CN107395325B - 一种服务于战术级通信网的自适应估计传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种服务于战术级通信网的自适应估计传输方法，本发明通过不停的估测当前信道状态来合理调整通信策略，以达到在可靠传输的原则下，实现最优的带宽利用率。该方法在传输过程中以数据可通条件下带宽最大的原则选择通信设备，并根据所选设备决定可靠传输协议的各参数初值。随后在传输过程中，不断地监控传输过程中的数据包大小、信道延迟、丢包率等情况，并依据此估算出传输过程中的最佳数据包大小、并发滑动窗大小、数据包生命周期等参数。最终达到在保证不造成信道堵塞丢包的前提下，最大的利用有效信道带宽的效果。

Description

一种服务于战术级通信网的自适应估计传输方法

技术领域

本发明属于战术级通信传输技术领域，尤其涉及一种服务于战术级通信网的自适应估计传输方法。

背景技术

在现代战争中，信息传输的重要性不言而喻。作为支撑整个作战指挥的重要一环，战术级通信传输系统必须保证作战命令准确、可靠、迅速的传递到各个作战单位。传输技术的发展和优化对整个国防事业有着重要的战略意义。

信息战已成为当今战场中最具威胁力的手段之一，作战通信网络必然会遭到敌军优先干扰和打击，要避免作战通信网络不被切断，战术级通信网必须集成各种通信手段，如光纤、超短波、短波、卫星网络等，以保持其高度的容错性。然而各通信手段在信道带宽、时延、丢包率等方面差异很大，通信双方交互的事务具有突发性和非连续性，使得传统的可靠传输协议无法适应这种通信状况，导致通信效率极低。特别是在丢包率较高的传输信道中无法充分利用有效带宽。在复杂的战场情况下，需要一种新的可以适应于复杂多变信道的高效的可靠传输协议。

传统的可靠传输策略一般适用于信道固有丢包率极低的通信信道。如互联网中的TCP协议，对数据可靠传输和带宽的利用率都有较高的追求，当信道优质时效率极佳，但是一旦面对固有丢包率比较大的信道，如短波、超短波等，往往因为丢包导致带宽利用率陡峭下降，并且面对信道质量波动没有很好的应对机制。而面对信道质量相对较差的信道，一般采用的可靠传输方法的传输效率都相对较低。

发明内容

本发明是为了提高战术级通信网在复杂的通信环境和多种通信手段协同使用时的可靠传输效率。提出了一种多种通信手段自适应选择，数据分包长度及生存周期自适应变化，传输速度自适应调节的可靠传输通信策略，大大提高了带宽利用率。

为实现上述目的，本发明提供了一种服务于战术级通信网的自适应估计传输方法，包括如下步骤：

步骤1，发送方将数据分组不断的投递到传输信道中并追踪数据分组的传输情况，根据数据分组传输情况进一步调控数据分组的发送；接收方不断从信道中提取数据分组，并向发送方发送确认分组；

步骤2，根据带宽利用率和传输成功率计算带宽有效利用率；

步骤3，采用加性增、乘性减的方式，不断的增加发送窗口，提高带宽利用率，并在此过程中实时计算信道固有丢包率和瞬时丢包率，根据丢包率决定是否进行传输窗口回退，减小数据分组重传；

步骤4，计算数据包生命周期，获取数据包生命周期最佳值；

步骤5，根据步骤3和步骤4中的计算结果实时计算并行滑动窗口大小和数据包超时重传时间：

步骤6，重复步骤2到步骤5以跟踪信道变化，调整传输策略。

步骤1中，采用确认分组和数据分组一一对应(1发1回)的方式，即单个确认分组只能表明具有该分组序号的数据分组已传输成功。数据分组、确认分组在传输信道中传输，传输信道具有最大带宽B，信道固有丢包D1等参数。

步骤2中，传输策略及信道估计方法：从控制系统的调控目的来看，提高传输信道的带宽利用率，就是要尽可能多的使用信道带宽，提高带宽的利用率。采用如下公式计算带宽利用率δ_lyl：

其中，A表示平均已用带宽，F表示总可用带宽。

步骤2中，其次是要尽量避免重传。数据分组重传越多，对传输信道带宽的浪费越大。减小数据分组重传，就是要提高数据分组的传输成功率，采用如下公式计算传输成功率δ_cgl：

其中，C表示发送方需要传输的数据分组个数，E表示完成这些传输发送方总共发送的数据分组个数；

步骤2中，尽可能多的使用带宽才能防止带宽被闲置，尽量避免重传才能防止带宽被浪费，因此带宽的使用效率为两者的结合，采用如下公式计算带宽有效利用率δ：

δ＝δ_lyl*δ_cgl (公式3)

步骤3包括如下步骤：

步骤3-1，通信设备选择及初始参数确定：

传输开始时，搜索联系人列表(记录在组网时，各通信节点通信方式的列表)以确定目的联系方的可用通信手段并尝试与目的端进行握手，在握手成功的设备中选择带宽最大的设备进行通信并根据所选设备的具体情况，确定传输初始参数；

步骤3-2，估算信道带宽：

假设数据包长度为D，通过不断记录相邻确认分组的到达时间，以T_n代表第n组数据到达的时间，计算出数据包分组到达的时间间隔的平均值和瞬时值：

公式4中，N为小于n的一个自然数，N的取值越大，公式4中两数据包间隔的时间越长，间隔数据包越多，则t₁的值越接近数据包分组到达时间间隔平均值；N取值越小，公式4中两数据包之间间隔的时间越短，间隔数据包越少，则t₁的值越接近瞬时值，则依据公式5可以计算信道平均和瞬时带宽的估计值B_e：

当N＝n-1时，t1最接近平均值，当N＝1时，t1最接近瞬时值。采用加性增、乘性减的方式，不断的试探性增加发送窗口，不断提高δ_lyl。随着δ_lyl的增加，将引入网络拥塞，导致分组丢失，引起重传，降低了传输成功率δ_cgl。因此关键在于，在不断试探性增加带宽利用率的同时，尽量减小重传，保持较高的传输成功率。减小数据分组重传，一方面需要对数据分组超时定时器进行合理的设置；另一方面需要减小丢包率。

步骤4包括如下步骤：

步骤4-1，发送方将数据分组投递到传输信道，并记录发送时间t_send，数据分组传输到接收方，用时T_j1；

步骤4-2，接收方从信道中提取数据分组，对数据分组进行处理，并发送确认分组，用时T_j2；

步骤4-3，确认分组到达接收方，记录接收时间t_recv，此为J₃，用时T_j3。

步骤4-4，步骤4-1～步骤4-3的过程称为一个报文的往返时间，记作RTT＝T_recv-T_send＝T_j1+T_j2+T_j3。数据包生命周期的最小值即为RTT，最大值一般为RTT的两倍。

步骤4-5，以最大化带宽有效利用率δ为原则，不断的在取值范围内修改数据包生命周期，最终取得数据包生命周期最佳值。

步骤5包括如下步骤：

若已知报文往返时间的统计平均值

数据包平均长度D、网络最大带宽B，则发送滑动窗口上限M_max为：

发送滑动窗口最小值设为0，依据信道的丢包率进行调节，如丢包率过大，影响传输效率，则减小并发传送数据包数，提高传输成功率。反之，则逐步增加并发传输数据包数，提高传输效率最终达到均衡状态。一般报文的生命周期取为两倍的RTT值。步骤6包括如下步骤：

步骤6-1，信道固有丢包率为网络未拥塞下的丢包率。假定拥塞控制算法有效，网络将保持在未拥塞或轻度拥塞下，此时信道固有丢包率D₁接近并约小于统计平均丢包率D_mean，并且网络拥塞调控越及时，D_mean越逼近D₁。

D₁≈D_mean&&D₁<D_mean (公式7)；

步骤6-2，统计瞬时丢包率D_tmp：统计瞬时丢包率定义为相邻两次窗口回退之间的丢包率。假设t₁时刻触发窗口回退，窗口回退后大小为M₁。从窗口为M₁下所发出的第一个新数据分组处开始进行统计，直到再次触发窗口回退，此过程中统计得到的丢包率为统计瞬时丢包率。

步骤6-3，基于丢包率的滑动窗口计算根据D_mean和D_tmp进行选择性窗口回退。重传定时器超时时，发送方比较D_mean和D_tmp的大小关系。如果D_tmp>D_mean，由公式7可知，当前丢包率已大于信道固有丢包率D₁，网络已经拥塞，发送方将触发窗口回退机制，减小数据分组的发送频度，减小网络丢包率，确保网络畅通；反之即使发生丢包，也不回退窗口，从而将带宽有效利用率δ保持在较高的水平。

本发明所述的信道稳定特征即较长时间内计算的信道参数平均值。

本发明所述的信道瞬时特征即信道短期多次变化之间内计算的信道参数值。

有益效果：

本发明针对战术级通信网络信道多样性的特点，提出了一种基于丢包率和通信延迟的信道容量估计方法，优化了拥塞控制算法。通过此方法，可以更好的适配多种信道，表现出更优的传输性能。特别是面对瞬间变化较多的信道特性，本方法可以快速的重新准确的估计信道特性，从而快速采用适用于当前信道的最佳均衡通信策略。

本发明在传统的可靠传输技术基础上引入了信道估计算法，依靠信道质量的估计结果调整传输策略，当信道质量优秀时采用类似TCP协议的做法，在保证数据可靠的情况下最大限度提高带宽利用率，当信道变化较大时也能合理的估计出信道容量，大大降低了信道固有丢包率剧烈变化时对信道带宽利用率产生的负面影响，同时合理的避免了网络阻塞，提高了传输效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1端到端传输模型示意图；

图2战术级通信网络端对端通信示意图；

图3高信道固有丢包条件下的TCP协议的传输情况；

图4高信道固有丢包条件下本发明传输情况；

图5高信道固有丢包条件下本发明传输情况放大图；

图6零信道丢包率情况下的TCP传输情况；

图7零信道丢包率情况下的本发明传输情况；

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

1、本发明需要计算的信道参数及估计基本原理

(1)数据包往返时延。即一个数据包从发送出去到收到接收方确认消息的时间。通过确认记录数据包接收时间和数据包发送时间，实时估测修正通信链路往返时间RTT(Round-Trip Time)，并据此确定数据包的生命周期。

(2)通信信道可用带宽(Band)。即当前信道单位时间内最多可传输的数据量。通过检测相邻确认分组数据包的到达时间间隔及当前数据包分包大小，实时估测修正信道可用带宽B。

(3)通信网络丢包率。即丢包个数与发送数据包总数之比。通过统计发送数据分组的个数以及接收确认分组的个数，实时估测修正网络丢包率。

(4)数据分包长度。一般指每个分包数据所包含的字节(Byte)数。根据通信设备和信道质量调整分包长度。

2、针对信道状态的通信策略选择

在实际使用中，采用在通信可通条件下选择带宽最大的通信方式的原则，选择传输使用的物理层设备。并根据具体设备的特性设置数据分包长度、生命周期、并行滑动窗口大小等参数初始值。

在传输进行的过程中，本发明中的方法将实时根据估计出的信道瞬时特性和较长一段时间的信道基础特性计算出当前的最佳传输策略。其中信道基础特性会根据瞬时特性进行不断微调，以更加贴近真实状态。

3、信道估计方法的核心理念

本发明针对通信信道的瞬时变化不可控的特点，采用了瞬时信道状态估计和较长周期稳定态信道状态估计两套参数共同确定最终通信策略的方法，提高了本可靠传输方法对信道估计的准确率。将信道估计结果引入传输策略中，大大提高了本传输策略的适应性和效率。满足战术级通信网的特点和需求。

本发明在传统可靠传输协议的基础上增加了信道估计的概念，通过实时估算信道的带宽、时延、瞬时丢包率、固有丢包率，自适应调节传输策略，最大的利用信道带宽，避免信道阻塞。

所述的信道带宽估算，提出了一种极其简单高效的估算方法，利用本发明等长度分包的特点，直接在发送端记录收到回执的时间间隔，并通过公式(4)和公式(5)计算信道估算带宽。在信道未阻塞时，只需合理选择两次回执相差包数N，即可得到信道稳定带宽和瞬时带宽的估计值。

所述的信道阻塞避免，提出了一种根据跟据瞬时丢包率和固有丢包率比较值，判断信道是否阻塞的方法。其中信道的瞬时丢包率统计相邻两次窗口回退之间的丢包率。假设t₁时刻触发窗口回退，窗口回退后大小为M₁。从窗口为M₁下所发出的第一个新数据分组处开始进行统计，直到再次触发窗口回退，此过程中统计得到的丢包率为统计瞬时丢包率。而信道的固有丢包率为信道长时间在未阻塞状态下的丢包率。基于丢包率的滑动窗口计算根据瞬时丢包率和固有丢包率进行选择性窗口回退。重传定时器超时时，发送方比较瞬时丢包率和固有丢包率的大小关系。如果瞬时丢包率大于固有丢包率，由公式7可知，当前丢包率已大于信道固有丢包率，网络已经拥塞，发送方将触发窗口回退机制，减小数据分组的发送频度，减小网络丢包率，确保网络畅通；反之即使发生丢包，也不回退窗口，从而将带宽有效利用率保持在较高的水平。

本发明自适应修改物理通信设备、数据包大小、数据包生命周期、滑动窗口大小等多个参数细致的逼近信道的真实状态。在多个方面优化传输策略，从而达到最优的带宽利用率。

本发明结合了信道的瞬时特征和稳定特征两种参数共同决定最终传输策略，稳定了本发明所提出的方法在固有丢包率较大的信道下的表现，增强了本发明的适用范围。

实施例

通信环境模型：

传输端到端模型如图1所示。战术级通信端到端传输示意如图2所示。

发送方将数据分组不断的投递到传输信道中并追踪数据分组的传输情况，根据数据分组传输情况进一步调控数据分组的发送。接收方不断从信道中提取数据分组，并向发送方发送确认分组。本发明采用确认分组和数据分组一一对应(1发1回)的方式，即单个确认分组只能表明具有该分组序号的数据分组已传输成功。数据分组、确认分组在传输信道中传输，传输信道具有最大带宽B，信道固有丢包D1等参数。

传输策略及信道估计方法：

从控制系统的调控目的来看，提高传输信道的带宽利用率，就是要尽可能多的使用信道带宽，提高带宽的利用率。带宽利用率δ_lyl定义为平均已用带宽同总可用带宽之比。

其次是要尽量避免重传。数据分组重传越多，对传输信道带宽的浪费越大。减小数据分组重传，就是要提高数据分组的传输成功率，这里定义传输成功率δ_cgl，其为发送方需要传输的数据分组个数同完成这些传输发送方总共发送的数据分组个数之比。

尽可能多的使用带宽才能防止带宽被闲置，尽量避免重传才能防止带宽被浪费，因此带宽的使用效率为两者的结合，这里定义带宽有效利用率δ。

δ＝δ_lyl*δ_cgl (公式3)

本发明采用加性增、乘性减的方式，不断的试探性增加发送窗口，不断提高δ_lyl。随着δ_lyl的增加，将引入网络拥塞，导致分组丢失，引起重传，降低了传输成功率δ_cgl。因此，算法的关键在于，在不断试探性增加带宽利用率的同时，尽量减小重传，保持较高的传输成功率。减小数据分组重传，一方面需要对数据分组超时定时器进行合理的设置；另一方面需要减小丢包率。具体执行方法如下。

1.通信设备选择及初始参数确定。

传输开始时，算法搜索联系人列表以确定目的联系方的可用通信手段并尝试与目的端进行握手。随后在握手成功的设备中选择带宽最大的设备进行通信并根据所选设备的具体情况，确定传输初始参数。

2.信道带宽估算。

假设数据包长度为D，通过不断记录相邻确认分组的到达时间，如以T_n代表第n组数据到达的时间，可以计算出数据包分组到达的时间间隔的平均值和瞬时值。

公式4中，N的取值越大则计算结果越接近数据包分组到达时间间隔平均值，取值越小则越接近瞬时值。则信道平均和瞬时带宽估计值可依据公式5计算。

数据包生命周期计算：

如图1所示，发送方将数据分组投递到传输信道，并记录发送时间t_send，数据分组传输到接收方，此过程如图中J₁所示，用时T_j1；接收方从信道中提取数据分组，对数据分组进行处理，并发送确认分组，此过程如J₂所示，用时T_j2；确认分组到达接收方，记录接收时间t_recv，此为J₃，用时T_j3。此过程称为一个报文的往返时间，记作RTT＝T_recv-T_send＝T_j1+T_j2+T_j3。数据包生命周期的最小值即为RTT，最大值一般为RTT的两倍。本发明方法会不断的在取值范围内修改数据包生命周期，以最大化带宽有效利用率δ为原则，最终取得数据包生命周期最佳值。

并行滑动窗口大小计算：

若已知传输统计平均往返时间RTT、数据包平均长度D、网络最大带宽B，则发送滑动窗口上限M_max为：

发送滑动窗口最小值设为0，并依据信道的丢包率进行调节，最终达到均衡状态。

信道固有丢包率的估测：信道固有丢包率为网络未拥塞下的丢包率。假定拥塞控制算法有效，网络将保持在未拥塞或轻度拥塞下，此时信道固有丢包率D₁接近并约小于统计平均丢包率D_mean，并且网络拥塞调控越及时，D_mean越逼近D₁。

D₁≈D_mean&&D₁<D_mean (公式7)

统计瞬时丢包率D_tmp：统计瞬时丢包率定义为相邻两次窗口回退之间的丢包率。假设t₁时刻触发窗口回退，窗口回退后大小为M₁。从窗口为M₁下所发出的第一个新数据分组处开始进行统计，直到再次触发窗口回退，此过程中统计得到的丢包率为统计瞬时丢包率。

基于丢包率的滑动窗口计算根据D_mean和D_tmp进行选择性窗口回退。重传定时器超时时，发送方比较D_mean和D_tmp的大小关系。如果D_tmp>D_mean，由公式7可知，当前丢包率已大于信道固有丢包率D₁，网络已经拥塞，发送方将触发窗口回退机制，减小数据分组的发送频度，减小网络丢包率，确保网络畅通；反之即使发生丢包，也不回退窗口，从而将带宽有效利用率δ保持在较高的水平。

数据包大小调节：

在信道质量较差且变化较剧烈时，较长的数据分组成功传输的概率极小。这种情况下，本发明方法可自适应调节数据包分组大小以适应信道，充分提高信道利用率。

性能效果比较：

本发明算法在两种信道情况下分别于传统的TCP协议做了比较，结果附图说明。在高信道固有丢包条件下，通过图3、图4和图5对比可以看出，TCP由于受到持续丢包的影响，滑动窗口不断回退，无法有效利用信道带宽，而本发明提出的策略则可以很好的适应这种信道，通过丢包平均值与瞬时值的双重估计，设置合理的滑动窗口，达到了较高的带宽利用率。实验结果总结于表1：高信道固有丢包率情况数据对比表。

表1

在极低信道固有丢包条件下，通过图6和图7对比可以看出，相较于TCP，在略微减小传输成功率的条件下，本发明提出的方法极大地提高了带宽的有效利用率。实验结果总结于表2：极低信道固有丢包率情况数据对比表。

表2

无论是在具有高丢包率的传输信道下，还是在丢包率极低的传输环境中，本发明较TCP的现有机制更好的适配了信道，进一步提高了传输性能。

本发明提供了一种服务于战术级通信网的自适应估计传输方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种服务于战术级通信网的自适应估计传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，发送方将数据分组不断的投递到传输信道中并追踪数据分组的传输情况，接收方不断从信道中提取数据分组，并向发送方发送确认分组；数据分组、确认分组在传输信道中传输；

步骤2，根据带宽利用率和传输成功率计算带宽有效利用率；

步骤3，采用加性增、乘性减的方式，不断的增加发送窗口，提高带宽利用率，并在此过程中实时计算信道固有丢包率和瞬时丢包率；

步骤4，计算数据包生命周期，获取数据包生命周期最佳值；

步骤5，实时计算并行滑动窗口大小：

步骤6，重复步骤2到步骤5以跟踪信道变化，调整传输策略；

步骤1中，采用确认分组和数据分组一一对应的方式，即单个确认分组只能表明具有该确认分组序号的数据分组已传输成功；

步骤2中，采用如下公式计算带宽利用率δ_lvl：

其中，A表示平均已用带宽，F表示总可用带宽；

步骤2中，采用如下公式计算传输成功率δ_cgl：

其中，C表示发送方需要传输的数据分组个数，E表示完成这些传输发送方总共发送的数据分组个数；

步骤2中，采用如下公式计算带宽有效利用率δ：

δ＝δ_lyl*δ_cgl；

步骤3包括如下步骤：

步骤3-1，通信设备选择及初始参数确定：

传输开始时，搜索联系人列表以确定目的联系方的可用通信手段并尝试与目的端进行握手，在握手成功的设备中选择带宽最大的设备进行通信并根据所选设备的具体情况，确定传输初始参数；

步骤3-2，计算信道带宽：

假设数据包长度为D，通过不断记录相邻确认分组的到达时间，以T_n代表第n组数据到达的时间，根据如下公式计算出数据包分组到达的时间间隔的平均值或瞬时值：

其中，N为小于n的一个自然数，N的取值越大，上述公式中两数据包间隔的时间越长，间隔数据包越多，则t₁的值越接近数据包分组到达时间间隔平均值；N取值越小，上述公式中两数据包之间间隔的时间越短，间隔数据包越少，则t₁的值越接近瞬时值，则依据如下公式计算信道平均或瞬时带宽的估计值B_e：

当N＝n-1时，t1最接近平均值，当N＝1时，t1最接近瞬时值；

步骤4包括如下步骤：

步骤4-1，发送方将数据分组投递到传输信道，并记录发送时间T_send，数据分组传输到接收方，用时T_j1；

步骤4-2，接收方从信道中提取数据分组，对数据分组进行处理，并发送确认分组，用时T_j2；

步骤4-3，确认分组到达发送方，记录接收时间T_recv，用时T_j3；

步骤4-4，步骤4-1～步骤4-3的过程称为一个报文的往返时间，记作RTT，采用如下公式计算：

RTT＝T_recv-T_send＝T_j1+T_j2+T_j3，

数据包生命周期的最小值即为RTT，最大值为RTT的两倍；

步骤4-5，以最大化带宽有效利用率δ为原则，不断的在取值范围内修改数据包生命周期，最终取得数据包生命周期最佳值；

步骤5包括如下步骤：

若已知报文往返时间的统计平均值RTT、数据包平均长度D、网络最大带宽B，则发送滑动窗口上限M_max为：

发送滑动窗口最小值设为0，依据信道的丢包率进行调节，最终达到均衡状态；

步骤6包括如下步骤：

步骤6-1，信道固有丢包率为网络未拥塞下的丢包率，此时信道固有丢包率D₁接近并约小于统计平均丢包率D_mean：

D₁≈D_mean&&D₁＜D_mean；

步骤6-2，获取统计瞬时丢包率D_tmp：统计瞬时丢包率定义为相邻两次窗口回退之间的丢包率，假设t₂时刻触发窗口回退，窗口回退后大小为M₁，从窗口为M₁下所发出的第一个新数据分组处开始进行统计，直到再次触发窗口回退，此过程中统计得到的丢包率为统计瞬时丢包率；

步骤6-3，基于丢包率的滑动窗口计算根据D_mean和D_tmp进行选择性窗口回退：当接收回执包超时未收到时，发送方比较D_mean和D_tmp的大小关系，如果D_tmp＞D_mean，表示当前丢包率已大于信道固有丢包率D₁，网络已经拥塞，发送方将触发窗口回退机制，减小数据分组的发送频度，减小网络丢包率，确保网络畅通；反之即使发生丢包，也不回退窗口。

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