CN106912072A

CN106912072A - 一种基于虚拟传输协议的无线Ad Hoc网络拥塞控制机制

Info

Publication number: CN106912072A
Application number: CN201510979275.9A
Authority: CN
Inventors: 裴颂文; 陈宇斌; 朱俊峰; 冯利爽; 郭鑫
Original assignee: Shanghai Self-Sufficient Network Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Self-Sufficient Network Technology Co Ltd
Priority date: 2015-12-22
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2017-06-30

Abstract

本发明的目的在于公开一种基于虚拟传输协议的无线Ad Hoc网络拥塞控制机制，与现有技术相比，针对Ad hoc网络，在实时传输协议RTP(Real-time Transport Protocol)的基础上重新封装了协议的对象：发送端(VTP Sender)，接收端(VTP Receive)，管道(Vpipe),所建立的VTP(Virtual Transmission Protocol)为虚拟传输协议，介于网络IO层和应用层之间，利用网络IO接口，实现实时数据的传输，并且通过对拥塞控制建模和优化，很好的解决了针对Ad hoc网络的实时流媒体传输的带宽适应性难题，使得传输协议既能满足实时通讯的要求，很好的解决了带宽变更带来的拥塞问题，实现本发明的目的。

Description

一种基于虚拟传输协议的无线Ad Hoc网络拥塞控制机制

技术领域

本发明涉及一种虚拟传输协议(Virtual Transmission Protocol)中的拥塞控制机制，特别涉及一种无线Ad Hoc网络的通信带宽大跨度变更下的网络拥塞控制机制。

背景技术

在移动Ad hoc网络中传输多媒体流会因为网络中诸如节点的移动、网络拥塞、信道故障等造成带宽时变，如：

以不同形式的媒体编码不能迅速适应时变带宽(Ad hoc网络)，带宽的需求通常以离散和大跨度变更；

节点能有某种特别的需求，例如当检测到拥塞时并不降低媒体流的带宽；

媒体流解码对于丢包敏感，而实时性又阻止了丢包重传机制的使用。

上述这些问题使得移动Ad hoc网络拥塞控制变得具有挑战性和研究价值。

因此，特别需要一种基于虚拟传输协议的无线Ad Hoc网络拥塞控制机制，以解决上述现有存在的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于虚拟传输协议的无线Ad Hoc网络拥塞控制机制，针对Ad Hoc网络中带宽的需求通常以离散和大跨度变更的特点，解决以不同形式的媒体编码能迅速适应时变带宽的拥塞问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种基于虚拟传输协议的无线Ad Hoc网络拥塞控制机制，其特征在于，它包括如下步骤：

1)在Ad Hoc网络中接收端观察报文接收时序，建立时间到达模型；

2)在接收端对时间到达模型中偏移量mi估计值与门限值进行比较，作为判断带宽过用和带宽少用的指示；

3)在接收端建立速率控制器，使其具有递增(Increase)、递减(Decrease)和保持(Hold)3种状态；根据带宽过用或者带宽少用,以递归自适应的可用带宽估计的方法实现状态直接的转换；

4)在发送端，通过接收端反馈的环回时间、丢包率和可用带宽估计，计算对发送队列进行带宽控制，当通道队列足够大的时候，由接收端计算出的可用带宽评估作为有效反馈，而队列非常短时由网络丢包检测作为带宽过用的判断依据；

5)建立VTP的丢包重传机制，通过最大丢包参数的设置，实现VTP虚拟传输协议的网络媒体带。

在本发明的一个实施例中，所述步骤1)中，时间到达模型如下：

其中，w_i是随机过程W的样本，是关于链路容量C、当前背景流量X_i和当前发送速率R_i的函数；W为高斯白噪声随机过程，如果过用通道带宽则w_i增加、如果网络队列中数据正在清空，w_i将会减少、否则w_i为零。

在本发明的一个实施例中，所述步骤1)中，从w_i中分离m_i使得随机过程零均值，得到等式如下：

其中，d_i是相对于前一帧报文到达时延，链路容量C、偏移量m_i当时一个随机过程量，v_i为零均值带有高斯白噪声的观测值。

进一步，所述步骤1)中，参数d_i和dl_i可以通过每一完整的帧f_i(i>1)获取，可以估计C_i和m_i，并利用C_i和m_i检测是否过用当前带宽，这些参数通过卡尔曼Kalman filter滤波得到估计；

其中，v_i为零均值带有协方差σ² _(v,i)高斯白噪声的观测值，卡尔曼滤波递归更新估计。

再进一步，其中i-K+1≤j≤i是由摄像机采集近K帧中最大速率，α为滤波系数，典型值为α∈[0.2 0.002]，引入了附加项；如果(协方差估计)，滤波器将使用代替z_i进行更新，当数据报文以更高速率发送到通道链路时，随机变量v_i并不能被建模为随机白噪声，这种情况下数据报文会排队缓存在队列中。

再进一步，Q_i被设计为主对角矩阵：

diag(Q_i)＝45/1000f_max[10^-9 10^-3]^T。

在本发明的一个实施例中，所述步骤2)中，过用探测工作原理是：将偏移量m_i估计值与门限值γ₁进行比较，当估计值高于门限值时将指示为带宽过用，仅此信号指示并不能够使得带宽过用探测器触发率控子系统，还需要额外附加条件，即至少γ₂毫秒并且至少γ₃帧，此时明确的带宽过用信号将被触发；如果偏移量m_i估计在最后一次更新中下降，带宽过用检测依然不会被触发，尽管上述条件全部满足；同理，当偏移量m_i估计m_i<-γ₁，相反的状态-带宽少用信号将被检测；如果既不是带宽过用状态也不是带宽少用状态，则探测器将处于正常状态。

在本发明的一个实施例中，所述步骤4)中，只要带宽过用探测器处于正常状态，接收端率控系统就会增加在接收端上的可用带宽估计通多不断的增加，探测器将会检测到带宽过用，只要带宽过用被检测到，那么接收端可用带宽评估就会降低，进而利用此种方式实现了递归的自适应的可用带宽估计。

在本发明的一个实施例中，所述步骤4)中，当接收端报告到来的时候，算法就会被运行，运行的时间间隔一般在T_{min_fb}时间间隔内和T_{max_fb}时间间隔内，如果再2T_{max_fb}时间间隔内没有接收到报告信息，这表明至少丢失两个返回报告信息，那么算法会认为在这段时间间隔内的包已经丢失，将发送速率减半，最终达到对带宽的控制。

在本发明的一个实施例中，所述步骤5)中，由于网络拥塞、物理设备等因素会造成网络媒体数据包的丢失，VTP根据丢包率估计值R_loss设计一个分段执行函数，在(0,0.02),[0.02,0.1],(0.1,∞)三个区间返回执行结果。

本发明的基于虚拟传输协议的无线Ad Hoc网络拥塞控制机制，与现有技术相比，针对Ad hoc网络，在实时传输协议RTP(Real-time Transport Protocol)的基础上重新封装了协议的对象：发送端(VTP Sender)，接收端(VTP Receive)，管道(Vpipe),所建立的VTP(Virtual Transmission Protocol)为虚拟传输协议，介于网络IO层和应用层之间，利用网络IO接口，实现实时数据的传输，并且通过对拥塞控制建模和优化，很好的解决了针对Adhoc网络的实时流媒体传输的带宽适应性难题，使得传输协议既能满足实时通讯的要求，很好的解决了带宽变更带来的拥塞问题，实现本发明的目的。

本发明的特点可参阅本案图式及以下较好实施方式的详细说明而获得清楚地了解。

附图说明

图1为本发明的VTP协议的层次架构图；

图2为本发明的基于VTP协议的拥塞控制系统的结构示意图；

图3为本发明的速率控制系统的状态转换图；

图4为本发明的带宽估计曲线的拟合图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

实施例

本发明的基于虚拟传输协议的无线Ad Hoc网络拥塞控制机制，它包括如下步骤：

VTP(Virtual Transmission Protocol)为虚拟传输协议，介于网络IO层和应用层之间，实现了有关网络拥塞控制等功能，主要目的是利用网络IO接口，实现实时数据的传输，并且通过对拥塞控制的针对性建模和优化(主要针对Ad hoc网络)，能够很好的应用于及时通讯(IM)等领域。

图1为VTP协议的层次结构，如图所示：VTP建立在UPD协议层之上，实现了SocketInterface的协议，同时VTP也提供了VTP Inerface的接口，为应用层提供，可靠性拥塞控制的虚拟连接。

图2描述了VTP中重要的3个对象之间的关系：发送端(VTP Sender)，接收端(VTPReceive)，管道(Vpipe)。对象内部分别实现带宽估计，速率控制，丢包重传以及码率控制等子对象类型。不同功能的对象分开独立设计，实现了RTP的虚拟化，应用层只需要维护数据的完整，由VTP层接管物理连接的所有资源，使得拥塞控制管理更精确和高效。

建立时间到达模型通过数据报文的到达时间差异判断网络带宽的过用和少用情况，为发送端速率控制提供拥塞控制的依据。

基于接收帧的时序，通过连续更新网络参数的估计值实现自适应滤波。在接收端观察输入报文组，每个报文组拥有相同的时间戳T_i。每帧被指定接收时间t_i，t_i是整帧被接收后所记录的到达时间并忽略丢包。如果t_i-t_i-1>T_i-T_i-1，即相对于前一帧，此帧是延迟的，即如果帧到达时间差分大于时间戳差分。定义相对内部到达时间d_i为：

d_i＝(t_i-t_i-1)-(T_i-T_i-1) (1)

由于发送长度为L的帧到链路容量为C的路径中，所用时间ts为：

ts＝L/C (2)

时间到达模型如下：

基础模型，考虑到长度大的帧比长度小的帧需要更多的传输时间，因此整帧到达具有更高的相对延时。噪声项代表了网络抖动，其他延迟影响并为在本模型中给出。

当以散点图绘制函数d_i时，会发现大多数样本点聚集在中心，其他偏离点则汇聚在截距为零斜率为1/C的直线上。使用视频编码器，产生的大部分编码后的帧都有相同大小，但是关键帧例外，关键帧要比平均帧大，并且在关键帧前后会产生正向偏离点和负向偏离点。音频帧通常由单独的等长度的包组成，音频流中dL＝0。

这里i-K+1≤j≤i是由摄像机采集近K帧中最大速率，α为滤波系数，典型值为α∈[0.1 0.001]。由于在某些情况下我们简单假设v_i为高斯白噪声随机变量并不是精确的，所以我们引入了附加项。如果(协方差估计)，滤波器将使用代替z_i进行更新。当数据报文以更高速率发送到通道链路时，随机变量v_i并不能被建模为随机白噪声，这种情况下数据报文会排队缓存在队列中。利用同样的方式Q_i被设计为主对角矩阵：

diag(Q_i)＝30/1000f_max[10^-10 10^-2]^T

利用帧速率来测量是很有必要的，这使得带宽过用探测器能够在低帧率和高帧率一样快速的响应。

图3描述了速率控制其划分的3种状态，递增、递减和保持。递增状态是没有检测到拥塞，递减状态是检测到拥塞，保持是在进入递增状态时内嵌队列被清空中。

首先系统将进入递增状态，此状态将持续到带宽过用探测器检测到过用带宽或者少用带宽，每次更新接收端可用带宽估计会以一个因子增长，该因子为全局系统响应时间和测量噪声方差估计值的函数。全局系统响应时间是从带宽过用被检测到最终由带宽过用检测器检测到带宽过用的时间间隔。协方差被用作为延迟指示器

这里B、b、d、c₁和c₂为预先设置的参数。

由于率控系统依靠通道带宽过用来计算当前可用带宽评估，我们必须确保估计值不能偏离发送端的实际发送速率，因此，如果发送端不能产生接收端请求的相应的码率媒体流，那么可用带宽就保持在一个给定的边界内。因此定义一个门限：

这里用T秒时间窗口测量出的输入速率：

N_i是过去T秒接收到的帧数量，L_j是帧j的大小。

当带宽过用被触发时，系统就转移到递减状态，接收端可用带宽估计将会递减到一个因子乘以当前输入比特率：

当带宽过用探测器触发率控系统的带宽少用状态时，我们就知道网络路径中队列中的数据正在被清空，这表明可用带宽估计比实际可用带宽低。

每当接收端报告到来的时候，算法就会被运行，运行的时间间隔一般在T_{min_fb}时间间隔内和T_{max_fb}时间间隔内，如果再2T_{max_fb}时间间隔内没有接收到报告信息，这表明至少丢失两个返回报告信息，那么算法会认为在这段时间间隔内的包已经丢失，将发送速率减半：

●如果通过接收端的反馈报告信息，计算出2-10％丢包率，发送端可用带宽As_i将保持不变；

●如果超过10％的丢包，可用带宽估计将会被更新为As_i＝As_i-1(1-0.5p)，p是丢包率；

●如果丢包率低于2％，可用带宽将会被更新为As_i＝1.05(As_i-1+1000)。

新的发送端带宽评估由TCP友好率控公式和接收端可用带宽A_i所控制：

As_i≤A_i

b是ack包的数量，t_rto为超时时间，s为平均的包长度，R为环回时间。

当接收端报告到来的时候，算法就会被运行，运行的时间间隔一般在T_{min_fb}时间间隔内和T_{max_fb}时间间隔内，如果再2T_{max_fb}时间间隔内没有接收到报告信息，这表明至少丢失两个返回报告信息，那么算法会认为在这段时间间隔内的包已经丢失，将发送速率减半：

●如果通过接收端的反馈报告信息，计算出2.5-10％丢包率，发送端可用带宽As_i将保持不变；

●如果超过10％的丢包，可用带宽估计将会被更新为As_i＝As_i-1(1-0.7p)，p 是丢包率；

●如果丢包率低于2.5％，可用带宽将会被更新为As_i＝1.07(As_i-1+1000)。

As_i≤A_i

发送端带宽估计值不会超过接收端带宽估计值，不会低于TFRC公式计算出的带宽估计值。

图4描述了不同带宽下，不同包长度和延迟的关系图。本发明的基于虚拟传输协议的无线Ad Hoc网络拥塞控制机制的核心就是精确估计带宽，在此基础上才能达到带宽自适应，拥塞控制目的。通过对Ad hoc无线移动网络设置固定带宽l1:1mbps、l2:2mbps、l3:3mbps并设置丢包率为5％，网络延迟为双向延迟，单向延迟为5ms(接近互联网延迟)。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种基于虚拟传输协议的无线Ad Hoc网络拥塞控制机制，其特征在于，它包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的基于虚拟传输协议的无线Ad Hoc网络拥塞控制机制，其特征在于，所述步骤1)中，时间到达模型如下：

3.如权利要求2所述的基于虚拟传输协议的无线Ad Hoc网络拥塞控制机制，其特征在于，所述步骤1)中，从w_i中分离m_i使得随机过程零均值，得到等式如下：

4.如权利要求3所述的基于虚拟传输协议的无线Ad Hoc网络拥塞控制机制，其特征在于，所述步骤1)中，参数d_i和dl_i可以通过每一完整的帧f_i(i>1)获取，可以估计C_i和m_i，并利用C_i和m_i检测是否过用当前带宽，这些参数通过卡尔曼Kalman filter滤波得到估计；

5.如权利要求4所述的基于虚拟传输协议的无线Ad Hoc网络拥塞控制机制，其特征在于，其中i-K+1≤j≤i是由摄像机采集近K帧中最大速率，α为滤波系数，典型值为α∈[0.2 0.002]，引入了附加项；如果 (协方差估计)，滤波器将使用代替Z_i进行更新，当数据报文以更高速率发送到通道链路时，随机变量v_i并不能被建模为随机白噪声，这种情况下数据报文会排队缓存在队列中。

6.如权利要求4所述的基于虚拟传输协议的无线Ad Hoc网络拥塞控制机制，其特征在于，Q_i被设计为主对角矩阵：

diag(Q_i)＝45/1000f_max[10^-9 10^-3]^T。

7.如权利要求1所述的基于虚拟传输协议的无线Ad Hoc网络拥塞控制机制，其特征在于，所述步骤2)中，过用探测工作原理是：将偏移量m_i估计值与门限值γ₁进行比较，当估计值高于门限值时将指示为带宽过用，仅此信号指示并不能够使得带宽过用探测器触发率控子系统，还需要额外附加条件，即至少γ₂毫秒并且至少γ₃帧，此时明确的带宽过用信号将被触发；如果偏移量m_i估计在最后一次更新中下降，带宽过用检测依然不会被触发，尽管上述条件全部满足；同理，当偏移量m_i估计m_i<-γ₁，相反的状态-带宽少用信号将被检测；如果既不是带宽过用状态也不是带宽少用状态，则探测器将处于正常状态。

8.如权利要求1所述的基于虚拟传输协议的无线Ad Hoc网络拥塞控制机制，其特征在于，所述步骤4)中，只要带宽过用探测器处于正常状态，接收端率控系统就会增加在接收端上的可用带宽估计通多不断的增加，探测器将会检测到带宽过用，只要带宽过用被检测到，那么接收端可用带宽评估就会降低，进而利用此种方式实现了递归的自适应的可用带宽估计。

9.如权利要求1所述的基于虚拟传输协议的无线Ad Hoc网络拥塞控制机制，其特征在于，所述步骤4)中，当接收端报告到来的时候，算法就会被运行，运行的时间间隔一般在T_{min_fb}时间间隔内和T_{max_fb}时间间隔内，如果再2T_{max_fb}时间间隔内没有接收到报告信息，这表明至少丢失两个返回报告信息，那么算法会认为在这段时间间隔内的包已经丢失，将发送速率减半，最终达到对带宽的控制。

10.如权利要求1所述的基于虚拟传输协议的无线Ad Hoc网络拥塞控制机制，其特征在于，所述步骤5)中，由于网络拥塞、物理设备等因素会造成网络媒体数据包的丢失，VTP根据丢包率估计值R_ioss设计一个分段执行函数，在(0,0.02),[0.02,0.1],(0.1,∞)三个区间返回执行结果。