CN102104912A - 一种基于异构业务的无线mesh网络的拥塞控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通过在拥塞避免窗口上升和下降阶段，根据无线mesh网络的网络状态动态调整拥塞避免窗口大小来实现针对基于Diffserv模型异构业务传输的无线mesh网络的拥塞控制方法。本发明的显著效果是：提出了一种针对基于Diffserv模型异构业务传输的无线mesh网络的拥塞控制机制，通过观测网络状态，动态调节在上升和下降阶段的拥塞窗口大小，实现了对网络的拥塞控制优化和基于异构业务的无线mesh网络的可靠传输。

Description

一种基于异构业务的无线mesh网络的拥塞控制方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域和网络控制领域，特别是涉及无线mesh网络和模糊控制理论。

背景技术

在无线通信领域，无线mesh网络(WMN)已经被设想为构建宽带大范围无线通用网络较为经济的可选方案。对于工业界而言，无线mesh网络具备诸多的特征。无线mesh网络是一种多层次的网络架构，主要由无线路由节点(WirelessRouter，WR)，接入点(Access Point，AP)、和用户节点(Client)组成。其中，AP也称无线接入点或网络桥接器，AP的主要作用是将无线网络接入核心网，其次将各个与无线路由器相连的无线客户端连接到一起，使装有无线网卡的终端设备可以通过AP共享核心网的资源。除此之外，AP还具有网管的功能，实现对无线接入网络的控制和管理，把传统交换机的智能性分散到接入点中，大大节省骨干网络建设的成本，提高网络的可延展性。在无线mesh网络结构中，通过使用无线路由器(WR)可以实现移动终端设备与接入点间通信范围的弹性延展。终端用户/设备(Client)兼备主机和路由器两种角色。一方面，节点作为主机运行相关的应用程序；另一方面，节点作为路由器需要运行相关的路由协议，参与路由发现、路由维护等常见的路由操作。所有的WR节点构成了无线主干(Backbone)网络，它负责在无线用户和有线网关节点之间建立多跳。其主要具有以下优点：

(a)通过无线mesh网络构建主干无线网络的方法则可大大减少有线接入点的数量，从而降低网络构建的费用；

(b)适合大范围布网，可以实现无线链路的较大程度的复用，可以更快的速率支持更远距离传输；

(c)无线mesh网络为两终端节点间提供了多径链路，这大大提高了通信的可靠性，网络的冗余设计和对潜在问题(节点错误、路径阻塞、外部干扰等)的自适应能力，也可为有线网络的接入提供多个接入口和到目的节点的可选路由；

(d)采用对等网络来构建无线传输系统并具备了自组织、自治愈等优点，因而网络的建立相对于用户透明，因此，网络的扩容也相对简单。

另一方面当无线mesh网络在传输异构业务时，由于异构业务之间流量特性和业务模型互不相同，难以综合保证业务在传输过程中的QoS。因此，可采用Diffserv模型，其可对网络中同一级别的不同异构业务进行聚合，并统一发送.保证相同的保证相同的延迟、传输速率、抖动等服务质量参数。在Diffserv模型中，异构业务分类和汇聚工作在网络边缘由边缘路由器完成，边界节点根据用户的流规定和资源预留信息将进入网络的单流分类，整形，聚合为不同的流聚集，然后核心路由器根据业务流的标记将它们发送到目的端。

为保证采用Diffserv模型的异构业务在传输过程中，无线mesh网络具有较好的拥塞避免或快速解除机制，并保证对用户的服务质量和公平性，需建立高效的拥塞控制机制，而现有的拥塞控制机制对改善网络的鲁棒性效果较小，因此需建立针对基于Diffserv模型异构业务传输的无线mesh网络的拥塞控制机制。由于网络拥塞控制机制是一个比较复杂的控制系统，拥塞控制算法的分布性、复杂性也使得算法在设计上具有较高的难度。因此，网络拥塞控制机制的研究虽然已有很多年的历史，但是迄今为止，网络拥塞问题仍然没有一个很好的解决方案，依旧是目前国内外网络研究领域的一个热点课题。

综上所述：有必要对异构业务的传输采用Diffserv模型，如图1所示，其中ER为边界节点，IR为内部节点；另一方面建立针对基于Diffserv模型异构业务传输的无线mesh网络的拥塞控制机制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：建立针对基于Diffserv模型异构业务传输的无线mesh网络的拥塞控制机制。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：通过在拥塞避免窗口上升和下降阶段，根据无线mesh网络的网络状态动态调整拥塞避免窗口大小来实现；其特征在于：在满足基于Diffserv模型异构业务传输和对用户的服务质量要求和公平性条件下，通过发明一种能根据网络负载情况，动态调整拥塞避免窗口的方法，实现对基于Diffserv模型异构业务传输的无线mesh网络的高效合理利用，包括以下步骤：

A、在拥塞窗口E上升阶段，设置从慢启动状态进入拥塞避免状态的最优慢启动门限值和最优的拥塞控制窗口；

B、基于A步骤，在发送端接收ACK信息时设计合适的拥塞控制窗口；

C、在拥塞窗口E下降阶段，设置最优的拥塞控制窗口。

所述步骤A中，慢启动门限的理想值为

其中，η＝sin²α·η_current+cos²α·(η_current-η_old)，α为常数。η_current表示无线mesh网络当前业务负载，η为无线mesh网络的期望业务负载，η_old为接受上一个ACK信息时的无线mesh网络的业务负载。适应性网络带宽为W，当前无线mesh网络慢启动门限ω_n＝W·Δ_min，Δ为发送端收到最后一个的ACK信息的往返时间，Δ_min为发送端收到最后一个ACK信息的最小往返时间。

所述步骤B中，发送端首先接受接收ACK信息，然后判断

成立与否，若条件不成立，则停止接受接收ACK信息，若条件成立，则

η_min为无线mesh网络的最小期望业务负载。

所述步骤B中，E_current与ω_n以及ω_i之间的关系。存在四种组合：1.E_current＜ω_n并且E_current＜ω_i，2.E_current＜ω_n并且E_current≥ω_i，3.E_current≥ω_n并且E_current＜ω_i，4.E_current≥ω_n并且E_current≥ω_i，E_current为拥塞窗口当前值，如图2所示。

所述步骤B中，当第一种情况出现时，E_update＝E_current+1。当第2、3、4种情况出现时，在不同的情况下判断相应的E_update值，并重新判断下一次

是否成立，其中下一次E_current等于本次的E_update。

所述步骤B中，使用观测器获取当前网络适应性可用带宽值，如图3所示，并使用模糊控制方法对适应性可用带宽W进行预测，模糊控制器由模糊化，判断修正因子、模糊控制器、清晰化、知识库和经验库以及被控对象适应性可用带宽W等模块组成，模糊控制系统示意图如图4所示，其中PIm控制器的迭代方程为G_p为常数比例，G_l为整数增益，G_D为导数增益，μ为误差，

和

为输入标量增益，SG_o(t)为输出标量增益，e(t)为控制变量误差，

Δe(t)＝e(t)-e(t-1)，e(t)＝q_m-q(t)，q(t)为实时业务流队列长度，q_m为平均实时业务流队列长度，T为抽样间隔，节点缓存为B，模糊控制器结构示意图如图5所示。

所述步骤C中，在拥塞窗口E下降阶段，当无线mesh网络处于饱和状态和非饱和状态之间时，设置最优的拥塞避免窗口门限值为

本发明的有益效果为：提出了一种针对基于Diffserv模型异构业务传输的无线mesh网络的拥塞控制机制，通过观测网络状态，动态调节在上升和下降阶段的拥塞窗口大小，实现了对网络的拥塞控制优化和基于异构业务的无线mesh网络的可靠传输。

附图说明

图1 Diffserv模型传输示意图

图2为E_current与ω_n以及ω_i之间判决方法示意图

图3为网络状态观测系统示意图

图4为模糊控制系统示意图

图5为模糊控制器结构示意图

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：

本发明的基本思路如下：通过观测网络状态，动态调节在上升和下降阶段的拥塞窗口大小，实现了对网络的拥塞控制优化。

1.在拥塞窗口E上升阶段，设置从慢启动状态进入拥塞避免状态的最优慢启动门限值和最优的拥塞控制窗口。

发送端可通过慢启动门限调整拥塞避免阶段，如果ω设置得太小，发送端将进入拥塞避免阶段，会造成E的增长速率低于可用带宽的增长速率，在异构网络中会造成吞吐量的降低。若E的变化率太慢，会导致不公平带宽利用。若果ω设置的太大，发送端将会在处于拥塞状态的网络发送过多的数据包，会使网络进入更严重的拥塞状态。为获得高吞吐量和公平性，需设计一种方法选择合适的ω，如图2所示。

2.在初始状态，由于在网络中的业务比较少，发送一个包所需的时间为

其中

S为最大的数据段大小，R为连接速率，最优慢启动门限值

其中，η＝sin²α·η_current+cos²α·(η_current-η_old)，α为常数。令η_current表示无线mesh网络当前业务负载，η为无线mesh网络的期望业务负载，η_old为接受上一个ACK信息时的无线mesh网络的业务负载。其中Δ为发送端收到最后一个的ACK往返时间，Δ_min为发送端收到最后一个ACK信息的最小往返时间，在估计带宽情况下，当E＞sinα之前，E将会呈指数增加。在慢启动状态，然后进入拥塞避免阶段。为获得高的带宽利用率和公平性，ω_n＝W·Δ_min，W为适应性可用带宽。适应性可用带宽W的值可通过由观测器获取带宽利用状况，然后通过模糊控制系统对适应性可用带宽W进行预测，如图3所示。

模糊控制器由模糊化，判断修正因子、模糊控制器、清晰化、知识库和经验库以及被控对象适应性可用带宽W等模块组成，如图4所示。模糊控制器结构如图5所示。其中PIm控制器的迭代方程为

G_p为常数比例，G_l为整数增益，G_D为导数增益，μ为误差，

和

为输入标量增益，SG_o(t)为输出标量增益，e(t)为控制变量误差，

e(t)＝qm-q(t)，Δe(t)＝e(t)-e(t-1)，q(t)为实时业务流队列长度，q_m为平均实时业务流队列长度，T为抽样间隔，节点缓存为B。

3.当拥塞窗口E进入下降阶段时，若E大于ω_n和ω_i时，发送端进入拥塞避免阶段，当接收ACK信息时，E线性增长。此时网络中适应性可用带宽W和缓存降低。当接收到3个重复ACK信息时，在拥塞避免阶段网络处于饱和状态，但如果对E的值设置不当，可造成吞吐量降低，需选择合适的E值，在网络饱和状态和非饱和状态之间可设置最优的门限值为

本发明提供了一种在拥塞避免窗口上升和下降阶段，根据无线mesh网络的网络状态动态调整拥塞避免窗口大小来实现基于异构业务的无线mesh网络拥塞机制的优化。

Claims (7)

1.一种基于异构业务的无线mesh网络的拥塞控制方法，采用一种能根据网络负载情况，动态调整拥塞避免窗口的方法，实现对基于Diffserv模型异构业务传输的无线mesh网络的高效合理利用。包括如下步骤：

A、在拥塞窗口E上升阶段，设置从慢启动状态进入拥塞避免状态的最优慢启动门限值和最优的拥塞控制窗口；

B、基于A步骤，在发送端接收ACK信息时设计合适的拥塞控制窗口；

C、在拥塞窗口E下降阶段，设置最优的拥塞控制窗口。

2.根据权利要求1的方法，对于所述步骤A其特征在于：慢启动门限的理想值为

其中，η＝sin²α·η_current+cos²α·(η_current-η_old)，α为常数。η_current表示无线mesh网络当前业务负载，η为无线mesh网络的期望业务负载，η_old为接受上一个ACK信息时的无线mesh网络的业务负载。适应性网络带宽为W，当前无线mesh网络慢启动门限ω_n＝W·Δ_min，Δ为发送端收到最后一个ACK信息的往返时间，Δ_min为发送端收到最后一个ACK信息的最小往返时间。

3.根据权利要求1的方法，对于所述步骤B其特征在于：发送端首先接收ACK信息，然后判断

成立与否，若条件不成立，则停止接受接收ACK信息，若条件成立，则

η_min为无线mesh网络的最小期望业务负载。

4.根据权利要求1的方法，对于所述步骤B其特征在于：E_current与ω_n以及ω_i之间的关系。存在四种组合：1.E_current＜ω_n并且E_current＜ω_i，2.E_current＜ω_n并且E_current≥ω_i，3.E_current≥ω_n并且E_current＜ω_i，4.E_current≥ω_n并且E_current≥ω_i，E_current为拥塞窗口当前值。

5.根据权利要求1的方法，对于所述步骤B其特征在于：当第一种情况出现时，E_update＝E_current+1。当第2、3、4种情况出现时，

在不同的情况下判断相应的E_update值，并重新判断下一次是否成立，其中下一次E_current等于本次的E_update。

6.根据权利要求1的方法，对于所述步骤B其特征在于：使用观测器获取当前网络适应性可用带宽值，并使用模糊控制方法对适应性可用带宽W进行预测，模糊控制器由模糊化，判断修正因子、模糊控制器、清晰化、知识库和经验库以及被控对象适应性可用带宽W等模块组成，其中模糊控制器结构里的PIm控制器的迭代方程为

G_p为常数比例，G_l为整数增益，G_D为导数增益，μ(t)为误差，和

为输入标量增益，SG_o(t)为输出标量增益，e(t)为控制变量误差，

e(t)＝q_m-q(t)，Δe(t)＝e(t)-e(t-1)，q(t)为实时业务流队列长度，q_m为平均实时业务流队列长度，T为抽样间隔，节点缓存为B。

7.根据权利要求1的方法，对于所述步骤C其特征在于：在拥塞窗口E下降阶段，当无线mesh网络处于饱和状态和非饱和状态之间时，设置最优的拥塞避免窗口门限值为

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