CN102523604B

CN102523604B - 一种应用于卫星网络的跨层实现优化卫星信道资源的方法

Info

Publication number: CN102523604B
Application number: CN201110417129.9A
Authority: CN
Inventors: 魏德宾; 别玉霞; 刘春玲; 刘治国; 周华宇
Original assignee: Dalian University
Current assignee: Dalian University
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2031-12-14
Also published as: CN102523604A

Abstract

一种应用于卫星网络的跨层实现优化卫星信道资源的方法，涉及卫星信道资源优化技术领域。该方法以TCP-Casablanca协议区分丢包的思想为基础，针对传输层ACK的特点设计了信道误码状况的跨层判别机制、自适应变标记间隔、链路错误控制机制、调制方式选择信息的跨层共享，解决了传统TCP协议把所有的丢包简单归结为网络拥塞而盲目采取拥塞控制策略的问题，使动态变化的卫星网络中丢包原因得到高准确率区分的同时，提出了合理的链路错误控制机制，从而提高了卫星网络的吞吐量和信道资源的利用率，该方法具有良好的灵活性和可靠性，适用于高误码、高延迟特点的卫星通信网络。

Description

一种应用于卫星网络的跨层实现优化卫星信道资源的方法

技术领域

本发明涉及卫星信道资源优化技术领域，具体地说是一种应用于卫星网络的跨层实现优化卫星信道资源的方法。

背景技术

随着卫星技术的不断发展，卫星通信网络在通信领域中占据着越来越重要的位置。卫星网络环境的不确定因素导致卫星信道容量和误比特率等具有时变性及易受干扰性。传统的TCP协议的设计都是基于一些固有的假定，如假定包丢失是由于网络的拥塞引起的，从而盲目采取拥塞控制策略。卫星网络具有高误码的特点，当TCP接收方检测到有包丢失时，会要求重传丢失的数据包，但是TCP发送方则认为网络拥塞引起数据包丢失，导致TCP拥塞窗口不必要地减少，从而影响到网络的吞吐量。而且，如果ACK分组发生丢失，使得接收方的确认信息无法抵达发送方，同样会降低吞吐量。可见，对于误码所引起的丢包，TCP协议所做出的不当反应将严重影响网络的性能，减少了网络吞吐量。

综上所述，传统TCP协议不能正确区分网络拥塞和误码造成的数据丢失，无法适应卫星网络的动态变化。目前在有线/无线混合网络中使用一种基于传统TCP协议的跨层改进方法，即TCP-Casablanca协议，其能够在一定程度上消除无线链路的影响，提高TCP的性能，TCP-Casablanca协议是一种跨层改进方法，它结合了网络层的区分队列管理方法，其设计思想如下：

①标记数据包。TCP源端仿照区分服务中的标记算法，在发送端将数据包等间隔标记为OUT包。此标记作为共享信息供网络层使用。

②路由器采用区分队列管理方法。缓存队列长度达到最大值时，路由器先以概率1丢弃OUT数据包；若缓存中不再有OUT数据包，路由器开始丢弃IN数据包。该方法实现了路由器拥塞时的区分丢包，是接收端正确判断丢包原因的前提。

③建立丢包模式判别函数及应对策略。如果接收端接收到失序的数据包，通过函数F(x,r,k)=1-│k×x/r│的值判断数据包丢失的真正原因。其中，数据包丢失总数为r，OUT包的丢失数目为x，k是该段TCP序列中的标记间隔。如果F(x,r,k)≥0，判断丢包是由误码引起的，则接收端加ELN标记(Explicit LossNotification,显示丢包通知)给反馈的ACK，从而使得TCP源端不会错误地降低窗口大小；如果F(x,r,k)<0，判断丢包是由拥塞引起的，则要求TCP源端正确启动拥塞控制机制。

但TCP-Casablanca协议并未提出合理的链路错误控制机制来应对误码造成的丢包，因此TCP-Casablanca协议也不适应有高误码特点的卫星网络，需要建立一种新的应用于卫星网络的跨层方法，要求其不仅能够正确区分网络拥塞和误码造成的数据丢失，还可以适应高误码特点的卫星网络环境，以实现优化卫星信道资源的目的。

发明内容

鉴于此，本发明的目的是，提供一种应用于卫星网络的跨层实现优化卫星信道资源的方法，能够对动态变化的卫星网络中丢包原因进行高准确率区分，并对各种误码状态下的链路错误进行合理控制，在实现卫星网络中TCP性能提高的同时，提高卫星链路的频带利用率。

为了实现上述目的，本发明提供一种应用于卫星网络的跨层实现优化卫星信道资源的方法,其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.TCP源端仿照区分服务中的标记算法，在发送端将数据包等间隔k标记为OUT包，按照TCP-Casablanca协议模式发送数据包，接收端按照TCP-Casablanca协议模式接收数据包；

步骤2.TCP源端对接收端连续3次应答进行统计,如果TCP源端未连续收到3个重复ACK，则表明信道状态正常，执行步骤3；如果TCP源端连续收到3个带ELN标记的重复ACK，则表明当前信道误码率较高，执行步骤4；如果TCP源端连续收到3个不带ELN标记的重复ACK，则表明当前网络拥塞严重，执行步骤5。

步骤3.置标记间隔k=k+1，执行步骤6；

步骤4.保持当前标记间隔，执行步骤7；

步骤5.减小标记间隔k=k/2，执行步骤8；

步骤6.如果当前调制方式为物理层可选调制方式中传输速率最快的调制方式，则保持当前调制方式，执行步骤9；否则，将当前调制方式设置为比当前调制方式传输速率高一个级别的调制方式，执行步骤9；

步骤7.如果当前调制方式为物理层可选调制方式中抗噪性能最强的调制方式，则保持当前调制方式，执行步骤9；否则，将当前调制方式设置为比当前调制方式抗噪性能高一个级别的调制方式，执行步骤9；

步骤8.保持当前调制方式，启动拥塞控制机制;

步骤9.物理层提取调制方式选择信息，并决定是否改变调制方式。

优选的，所述物理层可选调制方式的数量≥3。

优选的，传输层设置长度为一个字节的下行跨层信息，所述下行跨层信息至少保留两位，用于存储物理层可选调制方式，以供物理层提取。

本发明具有如下有益效果：本发明以TCP-Casablanca协议区分丢包的思想为基础，充分考虑了传输层ACK的特点、网络层的拥塞丢弃策略、物理层的调制模式等参数，提出了跨网络层、物理层实现TCP性能改进的方法，设计了信道误码状况的跨层判别机制、自适应变标记间隔、链路错误控制机制、调制方式选择信息的跨层共享,解决了传统TCP协议把所有的丢包简单归结为网络拥塞而盲目采取拥塞控制策略的问题，使动态变化的卫星网络中丢包原因得到高准确率区分的同时，提出了合理的链路错误控制机制，从而同时提高了卫星网络的吞吐量和信道资源的利用率，该方法具有良好的灵活性和可靠性，适用于高误码、高延迟特点的卫星通信网络。

附图说明

图1是本发明实施例的调制方式转换图；

图2是本发明实施例的下行跨层信息结构图；

图3是本发明实施例的流程图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解及实现本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明，本发明的保护范围并不局限于具体实施例所述的范围。

本发明实施例的设计方案如下：

1、信道误码状况的跨层判别机制。TCP源端根据连续接收的3次ACK的特点来判断当前信道的误码状况：如果未连续收到3个重复ACK，表示当前信道的误码较低；如果连续收到3个带ELN标记的重复ACK，表示当前信道的误码较高；如果连续收到3个不带ELN标记的重复ACK，表示当前网络拥塞严重。

2.自适应改变标记间隔。为了满足卫星拓扑结构动态变化的要求，采用自适应改变标记间隔的方法。具体为：TCP源端根据ACK事件动态设置标记间隔k。如果连续收到3个正常ACK，判断当前网络状态正常，应加大标记间隔，置k=k+1；如果连续收到3个不带ELN标记的重复ACK，判断当前网络拥塞严重，应当减少标记间隔，置k=k/2。

3.链路错误控制机制。

调制技术是通信系统的关键技术之一，调制方案选择的优劣，直接关系到系统的传输质量及频带资源的利用，常用的调制方式有BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM和256QAM，随着调制阶数的增加，其数据传输速率不断增大。但是，随着调制阶数的增加，其抗噪性能也越来越差，当信道质量低时，可以选择低阶的调制方式，反之，则可以采用高阶调制方式，既满足系统对抗噪性能的要求，又提高了信息传输速率。

在本实施例中，物理层采用了三种调制方式：QPSK、16QAM和64QAM。三种调制方式的信息传输速率逐次升高，但对应的抗噪性能却依次减弱。

为了满足系统要求，在信道误码较高时，选择抗噪性能较强的调制方式，在信道误码较低时，选择信息传输速率较快的调制方式，可以提高整个网络的吞吐量及信道频带资源的利用率，达到控制误码错误的目的。如图1所示，在由ACK的特点所确定的不同信道状况下，三种调制方式的转换关系为：①假设物理层当前的调制方式为16QAM；如果TCP源端连续收到3个带ELN标记的重复ACK，则变调制方式为传输速率低一级，抗噪性能高一级的QPSK；如果TCP源端未连续收到3个重复的ACK，则变调制方式为传输速率高一级，抗噪性低一级的64QAM；其他情况时，则保持当前调制方式；②假设物理层当前的调制方式为64QAM；如果TCP源端连续收到3个带ELN标记的重复ACK，则变调制方式为传输速率低一级，抗噪性高一级的16QAM；其他情况时，都要保持当前调制方式；③假设物理层当前的调制方式为QPSK；如果TCP源端未连续收到3个重复的ACK，则变调制方式为传输速率高一级，抗噪性低一级的16QAM；其他情况时，都要保持当前调制方式。

4.设置下行跨层信息结构。

TCP源端根据对ACK的统计判断出当前信道状况后，要选择出与当前信道状况最为相符的调制模式类型，并将调制模式类型信息传递给物理层，因此，为了将新的调制方式选择信息传递给物理层，设计了下行跨层信息。

该下行跨层信息长度为一个字节,其定义如图2所示。最低第0位和第1位设定为所选调制方式类型，其余六位预留做开发其他用途。其中，00表示QPSK，01表示16QAM，10表示64QAM。

本发明实施例提供的一种应用于卫星网络的跨层实现优化卫星信道资源的方法如图3所示，包括以下步骤：

步骤1.TCP源端仿照区分服务中的标记算法，在发送端将数据包等间隔k标记为OUT包，并且根据当前调制模式，设置下行跨层信息，00表示QPSK，01表示16QAM，10表示64QAM；按照TCP-Casablanca协议模式发送数据包，接收端按照TCP-Casablanca协议模式接收数据包；

步骤2.TCP源端对接收端连续3次应答进行统计；

步骤201.如果TCP源端未连续收到3个重复ACK，则表明信道状态正常，执行步骤3；

步骤202.如果TCP源端连续收到3个带ELN标记的重复ACK，则表明当前信道误码率较高，执行步骤4；

步骤203.如果TCP源端连续收到3个不带ELN标记的重复ACK，则表明当前网络拥塞严重，产生丢包，执行步骤5。

步骤3.置标记间隔k=k+1，执行步骤6；

步骤4.保持当前标记间隔，执行步骤7；

步骤5.减小标记间隔k=k/2，执行步骤8；

步骤6.如果当前调制方式为传输速率最快的调制方式64QAM（下行跨层信息为10），则保持当前调制方式，执行步骤9；否则，将当前调制方式设置为比当前调制方式传输速率高一个级别的调制方式，具体步骤如下：

步骤601.如果当前调制方式为16QAM（下行跨层信息为01），则将当前调制方式设置为64QAM（将下行跨层信息设置为10）执行步骤9；

步骤602.如果当前调制方式为QPSK（下行跨层信息为00），则将当前调制方式设置为16QAM（将下行跨层信息设置为01），执行步骤9；

步骤7.如果当前调制方式为抗噪性能最强的调制方式QPSK（下行跨层信息为00），则保持当前调制方式，执行步骤9；否则，将当前调制方式设置为比当前调制方式抗噪性能高一个级别的调制方式，具体步骤如下：

步骤701.如果当前调制方式为16QAM（下行跨层信息为01），则将当前调制方式设置为QPSK（将下行跨层信息设置为00）执行步骤9;

步骤702.如果当前调制方式为64QAM（下行跨层信息为10），则将当前调制方式设置为16QAM（将下行跨层信息设置为01），执行步骤9；

步骤8.保持当前调制方式，启动拥塞控制机制。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的更改和变化之内，所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种应用于卫星网络的跨层实现优化卫星信道资源的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤2.TCP源端对接收端连续3次应答进行统计，如果TCP源端未连续收到3个重复ACK，则表明信道状态正常，执行步骤3；如果TCP源端连续收到3个带ELN标记的重复ACK，则表明当前信道误码率较高，执行步骤4；如果TCP源端连续收到3个不带ELN标记的重复ACK，则表明当前网络拥塞严重，执行步骤5；

步骤3.置标记间隔k＝k+1，执行步骤6；

步骤4.保持当前标记间隔，执行步骤7；

步骤5.减小标记间隔k＝k/2，执行步骤8；

步骤8.保持当前调制方式，启动拥塞控制机制；

2.根据权利要求1所述一种应用于卫星网络的跨层实现优化卫星信道资源的方法，其特征在于，所述物理层可选调制方式的数量≥3。

3.根据权利要求1所述一种应用于卫星网络的跨层实现优化卫星信道资源的方法，其特征在于，传输层设置长度为一个字节的下行跨层信息，所述下行跨层信息至少保留两位，用于存储物理层可选调制方式，以供物理层提取。