CN113329413B - 用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法及系统 - Google Patents

用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法及系统 Download PDF

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CN113329413B CN202110407008.XA CN202110407008A CN113329413B CN 113329413 B CN113329413 B CN 113329413B CN 202110407008 A CN202110407008 A CN 202110407008A CN 113329413 B CN113329413 B CN 113329413B
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Abstract

本发明提供一种用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法及系统，该方法包括：基于目标高铁线路的移动设备与基站切换历史数据，构建包括基站切换概率表和带宽衰减速率曲线的高铁网络预测模型；根据移动用户设备的第一位置信息，获取移动用户设备的第二位置信息，并根据基站切换概率表和第二位置信息，获取移动用户设备在下一时刻的基站切换概率；根据预设基站切换阈值，若判断基站切换概率大于等于预设基站切换阈值，则根据带宽衰减速率曲线，获取第一链路中待调度到第二链路的数据包，以根据数据包对移动用户设备与基站之间的传输数据进行预调度。本发明避免了传统MPTCP调度算法的滞后性，提高了传输吞吐量，提升用户体验感。

Description

用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法及系统
技术领域
本发明涉及网络通讯技术领域，尤其涉及一种用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法及系统。
背景技术
随着网络用户数量和应用的快速增长，对高带宽健壮网络的需求巨大。同时，高铁的快速发展极大地改变了人们中长距离的通勤方式。因此，在高速移动场景下，人们对网络服务质量的需求也不断增加。
由于频繁发生基站切换，使得用户在高铁的网络使用体验不尽如人意。在300Km/h的速度下，几乎10秒不到，移动设备就会经历一次基站切换。在这种高速移动场景下，频繁切换蜂窝网络基站将导致网络传输时延急剧增加和连续丢包，严重时甚至导致吞吐量下降到0Mbps。为了解决这种现象导致的问题，使用多路径传输控制协议(MultiPathTCP，简称MPTCP)是一种有效的解决方案。有线和无线网络技术的发展使许多设备同时配备了多个网络接口(以太网，Wi-Fi，3G/4G/5G等)。为了更有效地利用网络资源，为用户带来更大的灵活性，互联网工程任务组已制定了端到端多路径传输(MPTCP)标准。
然而，现有MPTCP依靠应答包确认字符(Acknowledge character，简称ACK)的反馈来调度子流之间的数据，这意味着，当网络状况频繁快速波动时(如高铁中频繁的基站切换)，基于反馈的MPTCP其响应存在较大的滞后性，从而导致数据包在子流之间分配不适当，进而产生大量数据包乱序的现象。MPTCP的接收方需要收集所有子流的数据，然后将它们按顺序提交给上层应用程序。当乱序情况比较严重时，接收方需要等待编号较小的数据包到达，才能将编号较大的数据包提交，这就导致数据向上层应用提交的时延较高，进而降低传输吞吐量，影响用户体验。除此之外，MPTCP拥有多条子流，也就意味着发生子流切换的频率远高于传输控制协议(Transmission Control Protocol，简称TCP)。因此，现在亟需一种用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法及系统来解决上述问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法及系统。
本发明提供一种用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法，包括：
基于目标高铁线路的移动设备与基站切换历史数据，构建高铁网络预测模型，所述高铁网络预测模型包括基站切换概率表和带宽衰减速率曲线；
根据移动用户设备的第一位置信息，获取所述移动用户设备的第二位置信息，并根据基站切换概率表和所述第二位置信息，获取所述移动用户设备在下一时刻的基站切换概率，所述第一位置信息为当前时刻移动用户设备的地理位置信息，所述第二位置信息为下一时刻移动用户设备的地理位置信息；
根据预设基站切换阈值，对所述基站切换概率进行判断，若所述基站切换概率大于等于所述预设基站切换阈值，则根据所述带宽衰减速率曲线，获取第一链路中待调度到第二链路的数据包，以根据所述数据包对所述移动用户设备与基站之间的传输数据进行预调度；其中，所述第一链路为所述移动用户设备直接连接第一基站的链路，所述第二链路为所述移动用户设备通过高铁中WiFi设备连接第二基站的链路。
根据本发明提供的一种用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法，所述基于目标高铁线路的移动设备与基站切换历史数据，构建高铁网络预测模型，包括：
获取移动设备与基站之间发生切换时的历史位置信息和对应的历史切换时间信息；
基于最大似然估计方法，根据所述历史位置信息和所述历史时间信息，获取基站切换概率表；
获取所述移动设备与基站发生切换时的历史带宽值和对应的历史衰减时间信息；
根据最小二乘法，对所述历史带宽值和所述历史衰减时间信息进行数据拟合，获取带宽衰减速率曲线；
根据所述基站切换概率表和所述带宽衰减速率曲线，得到高铁网络预测模型。
根据本发明提供的一种用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法，所述根据移动用户设备的第一位置信息，获取所述移动用户设备的第二位置信息，并根据基站切换概率表和所述第二位置信息，获取所述移动用户设备在下一时刻的基站切换概率，包括：
获取移动用户设备的第一位置信息、高铁行驶实时速度和高铁行驶实时加速度；
根据所述移动用户设备的第一位置信息、所述高铁行驶实时速度和所述高铁行驶实时加速度，获取所述移动用户设备的第二位置信息；
根据所述基站切换概率表和所述第二位置信息，获取所述移动用户设备在下一时刻的基站切换概率。
根据本发明提供的一种用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法，所述根据所述带宽衰减速率曲线，获取第一链路中待调度到第二链路的数据包，以根据所述数据包对所述移动用户设备与基站之间的传输数据进行预调度，包括：
获取第一链路的带宽值，并根据所述带宽值和所述带宽衰减速率曲线和，得到多个待调度的数据包；
将所述多个待调度的数据包按照时序，依次从所述第一链路的发送缓存调度至所述第二链路的发送缓存前端，以根据所述多个待调度的数据包对所述移动用户设备与基站之间的传输数据进行预调度。
根据本发明提供的一种用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法，所述高铁网络预测模型具体包括：
Figure BDA0003022737120000041
Figure BDA0003022737120000042
P(t)＝p1tn+p2tn-1+p3tn-2+…+pnt+pn+1；
其中，
Figure BDA0003022737120000043
表示均值，n为正整数，t表示第t个时刻，Xt表示第t个时刻移动用户设备的地理位置信息，
Figure BDA0003022737120000044
表示方差，P(t)表示带宽衰减比例值，p1、p2、p3…pn、pn+1表示多项式的波动系数。
根据本发明提供的一种用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法，所述多个待调度数据包的数量，通过以下公式得到：
Figure BDA0003022737120000045
其中，Δb表示待调度数据包的数量，Δt表示两个不同时刻之间的时间间隔，X(t)表示第t个时刻移动用户设备的地理位置信息，Att(X(t),t)表示第t个时刻移动用户设备所在地理位置信息处发生基站切换时的带宽衰减比例值，t+Δt表示第t+Δt个时刻，X′(t+Δt)表示第t+Δt个时刻的移动用户设备的地理位置信息，Att(X′(t+Δt),t+Δt)表示第t+Δt时刻移动用户设备所在地理位置信息处发生基站切换时的带宽衰减比例值，BW0表示第一链路的带宽。
根据本发明提供的一种用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法，所述方法还包括：
根据所述带宽衰减速率曲线，对所述移动用户设备与基站切换时产生拥塞的链路上所传输的子流的拥塞窗口进行调整；
当处于切换衰减极值点之前，对所述拥塞窗口进行调整的公式为：
Figure BDA0003022737120000051
当处于切换衰减极值点之后，对所述拥塞窗口进行调整的公式为：
Figure BDA0003022737120000052
其中，CWND′表示调整之后的拥塞窗口，CWND表示调整之前的拥塞窗口，Δt表示两个不同时刻之间的时间间隔，X(t)表示第t个时刻移动用户设备的地理位置信息，Att(X(t),t)表示第t个时刻移动用户设备所在地理位置信息处发生基站切换时的带宽衰减比例值，t+Δt表示第t+Δt个时刻，X′(t+Δt)表示第t+Δt个时刻的移动用户设备的地理位置信息，Att(X′(t+Δt),t+Δt)表示第t+Δt时刻移动用户设备所在地理位置信息处发生基站切换时的带宽衰减比例值。
本发明还提供一种用于高铁场景的多路径传输数据预调度系统，包括：
网络预测模型构建模块，用于基于目标高铁线路的移动设备与基站切换历史数据，构建高铁网络预测模型，所述高铁网络预测模型包括基站切换概率表和带宽衰减速率曲线；
基站切换概率获取模块，用于根据移动用户设备的第一位置信息，获取所述移动用户设备的第二位置信息，并根据基站切换概率表和所述第二位置信息，获取所述移动用户设备在下一时刻的基站切换概率，所述第一位置信息为当前时刻移动用户设备的地理位置信息，所述第二位置信息为下一时刻移动用户设备的地理位置信息；
预调度判断模块，用于根据预设基站切换阈值，对所述基站切换概率进行判断，若所述基站切换概率大于等于所述预设基站切换阈值，则根据所述带宽衰减速率曲线，获取第一链路中待调度到第二链路的数据包，以根据所述数据包对所述移动用户设备与基站之间的传输数据进行预调度；其中，所述第一链路为所述移动用户设备直接连接第一基站的链路，所述第二链路为所述移动用户设备通过高铁中WiFi设备连接第二基站的链路。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法的步骤。
本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法的步骤。
本发明提供的用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法及系统，根据移动设备与基站切换的历史数据构建高铁网络预测模型，通过高铁网络预测模型中的基站切换概率表得到移动用户设备下一时刻的基站切换概率，判断基站切换概率与预设基站切换阈值的大小，并基于高铁网络预测模型中的带宽衰减速率曲线，以实现移动用户设备与基站之间的数据包预调度，避免了传统MPTCP调度算法的滞后性，提高了传输吞吐量，提升用户体验感。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法的流程图；
图2为本发明提供的高铁内移动用户设备同时接入双蜂窝基站机制的示意图；
图3为本发明提供的数据包预调度原理的示意图；
图4为本发明提供的用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法在不同延迟下数据包乱序情况的示意图；
图5为本发明提供的用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法在不同延迟下的有效数据吞吐量的示意图；
图6为本发明提供的用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法在频繁切换基站时的多种算法吞吐量的变化对比的示意图；
图7为本发明提供的用于高铁场景的多路径传输数据预调度系统的结构示意图；
图8为本发明提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明提供的用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法的流程图，如图1所示，本发明提供了一种用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法，包括：
步骤101，基于目标高铁线路的移动设备与基站切换历史数据，构建高铁网络预测模型，所述高铁网络预测模型包括基站切换概率表和带宽衰减速率曲线。
在本发明中，由于高铁每日的运行轨迹是固定的，因此，在高铁列车形式过程中，接入蜂窝网络的移动设备发生蜂窝网络基站切换的时间是可预测的。根据目标高铁线路的移动设备与蜂窝网络基站切换的历史数据信息生成的数据得到预测信息，构建生成高铁网络预测模型。高铁网络预测模型包含两部分，分别为基站切换概率表和带宽衰减速率曲线。
可选地，移动设备包括但不限于移动电话、智能手机和平板电脑。
可选地，移动设备与基站切换的历史数据包括但不限于移动设备发生基站切换时的地理位置信息、时间信息(即发生切换时的时间段)、切换概率以及带宽衰减比例。
步骤102，根据移动用户设备的第一位置信息，获取所述移动用户设备的第二位置信息，并根据基站切换概率表和所述第二位置信息，获取所述移动用户设备在下一时刻的基站切换概率，所述第一位置信息为当前时刻的移动用户设备的地理位置信息，所述第二位置信息为下一时刻的移动用户设备的地理位置信息。
在本发明中，根据移动用户设备在当前时刻的地理位置信息、时间信息、高铁行驶速度和高铁行驶加速度，计算得到下一时刻移动用户设备的地理位置信息，并通过查询基站切换概率表，得到移动用户设备在下一时刻基站切换概率。
步骤103，根据预设基站切换阈值，对所述基站切换概率进行判断，若所述基站切换概率大于等于所述预设基站切换阈值，则根据所述带宽衰减速率曲线，获取第一链路中待调度到第二链路的数据包，以根据所述数据包对所述移动用户设备与基站之间的传输数据进行预调度；其中，所述第一链路为所述移动用户设备直接连接第一基站的链路，所述第二链路为所述移动用户设备通过高铁中WiFi设备连接第二基站的链路。
MPTCP的基本设计思路是把发送的目标流切分为多个子流，每个子流建立一个单独的端到端传输，然后在远端把接收到的子流传输的数据重新整合。这种机制对于上层应用程序来说是透明的，也就是说移动用户设备不需要控制MPTCP的传输，只需要和原来一样使用传输层提供的API即可。MPTCP相比于TCP的优点是，能够更好地聚合可用的网络资源，同时具有更好的鲁棒性，能够相对稳定地传输数据，且应对偶尔的网络波动具有良好容忍性。常规的MPTCP依靠应答包ACK的反馈来调度子流之间的数据。
通常，处于高速铁路列车中的移动用户设备，在发生基站切换的时候，网络几乎是一种不可用的状态，为了让用户使用更加稳定、顺畅的网络，本发明提供了一种高铁内移动用户设备同时接入双蜂窝基站机制。图2为本发明提供的高铁内移动用户设备同时接入双蜂窝基站机制的示意图，如图2所示，在本发明中，处于高铁列车中的移动用户设备，维护两个网络连接，其中第一链路从移动用户设备直接连到第一蜂窝基站；第二链路连接到车内Wi-Fi，列车再将Wi-Fi接收的数据发送到第二蜂窝基站，从而避免用户只连接蜂窝基站时的性能损失。国内的高铁列车通常长200米，尽管两个连接最终都连接到蜂窝网络，但是用户设备天线和列车天线，与基站的相对位置并不相同，也就意味着两个连接并不会同时发生基站切换，这样就能保证始终有一条链路是可用的。当移动用户设备接入了双蜂窝基站，同时拥有基站切换概率表PHoMap[X,t]和带宽衰减速率曲线Att(X,t)，就可以进行数据预调度。
在本发明中，将预设基站切换阈值与基站切换概率进行比较，如果基站切换概率大于等于预设基站切换阈值，则启动数据包预调度。根据带宽衰减速率曲线和当前链路的带宽值，获取移动用户设备中即将从第一链路待调度到第二链路的数据包，通过提前进行数据包的预调度，从而避免传统MPTCP调度算法的滞后性问题。
本发明提供的用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法，根据移动设备与基站切换的历史数据构建高铁网络预测模型，通过高铁网络预测模型中的基站切换概率表得到移动用户设备下一时刻的基站切换概率，判断基站切换概率与预设基站切换阈值的大小，并基于高铁网络预测模型中的带宽衰减速率曲线，以实现移动用户设备与基站之间的数据包预调度，避免了传统MPTCP调度算法的滞后性，提高了传输吞吐量，提升用户体验感。
在上述实施例的基础上，所述基于目标高铁线路的移动设备与基站切换历史数据，构建高铁网络预测模型，包括：
获取移动设备与基站之间发生切换时的历史位置信息和对应的历史切换时间信息；
基于最大似然估计方法，根据所述历史位置信息和所述历史时间信息，获取基站切换概率表；
获取所述移动设备与基站发生切换时的历史带宽值和对应的历史衰减时间信息；
根据最小二乘法，对所述历史带宽值和所述历史衰减时间信息进行数据拟合，获取带宽衰减速率曲线；
根据所述基站切换概率表和所述带宽衰减速率曲线，得到高铁网络预测模型。
在本发明中，基站切换概率表PHoMap[X,t]的含义为：处于高铁列车中的蜂窝网络接入移动设备，在第t个时刻，处于地点X时，发生蜂窝基站切换的概率。当高铁中的移动设备检测到发生基站切换时，将此时的(X,t)记录到数据库，根据移动设备与基站之间发生切换时的历史位置信息和对应的历史切换时间信息，使用最大似然估计方法，得到高斯分布的均值
Figure BDA0003022737120000111
和方差
Figure BDA0003022737120000112
形成正态分布，即基站切换概率表PHoMap[X,t]。当随机变量(X,t)服从该正态分布，通过查询正态分布表(即基站切换概率表)就可以计算出在第t个时刻，处于地点X时，发生蜂窝基站切换概率值。
进一步地，带宽衰减速率曲线Att(X,t)的含义为：当蜂窝网络接入设备在地点X发生切换后，其带宽衰减比例随着时间变化的曲线。根据采集到的移动设备与基站发生切换时的历史带宽值和对应的历史衰减时间信息数据，采用最小二乘法对历史带宽值和所述历史衰减时间信息数据进行曲线拟合，通过最小化误差的平方和找到采集数据的最佳函数匹配，即可得到带宽衰减速率曲线Att(X,t)。
可选地，高铁网络预测模型除了提供移动用户设备的历史基站切换概率以及历史带宽衰减比例，还会实时采集移动用户设备的地理位置、时间信息、是否发生基站切换和带宽衰减状态信息，并将采集到的信息反馈给高铁网络预测模型，不断进行迭代更新。
本发明提供的高铁网络预测模型，将时间信息、地理位置信息与切换状态联系起来，通过高铁网络预测模型中的基站切换概率表和带宽衰减速率曲线，能够得到移动用户设备在高铁行驶到不同位置时发生基站切换的概率以及带宽衰减比例的预测信息。
在上述实施例的基础上，所述根据移动用户设备的第一位置信息，获取所述移动用户设备的第二位置信息，并根据基站切换概率表和所述第二位置信息，获取所述移动用户设备在下一时刻的基站切换概率，包括：
获取移动用户设备的第一位置信息、高铁行驶实时速度和高铁行驶实时加速度；
根据所述移动用户设备的第一位置信息、所述高铁行驶实时速度和所述高铁行驶实时加速度，获取所述移动用户设备的第二位置信息；
根据所述基站切换概率表和所述第二位置信息，获取所述移动用户设备在下一时刻的基站切换概率。
在本发明中，第一位置信息为当前时刻的移动用户设备的地理位置信息，第二位置信息为下一时刻的移动用户设备的地理位置信息。处于高铁列车中的移动用户设备使用常规的MPTCP接入双蜂窝基站，然后实时获取移动用户设备的第一位置信息X、当前时刻t、当前时刻高铁行驶速度v(t)和当前时刻高铁行驶加速度a(t)，从而计算得到在t+Δt时刻，移动用户设备所处的第二位置信息X′(t+Δt)，计算表达式为：
Figure BDA0003022737120000121
假设移动用户设备直接连到蜂窝基站的链路为link0，根据上述求得的X′(t+Δt)，通过查询基站切换概率表PHoMap[X,t]，得到移动用户设备在时刻t和时刻t+Δt之间的基站切换概率，计算表达公式为：
Figure BDA0003022737120000122
通过采集当前移动用户设备的信息数据，量化移动用户设备位置与基站切换关系，并根据基站切换概率表得到移动用户设备在下一时刻预测的基站切换概率，便于提高高铁网络预测模型的预测能力。
在上述实施例的基础上，所述根据所述带宽衰减速率曲线，获取第一链路中待调度到第二链路的数据包，以根据所述数据包对所述移动用户设备与基站之间的传输数据进行预调度，包括：
获取第一链路的带宽值，并根据所述带宽值和所述带宽衰减速率曲线和，得到多个待调度的数据包；
将所述多个待调度的数据包按照时序，依次从所述第一链路的发送缓存调度至所述第二链路的发送缓存前端，以根据所述多个待调度的数据包对所述移动用户设备与基站之间的传输数据进行预调度。
在本发明中，一旦预测到链路即将发生切换，为了避免传统MPTCP调度算法滞后性问题，应提前对移动用户设备与基站之间的传输数据进行数据包预调度，即把即将发生基站切换的第一链路的发送缓存中的若干个数据包按照时序依次发送至第二链路的发送缓存中的前端，这样即可使得数据包有序到达接收方。
在一实施例中，当随机变量(X,t)服从正态分布
Figure BDA0003022737120000131
通过查询正态分布表(即基站切换概率表)就可以计算出当前时刻，处于地点X时，发生蜂窝基站切换概率值。正态分布中的
Figure BDA0003022737120000132
和
Figure BDA0003022737120000133
的表达公式为：
Figure BDA0003022737120000134
Figure BDA0003022737120000135
其中，
Figure BDA0003022737120000136
表示均值，n为正整数；t表示第t个时刻，Xt表示当前时刻移动用户设备的地理位置信息，
Figure BDA0003022737120000137
表示方差。
在本实施例中，是通过根据当前时刻，从基站切换概率表中获取到对应的概率值，因此，当前时刻的基站切换概率值即为基站切换概率表中第t个时刻所对应的概率值。根据移动设备与基站之间发生切换时的历史位置信息和对应的历史切换时间信息，使用最大似然估计方法，得到高斯分布的均值
Figure BDA0003022737120000138
和方差
Figure BDA0003022737120000139
形成正态分布，即基站切换概率表PHoMap[X,t]。移动用户设备使用此基站切换概率表进行基站切换预测的同时，采集的移动用户设备当前时刻信息、当前地理位置信息等数据也会同时加入到数据库中，只需重新计算方差和均值，就能更新基站切换概率表。
进一步地，带宽衰减速率曲线是当接入蜂窝基站的移动设备在地点X发生切换后，其带宽衰减比例随着时间变化得到的，具体的生成方法为采用下述多项式：
P(t)＝p1tn+p2tn-1+p3tn-2+…+pnt+pn+1；
其中，P(t)表示带宽衰减比例值，p1、p2、p3…pn、pn+1表示多项式的波动系数。
具体地，根据采集到的移动设备与基站发生切换时的历史带宽值和对应的历史衰减时间信息数据，采用最小二乘法对历史带宽值和所述历史衰减时间信息数据进行曲线拟合，求解出波动系数p1、p2、p3…pn、pn+1，代入原多项式表达式，即得到带宽衰减速率曲线Att(X,t)。根据带宽衰减速率曲线Att(X,t)，即可得到任意时刻的带宽衰减比例值。
根据上述基站切换概率表和带宽衰减速率曲线相关的表达式，即可构建得到高铁网络预测模型。
图3为本发明提供的数据包预调度原理的示意图，如图3所示，缓存0表示第一链路的发送缓存，缓存1表示第二链路的发送缓存。处于高铁列车中的移动用户设备使用普通的MPTCP接入双蜂窝基站，当移动用户设备接入了双蜂窝基站，可以根据基站切换概率表PHoMap[X,t]和带宽衰减速率曲线Att(X,t)进行数据包预调度。在判断获知第一链路发生基站切换的概率大于等于预设切换阈值时，就会启动数据包预调度，将即将发生基站切换的第一链路的发送缓存中的Δb个待调度的数据包，按照时序依次发送至第二链路的发送缓存中的前端，使得数据包到达接收方时有序。
可选地，当第一链路的发送缓存中的Δb个待调度的数据包已经按照时序发送至第二链路的发送缓存中的前端以后，此时第一链路切换为常规MPTCP数据调度算法进行数据传输。
进一步地，Δb个待调度数据包的数量，可以通过以下公式得到：
Figure BDA0003022737120000141
其中，Δb表示待调度数据包的数量，Δt表示两个不同时刻之间的时间间隔，X(t)表示第t个时刻移动用户设备的地理位置信息，Att(X(t),t)表示第t个时刻移动用户设备所在地理位置信息处发生基站切换时的带宽衰减比例值，t+Δt表示第t+Δt个时刻，X′(t+Δt)表示第t+Δt个时刻的移动用户设备的地理位置信息，Att(X′(t+Δt),t+Δt)表示第t+Δt时刻移动用户设备所在地理位置信息处发生基站切换时的带宽衰减比例值，BW0表示第一链路的带宽。
在本实施例中，是通过根据当前时刻，从带宽衰减速率曲线中获取到对应的带宽衰减比例值，因此，当前时刻的带宽衰减比例值即为带宽衰减速率曲线中第t个时刻所对应的带宽衰减比例值，下一时刻的带宽衰减比例值即为带宽衰减速率曲线中第t+Δt个时刻所对应的带宽衰减比例值。根据当前时刻带宽衰减比例值、下一时刻的带宽衰减比例值和第一链路的带宽，通过上述计算数据包数量的公式，得到待调度数据包的数量，从而将发生基站切换的第一链路的发送缓存中的Δb个待调度的数据包，按照时序依次发送至第二链路的发送缓存中的前端，实现移动用户设备与基站之间多路径传输数据的数据包预调度。
拥塞窗口(Congestion Window，简称CWND)表示在发送端调节所要发送数据的量，其大小取决于网络变化，并且一直在变化,拥塞窗口会随着成功接收的确认信息ACK的增加而增加。
进一步地，根据带宽衰减速率曲线，还可以对移动用户设备与基站切换时产生拥塞的链路上所传输的子流的拥塞窗口进行调整。
当处于切换衰减极值点之前，对所述拥塞窗口进行调整的公式为：
Figure BDA0003022737120000151
当处于切换衰减极值点之后，对所述拥塞窗口进行调整的公式为：
Figure BDA0003022737120000161
其中，CWND′表示调整之后的拥塞窗口，CWND表示调整之前的拥塞窗口。
在本发明中，通过动态调整切换基站状态的每一条子流的拥塞窗口大小，减小多路径传输中子流间的传输时间差。当预测即将发生基站切换的情况时，本发明提出的结合预测信息进行数据预调度的MPTCP数据调度算法可以更准确地对数据包进行预调度，同时接收方以更有序的方式从不同的子流接收数据分组，使得数据包更加有序到达，数据更快地提交到上层应用程序，吞吐量也会大大提高。
在一实施例中，使用多台物理机器搭建实验平台，采用本发明提出的用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法进行实验验证，进行实验验证机器的主要属性为：CPU5800x、操作系统Ubuntu16.04、linux4.4.110内核版本、MPTCP0.92版本。拓扑结构采用如图2所示的结构，两条路线间隔5秒交替进行蜂窝基站切换的仿真。实验采用经典调度算法lowestRTT、RoundRobin，以及新兴的STMS算法作为对比对象。
图4为本发明提供的用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法在不同延迟下数据包乱序情况的示意图，如图4所示，失序时延的含义为数据包从到达接收方及到传递给上层应用的时延，此值越小，说明数据包按序到达的情况越好，也称为乱序时延。由图可见，随着端系统之间的往返时延(Round-Trip Time，简称RTT)越大，传统算法的乱序时延会越来越大，即数据包向上层应用提交的时延越来越大，但本发明提出的一种基于滞后优化多路径数据传输协议(Hysteresis Optimized Multipath Transmission Control Protocol，简称HoMPTCP)的预调度算法，此时时延依然能保持在一个较低的水平。在RTT为200ms时，本发明提出的预调度算法HoMPTCP的乱序时延甚至可以达到其他算法的1/4。
图5为本发明提供的用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法在不同延迟下的有效数据吞吐量的示意图，如图5所示，实际吞吐量的含义为向上层应用提交的速率，此值越大，说明数据包被应用层接收的速率越高。由图可见，随着RTT的增大，HoMPTCP算法相比于其他算法，能稳定在一个较高的状态，相比于经典调度算法lowestRTT、RoundRobin，以及新兴的STMS算法，本发明提供的HoMPTCP算法最高可以达到20％的效果提升。
图6为本发明提供的用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法在频繁切换基站时的多种算法吞吐量的变化对比的示意图，如图6所示，吞吐量的含义为接收方接收到的数据速率。由图可知，随着基站切换的发生，吞吐量的波动状态跟随时间变化而变化，HoMPTCP相对于经典调度算法lowestRTT、RoundRobin，以及新兴的STMS算法，具有速率衰减程度小，恢复快的特点。
图7为本发明提供的用于高铁场景的多路径传输数据预调度系统的结构示意图，如图7所示，本发明提供了一种用于高铁场景的多路径传输数据预调度系统，包括网络预测模型构建模块701、基站切换概率获取模块702和预调度判断模块703，其中，网络预测模型构建模块701用于基于目标高铁线路的移动设备与基站切换历史数据，构建高铁网络预测模型，所述高铁网络预测模型包括基站切换概率表和带宽衰减速率曲线；基站切换概率获取模块702用于根据移动用户设备的第一位置信息，获取所述移动用户设备的第二位置信息，并根据基站切换概率表和所述第二位置信息，获取所述移动用户设备在下一时刻基站切换概率，所述第一位置信息为当前时刻移动用户设备的地理位置信息，所述第二位置信息为下一时刻移动用户设备的地理位置信息；预调度判断模块703用于根据预设基站切换阈值，对所述基站切换概率进行判断，若所述基站切换概率大于等于所述预设基站切换阈值，则根据所述带宽衰减速率曲线，获取第一链路中待调度到第二链路的数据包，以根据所述数据包对所述移动用户设备与基站之间的传输数据进行预调度；其中，所述第一链路为所述移动用户设备直接连接第一基站的链路，所述第二链路为所述移动用户设备通过高铁中WiFi设备连接第二基站的链路。
本发明提供的用于高铁场景的多路径传输数据预调度系统，根据移动设备与基站切换的历史数据构建高铁网络预测模型，通过高铁网络预测模型中的基站切换概率表得到移动用户设备下一时刻的基站切换概率，判断基站切换概率与预设基站切换阈值的大小，并基于高铁网络预测模型中的带宽衰减速率曲线，以实现移动用户设备与基站之间的数据包预调度，避免了传统MPTCP调度算法的滞后性，提高了传输吞吐量，提升用户体验感。
本发明提供的系统是用于执行上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。
图8为本发明提供的电子设备的结构示意图，如图8所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)801、通信接口(Communications Interface)802、存储器(memory)803和通信总线804，其中，处理器801，通信接口802，存储器803通过通信总线804完成相互间的通信。处理器801可以调用存储器803中的逻辑指令，以执行用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法，该方法包括：基于目标高铁线路的移动设备与基站切换历史数据，构建高铁网络预测模型，所述高铁网络预测模型包括基站切换概率表和带宽衰减速率曲线；根据移动用户设备的第一位置信息，获取所述移动用户设备的第二位置信息，并根据基站切换概率表和所述第二位置信息，获取所述移动用户设备在下一时刻的基站切换概率，所述第一位置信息为当前时刻移动用户设备的地理位置信息，所述第二位置信息为下一时刻移动用户设备的地理位置信息；根据预设基站切换阈值，对所述基站切换概率进行判断，若所述基站切换概率大于等于所述预设基站切换阈值，则根据所述带宽衰减速率曲线，获取第一链路中待调度到第二链路的数据包，以根据所述数据包对所述移动用户设备与基站之间的传输数据进行预调度；其中，所述第一链路为所述移动用户设备直接连接第一基站的链路，所述第二链路为所述移动用户设备通过高铁中WiFi设备连接第二基站的链路。
此外，上述的存储器803中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法，该方法包括：基于目标高铁线路的移动设备与基站切换历史数据，构建高铁网络预测模型，所述高铁网络预测模型包括基站切换概率表和带宽衰减速率曲线；根据移动用户设备的第一位置信息，获取所述移动用户设备的第二位置信息，并根据基站切换概率表和所述第二位置信息，获取所述移动用户设备在下一时刻的基站切换概率，所述第一位置信息为当前时刻移动用户设备的地理位置信息，所述第二位置信息为下一时刻移动用户设备的地理位置信息；根据预设基站切换阈值，对所述基站切换概率进行判断，若所述基站切换概率大于等于所述预设基站切换阈值，则根据所述带宽衰减速率曲线，获取第一链路中待调度到第二链路的数据包，以根据所述数据包对所述移动用户设备与基站之间的传输数据进行预调度；其中，所述第一链路为所述移动用户设备直接连接第一基站的链路，所述第二链路为所述移动用户设备通过高铁中WiFi设备连接第二基站的链路。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各提供的用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法，该方法包括：基于目标高铁线路的移动设备与基站切换历史数据，构建高铁网络预测模型，所述高铁网络预测模型包括基站切换概率表和带宽衰减速率曲线；根据移动用户设备的第一位置信息，获取所述移动用户设备的第二位置信息，并根据基站切换概率表和所述第二位置信息，获取所述移动用户设备在下一时刻的基站切换概率，所述第一位置信息为当前时刻移动用户设备的地理位置信息，所述第二位置信息为下一时刻移动用户设备的地理位置信息；根据预设基站切换阈值，对所述基站切换概率进行判断，若所述基站切换概率大于等于所述预设基站切换阈值，则根据所述带宽衰减速率曲线，获取第一链路中待调度到第二链路的数据包，以根据所述数据包对所述移动用户设备与基站之间的传输数据进行预调度；其中，所述第一链路为所述移动用户设备直接连接第一基站的链路，所述第二链路为所述移动用户设备通过高铁中WiFi设备连接第二基站的链路。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法，其特征在于，包括：
基于目标高铁线路的移动设备与基站切换历史数据，构建高铁网络预测模型，所述高铁网络预测模型包括基站切换概率表和带宽衰减速率曲线；
根据移动用户设备的第一位置信息，获取所述移动用户设备的第二位置信息，并根据基站切换概率表和所述第二位置信息，获取所述移动用户设备在下一时刻的基站切换概率，所述第一位置信息为当前时刻移动用户设备的地理位置信息，所述第二位置信息为下一时刻移动用户设备的地理位置信息；
根据预设基站切换阈值，对所述基站切换概率进行判断，若所述基站切换概率大于等于所述预设基站切换阈值，则根据所述带宽衰减速率曲线，获取第一链路中待调度到第二链路的数据包，以根据所述数据包对所述移动用户设备与基站之间的传输数据进行预调度；其中，所述第一链路为所述移动用户设备直接连接第一基站的链路，所述第二链路为所述移动用户设备通过高铁中WiFi设备连接第二基站的链路。
2.根据权利要求1所述的用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法，其特征在于，所述基于目标高铁线路的移动设备与基站切换历史数据，构建高铁网络预测模型，包括：
获取移动设备与基站之间发生切换时的历史位置信息和对应的历史切换时间信息；
基于最大似然估计方法，根据所述历史位置信息和所述历史切换时间信息，获取基站切换概率表；
获取所述移动设备与基站发生切换时的历史带宽值和对应的历史衰减时间信息；
根据最小二乘法，对所述历史带宽值和所述历史衰减时间信息进行数据拟合，获取带宽衰减速率曲线；
根据所述基站切换概率表和所述带宽衰减速率曲线，得到高铁网络预测模型。
3.根据权利要求1所述的用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法，其特征在于，所述根据移动用户设备的第一位置信息，获取所述移动用户设备的第二位置信息，并根据基站切换概率表和所述第二位置信息，获取所述移动用户设备在下一时刻的基站切换概率，包括：
获取移动用户设备的第一位置信息、高铁行驶实时速度和高铁行驶实时加速度；
根据所述移动用户设备的第一位置信息、所述高铁行驶实时速度和所述高铁行驶实时加速度，获取所述移动用户设备的第二位置信息；
根据所述基站切换概率表和所述第二位置信息，获取所述移动用户设备在下一时刻的基站切换概率。
4.根据权利要求1所述的用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法，其特征在于，所述根据所述带宽衰减速率曲线，获取第一链路中待调度到第二链路的数据包，以根据所述数据包对所述移动用户设备与基站之间的传输数据进行预调度，包括：
获取第一链路的带宽值，并根据所述带宽值和所述带宽衰减速率曲线，得到多个待调度的数据包；
将所述多个待调度的数据包按照时序，依次从所述第一链路的发送缓存调度至所述第二链路的发送缓存前端，以根据所述多个待调度的数据包对所述移动用户设备与基站之间的传输数据进行预调度。
5.根据权利要求2所述的用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法，其特征在于，所述高铁网络预测模型具体包括：
Figure FDA0003489907430000031
Figure FDA0003489907430000032
P(t)＝p1tn+p2tn-1+p3tn-2+…+pnt+pn+1；
其中，
Figure FDA0003489907430000033
表示均值，n为正整数，t表示第t个时刻，Xt表示第t个时刻移动用户设备的地理位置信息，
Figure FDA0003489907430000034
表示方差，P(t)表示带宽衰减比例值，p1、p2、p3…pn、pn+1表示多项式的波动系数。
6.根据权利要求4所述的用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法，其特征在于，所述多个待调度数据包的数量，通过以下公式得到：
Figure FDA0003489907430000035
其中，Δb表示待调度数据包的数量，Δt表示两个不同时刻之间的时间间隔，X(t)表示第t个时刻移动用户设备的地理位置信息，Att(X(t),t)表示第t个时刻移动用户设备所在地理位置信息处发生基站切换时的带宽衰减比例值，t+Δt表示第t+Δt个时刻，X′(t+Δt)表示第t+Δt个时刻的移动用户设备的地理位置信息，Att(X′(t+Δt),t+Δt)表示第t+Δt时刻移动用户设备所在地理位置信息处发生基站切换时的带宽衰减比例值，BW0表示第一链路的带宽。
7.根据权利要求1所述的用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述带宽衰减速率曲线，对所述移动用户设备与基站切换时产生拥塞的链路上所传输的子流的拥塞窗口进行调整；
当处于切换衰减极值点之前，对所述拥塞窗口进行调整的公式为：
Figure FDA0003489907430000041
当处于切换衰减极值点之后，对所述拥塞窗口进行调整的公式为：
Figure FDA0003489907430000042
其中，CWND′表示调整之后的拥塞窗口，CWND表示调整之前的拥塞窗口，Δt表示两个不同时刻之间的时间间隔，X(t)表示第t个时刻移动用户设备的地理位置信息，Att(X(t),t)表示第t个时刻移动用户设备所在地理位置信息处发生基站切换时的带宽衰减比例值，t+Δt表示第t+Δt个时刻，X′(t+Δt)表示第t+Δt个时刻的移动用户设备的地理位置信息，Att(X′(t+Δt),t+Δt)表示第t+Δt时刻移动用户设备所在地理位置信息处发生基站切换时的带宽衰减比例值。
8.一种用于高铁场景的多路径传输数据预调度系统，其特征在于，包括：
网络预测模型构建模块，用于基于目标高铁线路的移动设备与基站切换历史数据，构建高铁网络预测模型，所述高铁网络预测模型包括基站切换概率表和带宽衰减速率曲线；
基站切换概率获取模块，用于根据移动用户设备的第一位置信息，获取所述移动用户设备的第二位置信息，并根据基站切换概率表和所述第二位置信息，获取所述移动用户设备在下一时刻的基站切换概率，所述第一位置信息为当前时刻移动用户设备的地理位置信息，所述第二位置信息为下一时刻移动用户设备的地理位置信息；
预调度判断模块，用于根据预设基站切换阈值，对所述基站切换概率进行判断，若所述基站切换概率大于等于所述预设基站切换阈值，则根据所述带宽衰减速率曲线，获取第一链路中待调度到第二链路的数据包，以根据所述数据包对所述移动用户设备与基站之间的传输数据进行预调度；其中，所述第一链路为所述移动用户设备直接连接第一基站的链路，所述第二链路为所述移动用户设备通过高铁中WiFi设备连接第二基站的链路。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法的步骤。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述用于高铁场景的多路径传输数据预调度方法的步骤。
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