一种基于卫星网络状态进行自适应调节的通信方法与流程

本发明属于无线网络通信技术领域，涉及一种卫星网络中多媒体业务传输控制协议，该方法适用于中轨道卫星网络流媒体业务传输。

背景技术：

随着时代的发展，人们对于互联网多媒体业务的需求逐渐增强，如ip电话、视频点播、视频会议、远程教育等流媒体应用借助无线网络获得了巨大的发展，其中卫星网络通信方式更是未来的发展方向。卫星网络具有部署灵活，覆盖范围大等优势，为许多没有有线网络基础设施的地区提供了互联网接入服务。传输控制协议(transmissioncontrolprotocol，tcp)是网络中一种主要的数据传输协议，但因为tcp是面向连接的协议，无法保证业务的实时性要求，其在多媒体数据方面传输效率较低。而面向非连接的udp协议在传输多媒体数据业务时又会不公平地占有大量带宽，大大抑制了其它tcp流的吞吐率，并会加重整个网络的拥塞情况，最终导致网络的崩溃因此，互联网工程工作组(ietf)提出了一种基于速率的传输协议——tcp友好速率控制协议(tcpfriendlyratecontrol，tfrc)来传输多媒体业务数据。tfrc根据tcp吞吐量方程计算发送速率，并提供平稳的数据流通信，该协议对tcp和udp两种数据流都保持了较高的友好性，其性能已经在有线ip网中得到了广泛的认同。然而tfrc协议在无线网络中的性能较差，因为无线网络本身的高误码率造成的丢包与路由器队列拥塞造成的丢包并存，而接收端则将丢包全部归咎为网络拥塞造成，使系统不能准确地发现网络中的拥塞情况，从而盲目的减小数据流的发送速率，造成网络性能的下降。

目前国内外对于tfrc的扩展改进主要如下：1)tfrcwireless：将lda算法(lossdifferentiationalgorithm)加入到tfrc协议中。协议通过lda算法可以对丢失的数据包进行区分，只考虑网络拥塞丢包而忽略无线损失丢包，目前的lda算法主要有biaz、spike和zigzag等，这些算法都是根据延时抖动来判断数据包的丢失类型，即通过数据包在链路中的相对单程时间(rott)进行丢包分类。但是它们都需要人为设定相应的判断阈值，该阈值不能适应无线网络中时刻变化的环境，如传输距离等，且在某些特定情况下可能会遇到较高的误分类率。2)multfrc：该算法的核心思想是在同一条链路上创建多个tfrc连接，用以弥补单个连接的链路利用率不足的缺陷。该算法是一种端到端的机制改进，不需要对网络硬件设备进行任何修改。但是该算法需要较多资源来控制连接，发送端的数据分割和接收端的数据重组也增加了系统资源开销，综合性价比不高。3)mbtfrc：基于测量的tfrc(measurement-basedtfrc，mbtfrc)3)mbtfrc:基于测量的tfrc(measurement-basedtfrc，mbtfrc)在接收端使用无源带宽测量来调节数据发送速率，提高tfrc协议性能。该算法使用基于窗口的指数加权移动平均值(wewma)来调整速率，具备一定的灵活性和系统稳定性。但是该算法需要设定两个权重值，且不区分网络丢包的类型，也不考虑长时间的传播延迟，不适合卫星网络环境。

以上三种算法为目前tfrc在无线网络环境中的主要改进方式。但是这些扩展方式比较固定，权重、阈值需要预估设定，且不便于频繁更改，而无线网络环境又是时刻处于动态变化的，尤其是卫星网络环境，由于所处地区的天气和通信距离的影响，链路状态时好时坏，不能一概而论。

针对上述方法的不足，提出了一种根据信道状态进行自适应调节的tfrc协议改进算法tfrc-ea(environmentaladaptation)。本方法通过获取通信链路长度、波长等信息计算链路误码率，得出准确的网络状态信息，正确调节发送端的数据发送速率，从而提升系统的整体性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种无线通信过程中传输控制方法，能够适应当前的链路状态，区分链路丢包和拥塞丢包，保证通信系统在不同网络条件下都可以保证高吞吐量、传输稳定等网络性能。

本发明提出的一种基于卫星网络状态进行自适应调节的通信方法，其基本原理：

传统的tfrc协议是基于tcpreno吞吐量方程式(1)计算得出数据发送速率x。

x是数据流的传输速率；

s是数据包大小；

r是数据包往返时间rtt；

b是ack应答中确认的数据包数量，通常取1；

p是丢失事件率，是本文中的重要讨论变量，其计算方式下文会给出；

trto是超时重传等待时间，为4×r。

主要决定因素是网络中的丢失事件率p，该丢失事件率p为一定时间内平均丢包事件间隔的倒数，丢包间隔指的是两次丢包事件之间的数据包数量。在有线网络中网络拥塞是造成链路中数据包丢失的主要原因，丢失事件率p能够反应当前的网络状态；但在无线网络中由于存在一定的无线误码率，协议无法区分丢包类型，将所有丢包全部判定为网络拥塞造成，丢失事件率的计算受到影响，过多的降低数据发送速率，造成系统性能下降。有线网络和无线网络的丢包间隔分别如图1和图2所示，图中数字表示数据包的序列号，字母c代表拥塞丢包，w代表无线误码丢包。由于存在无线误码丢包，丢包间隔由原来的20(23-3)减小为18(21-3)，丢失事件率增大，造成发送速率减小，降低网络带宽利用率。

卫星网络接收端载噪比即载波功率c与噪声功率n之比可以通过公式(2)计算得出

eirp发射机等效全向辐射功率。

lt是发送馈线损耗。

lr是接收馈线损耗。

k是玻尔兹曼常数，k＝1.38×10^-23j/k。

b是带宽。

t是噪声源的噪声温度。

g/t是接收系统的品质因数。

式(2)中，发射机等效全向辐射功率eirp和接收天线增益g是固定值，而自由空间传输损耗lf通过公式(3)计算

由于工作波长与频率的关系为λ＝c/f，所以化简得到公式(4)。

将π、c常数带入，简化为公式(5)，由此看出自由空间传输损耗主要与链路长度d和波长f有关。

lf＝92.44+20lgd+20lgf(5)

式(2)中lt是发送馈线损耗，lr是接收馈线损耗，k是玻尔兹曼常数，

k＝1.38×10^-23j/k，b是带宽中轨卫星通常为36mhz，t是噪声源的噪声温度，g/t是接收系统的品质因数是卫星的固有属性，令l＝lfltlr并将其定义为链路及系统损耗和余量于是有：

c/n(db)＝eirp(dbw)+g/t(dbk)-l(db)-k(dbw/k)-b(dbhz)(6)

数字卫星通信系统通常有bpsk和qpsk两种调制解调方式。其误码率公式为：

而大小为packet_size的数据包的丢失概率packet_loss为：

packet_loss＝1-(1-pe)^packet_size(8)

于是链路误码率pe就能够通过卫星网络的物理环境状态进行预估计算，除去固有属性及固定数值如接收机品质因数、发射功率和带宽等外，主要由链路长度和波长决定。新的丢包间隔ci'由公式(8)计算得出，最后带入公式(10)得出准确的丢失事件率。

ci′＝ci×(1+packet_loss)(9)

ci是丢包间隔；

packet_loss是丢包率；

wi是权重系数；

最后重新带入公式(1)中，得出正确的数据发送速率。

本发明的技术方案如下：

1)系统收到用户的通信申请，系统同意请求后开始通信；

2)通过获取通信卫星品质因数、通信带宽和用户发送功率以及通信链路长度和此次的传输波长等参数判断当前网络通信状态，将各个参数带入公式中进行计算，得到初始发送速率，并以此完成通信连接等操作；

3)系统自适应调整环节，每完成k次数据包的传输，就重新计算丢包间隔ci'并生成新的数据发送率x；

4)本次通信结束。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具备以下优点：(1)本方法可以根据网络实时状态做出自适应调整，方程式中的主要参数不需要预估设定，便于动态变化适应实际通信环境，更加灵活；(2)图3为本方法与传统方法在不同链路误码率条件下瓶颈链路吞吐量的仿真统计图，从图中可以清晰看出，相比于其他传输控制协议，本方法具有更好的适应性，以及更高的网络效率。

附图说明

图1有线网络丢包间隔示意图。

图2无线网络丢包间隔示意图。

图3不同链路误码率下三种传输控制协议的瓶颈链路吞吐量对比图。

图4实际通信场景示意图。

具体实施方式

下面主要结合图4对本发明作进一步说明：

本实验实施过程如下所示：

1、本方法的使用场景如图4所示，图中包括通信中轨卫星meo1、客户端client2和服务器server3。本方法提出的传输控制协议部署在meo卫星上；

2、客户端client向meo卫星发出与服务器server的连接请求，请求信息中包含请求的任务类型、客户端与卫星的通信链路距离和此次通信所采用的传输波长等信息；卫星在同意客户端申请许可后，通过之前收到的信息判断客户端与卫星之间的通信链路状态，并将算法得出的传输速率反馈给发送端(客户端)。与此同时卫星会确认它与服务器之间的链路长度等信息，计算卫星端的发送速率；

3、本方法具备动态自适应性：发送端每传输k个数据包，协议算法就会重新评估一次网络环境，尤其是重新测量发送端与接收端之间的传输链路长度，并计算新的发送速率直到本次通信过程结束；

4、结果分析：实验主要是评价本方法在星地无线链路连接产生的瓶颈链路中的调节控制性能。仿真实验结果如图3所示，图中的tcp和tfrc均为传统协议算法，tfrc-ea为本发明提出的协议算法，通过对比图可以清晰看出，随着链路误码率的升高tcp流、tfrc流和tfrc-ea流的吞吐量均呈现下降趋势，但是不同于tcp和tfrc的显著下降，tfrc-ea通过对链路错误和网络拥塞进行区分，很好的适应了网络状态，将系统吞吐量维持在一个相对较高的水平，保证数据发送速率不受影响，提升网络利用率，因此该方法是切实可行的。

以上是本发明的一个典型应用，本发明的应用不限于此。