專利名稱：無線通信網絡中實現tcp傳輸性能優(yōu)化的跨層通信控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線通信領域，特別涉及無線通信傳輸性能和控制技術領域，具體是 指一種無線通信網絡中實現TCP傳輸性能優(yōu)化的跨層通信控制方法。
背景技術：
在無線網絡中，TCP無法識別網絡擁塞而引起傳輸錯誤造成包丟失會造成TCP性 能的嚴重降級?，F有技術中，有很多人提出了許多考慮無線網絡特性的方案修改標準的TCP 以補足現有的不足。當研究人員看到TCP或單層通信的不足，轉而考慮通過跨層通信獲取 更好的性能的可能性時，跨層通信的思想就逐漸顯現出了。其中，對于以下參考文獻B. Sardar and D. Saha, " A survey of TCP enhancements for last-hop wireless networks, " IEEECommun. Surveys Tuts. , vol. 8,pp.20-34,3rd Qtr. 2006.其中描述的直接通知方案抓住了跨層通訊的本質，TCP的性能通過因特網協議 (IP)或媒體接入層(MAC)直接指示擁塞或無線鏈接丟失而得到優(yōu)化。對于以下參考文獻V. Srivastava and M. Motani, " Cross-layer design -.a survey and the road ahead, “ IEEECommun. Mag.，vol. 43，pp.112-119，Dec.2005.其中展示了一個跨層設計的定義。這樣的跨層設計能夠使不相鄰 的層間進行直接通信。以上參考文獻和參考文獻(F. Foukalas, V. Gazis and N. Alonistioti, " Cross-layer design proposalsfor wireless mobile networks -.a survey and taxonomy," IEEE Commun. Surveys Tuts. ,vol. 10,pp. 70-85,First Quarter 2008.)中總結了在一些在協議棧中建立跨層通訊的策略。由于無線信道顯而易見的不可靠特性，許多研究更關注底層間的相互作用。在以 下參考文獻中S. Toumpis and A. J. Goldsmith," Performance,optimization, and cross-layer design of mediaaccess protocols for wireless ad hoc networks, " in Proc. IEEE ICC' 03, May 2003.其作者在Ad Hoc的媒體訪問控制層(MAC層)控制包的交換的基礎上把一個數據 包的傳輸功率降到最低，這樣就能降低能耗和引入的干擾。而還有一些參考文獻中的調制 方案適應物理信道環(huán)境，同時通過媒體訪問控制層控制數據包測得的來回時間(RTT)決定 一條最小干擾路徑。通過以上參考文獻，可以看出媒體訪問控制層在無線網絡的上下文中 扮演了重要角色。較低的層能夠對無線環(huán)境中快速變化的信道條件做出更好的反應。從端 到端的角度來看，傳輸控制協議層(TCP)是獲取好的吞吐性能的關鍵因素。在其它參考文獻中，在發(fā)送者和接收者的傳輸控制協議層(TCP)和媒體訪問控制 層之間存在一個類似竊聽裝置的東西，它能夠發(fā)送自動重復請求(ARQ)和截取MAC層產生的對傳輸控制協議的確認。然而，這種策略違反了 TCP的端到端的語義。另外還有人提出了 一個更新的方法，這種方法用一個從MAC層傳到TCP層的通知來調整TCP的發(fā)送速率。而 對這個通知的評估是基于通信量和MAC層使用的帶寬配置。但是，以上方法中的技術方案均非常復雜而繁瑣，對于無線通信網絡中的高效性 和實時性要求無法充分滿足，而且也增大了系統(tǒng)資源的消耗和計算量的顯著上升，不利于 改善整個無線通信系統(tǒng)的運行效率。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是克服了上述現有技術中的缺點，提供一種能夠顯著優(yōu)化和提升無 線通信網絡數據傳輸過程中TCP傳輸性能、充分利用無線資源、工作性能穩(wěn)定可靠、適用范 圍較為廣泛的無線通信網絡中實現TCP傳輸性能優(yōu)化的跨層通信控制方法。為了實現上述的目的，本發(fā)明的無線通信網絡中實現TCP傳輸性能優(yōu)化的跨層通 信控制方法如下該無線通信網絡中實現TCP傳輸性能優(yōu)化的跨層通信控制方法，其主要特點是， 所述的方法包括以下步驟(1)無線通信網絡的TCP層進行網絡傳輸環(huán)境的評估，并將評估結果信息加入TCP 數據包中送至無線通信網絡的媒體訪問控制層；(2)所述的媒體訪問控制層根據TCP數據包中的評估結果信息進行無線通信網絡 的發(fā)送隊列的權重計算處理；(3)所述的媒體訪問控制層根據權重計算處理結果進行網絡傳輸資源量的分配。該無線通信網絡中實現TCP傳輸性能優(yōu)化的跨層通信控制方法中的評估結果信 息為TCP層發(fā)送數據的滑動窗口尺寸。該無線通信網絡中實現TCP傳輸性能優(yōu)化的跨層通信控制方法中的進行無線通 信網絡的發(fā)送隊列的權重計算處理，包括以下步驟(11)所述的媒體訪問控制層從TCP數據包中提取出TCP層發(fā)送數據的滑動窗口尺 寸的值；(12)所述的媒體訪問控制層根據以下公式計算無線通信網絡中的每個發(fā)送隊列 的權重值W' n 其中
為無線通信網絡中的發(fā)送隊列總數，(^為TCP層中與無線通信
網絡層的第i個發(fā)送隊列相關聯的滑動窗口尺寸的值，(^為TCP層中與無線通信網絡層的 第n個發(fā)送隊列相關聯的滑動窗口尺寸的值，Wn為無線通信網絡中的第n個發(fā)送隊列的初 始權重值，a為系統(tǒng)權重調整因子。該無線通信網絡中實現TCP傳輸性能優(yōu)化的跨層通信控制方法中的根據權重計 算處理結果進行網絡傳輸資源量的分配，具體為所述的媒體訪問控制層按照無線通信網絡中每個發(fā)送隊列的權重值W' n的大小 進行網絡傳輸資源量的分配，權重值大的發(fā)送隊列被分配到的的網絡傳輸資源量多。該無線通信網絡中實現TCP傳輸性能優(yōu)化的跨層通信控制方法中的無線通信網絡中每個發(fā)送隊列被分配到的網絡傳輸資源量與該發(fā)送隊列的權重值W' 成正比。采用了該發(fā)明的無線通信網絡中實現TCP傳輸性能優(yōu)化的跨層通信控制方法，由 于其中巧妙利用了無線網絡的TCP與MAC層直接進行跨層通信，并根據TCP層對網絡環(huán)境 評估，將發(fā)送數據的滑動窗口尺寸的值送至MAC層，MAC層根據滑動窗口尺寸的大小實時計 算發(fā)送隊列的權重值，并動態(tài)分配網絡資源量，從而使得TCP傳輸能夠在端到端的水平上 對網絡環(huán)境進行評估，因此顯著地提高了 TCP的吞吐量，顯著優(yōu)化和提升了無線通信網絡 數據傳輸過程中的TCP傳輸性能，并充分利用了無線資源，工作性能穩(wěn)定可靠，適用范圍較 為廣泛，為無線通信網絡的傳輸性能優(yōu)化技術奠定了堅實的基礎。
具體實施例方式為了能夠更清楚地理解本發(fā)明的技術內容，特舉以下實施例詳細說明。首先對無線通信網絡的TCP數據傳輸原理進行以下相關介紹TCP使用了一個滑動窗口機制來控制它的發(fā)送速率。滑動窗口的尺寸是TCP在收 到確認前能夠向網絡發(fā)送的最大數據量。當發(fā)送者收到確認(ACKs)時，滑動窗口以升序滑 過一個序列數據流。在收到這些確認(ACKs)后，窗口尺寸就會增大，從而增大它的發(fā)射速 率。擁塞窗口(cwnd)代表滑動窗口尺寸。在發(fā)射節(jié)點，這個參數由TCP來處理和控制。在一個無線網絡中(例如WiMAX網絡)，當一個數據包從上層到達MAC層時，根據 一個分級法則，MAC層把它轉化為一個MAC服務數據單元，并映射到相應的傳輸鏈路。這個 分級法則包括IP地址匹配，應用的端口數量和服務規(guī)格的IP類型(ToS)。根據連接標識(CID)，一個匹配的數據包發(fā)往到從基站(BS)到目標站(SS)的單向 傳輸鏈路。在這個鏈路中傳輸的數據與一個提供特殊服務質量的服務流標識(SFID)相結 合。由于一個SFID與一個CID相對應，每個到達WiMAX網絡的數據包就與一個WiMAX調度 支持的QoS參數集聯系起來。WiMAX定義了 5種調度服務類型主動提供確認服務(UGS)， 實時檢測服務(rtPS)，擴展實時檢測服務(ertPS)，非實時檢測服務(nrtPS)和盡力服務 (BE)。主動提供確認調度類型是由一個固定的主動提供的帶寬分配賦予的，而實時檢測 服務的調度類型是由帶寬請求的周期傳輸時機來確定的。擴展實時檢測服務調度類型聯 合了主動提供確認服務和實時檢測服務的特性，它是由主動提供的可變的帶寬分配來提供 的。非實時檢測服務調度類型使用了競爭或聯合投射請求時機來發(fā)送帶寬請求。盡力服務 調度類型是根據一個需求原理來提供的，它不提供設定帶寬或任何服務質量。關于本發(fā)明技術方案所涉及的其它具體技術細節(jié)，還可以參考以下背景技術文 獻(1)Y. Tian,K. Xu and N. Ansari,"TCP in wireless environments :problems and solutions,，，IEEE Commun. Magazine, vol. 43, no. 3, pp. 27-32, Mar. 2005(2)T.V.Lakshman and U. Madhow, "The performance of TCP/IP for networks with highbandwidth-delay products and random loss,，，IEEE/ACM Trans. Networking, vol. 5, no. 3, pp. 336-350, June 1997.本發(fā)明所提出的方法的基本思想是利用在無線網絡中從傳輸控制協議層(TCP) 到媒體訪問控制層(MAC層)的數據包頭中的額外信息來攜帶對低層的指示。
基于此，本發(fā)明的無線通信網絡中實現TCP傳輸性能優(yōu)化的跨層通信控制方法， 其中包括以下步驟(1)無線通信網絡的TCP層進行網絡傳輸環(huán)境的評估，并將評估結果信息加入TCP 數據包中送至無線通信網絡的媒體訪問控制層；所述的評估結果信息為TCP層發(fā)送數據的 滑動窗口尺寸；(2)所述的媒體訪問控制層根據TCP數據包中的評估結果信息進行無線通信網絡 的發(fā)送隊列的權重計算處理，包括以下步驟(a)所述的媒體訪問控制層從TCP數據包中提取出TCP層發(fā)送數據的滑動窗口尺 寸的值；(b)所述的媒體訪問控制層根據以下公式計算無線通信網絡中的每個發(fā)送隊列的 權重值W' n
其中，，N為無線通信網絡中的發(fā)送隊列總數，層中與無線通信
網絡層的第i個發(fā)送隊列相關聯的滑動窗口尺寸的值，(^為TCP層中與無線通信網絡層的 第n個發(fā)送隊列相關聯的滑動窗口尺寸的值，Wn為無線通信網絡中的第n個發(fā)送隊列的初 始權重值，a為系統(tǒng)權重調整因子；(3)所述的媒體訪問控制層根據權重計算處理結果進行網絡傳輸資源量的分配， 具體為所述的媒體訪問控制層按照無線通信網絡中每個發(fā)送隊列的權重值W' n的大 小進行網絡傳輸資源量的分配，權重值大的發(fā)送隊列被分配到的的網絡傳輸資源量多，且 所述的無線通信網絡中每個發(fā)送隊列被分配到的網絡傳輸資源量與該發(fā)送隊列的權重值 r 成正比。在實際使用當中，TCP在推斷網絡環(huán)境時用到了許多機制，如復制ACKs和來回時 間(RTT)估計等。擁塞窗口的尺寸是反映這些推論的關鍵參數。參數cwnd是一個能讓TCP 鏈接察覺到整個數據傳輸路徑的網絡擁塞情況的指示。它在本質上控制了 TCP片斷的發(fā)送 速率。在本發(fā)明的技術方案中，cwnd被看作是MAC層的調度者，它是資源分配的因素之一。與TCP相反，MAC層在理論上是直接位于物理層上方的，它共享了物理鏈路條件方 面的信息。參數cwnd為MAC層的調度者提供了網絡條件方面的補充和數據包到達率方面 的信息。因此通過結合cwnd，MAC層調度者能以更明智的方式分配資源。在WiMAX的MAC層，一個調度服務類型(如UGS，rtPS，ertPS或nrtPS)的鏈接被 指派到了一個專用的隊列，這個隊列是與一個特殊的QoS參數相關聯的。一個被普遍采用 的調度方案是權重公平列隊(WFQ)。權重從本質上決定了 MAC層調度者為隊列分配的資源 量。分配給每個隊列的權重是根據調度者進入隊列時，隊列的QoS規(guī)格確定的。本發(fā)明的技 術方案本質上是一個替代的調度方案，在這個方案中，分配給每個隊列的權重允許隨著TCP 的cwnd值的變化而上下浮動。更進一步說，每個隊列權重是根據以下公式(1)式發(fā)生變化 的，在公式(1)中，W代表了在調度者進入隊列時分配給隊列的初始權重，c代表了與隊列相 關聯的TCP流的cwnd值，a是權重調整因子。下標n代表了第n個隊列，下標t表示WiMAX 網絡中所有N個隊列的一個性質總和。
從以上公式⑴中能看出調度者為每個隊列賦予了額外的資源，這些資源是與一 個會話的cwnd與所有會話的cwnd的總和的比例成正比的。換句話說，如果隊列的cwnd值 越大，則獲得的資源將越多。為了把cwnd值傳給MAC層，本發(fā)明所采用的方式可以是把cwnd值嵌入到TCP片 斷的頭文件中的一個新開辟的Cwnd選項域。這個域占32比特，但如果需要一個更小的選 項域，可以考慮一個依比例決定cwnd值的方法，當然也可以采用其它的信息傳遞方式。當 一個數據包到達MAC層后，從頭文件中提取cwnd值，同時基于上述公式(1)計算隊列權重。 因此，隊列的權重是根據TCP的cwnd值相應調整的。采用了上述的無線通信網絡中實現TCP傳輸性能優(yōu)化的跨層通信控制方法，由于 其中巧妙利用了無線網絡的TCP與MAC層直接進行跨層通信，并根據TCP層對網絡環(huán)境評 估，將發(fā)送數據的滑動窗口尺寸的值送至MAC層，MAC層根據滑動窗口尺寸的大小實時計算 發(fā)送隊列的權重值，并動態(tài)分配網絡資源量，從而使得TCP傳輸能夠在端到端的水平上對 網絡環(huán)境進行評估，因此顯著地提高了 TCP的吞吐量，顯著優(yōu)化和提升了無線通信網絡數 據傳輸過程中的TCP傳輸性能，并充分利用了無線資源，工作性能穩(wěn)定可靠，適用范圍較為 廣泛，為無線通信網絡的傳輸性能優(yōu)化技術奠定了堅實的基礎。在此說明書中，本發(fā)明已參照其特定的實施例作了描述。但是，很顯然仍可以作出 各種修改和變換而不背離本發(fā)明的精神和范圍。因此，說明書和附圖
應被認為是說明性的 而非限制性的。
權利要求
一種無線通信網絡中實現TCP傳輸性能優(yōu)化的跨層通信控制方法，其特征在于，所述的方法包括以下步驟(1)無線通信網絡的TCP層進行網絡傳輸環(huán)境的評估，并將評估結果信息加入TCP數據包中送至無線通信網絡的媒體訪問控制層；(2)所述的媒體訪問控制層根據TCP數據包中的評估結果信息進行無線通信網絡的發(fā)送隊列的權重計算處理；(3)所述的媒體訪問控制層根據權重計算處理結果進行網絡傳輸資源量的分配。
2.根據權利要求1所述的無線通信網絡中實現TCP傳輸性能優(yōu)化的跨層通信控制方 法，其特征在于，所述的評估結果信息為TCP層發(fā)送數據的滑動窗口尺寸。
3.根據權利要求2所述的無線通信網絡中實現TCP傳輸性能優(yōu)化的跨層通信控制方 法，其特征在于，所述的進行無線通信網絡的發(fā)送隊列的權重計算處理，包括以下步驟(11)所述的媒體訪問控制層從TCP數據包中提取出TCP層發(fā)送數據的滑動窗口尺寸的值；(12)所述的媒體訪問控制層根據以下公式計算無線通信網絡中的每個發(fā)送隊列的權 重值W' n 其中 為無線通信網絡中的發(fā)送隊列總數，ct*TCP層中與無線通信網絡層 /=0的第i個發(fā)送隊列相關聯的滑動窗口尺寸的值，Cn為TCP層中與無線通信網絡層的第η個 發(fā)送隊列相關聯的滑動窗口尺寸的值，Wn為無線通信網絡中的第η個發(fā)送隊列的初始權重 值，a為系統(tǒng)權重調整因子。
4.根據權利要求3所述的無線通信網絡中實現TCP傳輸性能優(yōu)化的跨層通信控制方 法，其特征在于，所述的根據權重計算處理結果進行網絡傳輸資源量的分配，具體為所述的媒體訪問控制層按照無線通信網絡中每個發(fā)送隊列的權重值W' n的大小進行 網絡傳輸資源量的分配，權重值大的發(fā)送隊列被分配到的的網絡傳輸資源量多。
5.根據權利要求4所述的無線通信網絡中實現TCP傳輸性能優(yōu)化的跨層通信控制方 法，其特征在于，所述的無線通信網絡中每個發(fā)送隊列被分配到的網絡傳輸資源量與該發(fā) 送隊列的權重值W' 成正比。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無線通信網絡中實現TCP傳輸性能優(yōu)化的跨層通信控制方法，包括TCP層評估網絡傳輸環(huán)境將評估結果信息加入TCP數據包中送至MAC層、MAC層根據TCP數據包中的評估結果信息進行無線通信網絡的發(fā)送隊列的權重計算處理、MAC層根據權重計算處理結果進行網絡傳輸資源量的分配。采用該種無線通信網絡中實現TCP傳輸性能優(yōu)化的跨層通信控制方法，利用了無線網絡的TCP與MAC層直接進行跨層通信，在端到端的水平上對網絡環(huán)境評估，顯著地提高了TCP的吞吐量，顯著優(yōu)化和提升了無線通信網絡數據傳輸過程中的TCP傳輸性能，并充分利用了無線資源，工作性能穩(wěn)定可靠，適用范圍較為廣泛，為無線通信網絡的傳輸性能優(yōu)化技術奠定了堅實的基礎。
文檔編號H04W80/06GK101882983SQ200910050569
公開日2010年11月10日 申請日期2009年5月5日 優(yōu)先權日2009年5月5日
發(fā)明者于非, 宋鐵城 申請人:上海摩波彼克半導體有限公司