CN101860895B - 一种改进的aimd拥塞控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种改进的AIMD拥塞控制方法，其特征在于，步骤为：步骤1、判断引起蜂窝网络拥塞是由突发错误引起，还是由带宽下降引起，若由带宽下降引起，则采用传统的线性增加成倍减少算法来接触拥塞，否则进入下一步；步骤2、建立时间时间窗口大小为W的低通滤波器，在检测到拥塞发生时，启动一个计时器w计时，在w≤W时，采用传统的线性增加成倍减少算法进行慢启动解除拥塞；在w＞W时，则启动快探索算法，即加大码率恢复的增量，使其快速恢复到可用带宽；步骤3、在发送码率恢复到可用带宽附近后，启动拥塞避免流程。本发明的优点是在无线蜂窝视频监控领域中能够极大节省带宽资源。

Description

一种改进的AIMD拥塞控制方法

技术领域

本发明涉及一种在无线蜂窝视频监控领域中，对端到端情况下发送码率与带宽不匹配造成的网络拥塞进行拥塞控制的方法。

背景技术

基于CDMA2000/GPRS等的移动数字视音频监控系统(以下称移动监视系统)中，通过利用CDMA、GPRS等的数据服务网络传输实时多媒体数据，使视音频监控系统不再受到地域范围的限制，可在蜂窝网络覆盖地区内的任意地点设置视音频监控点，在控制中心或其他地方实时观看监控点的视音频信息。

在该类移动监视系统中，通过大量的实践实验和对丢包特性的统计分析，发现引起丢包的主要原因是蜂窝无线信道和有线Internet网络的混合信道传输带宽的波动造成的。传统的无线/有线通信系统中，给每个连接分配的信道带宽是固定的，然而，在实际的蜂窝移动通信过程中，无线信道带宽由于这样几个原因会发生变化：

1、当移动终端在不同的小区间移动时，可用带宽可能会发生剧烈变化(如CDMA2000-1X的有效带宽范围为每秒20Kbps到100Kbps)；2、当移动过程中进行切换时，基站可能没有足够的可用无线资源满足新加入的移动终端的需求；3、无线信道的传输能力可能由于多径干扰、信道间干扰和噪音等因素的影响而降低；4、无线信道的容量受基站与移动主机之间的距离影响；5、无线信道的容量受小区内活跃用户数量的影响。

对于端到端情况下发送码率与带宽不匹配造成的网络拥塞，可以通过对发送速率的调整来进行解除和避免，即进行拥塞控制。常用于调整源端发送速率的算法有两种类型：基于模型的(model)和基于探测的(probe)。基于模型的算法一般根据数据包的丢失率P、数据包的往返时间(RTT)和最大传送单元大小(MTU)等代入到一个数据模型中来调整发送速率。而基于探测的方法就是源端不断调整发送速率来探测网络的可用带宽。目前存在一种常用的基于探测性的自适应控制算法：线性增加成倍减少算法AIMD(additiveincrease and multiplicative decrease)，它的算法描述如下：

If(P_Loss≤P_TH)

              R＝min{(R+ΔR)，MaxR}；                    (1)

else

R＝max{(α·R)，MinR}；                                       (2)

在式(1)及式(2)中，P_Loss就是数据包的实际丢失率，P_TH、MinR、MaxR分别为数据包丢失率的阀值和传输速率的最小及最大值，这些都是决定收端视频质量的关键参数，R就是源端的发送速率，ΔR是线性增加的速率，α为递减因子(0＜α＜1)。数据包的丢失率P_Loss是源端根据收端的反馈报告计算出来的。

基于AIMD(ΔR，α)的拥塞控制算法，当ΔR，α取不同的值时即可得到不同的拥塞控制机制，显然若取较小的加性因子ΔR和乘性因子时可大幅度降低数据发送速率的波动性，充分利用网络资源。然而较小的加性因子ΔR和乘性因子α却不能使应用快速地使用网络中的有用资源，造成带宽的浪费。因此，AIMD算法虽然可以满足公平性，但它也有自身的局限性。

如果移动主机由静止或低速运动状态转移到一个高速移动状态，或者从一个信号较好小区移动到一个信号环境较差的小区，则可能由于网络带宽与发送速率的不匹配导致持续的数据包丢失，表现为网络发生拥塞，应将发送速度迅速调整到一个适当的低值，并启动慢启动(带宽加性增加)解除拥塞。同时，RTCP反馈每数秒钟才产生一次，利用它所提供的QoS反馈信息来调节RTP的发送速率，如果增长的常数设定得太大，RTP流速率的抖动会很大，也会加剧网络的拥塞；如果设定得太小，RTP流的速率增长就会太慢，不利于网络带宽利用率的提高。对于蜂窝网络，数据包丢失可能由于短时隙的突发错误产生，并非网络发生拥塞。此时发送速度在乘性锐减后，应随着带宽抖动的消除迅速恢复，如果按照传统的加性速度缓慢增长，将会造成有用带宽的浪费。

发明内容

本发明的目的是提供一种在无线蜂窝视频监控领域中能够节省带宽资源的AIMD拥塞控制方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种改进的AIMD拥塞控制方法，其特征在于，步骤为：

步骤1、判断引起蜂窝网络拥塞是由突发错误引起，还是由带宽下降引起，若由带宽下降引起，则采用传统的线性增加成倍减少算法来接触拥塞，否则进入下一步；

步骤2、建立时间时间窗口大小为W的低通滤波器，在检测到拥塞发生时，启动一个计时器w计时，在w≤W时，采用传统的线性增加成倍减少算法进行慢启动解除拥塞；在w＞W时，则启动快探索算法，即加大码率恢复的增量，使其快速恢复到可用带宽；

步骤3、在发送码率恢复到可用带宽附近后，启动拥塞避免流程。

本发明提出了一种适宜于蜂窝网络的改进的拥塞控制算法，包括两个阶段：拥塞解除和拥塞避免。拥塞解除是指在遇到拥塞时，通过码率的调整迅速的解除拥塞。考虑到引起蜂窝网络的“拥塞”(即出现丢包率大于门限的情况)的原因主要有突发错误和带宽下降两种，因其实际带宽在突发错误结束后并没有下降，此时传统的AIMD算法难以迅速的恢复到原来的带宽，造成资源的浪费。而蜂窝网络突发错误的频繁性则更加剧了这种带宽的浪费。本发明引入了低通滤波器的概念，来滤除这种突发“噪声”。

本发明的优点是在无线蜂窝视频监控领域中能够极大节省带宽资源。

具体实施方式

以下结合实施例来具体说明本发明。

实施例

本发明提供了一种改进的AIMD拥塞控制方法，步骤为：

步骤1、判断引起蜂窝网络拥塞是由突发错误引起，还是由带宽下降引起，若由带宽下降引起，则采用传统的线性增加成倍减少算法来接触拥塞，否则进入下一步；

步骤2、建立时间时间窗口大小为W的低通滤波器，在检测到拥塞发生时，启动一个计时器w计时，在w≤W时，采用传统的线性增加成倍减少算法进行慢启动解除拥塞；在w＞W时，则启动快探索算法，即加大码率恢复的增量，使其快速恢复到可用带宽。快探索算法的步骤为：

步骤2.1、当数据包的实际丢失率P_Loss不大于数据包丢失率的阀值P_TH时，则：

R(t+Δt)＝max{R(t)+γ·ΔR，R_curr}，其中，R(t+Δt)及R(t)分别为t+Δt及t时刻源端的发送速率，γ(γ≥1)为增长加速系数，ΔR为线性增加的速率，R_curr为估算的当前信道的稳定带宽；

当数据包的实际丢失率P_Loss大于数据包丢失率的阀值P_TH时，则：

R(t+Δt)＝min{R(t-Δt)+ΔR，MaxR }，并且将所述计时器w清零，将调节系数β设置为β₀，0＜β₀≤1，其中，R(t+Δt)及R(t-Δt)分别为t+Δt及t-Δt时刻源端的发送速率，

ΔR为线性增加的速率，MaxR为源端发送速率的最大值。

上述算法可以用下列公式来表示：

慢启动(w≤W)：

If(P_Loss≤P_TH)

              R(t+Δt)＝min{R(t)+ΔR，MaxR}          (3)

else

              R(t+Δt)＝max{α·R(t)，MinR}          (4)

快恢复(w＞W)：

If(P_Loss≤P_TH)

              R(t+Δt)＝max{R(t)+γ·ΔR)，R_curr}    (5)

else

{

              R(t+Δt)＝min{R(t-Δt)+ΔR，MaxR}；    (6)

              w＝0；

                               //启动拥塞避免流程    (7)

              β＝β₀；

}

公式(5)中，R_curr为估算的当前信道的稳定带宽，在初始化时赋予初值，并在拥塞避免流程中动态刷新；γ(γ≥1)为增长加速系数。公式(7)中w＝0表明快探索结束，发送码率恢复到可用带宽附近，从而启动正常情况下的拥塞避免流程。

步骤3、在发送码率恢复到可用带宽附近后，启动拥塞避免流程。拥塞避免流程的步骤为：判断计时器w是否等于0，若w等于0，则对数据包的实际丢失率P_Loss进行判断，

当P_Loss等于0时，则：

其中，R(t+Δt)及R(t)分别为t+Δt及t时刻源端的发送速率，β为调节系数，R_curr为估算的当前信道的稳定带宽，MaxR为源端发送速率的最大值；

当0＜P_Loss≤P_TH时，P_TH数据包丢失率的阀值，则：

先将β设为β/2，随后调整R_curr＝λ·R_curr+(1-λ)·R(t-Δt)，其中，λ为调整系数，0＜λ≤1，最后计算

当P_Loss＞P_TH时，P_TH数据包丢失率的阀值，则：

先将β设为β₀，随后将计时器w设为1，最后计算R(t+Δt)＝max{α·R(t)，MinR}，其中，α为调整系数，0＜α≤1，MinR为源端发送速率的最小值。

这里拥塞避免策略参考已有AIMD方法基础上，将AIMD算法中的固定加性增量ΔR，改成了上述算法可以用下列公式来表示：

If((w＝＝0)and(P_Loss＝＝0))

$R(t+\mathrm{\Δt})=\min \{R\left(t\right)+\mathrm{\β}\·\frac{R_{\mathrm{curr}}}{R\left(t\right)},\mathrm{MaxR}\}---\left(8\right)$

else if((w＝＝0)and(0＜P_Loss≤P_TH))

{

β＝β/2；

R_curr＝λ·R_curr+(1-λ)·R(t-Δt)；     //刷新当前的可用带宽  (9)

$R(t+\mathrm{\Δt})=\min \{R(t-\mathrm{\Δt})+\mathrm{\β}\·\frac{R_{\mathrm{curr}}}{R(t-\mathrm{\Δt})},\mathrm{MaxR}\};$

}

else if((w＝＝0)and(P_Loss＞P_TH))

{

                β＝β₀；

                w＝1；                  //启动拥塞解除        (10)

                R(t+Δt)＝max{α·R(t)，MinR}；

}

在公式(9)中，R_curr值计算是基于低通滤波器原理，在动态刷新的过程中也减弱了噪声的干扰。拥塞避免目的是，随着R(t)越来越靠近信道的当前有效带宽，发送速率的增加量就越来越小，从而能使发送速率较长时间维持在接近网络容量的范围。

本发明中的经验参数(适用于CDMA2000-1X蜂窝网络)设置见下表：

Claims (1)

1.一种改进的AIMD拥塞控制方法，其特征在于，步骤为：

步骤1、判断引起蜂窝网络拥塞是由突发错误引起，还是由带宽下降引起，若由带宽下降引起，则采用传统的线性增加成倍减少算法来接触拥塞，否则进入下一步；

步骤2、建立时间时间窗口大小为W的低通滤波器，在检测到拥塞发生时，启动一个计时器w计时，在w≤W时，采用传统的线性增加成倍减少算法进行慢启动解除拥塞；在w＞W时，则启动快探索算法，即加大码率恢复的增量，使其快速恢复到可用带宽，步骤2中所述快探索算法的步骤为：

步骤2.1、当数据包的实际丢失率P_Loss不大于数据包丢失率的阀值P_TH时，则：

R(t+Δt)＝max{R(t)+γ·ΔR，R_curr}，其中，R(t+Δt)及R(t)分别为t+Δt及t时刻源端的发送速率，γ(γ≥1)为增长加速系数，ΔR为线性增加的速率，R_curr为估算的当前信道的稳定带宽；

当数据包的实际丢失率P_Loss大于数据包丢失率的阀值P_TH时，则：

R(t+Δt)＝min{R(t-Δt)+ΔR，MaxR}，并且将所述计时器w清零，将调节系数β设置为β₀，0＜β₀≤1，其中，R(t+Δt)及R(t-Δt)分别为t+Δt及t-Δt时刻源端的发送速率，ΔR为线性增加的速率，MaxR为源端发送速率的最大值；

步骤3、在发送码率恢复到可用带宽附近后，启动拥塞避免流程，所述拥塞避免流程的步骤为：判断计时器w是否等于0，若w等于0，则对数据包的实际丢失率P_Loss进行判断，

当P_Loss等于0时，则：

其中，R(t+Δt)及R(t)分别为t+Δt及t时刻源端的发送速率，β为调节系数，R_curr为估算的当前信道的稳定带宽，MaxR为源端发送速率的最大值；

当0＜P_Loss≤P_TH时，P_TH为数据包丢失率的阀值，则：

先将β设为β/2，随后调整R_curr＝λ·R_curr+(1-λ)·R(t-Δt)，其中，λ为调整系数，0＜λ≤1，最后计算

当P_Loss＞P_TH时，P_TH为数据包丢失率的阀值，则：

先将β设为β₀，随后将计时器w设为1，最后计算R(t+Δt)＝max{α·R(t)，MinR}，其中，α为调整系数，0＜α≤1，MinR为源端发送速率的最小值。