CN101882983B - 无线通信网络中实现tcp传输性能优化的跨层通信控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无线通信网络中实现TCP传输性能优化的跨层通信控制方法，包括TCP层评估网络传输环境将评估结果信息加入TCP数据包中送至MAC层、MAC层根据TCP数据包中的评估结果信息进行无线通信网络的发送队列的权重计算处理、MAC层根据权重计算处理结果进行网络传输资源量的分配。采用该种无线通信网络中实现TCP传输性能优化的跨层通信控制方法，利用了无线网络的TCP与MAC层直接进行跨层通信，在端到端的水平上对网络环境评估，显著地提高了TCP的吞吐量，显著优化和提升了无线通信网络数据传输过程中的TCP传输性能，并充分利用了无线资源，工作性能稳定可靠，适用范围较为广泛，为无线通信网络的传输性能优化技术奠定了坚实的基础。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信领域，特别涉及无线通信传输性能和控制技术领域，具体是指一种无线通信网络中实现TCP传输性能优化的跨层通信控制方法。
背景技术
在无线网络中，TCP无法识别网络拥塞而引起传输错误造成包丢失会造成TCP性能的严重降级。现有技术中，有很多人提出了许多考虑无线网络特性的方案修改标准的TCP以补足现有的不足。当研究人员看到TCP或单层通信的不足，转而考虑通过跨层通信获取更好的性能的可能性时，跨层通信的思想就逐渐显现出了。
其中，对于以下参考文献：
B.Sardar and D.Saha，″A survey of TCP enhancements for last-hop wireless networks，″IEEECommun.Surveys Tuts.，vol.8，pp.20-34，3rd Qtr.2006.
其中描述的直接通知方案抓住了跨层通讯的本质，TCP的性能通过因特网协议(IP)或媒体接入层(MAC)直接指示拥塞或无线链接丢失而得到优化。
对于以下参考文献：
V.Srivastava and M.Motani，″Cross-layer design：a survey and the road ahead，″IEEECommun.Mag.，vol.43，pp.112-119，Dec.2005.
其中展示了一个跨层设计的定义。这样的跨层设计能够使不相邻的层间进行直接通信。以上参考文献和参考文献(F.Foukalas，V.Gazis and N.Alonistioti，″Cross-layer design proposalsfor wireless mobile networks：a survey and taxonomy，″IEEE Commun.Surveys Tuts.，vol.10，pp.70-85，First Quarter 2008.)中总结了在一些在协议栈中建立跨层通讯的策略。
由于无线信道显而易见的不可靠特性，许多研究更关注底层间的相互作用。在以下参考文献中：
S.Toumpis and A.J.Goldsmith，″Performance，optimization，and cross-layer design of mediaaccess protocols for wireless ad hoc networks，″in Proc.IEEE ICC′03，May 2003.
其作者在Ad Hoc的媒体访问控制层(MAC层)控制包的交换的基础上把一个数据包的传输功率降到最低，这样就能降低能耗和引入的干扰。而还有一些参考文献中的调制方案适应物理信道环境，同时通过媒体访问控制层控制数据包测得的来回时间(RTT)决定一条最小干扰路径。通过以上参考文献，可以看出媒体访问控制层在无线网络的上下文中扮演了重要角色。较低的层能够对无线环境中快速变化的信道条件做出更好的反应。从端到端的角度来看，传输控制协议层(TCP)是获取好的吞吐性能的关键因素。
在其它参考文献中，在发送者和接收者的传输控制协议层(TCP)和媒体访问控制层之间存在一个类似窃听装置的东西，它能够发送自动重复请求(ARQ)和截取MAC层产生的对传输控制协议的确认。然而，这种策略违反了TCP的端到端的语义。另外还有人提出了一个更新的方法，这种方法用一个从MAC层传到TCP层的通知来调整TCP的发送速率。而对这个通知的评估是基于通信量和MAC层使用的带宽配置。
但是，以上方法中的技术方案均非常复杂而繁琐，对于无线通信网络中的高效性和实时性要求无法充分满足，而且也增大了系统资源的消耗和计算量的显著上升，不利于改善整个无线通信系统的运行效率。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种能够显著优化和提升无线通信网络数据传输过程中TCP传输性能、充分利用无线资源、工作性能稳定可靠、适用范围较为广泛的无线通信网络中实现TCP传输性能优化的跨层通信控制方法。
为了实现上述的目的，本发明的无线通信网络中实现TCP传输性能优化的跨层通信控制方法如下：
该无线通信网络中实现TCP传输性能优化的跨层通信控制方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：
(1)无线通信网络的TCP层进行网络传输环境的评估，并将评估结果信息加入TCP数据包中送至无线通信网络的媒体访问控制层；
(2)所述的媒体访问控制层根据TCP数据包中的评估结果信息进行无线通信网络的发送队列的权重计算处理；
(3)所述的媒体访问控制层根据权重计算处理结果进行网络传输资源量的分配。
该无线通信网络中实现TCP传输性能优化的跨层通信控制方法中的评估结果信息为TCP层发送数据的滑动窗口尺寸。
该无线通信网络中实现TCP传输性能优化的跨层通信控制方法中的进行无线通信网络的发送队列的权重计算处理，包括以下步骤：
(11)所述的媒体访问控制层从TCP数据包中提取出TCP层发送数据的滑动窗口尺寸的值；
(12)所述的媒体访问控制层根据以下公式计算无线通信网络中的每个发送队列的权重值Wn′：
Wn′＝Wn+a(cn/ct)Wn；
其中， N为无线通信网络中的发送队列总数，ci为TCP层中与无线通信网络层的第i个发送队列相关联的滑动窗口尺寸的值，cn为TCP层中与无线通信网络层的第n个发送队列相关联的滑动窗口尺寸的值，Wn为无线通信网络中的第n个发送队列的初始权重值，a为系统权重调整因子。
该无线通信网络中实现TCP传输性能优化的跨层通信控制方法中的根据权重计算处理结果进行网络传输资源量的分配，具体为：
所述的媒体访问控制层按照无线通信网络中每个发送队列的权重值Wn′的大小进行网络传输资源量的分配，权重值大的发送队列被分配到的的网络传输资源量多。
该无线通信网络中实现TCP传输性能优化的跨层通信控制方法中的无线通信网络中每个发送队列被分配到的网络传输资源量与该发送队列的权重值Wn′成正比。
采用了该发明的无线通信网络中实现TCP传输性能优化的跨层通信控制方法，由于其中巧妙利用了无线网络的TCP与MAC层直接进行跨层通信，并根据TCP层对网络环境评估，将发送数据的滑动窗口尺寸的值送至MAC层，MAC层根据滑动窗口尺寸的大小实时计算发送队列的权重值，并动态分配网络资源量，从而使得TCP传输能够在端到端的水平上对网络环境进行评估，因此显著地提高了TCP的吞吐量，显著优化和提升了无线通信网络数据传输过程中的TCP传输性能，并充分利用了无线资源，工作性能稳定可靠，适用范围较为广泛，为无线通信网络的传输性能优化技术奠定了坚实的基础。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。
首先对无线通信网络的TCP数据传输原理进行以下相关介绍：
TCP使用了一个滑动窗口机制来控制它的发送速率。滑动窗口的尺寸是TCP在收到确认前能够向网络发送的最大数据量。当发送者收到确认(ACKs)时，滑动窗口以升序滑过一个序列数据流。在收到这些确认(ACKs)后，窗口尺寸就会增大，从而增大它的发射速率。拥塞窗口(cwnd)代表滑动窗口尺寸。在发射节点，这个参数由TCP来处理和控制。
在一个无线网络中(例如WiMAX网络)，当一个数据包从上层到达MAC层时，根据一个分级法则，MAC层把它转化为一个MAC服务数据单元，并映射到相应的传输链路。这个分级法则包括IP地址匹配，应用的端口数量和服务规格的IP类型(ToS)。
根据连接标识(CID)，一个匹配的数据包发往到从基站(BS)到目标站(SS)的单向传输链路。在这个链路中传输的数据与一个提供特殊服务质量的服务流标识(SFID)相结合。由于一个SFID与一个CID相对应，每个到达WiMAX网络的数据包就与一个WiMAX调度支持的QoS参数集联系起来。WiMAX定义了5种调度服务类型：主动提供确认服务(UGS)，实时检测服务(rtPS)，扩展实时检测服务(ertPS)，非实时检测服务(nrtPS)和尽力服务(BE)。
主动提供确认调度类型是由一个固定的主动提供的带宽分配赋予的，而实时检测服务的调度类型是由带宽请求的周期传输时机来确定的。扩展实时检测服务调度类型联合了主动提供确认服务和实时检测服务的特性，它是由主动提供的可变的带宽分配来提供的。非实时检测服务调度类型使用了竞争或联合投射请求时机来发送带宽请求。尽力服务调度类型是根据一个需求原理来提供的，它不提供设定带宽或任何服务质量。
关于本发明技术方案所涉及的其它具体技术细节，还可以参考以下背景技术文献：
(1)Y.Tian，K.Xu and N.Ansari，“TCP in wireless environments：problems and solutions，”IEEE Commun.Magazine，vol.43，no.3，pp.27-32，Mar.2005
(2)T.V.Lakshman and U.Madhow，“The performance of TCP/IP for networks with highbandwidth-delay products and random loss，”IEEE/ACM Trans.Networking，vol.5，no.3，pp.336-350，June 1997.
本发明所提出的方法的基本思想是利用在无线网络中从传输控制协议层(TCP)到媒体访问控制层(MAC层)的数据包头中的额外信息来携带对低层的指示。
基于此，本发明的无线通信网络中实现TCP传输性能优化的跨层通信控制方法，其中包括以下步骤：
(1)无线通信网络的TCP层进行网络传输环境的评估，并将评估结果信息加入TCP数据包中送至无线通信网络的媒体访问控制层；所述的评估结果信息为TCP层发送数据的滑动窗口尺寸；
(2)所述的媒体访问控制层根据TCP数据包中的评估结果信息进行无线通信网络的发送队列的权重计算处理，包括以下步骤：
(a)所述的媒体访问控制层从TCP数据包中提取出TCP层发送数据的滑动窗口尺寸的值；
(b)所述的媒体访问控制层根据以下公式计算无线通信网络中的每个发送队列的权重值Wn′：
Wn′＝Wn+a(cn/ct)Wn；
其中， N为无线通信网络中的发送队列总数，ci为TCP层中与无线通信网
络层的第i个发送队列相关联的滑动窗口尺寸的值，cn为TCP层中与无线通信网络层的第n个发送队列相关联的滑动窗口尺寸的值，Wn为无线通信网络中的第n个发送队列的初始权重值，a为系统权重调整因子；
(3)所述的媒体访问控制层根据权重计算处理结果进行网络传输资源量的分配，具体为：
所述的媒体访问控制层按照无线通信网络中每个发送队列的权重值Wn′的大小进行网络传输资源量的分配，权重值大的发送队列被分配到的的网络传输资源量多，且所述的无线通信网络中每个发送队列被分配到的网络传输资源量与该发送队列的权重值Wn′成正比。
在实际使用当中，TCP在推断网络环境时用到了许多机制，如：复制ACKs和来回时间(RTT)估计等。拥塞窗口的尺寸是反映这些推论的关键参数。参数cwnd是一个能让TCP链接察觉到整个数据传输路径的网络拥塞情况的指示。它在本质上控制了TCP片断的发送速率。在本发明的技术方案中，cwnd被看作是MAC层的调度者，它是资源分配的因素之一。
与TCP相反，MAC层在理论上是直接位于物理层上方的，它共享了物理链路条件方面的信息。参数cwnd为MAC层的调度者提供了网络条件方面的补充和数据包到达率方面的信息。因此通过结合cwnd，MAC层调度者能以更明智的方式分配资源。
在WiMAX的MAC层，一个调度服务类型(如：UGS，rtPS，ertPS或nrtPS)的链接被指派到了一个专用的队列，这个队列是与一个特殊的QoS参数相关联的。一个被普遍采用的调度方案是权重公平列队(WFQ)。权重从本质上决定了MAC层调度者为队列分配的资源量。分配给每个队列的权重是根据调度者进入队列时，队列的QoS规格确定的。本发明的技术方案本质上是一个替代的调度方案，在这个方案中，分配给每个队列的权重允许随着TCP的cwnd值的变化而上下浮动。更进一步说，每个队列权重是根据以下公式(1)式发生变化的，在公式(1)中，W代表了在调度者进入队列时分配给队列的初始权重，c代表了与队列相关联的TCP流的cwnd值，a是权重调整因子。下标n代表了第n个队列，下标t表示WiMAX网络中所有N个队列的一个性质总和。
Wn′＝Wn+a(cn/ct)Wn，其中
从以上公式(1)中能看出调度者为每个队列赋予了额外的资源，这些资源是与一个会话的cwnd与所有会话的cwnd的总和的比例成正比的。换句话说，如果队列的cwnd值越大，则获得的资源将越多。
为了把cwnd值传给MAC层，本发明所采用的方式可以是把cwnd值嵌入到TCP片断的头文件中的一个新开辟的Cwnd选项域。这个域占32比特，但如果需要一个更小的选项域，可以考虑一个依比例决定cwnd值的方法，当然也可以采用其它的信息传递方式。当一个数据包到达MAC层后，从头文件中提取cwnd值，同时基于上述公式(1)计算队列权重。因此，队列的权重是根据TCP的cwnd值相应调整的。
采用了上述的无线通信网络中实现TCP传输性能优化的跨层通信控制方法，由于其中巧妙利用了无线网络的TCP与MAC层直接进行跨层通信，并根据TCP层对网络环境评估，将发送数据的滑动窗口尺寸的值送至MAC层，MAC层根据滑动窗口尺寸的大小实时计算发送队列的权重值，并动态分配网络资源量，从而使得TCP传输能够在端到端的水平上对网络环境进行评估，因此显著地提高了TCP的吞吐量，显著优化和提升了无线通信网络数据传输过程中的TCP传输性能，并充分利用了无线资源，工作性能稳定可靠，适用范围较为广泛，为无线通信网络的传输性能优化技术奠定了坚实的基础。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (3)
1.一种无线通信网络中实现TCP传输性能优化的跨层通信控制方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
（1）无线通信网络的TCP层进行网络传输环境的评估，并将评估结果信息加入TCP数据包中送至无线通信网络的媒体访问控制层；
（2）所述的媒体访问控制层根据TCP数据包中的评估结果信息进行无线通信网络的发送队列的权重计算处理；所述的评估结果信息为TCP层发送数据的滑动窗口尺寸，所述的进行无线通信网络的发送队列的权重计算处理，包括以下步骤：
（a）所述的媒体访问控制层从TCP数据包中提取出TCP层发送数据的滑动窗口尺寸的值；
（b）所述的媒体访问控制层根据以下公式计算无线通信网络中的每个发送队列的权重值 
其中， 
N为无线通信网络中的发送队列总数，ci为TCP层中与无线通信网络层的第i个发送队列相关联的滑动窗口尺寸的值，cn为TCP层中与无线通信网络层的第n个发送队列相关联的滑动窗口尺寸的值，Wn为无线通信网络中的第n个发送队列的初始权重值，a为系统权重调整因子；
（3）所述的媒体访问控制层根据权重计算处理结果进行网络传输资源量的分配。
2.根据权利要求1所述的无线通信网络中实现TCP传输性能优化的跨层通信控制方法，其特征在于，所述的根据权重计算处理结果进行网络传输资源量的分配，具体为：
所述的媒体访问控制层按照无线通信网络中每个发送队列的权重值 
的大小进行网络传输资源量的分配，权重值大的发送队列被分配到的网络传输资源量多。
3.根据权利要求2所述的无线通信网络中实现TCP传输性能优化的跨层通信控制方法，其特征在于，所述的无线通信网络中每个发送队列被分配到的网络传输资源量与该发送队列的权重值 
成正比。
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