CN106059943B - 一种用于有线无线网络的拥塞控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及有线无线网络的服务质量优化，公开了一种用于有线无线网络的拥塞控制方法，包括搭建有线/无线网络拓扑结构，设定有线/无线网络特征参数，计算得到网络拥塞控制率，对瓶颈路由器进行拥塞控制等四个步骤。适用于有线/无线网络混合架构网络，针对实时流媒体数据应用场合，维持了队列长度更好的收敛性，数据包传输过程中的延时变化率相对较小，网络服务质量较高。

Description

一种用于有线无线网络的拥塞控制方法

技术领域

本发明涉及有线/无线网络服务质量优化，更具体的是一种基于最小方差控制的网络拥塞控制方法。

背景技术

互联网作为信息社会的支撑基础设施，已成为衡量国家科技创新和经济竞争的一项重要指标。随着超高速光通信、无线移动通信、大规模接入、泛在互联等技术的迅速发展，互联网异构集成、移动计算、普适服务等新应用的不断创新，人们对互联网功能、性能、服务质量、可控性和可信性等方面的期望越来越高。

在服务质量方面，现有互联网面向非实时的数据通信没有提供服务质量保障措施。虽然OSI/RM为服务质量预留一些服务质量参数，但长期空缺未用。TCP/IP的服务质量保障主要表现在数据传输的丢包率、延迟、拥塞控制和带宽管理、流量优化等。下一代互联网环境下新型应用(如虚拟试验、视频点播、实时影像等)融合文本、图形、图像、视频、动画、语音等综合服务，当前体系结构的服务质量保障能力不能满足下一代互联网需求。随着网络规模的扩大、网络用户的增加以及不同类型网络应用的大量涌现，网络拥塞成为了影响网络服务质量的关键问题。

随着移动互联网的快速发展，人们在无线终端上对基于语音和视频的流媒体服务有很大的需求。无线网络技术快速发展，覆盖范围广，终端产品丰富使得无线流媒体传输系统得到了广泛的应用，如无线视频监控、无线可视电话、视频点播、手机电视直播、移动会议等。流媒体传输具有高网络带宽、低传输延迟、低延迟抖动以及对传输可靠性要求相对较低的特点。有线/无线网络作为最流行的网络拓扑结构，主要用来解决最后一百米的接入问题，即在主干网依然是传统的有线连接而在用户接入端通过无线连接，从而避免在办公室、家里有过多的网络布线。

传统的拥塞控制算法主要针对的是有线网络环境，将数据包丢失作为拥塞发生的标志，而在无线链路中存在一定的比特错误。一些拥塞控制算法据数据包传输的往返时间来区分比特错误或者是拥塞带来的数据包丢失，或者通过显式拥塞标示来表示拥塞。

另一方面，流媒体等新兴网络应用的兴起也对网络性能指标提出了一些新的要求。在对流媒体的拥塞控制中，另一些拥塞控制算法更注重于对其突发性、实时性的研究。考虑到当实时流媒体数据延时变化较大时，对于用户的观赏性带来负面影响。

发明内容

1、本发明的目的。

针对有线/无线网络混合架构网络，在无线链路中存在一定的比特错误；考虑到当实时流媒体数据延时变化较大时，对于用户的观赏性带来负面影响，设计一种针对性的基于最小方差控制的网络拥塞控制方法(MVCC)。

2、本发明所采用的技术方案。

(1)有线/无线网络拥塞控制模型。

在传统的网络拥塞TCP/AQM流模型中，没有考虑到当前非对称数字用户网络中上下行带宽的不同以及无线链路中的比特错误，基于有线/无线网络特性的改进的TCP/AQM流模型为：

其中W(t)是TCP源在t时刻的数据发送窗口大小(包)，τ(t)和T_p分别为是往返时间(秒)和传输延时(秒)，N(t)为在t时刻共享网络带宽的TCP数据源数目，C(t)为瓶颈链路带宽(包/秒)，q(t)为瓶颈路由器缓存队列长度(包)，p(t)，p_ul(t)和p_dl(t)分别是t时刻的标记/丢弃概率和上行、下行链路丢包率，τ_ah(t)是当前时刻和上一次成功接收标记概率的时间间隔(秒)；

设整个网络的负载数目、链路容量、链路丢包率和延时为常数，即N(t)＝N，C(t)＝C，q_ul(t)＝q_dl(t)＝q_l，τ(t)＝τ_ah(t)＝τ₀，随着网络规模的越来越大和硬件计算能力的越来越快，假设队列延时远小于传输延时；

令和可得系统的平衡点(W₀,q₀,p₀)为： q₀为期望的缓存队列长度，忽略系统时滞的影响，f(t-τ₀)＝f(t)，在平衡点附近对非线性系统(1)进行小信号线性化处理得：

其中δW＝W-W₀,δp＝p-p₀,δq＝q-q₀，

对线性系统(2)两端进行拉氏变换可得系统的传递函数：

对式(3)进行双线性Z变换，采样周期T＝τ₀，得到系统的离散传递函数为：

(2)广义最小方差控制器。

具体的控制思路和设计方法如下。

设系统方程为：

N(Z^-1)y(k)＝M(Z^-1)u(k)+e(k) (5)

其中y(k)是系统的输出，u(k)为系统的控制输入，e(k)为系统误差，用e(k)来表示网络的不确定性，N(Z^-1)和M(Z^-1)分别是系统传递函数的分母和分子部分。

为了保证系统输出方差最小，控制器为：

其中多项式E(Z^-1)和F(Z^-1)满足Diophantine方程

N(Z^-1)E(Z^-1)+F(Z^-1)＝1 (7)

关于控制器稳定性充要条件的可以通过理论证明。

(3)基于最小方差的拥塞控制方法。

图1为本发明的步骤流程；

步骤1：搭建有线/无线网络拓扑结构，其中S_i是数据发送端，R_i为路由器，d_i是数据接收端，R₀是瓶颈路由器，R₀与S_i之间是有线链路，R₁与d_i之间是有线链路，R₀与R₁之间是无线瓶颈链路；

步骤2：设定有线/无线网络特征参数，包括传输延时T_p(单位：秒)，数据包大小(单位：字节)，无线瓶颈链路带宽C(单位：包/秒或Mb/s)，发送和接收节点带宽(单位：包/秒或Mb/s)，路由器缓存大小(单位：包)，期望队列长度q₀(单位：包)，TCP数据源数目N(单位：个)，链路丢包率p_l，仿真持续时间(单位：秒)；

步骤3：计算得到网络拥塞控制率，将步骤2中的有线/无线网络特征参数代入有线/无线网络拥塞控制模型(1)，计算其中q₀为期望的缓存队列长度，C为瓶颈链路带宽，T_p为传输延时延，N为负载数目，p_l为链路丢包率，获得有线/无线网络拥塞控制模型的离散传递函数，其分子为M(Z^-1)，分母为N(Z^-1)，求解Diophantine方程N(Z^-1)E(Z^-1)+F(Z^-1)＝1，可得多项式E(Z^-1)和F(Z^-1)，进而得到网络拥塞控制率；系统方程为(7)；网络拥塞控制率为(6)；

步骤4：对瓶颈路由器进行拥塞控制，采用步骤3中的网络拥塞控制率。

3、本发明的有益效果。

为了提高流媒体应用的网络服务质量，将广义最小方差控制方法引入有线/无线网络拥塞控制中，从而降低延时抖动对视频等流媒体质量的影响。一种基于最小方差控制的网络拥塞控制方法，适用于有线/无线网络混合架构网络，针对实时流媒体数据应用场合，维持了队列长度更好的收敛性，数据包传输过程中的延时变化率相对较小，网络服务质量较高。

附图说明

图1本发明的步骤流程图。

图2本发明的网络拓扑结构图。

图3对比方法的瓶颈路由器队列长度。

图4本发明方法的瓶颈路由器队列长度。

图5对比方法的随机网络环境下的队列长度。

图6本发明方法的随机网络环境下的队列长度。

具体实施方式

实施例

图2为带瓶颈链路的有线/无线网络拓扑结构，其中S_i是数据发送端，R_i为路由器，d_i是数据接收端。

设传输延时T_p＝0.01s，数据包大小为500字节，无线瓶颈链路带宽C＝250packet/s(1Mb/s)，发送和接收节点带宽为2500packet/s(10Mb/s)，路由器缓存大小为300packet，期望队列长度q₀＝100packet，TCP数据源数目N＝30，链路丢包率p_l＝0.1，仿真持续时间为100s。

计算

所以M(Z^-1)＝203.8+407.6z^-1+203.8z^-2

N(Z^-1)＝7.56-7.2z^-1+1.5z^-2

求解Diophantine方程N(Z^-1)E(Z^-1)+F(Z^-1)＝1得

E(Z^-1)＝1

F(Z^-1)＝-6.56+7z^-1-1.5z^-2

网络拥塞控制率为

在瓶颈路由器中分别尝试了对比方法(传统的拥塞控制算法)和本发明方法，图3为对比方法(PI)的瓶颈路由器R₀中缓存中的队列长度，图4为本发明方法(MVCC)的瓶颈路R₀中缓存中的队列长度。对比图3与图4可以看出，本方法维持了队列长度更好的收敛性，即数据包传输过程中的延时变化率相对较小，从而提高了网络服务质量，降低延时抖动对视频等流媒体质量的影响。

改变网络负载数目验证本发明方法在随机网络环境下的鲁棒性，在30s随机加入10个TCP数据发送源，并在70s随机结束20个TCP数据发送源。图5为对比方法(PI)的随机网络环境下的队列长度，图6为本发明方法(MVCC)的随机网络环境下的队列长度。比图5与图6可以看出，由于本发明方法在最小方差控制中考虑了系统的噪声和随机性，在变化连接数的情况下，本发明方法具有较好的鲁棒性。

Claims (1)

1.一种用于有线无线网络的拥塞控制方法，其特征在于：包括如下四个步骤：

步骤1：搭建有线/无线网络拓扑结构，其中S_i是数据发送端，R_i为路由器，d_i是数据接收端，R₀是瓶颈路由器，R₀与S_i之间是有线链路，R₁与d_i之间是有线链路，R₀与R₁之间是无线瓶颈链路；

步骤2：设定有线/无线网络特征参数，包括传输延时T_p，数据包大小，无线瓶颈链路带宽C，发送和接收节点带宽，路由器缓存大小，期望队列长度q₀，TCP数据源数目N，链路丢包率p_l，仿真持续时间；

步骤3：计算得到网络拥塞控制率，将步骤2中的有线/无线网络特征参数代入有线/无线网络拥塞控制模型；

其中W(t)是TCP源在t时刻的数据发送窗口大小(包)，τ(t)和T_p分别为是往返时间(秒)和传输延时(秒)，N(t)为在t时刻共享网络带宽的TCP数据源数目，C(t)为瓶颈链路带宽(包/秒)，q(t)为瓶颈路由器缓存队列长度(包)，p(t)，p_ul(t)和p_dl(t)分别是t时刻的标记/丢弃概率和上行、下行链路丢包率，τ_ah(t)是当前时刻和上一次成功接收标记概率的时间间隔(秒)；

设整个网络的负载数目、链路容量、链路丢包率和延时为常数，即N(t)＝N，C(t)＝C，q_ul(t)＝q_dl(t)＝q_l，τ(t)＝τ_ah(t)＝τ₀，随着网络规模的越来越大和硬件计算能力的越来越快，假设队列延时远小于传输延时；

令和可得系统的平衡点(W₀,q₀,p₀)为： q₀为期望的缓存队列长度，忽略系统时滞的影响，f(t-τ₀)＝f(t)，在平衡点附近对非线性系统进行小信号线性化处理得：

其中δW＝W-W₀,δp＝p-p₀,δq＝q-q₀，

对线性系统两端进行拉氏变换可得系统的传递函数：

对上式进行双线性Z变换，采样周期T＝τ₀，获得有线/无线网络拥塞控制模型的离散传递函数：

其分子为M(Z^-1)，分母为N(Z^-1)，求解Diophantine方程N(Z^-1)E(Z^-1)+F(Z^-1)＝1，可得多项式E(Z^-1)和F(Z^-1)，进而得到网络拥塞控制率；

系统方程为：

N(Z^-1)y(k)＝M(Z^-1)u(k)+e(k)；

其中y(k)是系统的输出，u(k)为系统的控制输入，e(k)为系统误差，用e(k)来表示网络的不确定性；

网络拥塞控制率为：

其中多项式E(Z^-1)和F(Z^-1)满足Diophantine方程：

N(Z^-1)E(Z^-1)+F(Z^-1)＝1；

步骤4：对瓶颈路由器进行拥塞控制，采用步骤3中的网络拥塞控制率。