CN102421142B

CN102421142B - 一种车载通信网中基于跨层设计的tcp拥塞控制方法

Info

Publication number: CN102421142B
Application number: CN201110391749.XA
Authority: CN
Inventors: 谢显中; 王照然; 赵鼎新
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date: 2011-12-01
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2031-12-01
Also published as: CN102421142A

Abstract

本发明请求保护一种车载通信网中基于跨层设计的TCP拥塞控制机制VC-TCP，涉及无线通信领域。本发明将网络层与传输层相结合进行跨层优化，首先通过向网络层提供有用的车辆运行信息，使网络层在路由过程中能够预测信道状态；然后在TCP首部中新增VC位用于指示信道状态，网络层通过跨层通信将信道状态记录到VC位，TCP发送端根据VC位快速区分丢包原因；最后基于跨层设计的四状态转移图，改进传统TCP拥塞控制算法，对不同丢包情况采取不同的拥塞控制策略。本发明用于改善车载通信网中TCP传输性能，特别在节点高速移动、拓扑频繁变化、信道质量不佳的环境下，优势更为明显。

Description

一种车载通信网中基于跨层设计的TCP拥塞控制方法

技术领域

本发明主要涉及无线通信领域，尤其是关于车载通信网中TCP传输性能的问题。

背景技术

近年来，车辆的爆发式增长和无处不在的信息需求将通信网络和交通网络紧密结合起来，车载通信网由此应运而生，并成为一个研究热点。车载通信网分为两部分：RVC（Road to Vehicle Communications，路车间通信）与IVC（Inter-Vehicle Communication，车辆间通信）。RVC通过道路基础设施或移动基站，使车辆接入互联网，获取网络资源；而IVC通过在车辆上安装无线通讯设备，使车辆之间能够通过多跳的方式组成自组织网络，即VANET（Vehicular Ad hoc Network，车载自组织网络）。由于车载环境下组网的原因，后者在车载通信网中的应用更为广泛。

VANET是一种自组织的、结构开放的车辆间通信网络，不仅具有移动自组织网络动态、分布式、多跳等特点，还具有自身独有的属性，如车辆运动的高速性、网络拓扑变化频繁、运行轨迹可预测、无明显的硬件约束等，这些属性直接影响VANET环境中的传输性能，使得丢包增加、延迟增大。在VANET环境下，车辆运动受道路条件约束，其运行轨迹可预测，且车辆可获取丰富的外部辅助信息，结合这些优点可以设计更为高效的、可靠的传输控制协议。

VANET中有许多安全信息相关的应用，对于这些应用有必要选择可靠的传输协议，如TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）。然而，传统的TCP是基于有线信道设计的，由于有线环境下传输介质可靠性很高，传统TCP及TCP的各种改进版本，如TCP Reno、TCP New Reno、TCP Vegas等，都认为丢包是由于网络拥塞所致。而无线网络中，由于信道质量不佳，分组丢失率高，如果采用有线TCP拥塞控制算法，会将分组丢失都视为网络拥塞的指示，必然导致整个网络传输性能的严重降低。目前已经提出很多无线环境下的TCP的改进方案，如TCP Veno是专门针对解决无线网络环境中高误码率问题而提出的TCP改进方案，大量的试验证明在小区蜂窝网和3G网络中，TCP Veno对网络传输性能都有较大的改进。

在VANET环境下，由于其传输距离短而移动速度快，链路切换十分频繁，频繁的路由切换造成的分组丢失是影响TCP传输性能的重要原因。当节点快速移动造成路由中断，会导致多个连续TCP数据包丢失，若发送端收不到ACK（Acknowledgment，确认信号），需要等待RTO（Retransmission Time Out，超时重传时间）后开始重传任务，同时可能触发不必要拥塞控制进程。由此可见，若不能有效处理路由切换造成的丢包，将造成传输时延的增加，并带来不合理的拥塞控制和重传。目前，VANET环境下的TCP机制研究较少，特别是基于跨层设计的方案未见报道。在文献Marc Bechler, Sven Jaap, Lars Wolf “An Optimized TCP for Internet Access of Vehicular Ad Hoc Networks” Lecture Notes in Computer Science, 2005, Volume 3462, NETWORKING 2005: 869-880中提出了基于代理机制的VANET环境下TCP优化方案：MCTP（Mobile Control Transport Protocol，移动传输控制协议），该方案通过设置代理将端到端的TCP连接分离开，并在代理中对TCP传输性能进行优化，但是这种方案由于需要增加代理，实现较为复杂，兼容性也不够好，而且这种方案没有结合车载通信网运动趋势可预测等特点，也没有结合网络层进行联合优化，因此还有很大的改进空间。

在VANET中，除链路拥塞及频繁的路由切换带来的丢包外，与其他无线环境类似的是，信道质量不佳造成的误码丢包也是影响TCP传输性能的另一重要原因。影响VANET环境信号衰减的因素很多，除节点通信距离外，节点运动带来的多普勒频移，建筑物、路面、树木等周边环境带来的多径效应、其他干扰源因素等都会影响信道质量。因此，即使节点间距离小于节点通信范围，也可能由于误码的影响而造成丢包。在误码丢包率较高的情况下，若将丢包均视为网络拥塞的指示而启动拥塞控制，必然使窗口一直处于一个较小值，使系统性能下降。在文献陈立家，高伟“一种VANET信道丢包率模型”计算机工程与应用，2011，Volume 47，Issue 25：116-120中对VANET信道丢包率规律进行探讨，建立信道丢包率模型，文献认为：当通信距离较小时，通信范围内车辆数目少，信道质量好而稳定；随着距离加大，通信范围内车辆数目增多，各种干扰因素增加，导致丢包率逐渐增大；当距离到达一定临界值（此时仍小于通信范围），丢包率变化十分不规则，没有明显的趋势，可以认为此时丢包率为均匀分布。此VANET信道丢包率模型为如何通过通信距离来判定丢包原因提供了重要参考。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述缺陷，提出一种能够快速区分丢包原因的跨层设计方案，进而提供一种能够针对不同丢包原因采取不同处理策略的TCP拥塞控制方法，以克服车载通信网中路由切换及误码丢包对TCP传输性能的影响。

为实现上述目的，本发明提出车载通信网中一种基于跨层设计的TCP拥塞控制方法VC-TCP（Vehicular Cross-layer Transmission Control Protocol，车载跨层TCP），通过如下技术方案实现：在TCP报文标准格式首部中设置两个保留位为VC位；在每一个ACK数据包发往发送端的路由过程中，计算两节点之间距离，并与通信范围及误码丢包临界值比较，根据比较结果设置VC位，TCP发送端根据VC位确定丢包原因；根据丢包原因，确定信道四状态转换，基于四状态转换结合网络层与传输层进行跨层优化，对不同丢包原因采取不同的拥塞控制方法。

通过向网络层提供有用的车辆运行信息，使网络层在路由过程中能够预测信道状态。所述车辆均视作通信节点，将每一个ACK数据包发往发送端的路由过程中，接收端及每一跳中继节点根据自己及下一跳节点的坐标、速度信息，预测一个平滑往返时延SRTT之后自己及下一跳节点的坐标，并计算与下一跳节点间的距离，然后与通信范围及误码丢包临界值相比较，若，设置VC=10表示将发生路由切换并带来丢包；若，设置VC=01表示信道的高误码率将带来丢包；若，设置VC=00指示信道状态正常，所有丢包是网络拥塞所致。

在TCP首部新增VC位用于指示信道状态，网络层通过跨层通信将信道状态记录到VC位，TCP发送端根据VC位快速区分丢包原因。

若TCP发送端检测到VC=10，触发等停状态，TCP发送端重置、、值并暂停发送数据，同时通过跨层通信通告网络层发送端进行路由维护与重建，路由重建成功后，网络层发送端通过跨层通信通知TCP发送端路由重新建立成功，TCP发送端恢复重置之前记录的、、及SYN，并减小参数后发送数据；若TCP发送端检测到VC=01，指示信道处于“坏”信道状态，TCP发送端通过跨层通信通告网络层，网络层发送端开始查找质量更优的路由，一旦发生丢包，则降低慢启动门限值，当网络层发现质量达到要求的路由后，网络层进行路由切换，并通过跨层通信通知TCP发送端，TCP发送端减小参数后由新路由发送数据；若VC=00，说明链路为正常状态，如按照传统TCP的来控制向网络传输数据的速率，并正常触发拥塞控制状态。

采用本发明的TCP拥塞控制机制VC-TCP，在车载通信网环境下传输性能得到较大改善，吞吐量得以提高且端到端时延有所降低，特别在节点高速移动、拓扑频繁变化、信道质量不佳的环境下，其优势更为明显。

附图说明

图1是VC-TCP基于跨层设计的四状态转换关系图；

图2是VC-TCP拥塞控制改进策略流程图；

图3是VC-TCP与TCP平均吞吐量随速度变化对比曲线；

图4是VC-TCP与TCP平均端到端时延速度变化对比曲线。

具体实施方式

为了克服路由切换及误码丢包对车载通信网中TCP传输性能的影响，本发明提出一种车载通信网中基于跨层设计的TCP拥塞控制方法VC-TCP（Vehicular Cross-layer Transmission Control Protocol，车载跨层TCP），该方法将网络层与传输层相结合进行跨层优化，以解决车载通信网中由于不能区分链路拥塞、路由切换及误码丢包而造成的TCP传输性能降低。

根据VANET信道丢包率经验模型，当通信距离较小时，通信范围内车辆数目少，信道质量好而稳定；随着距离加大，通信范围内车辆数目增多，各种干扰因素增加，导致丢包率逐渐增大；当距离到达临界值，丢包率变化十分不规则，没有明显的趋势，可以认为此时丢包率为均匀分布，根据节点间距离来判定丢包原因：当距离大于临界值而小于通信范围时，信道处于“坏”信道状态，将以一定概率发生误码丢包；而当距离大于通信范围时，发生路由切换并带来丢包；而其余丢包的则认为是拥塞丢包。

以下通过附图和具体实例对本发明的实施作进一步具体说明。根据车载通信网环境的特性，车载通信网中所有车辆均视作通信节点，节点通过车载GPS实时获取地理信息；节点通过GPS确定其自身所在位置坐标及速度；节点通过GPS能够获取需要节点的实时位置坐标及速度；节点具有相同的通信范围；信道误码丢包的临界值为，节点距离小于时，认为数据包可以无差错被接收，即信道处于“好”信道状态；反之，为“坏”信道状态，将按一定概率发生误码丢包。

网络层预测信道状态。理想情况下，接收端应在信道状态变化的一个（Round-Trip Time，往返时延）之前发送ACK（Acknowledgment，确认信号）通知发送端。在每个ACK发往发送端的路由过程中，接收端及每一跳中继节点计算一个（Smoothed Round-Trip Time，平滑往返时延）自己与下一跳节点的距离。

首先根据当前报文段的采样值，及上一报文段的端到端往返时延估计值，调用公式：（1），计算当前报文段的端到端往返时延估计值。其中，为当前报文段的采样值，是介于0和1之间的平滑因子，根据实验，的值最优取1/8。

在每一个ACK数据包发往发送端的路由过程中，接收端及每一跳中继节点根据当前节点的位置坐标、速度，下一跳邻居节点的位置坐标、速度，并结合（1）式计算一个之后，两节点的位置坐标及两节点之间距离。

两节点的位置坐标、可根据公式（2）获得：

（2）

其中、分别为两节点速度与x轴正半轴的夹角，为当前报文段的端到端往返时延估计值。

根据两节点的位置坐标调用公式（3）计算两节点之间距离：

（3）

将与通信范围及误码丢包临界值相比较，若，表明将发生路由中断，若，表明链路误码率已达到一定程度，若，表明信道为正常状态。

TCP发送端根据VC位快速区分丢包原因。

在TCP报文的标准格式中，首部中在首部长度和标志位前保留了6个未使用的比特位，其默认值为0，将其中两个保留位命名为VC位作为信道标志位，用于指示预测到的路由切换及“坏”信道状态。如表1所示。

表1修改TCP首部标志位的TCP表

接收端及每一跳中继节点将预测到的信道状态，通过跨层通信将信道状态记录到VC位。若，记录VC位为10以表示路由切换；若，记录VC位为01以表示信道高误码率；若，记录VC位为00表示信道状态正常。

TCP发送端在接收到反馈回来的ACK后，根据ACK数据包的TCP首部中VC位判断丢包原因：若VC=10表示将发生路由切换并带来丢包；若VC=01表明信道的高误码率将带来丢包；若VC=00指示信道状态正常，所有丢包认为是网络拥塞所致。根据丢包原因，确定信道四状态转换，结合网络层与传输层进行跨层优化，对不同丢包情况采取不同的拥塞控制方法。

通过网络层与传输层跨层优化对TCP拥塞控制策略的改进。基于跨层设计的VC-TCP四状态转换关系如图1所示。所述四状态指在传统TCP协议仅仅区分正常状态和拥塞控制状态的基础上，增加等停状态和“坏”信道状态。在传统TCP协议仅仅区分正常状态和拥塞控制状态的基础上，本发明增加两种新状态，等停状态和“坏”信道状态。

拥塞控制状态、等停状态及“坏”信道状态均可由正常状态触发。TCP发送端检测每个ACK反馈的路由指示，如TCP首部中VC=10，路由可能断开并带来丢包，传输层触发等停状态，同时网络层重新发现路由；若TCP发送端检测到TCP首部中VC=01信道误码率高，则触发信道状态为“坏”信道状态，网络层开始查找更优路由；若TCP发送端检测到TCP首部中VC=00，信道状态正常发生丢包则传输层触发拥塞控制状态。

TCP发送端根据所获取的丢包原因，结合网络层与传输层进行跨层优化，对传统TCP拥塞控制算法进行改进，对不同丢包情况采取不同的拥塞控制策略。由于车载通信网的移动性及自组织性，在车载通信网中网络层多使用按需路由协议，故本发明的跨层设计方案中网络层考虑按需路由协议，如动态源路由协议（Dynamic Source Routing，DSR），也可采用本领域技术人员采用的其他路由协议。具体拥塞控制策略的流程图如图2所示，包括以下实现步骤：

若TCP发送端检测到VC=10，触发等停状态，TCP发送端记录当前的慢启动门限值、拥塞窗口、接收端接收窗口及分组序列号SYN，重置、、值并暂停发送数据，同时通过跨层通信通告网络层发送端进行路由维护与重建，如可设置，，；路由重建成功后，网络层发送端通过跨层通信通知TCP发送端路由重新建立成功，TCP发送端将TCP恢复正常状态，即恢复重置之前记录的、、及SYN，并减小参数后发送数据，最优以继续发送数据。上述网络层进行路由维护与重建的方法为：网络层发送端首先发送路由请求分组RREQ（Route Request）重新发起路由发现过程，当网络层发送端收到反馈回来的路由答复分组RREP（Route Reply）后，表明路由重新已经建立好。若VC=01，指示信道处于“坏”信道状态，TCP发送端通过跨层通信通告网络层，网络层发送端开始查找质量更好的路由，同时在丢包未发生时，TCP发送端正常发送数据，而一旦发生丢包，则降低慢启动门限值，如最优将设为，设置为；当网络层发现质量达到要求的路由后，网络层将进行路由切换，并通过跨层通信通知TCP发送端，TCP发送端适当减小参数后由新路由发送数据，如最优以开始发送数据。上述网络层查找更优路由的具体方法为：网络层发送端需要查找更优路由时查询路由表，若路由表中存在其他到达接收端的路由，网络层发送端便通过GSP获取此路由中每一跳节点的实时坐标，根据公式（3）计算每一跳两节点间距离。若每一跳的两节点间距离均小于设定的门限值，则认为存在一条符合要求的更优路由，根据实验设定门限值最优为误码丢包临界值的0.8倍。若VC=00，说明链路为正常状态，TCP发送端正常发送数据，如按照传统TCP的慢启动和拥塞避免算法来控制向网络传输数据的速率；一旦发生丢包，触发拥塞控制状态，如按照传统TCP拥塞控制策略，将设为，设为1。

如上所述，VC-TCP通过网络层与传输层跨层优化，能快速区分分组丢失的原因；通过预测路由切换，避免路由切换期间不必要的丢包及拥塞控制进程；通过预测信道状态“好”与“坏”，减缓由于误码丢包带来的拥塞控制，并及时发现更优路由以减少误码丢包发生的概率。

使用VanetMobisim搭建交通仿真场景，使用NS2进行网络仿真，并引入802.11Ext模块。根据802.11p标准，对物理层和MAC层参数进行详细配置，选择5.9GHz频段，带宽为标准中规定的10MHz，节点通信范围为250m，监听范围为550m，临界值设为200m，当节点间距离大于200m时，以概率发生误码丢包。网络层选用DSR协议，参考节点间有连续的FTP传输。节点分别以6种平均速度移动：0 m/s（静止）、5 m/s 、10 m/s、15m/s、20m/s、25m/s，仿真时间500s。对于每一种平均速度进行交通场景仿真，并将每次生成的trace文件分别应用TCP和VC-TCP两种协议进行网络仿真，分别求得TCP和VC-TCP在各平均速度下仿真结果的吞吐量和时延平均值，仿真结果如图3、图4所示。可见在节点速度较快、拓扑变化频繁、信道状态不佳的环境下，VC-TCP能有效提高平均吞吐量，并降低平均端到端时延。

Claims

1.一种车载通信网中基于跨层设计的TCP拥塞控制方法，其特征在于，在传输控制协议TCP报文标准格式首部中设置两个保留位为VC位；在每一个确认信号ACK数据包发往发送端的路由过程中，调用公式SRTT_n＝(1-α)·SRTT_n-1+α·RTT_n计算端到端往返时延估计值SRTT_n，根据当前车辆i的位置坐标(x_i,y_i)和速度下一跳邻居车辆j的位置坐标(x_j,y_j)和速度调用公式：获得一个平滑往返时延之后两车辆i、j的位置坐标(x_i′,y_i′)、(x_j′,y_j′)，调用公式：计算车辆i、j之间距离Dis_i,j，其中，RTT_n为当前报文段的往返时延采样值，α是平滑因子，θ、分别为两车辆速度与x轴正半轴的夹角；将Dis_i,j与通信范围Range及误码丢包临界值S比较，若Dis_i,j>Range，设置VC＝10表示将发生路由切换并带来丢包，若S<Dis_i,j<Range，设置VC＝01表示信道的高误码率将带来丢包；若Dis_i,j<S，设置VC＝00指示信道状态正常，所有丢包是网络拥塞所致；TCP发送端根据VC位触发信道状态转换，若VC＝10，触发信道状态为等停状态，TCP发送端重置当前的慢启动门限值ssthresh、拥塞窗口cwnd、接收端接收窗口rwnd值并暂停发送数据，同时通告网络层发送端进行路由维护与重建，路由重建成功后，TCP发送端恢复重置之前记录的ssthresh、cwnd、rwnd及分组序列号，并减小cwnd参数后发送数据；若VC＝01，传输层触发信道状态为“坏”信道状态，网络层发送端开始查找更优路由，丢包未发生时，TCP发送端正常发送数据，一旦发生丢包，则降低慢启动门限值ssthresh，当网络层发现质量达到要求的路由后，进行路由切换，TCP发送端减小cwnd参数后由新路由发送数据；若VC＝00，TCP发送端正常发送数据，一旦发生丢包，触发拥塞控制状态。

2.根据权利要求1所述的TCP拥塞控制方法，其特征在于，网络层发送端查找更优路由的具体方法为：网络层发送端查询路由表，若路由表中存在其他到达接收端的路由，网络层发送端通过GPS获取此路由中每一跳车辆的实时坐标，计算每一跳两车辆间距离，若每一跳两车辆间距离均小于设定门限值，则存在一条符合要求的更优路由。