一种用于有线无线网络的拥塞控制方法
【专利摘要】本发明涉及有线无线网络的服务质量优化，公开了一种用于有线无线网络的拥塞控制方法，包括搭建有线/无线网络拓扑结构，设定有线/无线网络特征参数，计算得到网络拥塞控制率，对瓶颈路由器进行拥塞控制等四个步骤。适用于有线/无线网络混合架构网络，针对实时流媒体数据应用场合，维持了队列长度更好的收敛性，数据包传输过程中的延时变化率相对较小，网络服务质量较高。
【专利说明】
-种用于有线无线网络的拥塞控制方法
技术领域
[0001] 本发明设及有线/无线网络服务质量优化，更具体的是一种基于最小方差控制的 网络拥塞控制方法。
【背景技术】
[0002] 互联网作为信息社会的支撑基础设施，已成为衡量国家科技创新和经济竞争的一 项重要指标。随着超高速光通信、无线移动通信、大规模接入、泛在互联等技术的迅速发展， 互联网异构集成、移动计算、普适服务等新应用的不断创新，人们对互联网功能、性能、服务 质量、可控性和可信性等方面的期望越来越高。
[0003] 在服务质量方面，现有互联网面向非实时的数据通信没有提供服务质量保障措 施。虽然0SI/RM为服务质量预留一些服务质量参数，但长期空缺未用。TCP^P的服务质量保 障主要表现在数据传输的丢包率、延迟、拥塞控制和带宽管理、流量优化等。下一代互联网 环境下新型应用(如虚拟试验、视频点播、实时影像等)融合文本、图形、图像、视频、动画、语 音等综合服务，当前体系结构的服务质量保障能力不能满足下一代互联网需求。随着网络 规模的扩大、网络用户的增加 W及不同类型网络应用的大量涌现，网络拥塞成为了影响网 络服务质量的关键问题。
[0004] 随着移动互联网的快速发展，人们在无线终端上对基于语音和视频的流媒体服务 有很大的需求。无线网络技术快速发展，覆盖范围广，终端产品丰富使得无线流媒体传输系 统得到了广泛的应用，如无线视频监控、无线可视电话、视频点播、手机电视直播、移动会议 等。流媒体传输具有高网络带宽、低传输延迟、低延迟抖动W及对传输可靠性要求相对较低 的特点。有线/无线网络作为最流行的网络拓扑结构，主要用来解决最后一百米的接入问 题，即在主干网依然是传统的有线连接而在用户接入端通过无线连接，从而避免在办公室、 家里有过多的网络布线。
[0005] 传统的拥塞控制算法主要针对的是有线网络环境，将数据包丢失作为拥塞发生的 标志，而在无线链路中存在一定的比特错误。一些拥塞控制算法据数据包传输的往返时间 来区分比特错误或者是拥塞带来的数据包丢失，或者通过显式拥塞标示来表示拥塞。
[0006] 另一方面，流媒体等新兴网络应用的兴起也对网络性能指标提出了一些新的要 求。在对流媒体的拥塞控制中，另一些拥塞控制算法更注重于对其突发性、实时性的研究。 考虑到当实时流媒体数据延时变化较大时，对于用户的观赏性带来负面影响。
【发明内容】
[0007] 1、本发明的目的。
[000引针对有线/无线网络混合架构网络，在无线链路中存在一定的比特错误;考虑到当 实时流媒体数据延时变化较大时，对于用户的观赏性带来负面影响，设计一种针对性的基 于最小方差控制的网络拥塞控制方法(MVCC)。
[0009] 2、本发明所采用的技术方案。
[0010] (1巧线/无线网络拥塞控制模型。
[0011] 在传统的网络拥塞TCP/AQM流模型中，没有考虑到当前非对称数字用户网络中上 下行带宽的不同W及无线链路中的比特错误，基于有线/无线网络特性的改进的TCP/AQM流 模型为：
[0012]
[oou]其中w(t)是TCP源在t时刻的数据发送窗日大小饱），T(t)和Τρ分别为是往返时间 (秒)和传输延时(秒），N(t)为在t时刻共享网络带宽的TCP数据源数目，C(t)为瓶颈链路带 宽（包/秒），q(t)为瓶颈路由器缓存队列长度(包），p(t)，pui(t)和pdi(t)分别是t时刻的标 记/丢弃概率和上行、下行链路丢包率，Tah(t)是当前时刻和上一次成功接收标记概率的时 间间隔(秒）；
[0014]设整个网络的负载数目、链路容量、链路丢包率和延时为常数，即N(t)=N，C(t) = C，qui(t)=qdi(t) = qi，T(t) = Tah(t) = T〇,随着网络规模的越来越大和硬件计算能力的越来 越快，假设队列延时远小于传输延时；
[001引令昧'=0和4 = 0，可得系统的平衡点（W0,q0,p0)为：
，q0为期望的缓存队列长度，忽略系统时滞的影响，f(t-T0)=f(t)， 在平衡点附近对非线性系统（1)进行小信号线性化处理得：
[0023] (2)广义最小方差控制器。
[0024] 具体的控制思路和设计方法如下。
[0025]设系统方程为：
[00%] N(Z-i)y(k)=M(Z_i)u(k)+e 化） （5)
[0027]其中y化)是系统的输出，U化)为系统的控制输入，e化)为系统误差，可W用其来表 示网络的不确定性，N(Z^i)和M(Z^i)分别是系统传递函数的分母和分子部分。
[002引为了保证系统输出方差最小，控制器为：
[0029]
樹
[0030] 其中多项式E(Z-i)和F(Z-i)满足Dio曲antine方程 [003。 N(Z-i)E(Z-i)+F(Z_i) = l (7)
[0032] 关于控制器稳定性充要条件的可W通过理论证明。
[0033] (3)基于最小方差的拥塞控制方法。
[0034] 图1为本发明的步骤流程；
[0035] 步骤1:搭建有线/无线网络拓扑结构，其中Si是数据发送端，Ri为路由器，di是数据 接收端，Ro是瓶颈路由器，Ro与Si之间是有线链路，Ri与di之间是有线链路，Ro与Ri之间是无 线瓶颈链路；
[0036] 步骤2:设定有线/无线网络特征参数，包括传输延时Τρ(单位:秒），数据包大小(单 位:字节），无线瓶颈链路带宽C(单位:包/秒或Mb/s)，发送和接收节点带宽（单位:包/秒或 Mb/s)，路由器缓存大小（单位:包），期望队列长度qo(单位:包），TCP数据源数目Ν(单位： 个），链路丢包率P1，仿真持续时间(单位:秒）；
[0037] 步骤3:计算得到网络拥塞控制率，将步骤2中的有线/无线网络特征参数代入有 线/无线网络拥塞控制模型，计算
，其 中qo为期望的缓存队列长度，C为瓶颈链路带宽，Τρ为传输延时延，N为负载数目，P1为链路丢 包率，获得有线/无线网络拥塞控制模型的离散传递函数，其分子为M(Z^i)，分母为N(Z^i)， 求解Diophantine方程N(Z-i化(Z-i)+F(Z-i) = l，可得多项式E(Z-i)和F(Z-i)，进而得到网络 拥塞巧制率；
[0038] 步骤4:对瓶颈路由器进行拥塞控制，采用步骤3中的网络拥塞控制率。
[0039] 3、本发明的有益效果。
[0040] 为了提高流媒体应用的网络服务质量，将广义最小方差控制方法引入有线/无线 网络拥塞控制中，从而降低延时抖动对视频等流媒体质量的影响。一种基于最小方差控制 的网络拥塞控制方法，适用于有线/无线网络混合架构网络，针对实时流媒体数据应用场 合，维持了队列长度更好的收敛性，数据包传输过程中的延时变化率相对较小，网络服务质 量较高。
【附图说明】
[0041 ]图1本发明的步骤流程图。
[0042] 图2本发明的网络拓扑结构图。
[0043] 图3对比方法的瓶颈路由器队列长度。
[0044] 图4本发明方法的瓶颈路由器队列长度。
[0045] 图5对比方法的随机网络环境下的队列长度。
[0046] 图6本发明方法的随机网络环境下的队列长度。
【具体实施方式】
[0047] 实施例
[004引图2为带瓶颈链路的有线/无线网络拓扑结构，其中Si是数据发送端，Ri为路由器， di是数据接收端。
[0049]设传输延时Tp = 0.01s，数据包大小为500字节，无线瓶颈链路带宽C = 25化acket/ S(IMb/s)，发送和接收节点带宽为2500packet/s(lOMb/s)，路由器缓存大小为300packet， 期望队列长度q〇= 10化acket，TCP数据源数目N=30,链路丢包率pi = 0.1，仿真持续时间为 100s。
[00加]计算
[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]网络拥塞控制率为
[0化7]
[005引在瓶颈路由器中分别尝试了对比方法(传统的拥塞控制算法)和本发明方法，图3 为对比方法(PI)的瓶颈路由器Ro中缓存中的队列长度，图4为本发明方法(MVCC)的瓶颈路Ro 中缓存中的队列长度。对比图3与图4可W看出，本方法维持了队列长度更好的收敛性，即数 据包传输过程中的延时变化率相对较小，从而提高了网络服务质量，降低延时抖动对视频 等流媒体质量的影响。
[0059]改变网络负载数目验证本发明方法在随机网络环境下的鲁棒性，在30s随机加入 10个TCP数据发送源，并在70s随机结束20个TCP数据发送源。图5为对比方法(PI)的随机网 络环境下的队列长度，图6为本发明方法(MVCC)的随机网络环境下的队列长度。比图5与图6 可W看出，由于本发明方法在最小方差控制中考虑了系统的噪声和随机性，在变化连接数 的情况下，本发明方法具有较好的鲁棒性。
【主权项】
1. 一种用于有线无线网络的拥塞控制方法，其特征在于:包括如下四个步骤： 步骤1:搭建有线/无线网络拓扑结构，其中Si是数据发送端，Ri为路由器，cU是数据接收 端，Ro是瓶颈路由器，Ro与Si之间是有线链路，心与土之间是有线链路，R〇与仏之间是无线瓶 颈链路； 步骤2:设定有线/无线网络特征参数，包括传输延时!^，数据包大小，无线瓶颈链路带宽 C，发送和接收节点带宽，路由器缓存大小，期望队列长度qo，TCP数据源数目N，链路丢包率 P1，仿真持续时间； 步骤3:计算得到网络拥塞控制率，将步骤2中的有线/无线网络特征参数代入有线/无 线网络拥塞控制模型，其中qo为 期望的缓存队列长度，C为瓶颈链路带宽，TPS传输延时延，N为负载数目，pi为链路丢包率， 获得有线/无线网络拥塞控制模型的离散传递函数，其分子为M(Z<)，分母为N(Z<)，求解 Diophantine方程N(Z-XZ-q+FU-4 = 1，可得多项式E(Z-4和F(Z-进而得到网络拥塞 控制率； 步骤4:对瓶颈路由器进行拥塞控制，采用步骤3中的网络拥塞控制率。2. 根据权利要求1所述的用于有线无线网络的拥塞控制方法，其特征在于:有线/无线 网络拥塞控制模型的离散传递函数为3. 根据权利要求1所述的用于有线无线网络的拥塞控制方法，其特征在于：网络拥塞控 制率为其中多项式E (Z-1)和F (Z-1)满足D i ophant ine方程 N(Z_1)E(Z_1)+F(Z_1) = l〇
【文档编号】H04W28/02GK106059943SQ201610674930
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年8月17日 公开号201610674930.4, CN 106059943 A, CN 106059943A, CN 201610674930, CN-A-106059943, CN106059943 A, CN106059943A, CN201610674930, CN201610674930.4
【发明人】葛龙, 杨歆豪, 滕诣迪
【申请人】葛龙