CN103997754A - 一种保证链路可靠性条件下的网络传输效能提高方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种保证链路可靠性条件下的网络传输效能提高方法，通过设置链路可靠性与网络性能综合优化模型，并对其进行分解，获得最优工程解，以及建立传输速率自适应调节机制等步骤，实现传输链路的高可靠性要求条件下，网络资源的高效利用和传输速率的自适应调节，保证混合业务的可靠传输。

Description

一种保证链路可靠性条件下的网络传输效能提高方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及无线网络和优化。 

背景技术

随着网络技术的高速发展，无线通信网不仅要对用户提供传统的语音服务，还要为用户提供数据传输、web浏览等混合服务。不同的业务对误码率、时延和抖动等服务质量有着不同要求。无线通信网的业务按传输的时效性可分为两类：一类是实时业务如语音、视频等(对实时性要求严格，但可以容忍一定的误码率)；一类是非实时性业务如数据等(对实时性要求不严格，但对误码率要求较高)。 

对于混合业务的传输不但要求传输链路具有高可靠性，还要求能最大程度利用网络的传输能力，而传统的基于OSI分层的模型是对网络设计中最基本的设计结构。其使用分布式和模块化的方式对网络进行描述，其中每一个模块（层）控制和调节相应的网络决策和参数信息，并接收和传递其它层的动态或静态的网络参数信息。一方面，协议实体中的各层使用各自的局部信息和决策变量获得各层独立的性能优化，因而在现有分层机制上对网络进行全局优化只能通过调节各层独立的管理控制机制实现，因此实现机制较为复杂，难以达到控制系统中理想的网络性能优化性能目标。另一方面，基于OSI模型设计的网络具有可扩展易实现等优点，但对网络资源的使用效能较低，缺乏公平性，网络的可管理能力较弱。 

为此可通过分解理论实现对控制系统中的通信网络性能的统一调节和优 化，其通过将网络性能统一（全局）优化模型分解为包含多个协议层和协议层间信息的局部优化模型获得，其相对于传统的网络分层独立性能优化模型，具有较低的性能目标达成复杂性以及网络性能目标实现高准确性。 

通过分解通信网络性能优化模型为相应的次最优利用模型或子模型，其流程如图1所示。 

因此，为保证传输链路的高可靠性要求条件下，实现网络资源的高效利用和传输速率的自适应调节，需采用高效的传输速率的自适应调节设计方法和网络资源优化方法，实现混合业务资源的高效传输。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：保证传输链路的高可靠性要求条件下，实现网络资源的高效利用和传输速率的自适应调节。 

本发明为解决上述技术问题提供一种保证链路可靠性条件下的网络传输效能提高方法，其特征在于： 

A、设置链路可靠性与网络性能综合优化模型； 

B、建立传输速率自适应调节机制。 

所述步骤A中，设置链路可靠性与网络性能综合优化模型，采用如下子步骤： 

a.发送端资源利用与链路使用代价的优化 

maximizeU_s(x_s,ρ_s)-λ^s(t)x_s-μ_s(t)ρ_s

s.t. ${\mathrm{\ρ}}_s^{\min }\≤\mathrm{\ρ}\≤1$

链路使用代价更新机制为： ${\mathrm{\μ}}_s(t+1)=[{\mathrm{\μ}}_s\left(t\right)-\mathrm{\β}({\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_s^{\min })].$

其中λ^s(t)为使用链路L(s)传输第t次发送数据的网络拥塞代价，ρ^s(t)为使用链路L(s)传输第t次发送数据的链路可靠性。 

b.链路资源利用与链路使用代价的优化 

$\max \mathrm{imize}\underset{s}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_{l,s}\left(t\right)(\log c_{l,s}+\log r_{l,s})-{\mathrm{\μ}}_s\left(t\right)E_l\left(r_{l,s}\right)\underset{s}{\mathrm{\Σ}}{c}_{l,s}\≤C_l^{\max }$

s.t. $0\≤c_{l,s}\≤C_l^{\max }$

0≤r_l,s≤1 

链路使用代价更新机制为： 

λ_l,s(t+1)=[λ_l,s(t)-β(logc_l,s(t)+logr_l,s(t)-x_s(t))] 

其中λ_l,s(t)为在第t次使用链路L(s)的拥塞代价。 

c.链路速率需求与链路可靠性的综合目标优化 

建立满足高效的链路传输速率和链路可靠性的网络资源效能最优的目标函 

数为： 

$\mathrm{Max}{U}_s(x_s,{\mathrm{\ρ}}_s)={\mathrm{\θ}}_s\frac{x_s^{1-\mathrm{\α}}-{\left(x_s^{\min }\right)}^{(1-\mathrm{\α})}}{{\left(x_s^{\max }\right)}^{(1-\mathrm{\α})}-{\left(x_s^{\min }\right)}^{(1-\mathrm{\α})}}+(1-{\mathrm{\θ}}_s)\frac{{\mathrm{\ρ}}_s^{(1-\mathrm{\α})}-{\left({\mathrm{\ρ}}_s^{\min }\right)}^{(1-\mathrm{\α})}}{{\left({\mathrm{\ρ}}_s^{\max }\right)}^{(1-\mathrm{\α})}-{\left({\mathrm{\ρ}}_s^{\min }\right)}^{(1-\mathrm{\α})}}$

其中为被发送业务源的权重系数， 

v为偏置系数，x_s为业务源S的发送流量，r_l,_s为业务源S发送的数据在链路l上的编码效率，为业务源S的最小可靠性系数，p_l为链路l中业务的传输概率，Pⁿ为节点n中业务的传输概率，c_l,s为业务源S传送的业务使用第l条链路的容量，为第l条链路的最大容量，E_l(r_l,s)为业务源S发送的数据在链路l上的传输差错概率，α为偏置概率，x_s为业务源S的平均发送流量，为业务源S的最大发送流量，为业务源S的最小发送流量，ρ_s为业务源S的平均可靠性系数，为业务源S的最大可靠性系数，U_s为网络资源的效用函数，β为人工设置的代价系数，μ_s(t)为业务源S在第t次的网络资源使用代价，如图2所示。 

所述步骤B中，建立传输速率自适应调节机制。令r_max为最大物理传输速率，r_min为最小物理传输速率，E[slot]为平均时隙，r_current为当前物理传输速率，使用规则r_lower(t)=r_current(t)-1获得r_lower；若使用ACK的次数大于10次时，则使用规则r_update(t)=min(r_current(t),r_max)获得下一个状态的当前物理传输速率；若业务流对延迟 上限要求为0.025s，传输过程中产生的最大丢包率小于10^-5，则系统最大传输速率若业务流对延迟上限要求为0.15s和传输过程中产生的最大丢包率小于10^-3，则系统最大传输速率若ACK所花费的时间与当前系统传输速率e_current中的任意一个大于系统最大传输速率e_max，则使用规则r_update(t)=max(r_current(t),r_min)获得下一状态业务的传输速率，若当前状态的业务传输时延和上一状态的业务传输时延上限为0.03s，则增加ACK数目，若其不满足相应要求，则减小ACK数目，其中为优先级为i的业务流中的数据包经重传之后的丢弃概率，为优先级为i的业务流中的数据包的差错概率，为优先级为i的业务流中的数据包的碰撞概率，p^max_drop为网络的最大容许丢包概率，为优先级为i的业务流中的数据包最大重传次数，D_i为优先级为i的业务的延迟上界， 为第i条链路的剩余带宽系数，e_max为系统最大传输速率，R_i为优先级为i的业务流中的数据包重传次数，QAP为混合业务的QoS接入点系数，CW_min,i为优先级为i的业务流设计的最小拥塞窗口。 

本发明的有益效果为：提供一种保证链路可靠性条件下的网络传输效能提高方法，保证传输链路的高可靠性要求条件下，实现网络资源的高效利用和传输速率的自适应调节，保证混合业务的可靠传输。 

附图说明

图1为通信网络的资源最优利用模型建立及分解过程示意图； 

图2为链路可靠性与网络性能综合优化模型分解示意图； 

具体实施方式

本发明针对在混合业务传输条件下网络可靠性较低问题，提供一种保证链 路可靠性条件下的网络传输效能提高方法，保证传输链路的高可靠性要求条件下，实现网络资源的高效利用和传输速率的自适应调节，保证混合业务的可靠传输。 

为达到上述目的，本发明的技术方案如下： 

1.设置链路可靠性与网络性能综合优化模型，采用如下子步骤： 

a.发送端资源利用与链路使用代价的优化 

maximizeU_s(x_s,ρ_s)-λ^s(t)x_s-μ_s(t)ρ_s

s.t. ${\mathrm{\ρ}}_s^{\min }\≤\mathrm{\ρ}\≤1$

链路使用代价更新机制为： ${\mathrm{\μ}}_s(t+1)=[{\mathrm{\μ}}_s\left(t\right)-\mathrm{\β}({\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_s^{\min })].$

其中λ^s(t)为使用链路L(s)传输第t次发送数据的网络拥塞代价，ρ^s(t)为使用链路L(s)传输第t次发送数据的链路可靠性。 

b.链路资源利用与链路使用代价的优化 

$\max \mathrm{imize}\underset{s}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_{l,s}\left(t\right)(\log c_{l,s}+\log r_{l,s})-{\mathrm{\μ}}_s\left(t\right)E_l\left(r_{l,s}\right)\underset{s}{\mathrm{\Σ}}{c}_{l,s}\≤C_l^{\max }$

s.t. $0\≤c_{l,s}\≤C_l^{\max }$

0≤r_l,s≤1 

链路使用代价更新机制为： 

λ_l,s(t+1)=[λ_l,s(t)-β(logc_l,s(t)+logr_l,s(t)-x_s(t))] 

其中λ_l,s(t)为在第t次使用链路L(s)的拥塞代价。 

_c.链路速率需求与链路可靠性的综合优化 

建立满足高效的链路传输速率和链路可靠性的网络资源效能最优的目标函数为： 

$\mathrm{Max}{U}_s(x_s,{\mathrm{\ρ}}_s)={\mathrm{\θ}}_s\frac{x_s^{1-\mathrm{\α}}-{\left(x_s^{\min }\right)}^{(1-\mathrm{\α})}}{{\left(x_s^{\max }\right)}^{(1-\mathrm{\α})}-{\left(x_s^{\min }\right)}^{(1-\mathrm{\α})}}+(1-{\mathrm{\θ}}_s)\frac{{\mathrm{\ρ}}_s^{(1-\mathrm{\α})}-{\left({\mathrm{\ρ}}_s^{\min }\right)}^{(1-\mathrm{\α})}}{{\left({\mathrm{\ρ}}_s^{\max }\right)}^{(1-\mathrm{\α})}-{\left({\mathrm{\ρ}}_s^{\min }\right)}^{(1-\mathrm{\α})}}$

其中为被发送业务源的权重系数， 

v为偏置系数，x_s为业务源S的发送流量，r_l,s为业务源S发送的数据在链路l上的编码效率，为业务源S的最小可靠性系数，p_l为链路l中业务的传输概率，Pⁿ为节点n中业务的传输概率，c_l,s为业务源S传送的业务使用第l条链路的容量，为第l条链路的最大容量，E_l(r_l,s)为业务源S发送的数据在链路l上的传输差错概率，α为偏置概率，x_s为业务源S的平均发送流量，为业务源S的最大发送流量，为业务源S的最小发送流量，ρ_s为业务源S的平均可靠性系数，为业务源S的最大可靠性系数，U_s为网络资源的效用函数，β为人工设置的代价系数，μ_s(t)为业务源S在第t次的网络资源使用代价，如图2所示。 

2.建立传输速率自适应调节机制。令r_max为最大物理传输速率，r_min为最小物理传输速率，E[slot]为平均时隙，r_current为当前物理传输速率，使用规则r_lower(t)=r_current(t)-1获得r_lower；若使用ACK的次数大于10次时，则使用规则r_update(t)=min(r_current(t),r_max)获得下一个状态的当前物理传输速率；若业务流对延迟上限为0.025s，传输过程中产生的最大丢包率小于10^-5，则系统最大传输速率 若业务流对延迟上限为为0.15s和传输过程中产生的最大丢包率小于10^-3，则系统最大传输速率若ACK所花费的时间与当前系统传输速率e_current中的任意一个大于系统最大传输速率e_max，则使用规则r_update(t)=max(r_current(t),r_min)获得下一状态业务的传输速率，若当前状态的业务传输速率和上一状态的业务传输速率满足要求，则增加ACK数目，若其不满足要求，则减小ACK数目，其中为优先级为i的业务流中的数据包经重传之后的丢弃概率，为优先级为i的业务流中的数据包的差错概率，为优先级为i的业务流中的数据包的碰撞概率，p^max_drop为网络的最大容许丢包概率，为优先级为i的业务流中的数据包最大重传次数，D_i为优先级为i的业务的延迟上界， 为第i条链路的剩余带宽系数，e_max为系统最大传输速率，R_i为优先级为i的业务流中的数据包重传次数，QAP为混合业务的QoS接入点系数，CW_min,i为优先级为i的业务流设计的最小拥塞窗口。 

Claims (6)

1.一种保证链路可靠性条件下的网络传输效能提高方法，解决保证传输链路的高可靠性要求条件下，实现网络资源的高效利用和传输速率的自适应调节，包括如下步骤： 

A、设置链路可靠性与网络性能综合优化模型，首先对相关参数进行定义，v为偏置系数，x_s为业务源S的发送流量，r_l,s为业务源S发送的数据在链路l上的编码效率，为业务源S的最小可靠性系数，p_l为链路l中业务的传输概率，Pⁿ为节点n中业务的传输概率，c_l,s为业务源S传送的业务使用第l条链路的容量，为第l条链路的最大容量，E_l(r_l,s)为业务源S发送的数据在链路l上的传输差错概率，α为偏置概率，x_s为业务源S的平均发送流量，为业务源S的最大发送流量，为业务源S的最小发送流量，ρ_s为业务源S的平均可靠性系数，为业务源S的最大可靠性系数，U_s为网络资源的效用函数，β为人工设置的代价系数，μ_s(t)为业务源S在第t次的网络资源使用代价。 

2.根据权利要求1的方法，对于所述步骤A其特征在于：采用如下子步骤进行综合优化模型分解： 

a.进行发送端资源利用与链路使用代价的优化 

maximize U_s(x_s,ρ_s)-λ^s(t)x_s-μ_s(t)ρ_s

s.t.

链路使用代价更新机制为：

其中λ^s(t)为使用链路L(s)传输第t次发送数据的网络拥塞代价，ρ^s(t)为使用链路L(s)传输第t次发送数据的链路可靠性。 

3.根据权利要求1的方法，对于所述步骤A其特征在于：进行链路资源利用与链路使用代价的优化 

s.t.

0≤r_l,s≤1 

链路使用代价更新机制为： 

λ_l,s(t+1)=[λ_l,s(t)-β(logc_l,s(t)+logr_l,s(t)-x_s(t))] 

其中λ_l,s(t)为在第t次使用链路L(s)的拥塞代价。 

4.根据权利要求1的方法，对于所述步骤A其特征在于：实现链路速率需求与链路可靠性的综合目标优化，建立满足高效的链路传输速率和链路可靠性的网络资源效能最优的目标函数为： 

其中为被发送业务源的权重系数。 

5.根据权利要求1的方法，对于所述步骤A其特征在于：对上述分解优化模型获得最优工程解。 

6.建立传输速率自适应调节机制，令r_max为最大物理传输速率，r_min为最小物理传输速率，E[slot]为平均时隙，r_current为当前物理传输速率，使用规则r_lower(t)=r_current(t)-1获得r_lower；若使用ACK的次数大于10次时，则使用规则r_update(t)=min(r_current(t),r_max)获得下一个状态的当前物理传输速率；若业务流对延迟上限要求为0.025s，传输过程中产生的最大丢包率小于10^-5，则系统最大传输速率若业务流对延迟上限要求为0.15s和传输过程中产生的最大丢包率小于10^-3，则系统最大传输速率若ACK所花费的时间与当前系统传输速率e_current中的任意一个大于系统最大传输速率e_max，则使用规则r_update(t)=max(r_current(t),r_min)获得下一状态业务的传输速率，若当前状态的业务传输时延和上一状态的业务传输时延上限为0.03s，则增加ACK数目，若其不满足相应要求，则减小ACK数目，其中为优先级为i的业务流中的数据包经重传之后的丢弃概率，为优先级为ⁱ的业务流中的数据包的差错概率，为优先级为i的业务流中的数据包的碰撞概率，p^max_drop为网络的最大容许丢包概率，为优先级为i 的业务流中的数据包最大重传次数，D_i为优先级为i的业务的延迟上界， 为第i条链路的剩余带宽系数，e_max为系统最大传输速率，R_i为优先级为i的业务流中的数据包重传次数，QAP为混合业务的QoS接入点系数，CW_min,i为优先级为i的业务流设计的最小拥塞窗口。