDMA 1X的平均业务速率为80kbit/s～100kbit/s，可取其中间值90kbit/s近似估计。而连续在线传输时间则通过测试单位小时内的断线次数，由平均断线间隔时间来近似估计，因为本专利所提出的数据传输方法模型具备较强的鲁棒性，初始值的偏差可以通过模型在线迭代过程而得到修正。

数据传输过程中的在线迭代优化实现：

当无线网络发生断线时，执行以下步骤：

一、记录在传输过程中发生新的断线时的前次连续在线传输时间T′，再将T′与前次计算所得连续在线传输时间的数学期望估计值E(T)_pre进行算术平均(T′代表连续传输时间的前一个时刻的信息；E(T)_pre则代表连续传输时间的历史信息，通过算术平均将历史信息和最近一个时刻信息综合一起从而逼近当前时刻的期望值)，即得新的当前连续在线时间期望估计值：E(T)_new＝(T′+E(T)_pre)/2。新得到的连续在线时间期望估计值近似等于当前状态下的连续在线传输时间期望值。

二、利用近似算法估计当前网络的传输速率。记录前次连续在线传输期间传输耗费的实际网络流量m′，则当前网络的传输速率近似等于前次连续在线时间内数据传输的平均速率；即：v_now＝m′/T′。本方法利用前一最近时刻的速率信息来逼近未来一段时刻的速率。

三、通过运算处理单元，由传输数据包长度最优值计算公式计算下一个连续时间区间内的最优数据包长度。根据最优传输数据包长度与网络连续在线传输时间、传输速率以及传输数据包包头的关系，利用传输数据包长度最优值的计算公式：

来求取当前最优数据包长度。此时，计算公式转换为：

其中：计算系数

其中，D是数据包的包头长度，在确定网络传输要求的情况下D一般为一个固定的常量。

四、根据3)的计算结果，修改传输数据包长度

在新的连续传输时间区间内采用新设定的

作为数据分割传输的依据。

而当网络再次发生断线时，不断重复上述步骤和方法重新修正和设定

的长度。如此，周而复始，使无线网络数据传输实现针对传输数据包长度的在线动态优化，使无线网络数据传输效率大大提高。本方法采用在线迭代优化的思路来不断修正传输数据包长度的最优值，具有良好的鲁棒性和广泛的适应性，在实际无线网络传输应用中取得了良好结果。

Claims (3)

1.一种基于传输数据包长度在线优化的无线网络数据传输方法，其特征在于，数据传输方法由以下步骤组成：

(1)利用算术平均算法近似估计连续在线传输时间的数学期望值：记录在传输过程中发生新的断线时的前次连续在线传输时间T′，再将T′与前次计算所得连续在线传输时间的数学期望估计值E(T)_pre进行算术平均，即得新的当前连续在线时间期望估计值：E(T)_new＝(T′+E(T)_pre)/2；新得到的连续在线时间期望估计值近似等于当前状态下的连续在线传输时间期望值；

(2)利用近似算法估计当前网络的传输速率：通过记录前次连续在线传输期间传输耗费的实际网络流量m′，则当前网络的传输速率v_now近似等于前次连续在线时间T′内数据传输的平均速率

即：

(3)由传输数据包长度最优值计算公式计算得到下一个连续时间区间内的最优数据包长度：根据最优传输数据包长度P_size与网络连续在线传输时间期望E(T)、传输速率v以及传输数据包包头的关系，利用传输数据包长度最优值的计算公式：

来求取当前最优数据包长度此时，公式转换为：

其中，D是数据包的包头长度，在确定的网络传输情况下D为一个固定的常量，最优数据包长度计算公式转化为

其中：

(4)修改下一个连续传输时间区间的传输数据包长度；

(5)每次断线后均重复以上步骤重新设定传输数据包长度，实现滚动优化。

2.根据权利要求1所述的基于传输数据包长度在线优化的无线网络数据传输方法，其特征在于，所说的修改下一个连续传输时间区间内的传输数据包长度，是指根据权利要求1中步骤(3)的计算结果，修改传输数据包长度在新的连续传输时间区间内以修改后的

作为数据分割传输的参量。

3.根据权利要求1所述的基于传输数据包长度在线优化的无线网络数据传输方法，其特征在于，所说的每次断线后均重复以上步骤，实现滚动优化是指每次网络断线后网络状态发生动态变化，需要通过重复步骤(1)～(4)来重新设定传输数据包长度以适应网络状态的变化，从而确保传输数据包长度最优值和网络状况相符合，实现传输数据包长度的在线动态优化。

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