一種用于有線無線網絡的擁塞控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及有線無線網絡的服務質量優(yōu)化，公開了一種用于有線無線網絡的擁塞控制方法，包括搭建有線/無線網絡拓撲結構，設定有線/無線網絡特征參數，計算得到網絡擁塞控制率，對瓶頸路由器進行擁塞控制等四個步驟。適用于有線/無線網絡混合架構網絡，針對實時流媒體數據應用場合，維持了隊列長度更好的收斂性，數據包傳輸過程中的延時變化率相對較小，網絡服務質量較高。
【專利說明】
-種用于有線無線網絡的擁塞控制方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及有線/無線網絡服務質量優(yōu)化，更具體的是一種基于最小方差控制的 網絡擁塞控制方法。
【背景技術】
[0002] 互聯網作為信息社會的支撐基礎設施，已成為衡量國家科技創(chuàng)新和經濟競爭的一 項重要指標。隨著超高速光通信、無線移動通信、大規(guī)模接入、泛在互聯等技術的迅速發(fā)展， 互聯網異構集成、移動計算、普適服務等新應用的不斷創(chuàng)新，人們對互聯網功能、性能、服務 質量、可控性和可信性等方面的期望越來越高。
[0003] 在服務質量方面，現有互聯網面向非實時的數據通信沒有提供服務質量保障措 施。雖然0SI/RM為服務質量預留一些服務質量參數，但長期空缺未用。TCP^P的服務質量保 障主要表現在數據傳輸的丟包率、延遲、擁塞控制和帶寬管理、流量優(yōu)化等。下一代互聯網 環(huán)境下新型應用(如虛擬試驗、視頻點播、實時影像等)融合文本、圖形、圖像、視頻、動畫、語 音等綜合服務，當前體系結構的服務質量保障能力不能滿足下一代互聯網需求。隨著網絡 規(guī)模的擴大、網絡用戶的增加 W及不同類型網絡應用的大量涌現，網絡擁塞成為了影響網 絡服務質量的關鍵問題。
[0004] 隨著移動互聯網的快速發(fā)展，人們在無線終端上對基于語音和視頻的流媒體服務 有很大的需求。無線網絡技術快速發(fā)展，覆蓋范圍廣，終端產品豐富使得無線流媒體傳輸系 統得到了廣泛的應用，如無線視頻監(jiān)控、無線可視電話、視頻點播、手機電視直播、移動會議 等。流媒體傳輸具有高網絡帶寬、低傳輸延遲、低延遲抖動W及對傳輸可靠性要求相對較低 的特點。有線/無線網絡作為最流行的網絡拓撲結構，主要用來解決最后一百米的接入問 題，即在主干網依然是傳統的有線連接而在用戶接入端通過無線連接，從而避免在辦公室、 家里有過多的網絡布線。
[0005] 傳統的擁塞控制算法主要針對的是有線網絡環(huán)境，將數據包丟失作為擁塞發(fā)生的 標志，而在無線鏈路中存在一定的比特錯誤。一些擁塞控制算法據數據包傳輸的往返時間 來區(qū)分比特錯誤或者是擁塞帶來的數據包丟失，或者通過顯式擁塞標示來表示擁塞。
[0006] 另一方面，流媒體等新興網絡應用的興起也對網絡性能指標提出了一些新的要 求。在對流媒體的擁塞控制中，另一些擁塞控制算法更注重于對其突發(fā)性、實時性的研究。 考慮到當實時流媒體數據延時變化較大時，對于用戶的觀賞性帶來負面影響。

【發(fā)明內容】

[0007] 1、本發(fā)明的目的。
[000引針對有線/無線網絡混合架構網絡，在無線鏈路中存在一定的比特錯誤;考慮到當 實時流媒體數據延時變化較大時，對于用戶的觀賞性帶來負面影響，設計一種針對性的基 于最小方差控制的網絡擁塞控制方法(MVCC)。
[0009] 2、本發(fā)明所采用的技術方案。
[0010] (1巧線/無線網絡擁塞控制模型。
[0011] 在傳統的網絡擁塞TCP/AQM流模型中，沒有考慮到當前非對稱數字用戶網絡中上 下行帶寬的不同W及無線鏈路中的比特錯誤，基于有線/無線網絡特性的改進的TCP/AQM流 模型為：
[0012]
[oou]其中w(t)是TCP源在t時刻的數據發(fā)送窗日大小飽），T(t)和Τρ分別為是往返時間 (秒)和傳輸延時(秒），N(t)為在t時刻共享網絡帶寬的TCP數據源數目，C(t)為瓶頸鏈路帶 寬（包/秒），q(t)為瓶頸路由器緩存隊列長度(包），p(t)，pui(t)和pdi(t)分別是t時刻的標 記/丟棄概率和上行、下行鏈路丟包率，Tah(t)是當前時刻和上一次成功接收標記概率的時 間間隔(秒）；
[0014]設整個網絡的負載數目、鏈路容量、鏈路丟包率和延時為常數，即N(t)=N，C(t) = C，qui(t)=qdi(t) = qi，T(t) = Tah(t) = T〇,隨著網絡規(guī)模的越來越大和硬件計算能力的越來 越快，假設隊列延時遠小于傳輸延時；
[001引令昧'=0和4 = 0，可得系統的平衡點（W0,q0,p0)為：

，q0為期望的緩存隊列長度，忽略系統時滯的影響，f(t-T0)=f(t)， 在平衡點附近對非線性系統（1)進行小信號線性化處理得：
[0023] (2)廣義最小方差控制器。
[0024] 具體的控制思路和設計方法如下。
[0025]設系統方程為：
[00%] N(Z-i)y(k)=M(Z_i)u(k)+e 化） （5)
[0027]其中y化)是系統的輸出，U化)為系統的控制輸入，e化)為系統誤差，可W用其來表 示網絡的不確定性，N(Z^i)和M(Z^i)分別是系統傳遞函數的分母和分子部分。
[002引為了保證系統輸出方差最小，控制器為：
[0029]
樹
[0030] 其中多項式E(Z-i)和F(Z-i)滿足Dio曲antine方程 [003。 N(Z-i)E(Z-i)+F(Z_i) = l (7)
[0032] 關于控制器穩(wěn)定性充要條件的可W通過理論證明。
[0033] (3)基于最小方差的擁塞控制方法。
[0034] 圖1為本發(fā)明的步驟流程；
[0035] 步驟1:搭建有線/無線網絡拓撲結構，其中Si是數據發(fā)送端，Ri為路由器，di是數據 接收端，Ro是瓶頸路由器，Ro與Si之間是有線鏈路，Ri與di之間是有線鏈路，Ro與Ri之間是無 線瓶頸鏈路；
[0036] 步驟2:設定有線/無線網絡特征參數，包括傳輸延時Τρ(單位:秒），數據包大小(單 位:字節(jié)），無線瓶頸鏈路帶寬C(單位:包/秒或Mb/s)，發(fā)送和接收節(jié)點帶寬（單位:包/秒或 Mb/s)，路由器緩存大小（單位:包），期望隊列長度qo(單位:包），TCP數據源數目Ν(單位： 個），鏈路丟包率P1，仿真持續(xù)時間(單位:秒）；
[0037] 步驟3:計算得到網絡擁塞控制率，將步驟2中的有線/無線網絡特征參數代入有 線/無線網絡擁塞控制模型，計算
，其 中qo為期望的緩存隊列長度，C為瓶頸鏈路帶寬，Τρ為傳輸延時延，N為負載數目，P1為鏈路丟 包率，獲得有線/無線網絡擁塞控制模型的離散傳遞函數，其分子為M(Z^i)，分母為N(Z^i)， 求解Diophantine方程N(Z-i化(Z-i)+F(Z-i) = l，可得多項式E(Z-i)和F(Z-i)，進而得到網絡 擁塞巧制率；
[0038] 步驟4:對瓶頸路由器進行擁塞控制，采用步驟3中的網絡擁塞控制率。
[0039] 3、本發(fā)明的有益效果。
[0040] 為了提高流媒體應用的網絡服務質量，將廣義最小方差控制方法引入有線/無線 網絡擁塞控制中，從而降低延時抖動對視頻等流媒體質量的影響。一種基于最小方差控制 的網絡擁塞控制方法，適用于有線/無線網絡混合架構網絡，針對實時流媒體數據應用場 合，維持了隊列長度更好的收斂性，數據包傳輸過程中的延時變化率相對較小，網絡服務質 量較高。
【附圖說明】
[0041 ]圖1本發(fā)明的步驟流程圖。
[0042] 圖2本發(fā)明的網絡拓撲結構圖。
[0043] 圖3對比方法的瓶頸路由器隊列長度。
[0044] 圖4本發(fā)明方法的瓶頸路由器隊列長度。
[0045] 圖5對比方法的隨機網絡環(huán)境下的隊列長度。
[0046] 圖6本發(fā)明方法的隨機網絡環(huán)境下的隊列長度。
【具體實施方式】
[0047] 實施例
[004引圖2為帶瓶頸鏈路的有線/無線網絡拓撲結構，其中Si是數據發(fā)送端，Ri為路由器， di是數據接收端。
[0049]設傳輸延時Tp = 0.01s，數據包大小為500字節(jié)，無線瓶頸鏈路帶寬C = 25化acket/ S(IMb/s)，發(fā)送和接收節(jié)點帶寬為2500packet/s(lOMb/s)，路由器緩存大小為300packet， 期望隊列長度q〇= 10化acket，TCP數據源數目N=30,鏈路丟包率pi = 0.1，仿真持續(xù)時間為 100s。
[00加]計算
[0051 ]所 WM(Z-i ) = 203.8+407.6Z-1+203.8z-2
[0052] N(Z-i) = 7.56-7.2z-i+1.5z_2
[005；3 ]求解D i ο 地an t i ne方程N (Z-i 化(Z-i) +F (Z-i) = 1 得
[0054] E(Z_i) = l
[005引 F(Z-i)=-6.56+7z-1-1.5z-2
[0化6]網絡擁塞控制率為
[0化7]
[005引在瓶頸路由器中分別嘗試了對比方法(傳統的擁塞控制算法)和本發(fā)明方法，圖3 為對比方法(PI)的瓶頸路由器Ro中緩存中的隊列長度，圖4為本發(fā)明方法(MVCC)的瓶頸路Ro 中緩存中的隊列長度。對比圖3與圖4可W看出，本方法維持了隊列長度更好的收斂性，即數 據包傳輸過程中的延時變化率相對較小，從而提高了網絡服務質量，降低延時抖動對視頻 等流媒體質量的影響。
[0059]改變網絡負載數目驗證本發(fā)明方法在隨機網絡環(huán)境下的魯棒性，在30s隨機加入 10個TCP數據發(fā)送源，并在70s隨機結束20個TCP數據發(fā)送源。圖5為對比方法(PI)的隨機網 絡環(huán)境下的隊列長度，圖6為本發(fā)明方法(MVCC)的隨機網絡環(huán)境下的隊列長度。比圖5與圖6 可W看出，由于本發(fā)明方法在最小方差控制中考慮了系統的噪聲和隨機性，在變化連接數 的情況下，本發(fā)明方法具有較好的魯棒性。
【主權項】
1. 一種用于有線無線網絡的擁塞控制方法，其特征在于:包括如下四個步驟： 步驟1:搭建有線/無線網絡拓撲結構，其中Si是數據發(fā)送端，Ri為路由器，cU是數據接收 端，Ro是瓶頸路由器，Ro與Si之間是有線鏈路，心與土之間是有線鏈路，R〇與仏之間是無線瓶 頸鏈路； 步驟2:設定有線/無線網絡特征參數，包括傳輸延時!^，數據包大小，無線瓶頸鏈路帶寬 C，發(fā)送和接收節(jié)點帶寬，路由器緩存大小，期望隊列長度qo，TCP數據源數目N，鏈路丟包率 P1，仿真持續(xù)時間； 步驟3:計算得到網絡擁塞控制率，將步驟2中的有線/無線網絡特征參數代入有線/無 線網絡擁塞控制模型，其中qo為 期望的緩存隊列長度，C為瓶頸鏈路帶寬，TPS傳輸延時延，N為負載數目，pi為鏈路丟包率， 獲得有線/無線網絡擁塞控制模型的離散傳遞函數，其分子為M(Z<)，分母為N(Z<)，求解 Diophantine方程N(Z-XZ-q+FU-4 = 1，可得多項式E(Z-4和F(Z-進而得到網絡擁塞 控制率； 步驟4:對瓶頸路由器進行擁塞控制，采用步驟3中的網絡擁塞控制率。2. 根據權利要求1所述的用于有線無線網絡的擁塞控制方法，其特征在于:有線/無線 網絡擁塞控制模型的離散傳遞函數為3. 根據權利要求1所述的用于有線無線網絡的擁塞控制方法，其特征在于：網絡擁塞控 制率為其中多項式E (Z-1)和F (Z-1)滿足D i ophant ine方程 N(Z_1)E(Z_1)+F(Z_1) = l〇
【文檔編號】H04W28/02GK106059943SQ201610674930
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月17日 公開號201610674930.4, CN 106059943 A, CN 106059943A, CN 201610674930, CN-A-106059943, CN106059943 A, CN106059943A, CN201610674930, CN201610674930.4
【發(fā)明人】葛龍, 楊歆豪, 滕詣迪
【申請人】葛龍