CN109347738B - 一种车载异构网络的多径传输调度优化方法 - Google Patents

一种车载异构网络的多径传输调度优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种车载异构网络的多径传输调度优化方法，本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：如果预测到缓冲区阻塞现象，通过吞吐量预测和可用带宽的路径选择算法发现性能较差的子流，并停止通过这些子流进行传输。本发明达到的有益效果为：通过提前预测所需缓冲区大小，有效解决多路径传输控制协议传输中，接收缓冲区阻塞的问题，通过改进多路径传输控制协议传输中路径选择，提高了车载异构网络系统的吞吐量及网络利用率。

Description

一种车载异构网络的多径传输调度优化方法
技术领域
本发明涉及一种预测接收缓冲区阻塞方法，属于通信技术领域，具体涉及一种车载异构网络的多径传输调度优化方法。
背景技术
随着新的网络接入技术的发展，车辆上提供了多种网络接口。因此，传统的车联网正朝着车载异构网络的趋势发展。车载异构网络就是将多种不同类型的网络融合构成的通信系统运用到车载环境中，车辆终端具备多种网络接口模块，可以接入组成异构车联网系统的任何一种网络，多种网络之间协作互助，很大程度上满足了车载环境下的通信需求与车辆用户业务多样性的要求。
多路径传输控制协议是互联网工程组在2009年提出的一种协议，它是传输控制协议的扩展协议，允许同时使用多个路径进行数据传输，能够提高资源利用率。多路径传输控制协议使用传输控制协议作为子流传输，每条路径代表每个传输控制协议子流。多路径传输控制协议能够通过提高网络资源使用效率来获得更高的吞吐量，将多路径传输控制协议应用到车载异构网络中可以提高传输性能，并提高传输的吞吐量。
然而车载异构网络中路径之间的延迟、带宽、负载、丢包率等因素互不相同，而采用多路径传输控制协议默认的Round-Robin算法，在使用这些路径传输资源时会导致数据包乱序，进而引起接收缓冲区阻塞现象的发生，同时影响车辆之间的通信性能。鉴于现实情况，为避免发生接收缓冲区阻塞现象，同时提高车载异构网络的传输性能，需要设计一个有效的多路径调度优化方法来解决这一问题。
发明内容
本发明目的在于解决上述现有的技术中缓冲区阻塞现象发生的问题，提出了一种车载异构网络的多径传输调度优化方法，具体的，如果预测到缓冲区阻塞现象，通过吞吐量预测和可用带宽的路径选择算法发现性能较差的子流，并停止通过这些子流进行传输。
一种车载异构网络的多径传输调度优化方法，包括如下步骤：
步骤1：估计无序数据包的数量和所需缓冲区大小；
步骤2：若预测所需缓冲区大于可用缓冲区，则启用Q学习，通过吞吐量预测和可用带宽的路径选择算法发现性能较差的子流，并停止通过这些子流进行传输；
步骤3：一旦拓扑结构变化，使得可用的接收缓冲区超过所需缓冲区大小的2.5倍时，则重新使用所有停止掉的子流发送数据。
进一步地，所述步骤1中，在子流j的往返时间(RTT)期间，子流i中估计的无序数据包数量为：
Figure BDA0001857433410000021
此时，j＞i；为了快速地估计，假设往返时间(RTT)期间已经传输的数据包数量为一个传输单元，在这种假设下，Li,j表示RTTj期间在子流i中与无序数据包相关联的预期的传输单元数量；
为了避免过多的传输约束，当RTTj期间的无序包数量小于RTTi期间已传输的数据包数量时，令Li,j＝0；
因为所提算法在每个数据包传输时都估计无序包的传输数量，因此RTT期间，未传输的数据包数量等于子流的拥塞窗口(cwnd)，在Li,j的基础上，多路径传输控制协议同时使用所有可用路径传输时所需的缓冲区大小为：
Figure BDA0001857433410000031
R(N)＝{i∈Z|1≤i≤N} (3)
其中，PAi是子流i中的未传输的数据包，MSSi是子流i上的最大报文段，N是子流的数量，子流i表示的是正在使用的子流，Li,N表示RTTN期间在子流i中与无序数据包相关联的预期的传输单元数量；
根据拥塞控制算法，在每个子流的RTT期间cwnd是可以改变的，但是，因为很难预测cwnd的变化，假设所有子流的cwnd在子流的RTT期间是固定的。
进一步地，所述步骤2中，具体的，基于RTT和丢包率的传统吞吐量模型为：
Figure BDA0001857433410000032
其中，RTT为路径的往返时间，p是丢包率，b是由接收到的ACK确认的分组数量，这里令b＝1，该公式可以预测标准传输控制协议协议下各个路径的吞吐量；
设I＝{1，2，......，n}代表所有的可用路径，这些路径的参数分别为pathi＝{RTTi,Pi,BWi}；
其中，RTTi为可用路径i的来回往返时间，Pi为可用路径i的丢包率，BWi为可用路径的i的可用带宽，Ti为路径i的吞吐量；最大的吞吐量为：
Figure BDA0001857433410000041
在最佳路径的可用带宽有限的情况下，则有：
Tk＝Tmax且Tk＞BWk (6)
其中，Tk为路径k的吞吐量，BWk为路径k的可用带宽，路径k的吞吐量等于最大的吞吐量，并且其吞吐量大于其可用带宽；此时，集合S0＝{k|Tk＝Tmax且Tk＞BWk}为初始路径选择方案；
假设BWkm是S0中可用带宽的最大值，Xmax是最佳路径的吞吐量，路径i不属于初始路径选择方案，Xi表示路径i的吞吐量，则有如下表达式：
Figure BDA0001857433410000042
Xmax＝Tmax＝Tk (8)
Figure BDA0001857433410000043
如公式(10)所示，当
Figure BDA0001857433410000044
且j≠0，Δm,j表示Tmax与其他路径的吞吐量之间的差值；当j＝0，Δm,j表示Tmax和各个最佳路径的最大带宽之间的差值；
Δm,j＝Xmax-Xj (10)
令δm,j表示Xmax和Xj之间的相似性，则有：
Δmax＝maxΔm,j,Δmin＝minΔm,j (11)
Figure BDA0001857433410000045
δm,j越大，Xmax与Xj越接近；其中，ζ∈[0,1]是一个区分系数，当Δmax变得太大时，ζ能够削弱Δmax的影响；这里，令ζ＝0.5；
δthr是决定一个路径是否被选择的阈值；当δm,i≥δthr时，该路径被选择；当X0较大时，需要较少的路径来聚合带宽；当X0较小时，则需要较多的路径来聚合带宽；因此，令
δthr＝δm,0 (13)
当X0较大时，δthr也会较大，此时只会选择较少的路径；相反，当X0较大时，则有更多的路径会被选择；
综上所述，总体的路径选择方案为：
S＝S0∪S1 (14)
S1＝{i|δm,i≥δthr} (15)
进一步地，所述步骤三中，一旦估计到所需缓冲区大小，基于路径选择和缓冲区预测的路径管理算法就可以预测缓冲区阻塞现象；如果预测到缓冲区阻塞现象，它会发现根据上节提出的路径选择算法发现性能较差的子流，并停止通过这些子流进行传输；由于车载异构网络的拓扑结构实时变化，因此有可能错误地停止掉一些可用的路径；若可用的接收缓冲区足够大，则重新使用所有停止掉的子流发送数据；即当目的地的可用缓冲区大小超过所需的缓冲区大小的2.5倍时，我们定义可用的缓冲区大小足够大。
本发明到达的有益效果为：本发明通过提前预测所需缓冲区大小，有效解决多路径传输控制协议传输中，接收缓冲区阻塞的问题；本发明通过改进多路径传输控制协议传输中路径选择，提高了车载异构网络系统的吞吐量及网络利用率。
附图说明
图1是系统算法的流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
一种车载异构网络的多径传输调度优化方法，包括如下步骤：
步骤1：估计无序数据包的数量和所需缓冲区大小。
在子流j的往返时间(RTT)期间，子流i中估计的无序数据包数量为：
Figure BDA0001857433410000061
此时，j＞i；为了快速地估计，假设往返时间(RTT)期间已经传输的数据包数量为一个传输单元，在这种假设下，Li,j表示RTTj期间在子流i中与无序数据包相关联的预期的传输单元数量。
为了避免过多的传输约束，当RTTj期间的无序包数量小于RTTi期间已传输的数据包数量时，令Li,j＝0。
因为所提算法在每个数据包传输时都估计无序包的传输数量，因此RTT期间，未传输的数据包数量等于子流的拥塞窗口(cwnd)，在Li,j的基础上，多路径传输控制协议同时使用所有可用路径传输时所需的缓冲区大小为：
Figure BDA0001857433410000062
R(N)＝{i∈Z|1≤i≤N} (3)
其中，PAi是子流i中的未传输的数据包，MSSi是子流i上的最大报文段，N是子流的数量，子流i表示的是正在使用的子流，Li,N表示RTTN期间在子流i中与无序数据包相关联的预期的传输单元数量。
根据拥塞控制算法，在每个子流的RTT期间cwnd是可以改变的，但是，因为很难预测cwnd的变化，假设所有子流的cwnd在子流的RTT期间是固定的。
步骤2：若预测所需缓冲区大于可用缓冲区，则启用Q学习，通过吞吐量预测和可用带宽的路径选择算法发现性能较差的子流，并停止通过这些子流进行传输。
具体的，基于RTT和丢包率的传统吞吐量模型为：
Figure BDA0001857433410000071
其中，RTT为路径的往返时间，p是丢包率，b是由接收到的ACK确认的分组数量，这里令b＝1，该公式可以预测标准传输控制协议协议下各个路径的吞吐量。
设I＝{1，2，......，n}代表所有的可用路径，这些路径的参数分别为pathi＝{RTTi,Pi,BWi}。
其中，RTTi为可用路径i的来回往返时间，Pi为可用路径i的丢包率，BWi为可用路径的i的可用带宽，Ti为路径i的吞吐量；最大的吞吐量为：
Figure BDA0001857433410000072
在最佳路径的可用带宽有限的情况下，则有：
Tk＝Tmax且Tk＞BWk (6)
其中，Tk为路径k的吞吐量，BWk为路径k的可用带宽，路径k的吞吐量等于最大的吞吐量，并且其吞吐量大于其可用带宽；此时，集合S0＝{k|Tk＝Tmax且Tk＞BWk}为初始路径选择方案。
假设BWkm是S0中可用带宽的最大值，Xmax是最佳路径的吞吐量，路径i不属于初始路径选择方案，Xi表示路径i的吞吐量，则有如下表达式：
Figure BDA0001857433410000081
Xmax＝Tmax＝Tk (8)
Figure BDA0001857433410000082
如公式(10)所示，当
Figure BDA0001857433410000083
且j≠0，Δm,j表示Tmax与其他路径的吞吐量之间的差值；当j＝0，Δm,j表示Tmax和各个最佳路径的最大带宽之间的差值。
Δm,j＝Xmax-Xj (10)
令δm,j表示Xmax和Xj之间的相似性，则有：
Δmax＝maxΔm,j,Δmin＝minΔm,j (11)
Figure BDA0001857433410000084
δm,j越大，Xmax与Xj越接近。其中，ζ∈[0,1]是一个区分系数，当Δmax变得太大时，ζ能够削弱Δmax的影响。这里，令ζ＝0.5。
δthr是决定一个路径是否被选择的阈值。当δm,i≥δthr时，该路径被选择；当X0较大时，需要较少的路径来聚合带宽；当X0较小时，则需要较多的路径来聚合带宽。因此，令
δthr＝δm,0 (13)
当X0较大时，δthr也会较大，此时只会选择较少的路径；相反，当X0较大时，则有更多的路径会被选择；
综上所述，总体的路径选择方案为：
S＝S0∪S1 (14)
S1＝{i|δm,i≥δthr} (15)
步骤3：一旦拓扑结构变化，使得可用的接收缓冲区超过所需缓冲区大小的2.5倍时，则重新使用所有停止掉的子流发送数据。
所述步骤三中，一旦估计到所需缓冲区大小，基于路径选择和缓冲区预测的路径管理算法就可以预测缓冲区阻塞现象。如果预测到缓冲区阻塞现象，它会发现根据上节提出的路径选择算法发现性能较差的子流，并停止通过这些子流进行传输。由于车载异构网络的拓扑结构实时变化，因此有可能错误地停止掉一些可用的路径。若可用的接收缓冲区足够大，则重新使用所有停止掉的子流发送数据。即当目的地的可用缓冲区大小超过所需的缓冲区大小的2.5倍时，我们定义可用的缓冲区大小足够大。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (2)

1.一种车载异构网络的多径传输调度优化方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：估计无序数据包的数量和所需缓冲区大小；
所述步骤1中，在子流j的往返时间(RTT)期间，子流i中估计的无序数据包数量为：
Figure FDA0002799012550000011
此时，j＞i；为了快速地估计，假设往返时间(RTT)期间已经传输的数据包数量为一个传输单元，在这种假设下，Li,j表示RTTj期间在子流i中与无序数据包相关联的预期的传输单元数量；
为了避免过多的传输约束，当RTTj期间的无序包数量小于RTTi期间已传输的数据包数量时，令Li,j＝0；
因为所提算法在每个数据包传输时都估计无序包的传输数量，因此RTT期间，未传输的数据包数量等于子流的拥塞窗口(cwnd)，在Li,j的基础上，多路径传输控制协议同时使用所有可用路径传输时所需的缓冲区大小为：
Figure FDA0002799012550000012
R(N)＝{i∈Z|1≤i≤N} (3)
其中，PAi是子流i中的未传输的数据包，MSSi是子流i上的最大报文段，N是子流的数量，子流i表示的是正在使用的子流，Li,N表示RTTN期间在子流i中与无序数据包相关联的预期的传输单元数量；
假设所有子流的cwnd在子流的RTT期间是固定的；
步骤2：若预测所需缓冲区大于可用缓冲区，则启用Q学习，通过吞吐量预测和可用带宽的路径选择算法发现性能较差的子流，并停止通过这些子流进行传输；
所述步骤2中，具体的，基于RTT和丢包率的传统吞吐量模型为：
Figure FDA0002799012550000021
其中，RTT为路径的往返时间，p是丢包率，b是由接收到的ACK确认的分组数量，这里令b＝1，该公式可以预测标准传输控制协议协议下各个路径的吞吐量；
设I＝{1，2，......，n}代表所有的可用路径，这些路径的参数分别为pathi＝{RTTi,Pi,BWi}；
其中，RTTi为可用路径i的来回往返时间，Pi为可用路径i的丢包率，BWi为可用路径的i的可用带宽，Ti为路径i的吞吐量；最大的吞吐量为：
Figure FDA0002799012550000022
在最佳路径的可用带宽有限的情况下，则有：
Tk＝Tmax且Tk＞BWk (6)
其中，Tk为路径k的吞吐量，BWk为路径k的可用带宽，路径k的吞吐量等于最大的吞吐量，并且其吞吐量大于其可用带宽；此时，集合S0＝{k|Tk＝Tmax且Tk＞BWk}为初始路径选择方案；
假设BWkm是S0中可用带宽的最大值，Xmax是最佳路径的吞吐量，路径i不属于初始路径选择方案，Xi表示路径i的吞吐量，则有如下表达式：
Figure FDA0002799012550000031
Xmax＝Tmax＝Tk (8)
Figure FDA0002799012550000032
如公式(10)所示，当
Figure FDA0002799012550000033
且j≠0，Δm,j表示Tmax与其他路径的吞吐量之间的差值；当j＝0，Δm,j表示Tmax和各个最佳路径的最大带宽之间的差值；
Δm,j＝Xmax-Xj (10)
令δm,j表示Xmax和Xj之间的相似性，则有：
Δmax＝maxΔm,j,Δmin＝minΔm,j (11)
Figure FDA0002799012550000034
δm,j越大，Xmax与Xj越接近；其中，ζ∈[0,1]是一个区分系数，当Δmax变得太大时，ζ能够削弱Δmax的影响；这里，令ζ＝0.5；
δthr是决定一个路径是否被选择的阈值；当δm,i≥δthr时，该路径被选择；当X0较大时，需要较少的路径来聚合带宽；当X0较小时，则需要较多的路径来聚合带宽；因此，令
δthr＝δm,0 (13)
当X0较大时，δthr也会较大，此时只会选择较少的路径；相反，当X0较大时，则有更多的路径会被选择；
综上所述，总体的路径选择方案为：
S＝S0∪S1 (14)
S1＝{i|δm,i≥δthr} (15)
步骤3：一旦拓扑结构变化，使得可用的接收缓冲区超过所需缓冲区大小的2.5倍时，则重新使用所有停止掉的子流发送数据。
2.根据权利要求1所述的一种车载异构网络的多径传输调度优化方法，其特征在于：所述步骤3中，一旦估计到所需缓冲区大小，基于路径选择和缓冲区预测的路径管理算法就可以预测缓冲区阻塞现象；如果预测到缓冲区阻塞现象，它会发现根据上节提出的路径选择算法发现性能较差的子流，并停止通过这些子流进行传输；由于车载异构网络的拓扑结构实时变化，当目的地的可用缓冲区大小超过所需的缓冲区大小的2.5倍时，定义可用的缓冲区大小足够大。
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Application publication date: 20190215

Assignee: NANJING NANYOU INSTITUTE OF INFORMATION TECHNOVATION Co.,Ltd.

Assignor: NANJING University OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS

Contract record no.: X2021980014141

Denomination of invention: A multipath transmission scheduling optimization method for vehicle heterogeneous network

Granted publication date: 20210108

License type: Common License

Record date: 20211206

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Assignee: NANJING NANYOU INSTITUTE OF INFORMATION TECHNOVATION Co.,Ltd.

Assignor: NANJING University OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS

Contract record no.: X2021980014141

Date of cancellation: 20231107