专利名称：一种车载通信网中基于模糊控制的tcp拥塞控制方法
技术领域：
本发明主要涉及无线通信领域，尤其是关于车载通信网中TCP传输性能的问题。
背景技术：
近年来，车辆的爆发式增长和无处不在的信息需求将通信网络和交通网络紧密结合起来，车载通信网由此应运而生，并成为一个研究热点。车载通信网分为两部分=RVC(Roadto Vehicle Communications,路车间通信)与 IVC (Inter-Vehicle Communication,车辆间通信)。RVC通过道路基础设施或移动基站，使车辆接入互联网，获取网络资源；而IVC通过在车辆上安装无线通讯设备，使车辆之间能够通过多跳的方式组成自组织网络，即VANET (Vehicular Ad hoc Network,车载自组织网络)。VANET是一种自组织的、结构开放的车辆间通信网络，不仅具有移动自组织网络动态、分布式、多跳等特点，还具有自身独有的属性，如车辆运动的高速性、网络拓扑变化频繁、运行轨迹可预测、无明显的硬件约束等，这些属性直接影响VANET环境中的传输性能，使得丢包增加、延迟增大。在VANET环境下，车辆运动受道路条件约束，其运行轨迹可预测，且车辆可获取丰富的外部辅助信息，结合这些优点可以设计更为高效的、可靠的传输控制协议。VANET中有许多安全信息相关的应用，对于这些应用有必要选择可靠的传输协议，如TCP (Transmission Control Protocol,传输控制协议)。然而，传统的TCP是基于有线信道设计的，由于有线环境下传输介质可靠性很高，传统TCP及TCP的各种改进版本，如TCPReno、TCPNewReno, TCPVegas等，都认为丢包是由于网络拥塞所致。而无线网络中，由于信道质量不佳，分组丢失率高，如果采用有线TCP拥塞控制算法，将分组丢失都视为网络拥塞的指示，必然导致整个网络传输性能的严重降低。现已提出很多无线环境下的TCP的改进方案，如 TCP Veno (ChengPeng Fu, SC.Liew “TCP Veno:TCP enhancement fortransmission over wireless access networks，，IEEE Journal of Selected Areas inCommunication.2003，Vol.21 (2):216-228)是专门针对解决无线网络环境中高误码率问题而提出的TCP改进方案，大量的试验证明在小区蜂窝网和3G网络中，TCP Veno对网络传输性能都有较大的改进。在VANET环境下，由于其传输距离短而移动速度快，链路切换十分频繁，频繁的路由切换造成的分组丢失是影响TCP传输性能的重要原因。当节点快速移动造成路由中断，会导致多个连续TCP数据包丢失,若发送端收不到ACK (Acknowledgment,确认信号),需要等待RTO (Retransmission Time Out,超时重传时间)后开始重传任务，同时可能触发不必要拥塞控制进程。由此可见，若不能有效处理路由切换造成的丢包，将造成传输时延的增力口，并带来不合理的拥塞控制和重传。在文献(Marc Bechler, Sven Jaap, Lars Wolf “AnOptimized TCP for Internet Access of Vehicular Ad Hoc Networks，，Lecture Notesin Computer Science, 2005, Volume 3462，NETW0RKING2005:869-880)中提出了基于代理机制的 VANET 环境下 TCP 优化方案:MCTP (Mobile Control Transport Protocol,移动传输控制协议)，该方案通过设置代理将端到端的TCP连接分离开，并在代理中对TCP传输性能进行优化，但是这种方案由于需要增加代理，实现较为复杂，兼容性也不够好，而且这种方案没有结合车载通信网运动趋势可预测等特点，也没有结合网络层进行联合优化。在VANET环境下，影响丢包的原因和参数很多，如通信距离、车辆移动的速度、数据传输时延的波动、端到端吞吐量的变化等，然而，这些可利用的参数与链路状态之间的对应关系很难通过建立一个明确的函数关系式表现出来，因此，通过模糊控制(FuzzyControl)的方法是一种很好的思路。一些文献已将模糊控制理论运用到移动自组织网络中的 TCP 传输性能改进，如文献(Kai Shi, Yantai Shu, Qingfeng SongiiReceiver CentricFuzzy Logic Congestion Control for TCP Throughput Improvement over WirelessNetworks”The Sixth International Conference on Fuzzy Systems and KnowledgeDiscovery, 2009:146-150)结合带宽利用率和丢包率来进行模糊控制，以调整拥塞控制窗口的大小，提高TCP传输性能。文献(WANGXiaoBo, YANGYuLiang, AN Jian WeiiiMult1-MetricRouting Decisions in VANET^ The Eighth IEEE International Conference onDependable, Autonomic and Secure Computing, 2009:551-556)将模糊控制理论引入到车载通信网中来改进路由协议，结合车载通信网的特性，综合考虑车辆行驶方向和路由生命周期来进行路由决策。以上研究成果为设计车载通信网中基于模糊控制的TCP性能改进提供有用参考。
发明内容
本发明针对在VANET环境下，影响丢包的原因和参数很多与链路状态之间的对应关系很难通过建立一个明确的函数关系式，现有技术中存在的上述缺陷，提出了一种基于模糊控制的丢包区分算法，并引入跨层思想提供一种基于模糊控制的TCP拥塞控制算法及路由选择协议，以克服车载通信网中路由切换及误码丢包对TCP传输性能的影响。本发明解决上述问题的技术方案是，提出车载通信网中一种基于模糊控制的TCP拥塞控制方法 VF-TCP (Vehicular Fuzzy-control Transmission Control Protocol,车载模糊控制 TCP)及改进的 路由协议 VF-DSR (Vehicular Fuzzy-control Dynamic SourceRouting,车载模糊控制DSR)，采用模糊控制方法，根据相邻节点的相对速度、相邻节点的距离、相对往返时延变化率、短期吞吐量变化率作为模糊推理的输入参数，建立模糊控制规则库，通过模糊推理判断丢包原因，并结合跨层方案改进TCP拥塞控制策略和路由切换策略。一种车载通信网中基于模糊控制的TCP拥塞控制方法,第一模糊控制子系统FCl根据车载终端相对速度和距离进行模糊控制，得到关于路由稳定性的模糊集；将路由稳定性模糊集、相对往返时延变化率、短期吞吐量变化率输入第二模糊控制子系统FC2 ；FC2根据模糊控制规则库经过模糊推理得到丢包原因，并根据丢包原因确定链路状态，根据链路状态采取相应的TCP拥塞控制策略；根据VF-DSR路由协议进行路由建立及重建中，源节点更新路由表，获取到达目的节点的所有路由，并基于模糊控制选择最优路由。通过模糊控制将能够反映链路状态的多个参数综合利用，包括相邻节点的相对速度、相邻节点的距离、相对往返时延变化率、短期吞吐量变化率，由此提出一种有效的丢包区分算法。基于模糊控制的丢包区分算法系统包括两个模糊控制子系统FCl和FC2。FCl的作用是根据相对速度和距离进行模糊控制，得到一个关于路由稳定性的模糊集；路由稳定性模糊集与相对往返时延变化率、短期吞吐量变化率一同作为FC2的输出参数，经过模糊推理得到丢包原因，并根据最终的输出结果控制TCP的传输控制过程。当丢包发生后，TCP发送端通过模糊控制区分丢包原因并采取拥塞控制措施，若判断丢包原因为链路拥塞，转入普通的拥塞控制状态(简称为拥塞控制状态)；若判断丢包原因为链路误码，转入“坏”信道下的拥塞控制状态(简称为“坏”信道状态);若判断丢包原因为链路断开，转入等停状态，等待路由层完成切换后重传丢包。若判断丢包原因为链路断开，触发等停状态，TCP发送端重置ssthresh (慢启动门限)、cwnd (拥塞窗口)、rwnd (接收窗口)的值，并暂停发送数据，待路由重建成功后，网络层发送端通过跨层通信通知TCP发送端路由重新建立成功，TCP发送端恢复重置之前记录的ssthresh、cwnd、rwnd及SYN (序号同步)值，并减小cwnd为4/5cwnd后发送数据；若判断丢包原因为链路误码，指示信道处于“坏”信道状态，将ssthresh值修改为(4/5) *cwnd, cwnd重置为ssthresh+3,然后重传丢失分组，每收到一个重复ACK时，ssthresh加I并发送I个报文段，当下一个新ACK到达时，置cwnd为ssthresh ;若判断丢包原因为链路拥塞,进入拥塞控制状态,根据TCPReno拥塞控制策略进行快速重传及快速恢复。采用VF-DSR协议，在路由建立及重建过程中，源节点首先更新路由表，获取到达目的节点的所有路由，并基于模糊控制选择最优路由。VF-DSR选择最优路由的准则为:①选择路由稳定性为“非常稳定”或“比较稳定”的路由；②不选择路由稳定性为“非常不稳定”的路由；③存在多条稳定性较好的路由时，选择跳数最少的路由。采用本发明的TCP拥塞控制机制及路由改进策略(VF-TCP&VF-DSR)，在车载通信网环境下传输性能得到较大改善，有效解决车载通信网中由于不能区分链路拥塞、路由切换及误码丢包而造成的TCP传输性能降低问题。系统吞吐量得以提高且端到端时延有所降低，特别在节点高速移动、拓扑频繁变化、信道质量不佳的环境下，其优势更为明显。
图1是VF-TCP模糊控制总体框架；图2是模糊控制过程示意图；图3是基于模糊控制的VF-TCP四状态转移图；图4是VF-TCP与TCPVeno平均吞吐量随速度变化对比曲线；图5是VF-TCP与TCPVeno平均端到端时延随速度变化对比曲线。
具体实施例方式为了克服路由切换及误码丢包对车载通信网中TCP传输性能的影响，本发明提出一种车载通信网中基于模糊控制的TCP拥塞控制方法VF-TCP(VehicularFuzzy-controlTransmissionControlProtocol,车载模糊控制 TCP)及改进的路由协议 VF-DSR (VehicularFuzzy-controlDynamicSourceRouting,车载模糊控制DSR),采用模糊控制和跨层思想,提供一种有效的丢包区分算法，并改进TCP拥塞控制策略和路由切换策略，以解决车载通信网中由于不能区分链路拥塞、路由切换及误码丢包而造成的TCP传输性能降低。
以下通过附图和具体实例对本发明的实施作进一步具体说明。包括如下部分:基于模糊控制的丢包区分算法、基于模糊控制及跨层设计的TCP拥塞控制策略、基于模糊控制的路由切换策略。一、基于模糊控制的丢包区分算法如图1所示为本发明丢包区分算法的系统总体框架，该系统包括两个模糊控制子系统FCl和FC2。第一模糊控制子系统FCl根据车载移动终端相对速度和距离进行模糊控制，建立路由稳定性模糊集。将路由稳定性模糊集与相对往返时延变化率、短期吞吐量变化率作为第二模糊控制子系统FC2的输入参数，根据相邻节点的相对速度、相邻节点的距离、相对往返时延变化率、短期吞吐量变化率作为模糊推理的输入参数，建立模糊控制规则库，经过FC2模糊推理判断丢包原因(Reason)，将丢包原因用于控制TCP的传输控制过程。并结合跨层方案来改进TCP拥塞控制策略和路由切换策略。FCl和FC2进行模糊控制的过程如图2所示，包括模糊化、模糊知识库、模糊推理以及反模糊化。下面进一步具体说明。模糊化处理采集节点U，j}的速度Vj5Vj ,根据公式:
权利要求
1.一种车载通信网中基于模糊控制的TCP拥塞控制方法，其特征在于，第一模糊控制子系统FCl根据车载终端相对速度和距离进行模糊控制，得到关于路由稳定性的模糊集；将路由稳定性模糊集、相对往返时延变化率、短期吞吐量变化率输入第二模糊控制子系统FC2 ；FC2根据模糊控制规则库经过模糊推理得到丢包原因，并根据丢包原因确定链路状态，根据链路状态采取相应的TCP拥塞控制策略；根据VF-DSR路由协议进行路由建立及重建中，源节点更新路由表，获取到达目的节点的所有路由，并基于模糊控制选择最优路由。
2.根据权利要求1所述的TCP拥塞控制方法，其特征在于，所述路由稳定性的确定具体为，取多跳路由中稳定性最低的一跳作为整条路由的稳定性，其论域为[O，1]，分为四个模糊集合:{非常不稳定VLR，较不稳定LR，一般稳定MR，非常稳定HR}。
3.根据权利要求1所述的TCP拥塞控制方法，其特征在于，相对往返时延变化率的确定具体为:对速度变量的取值集合划分为三个模糊集合:{SV (慢速)，MV (中速)，FV (快速)};将距离分为四个模糊集合:{SS (短距)，MS (中距)，LS (长距)，VLS (非 常长距)}，根据公式:
4.根据权利要求1一 3其中之一所述的TCP拥塞控制方法，其特征在于，短期吞吐量 变化率的确足具体为，根据公式:
5.根据权利要求1一 3其中之一所述的TCP拥塞控制方法，其特征在于，若丢包原因为链路断开，则触发等停状态，TCP发送端重置慢启动门限ssthresh、拥塞窗口 cwnd、接收窗口 rwnd的值，并暂停发送数据；待路由重建成功后，网络层发送端通过跨层通信通知TCP发送端路由重新建立成功，TCP发送端恢复重置之前记录的ssthresh、cwnd、rwnd及序号同步SYN值,并减小cwnd为4/5cwnd后发送数据；重传成功后，恢复正常状态。
6.根据权利要求1一 3其中之一所述的TCP拥塞控制方法，其特征在于，若丢包原因为链路误码，则指示信道处于“坏”信道状态；TCP发送端将ssthresh值修改为(4/5) *cwnd,cwnd重置为ssthresh+3，然后重传丢失分组，每收到一个重复ACK时，ssthresh加I并发送I个报文段，当下一个新ACK到达时,置cwnd为ssthresh ;重传成功后,恢复正常状态。
7.根据权利要求1一 3其中之一所述的TCP拥塞控制方法，其特征在于，若丢包原因为链路拥塞，则进入拥塞控制状态；根据TCPReno拥塞控制策略进行快速重传及快速恢复；重传成功后，恢复正常状态。
8.根据权利要求1一 3其中之一所述的TCP拥塞控制方法，其特征在于，所述基于模糊控制选择最优路由具体为:选择路由稳定性为“非常稳定”或“比较稳定”的路由；不选择路由稳定性为“非常不稳定”的路由；存在多条“非常稳定”或“比较稳定”的路由时，选择跳数最少的路由；路由重建完成后，路由层通过跨层通信通知TCP发送端，收到路由应当分组RREP后，TCP发送端重 传丢失的数据包并结束等停状态。
全文摘要
本发明请求保护一种车载通信网中基于模糊控制的TCP拥塞控制方法，涉及无线通信领域。本发明采用模糊控制，引入相邻节点的相对速度、相邻节点的距离、相对往返时延变化率、短期吞吐量变化率作为模糊推理的输入参数，建立模糊控制规则库，通过模糊推理判断丢包原因，并结合跨层方案改进TCP拥塞控制策略和路由切换策略，以对不同丢包原因采取不同的处理对策，同时增强路由稳定性，减少路由切换带来的传输中断，使得系统吞吐量及平均时延得到改善。本发明用于改善车载通信网中TCP传输性能，特别在节点高速移动、拓扑频繁变化、信道质量不佳的环境下，优势更为明显。
文档编号H04W40/04GK103209434SQ20131014263
公开日2013年7月17日 申请日期2013年4月23日 优先权日2013年4月23日
发明者谢显中, 王昭然, 马彬 申请人:重庆邮电大学