一種車載通信網中基於模糊控制的tcp擁塞控制方法

2023-07-15 03:39:31

專利名稱：一種車載通信網中基於模糊控制的tcp擁塞控制方法
技術領域：
本發明主要涉及無線通信領域，尤其是關於車載通信網中TCP傳輸性能的問題。
背景技術：
近年來，車輛的爆發式增長和無處不在的信息需求將通信網絡和交通網絡緊密結合起來，車載通信網由此應運而生，並成為一個研究熱點。車載通信網分為兩部分=RVC(Roadto Vehicle Communications,路車間通信)與 IVC (Inter-Vehicle Communication,車輛間通信)。RVC通過道路基礎設施或移動基站，使車輛接入網際網路，獲取網絡資源；而IVC通過在車輛上安裝無線通訊設備，使車輛之間能夠通過多跳的方式組成自組織網絡，即VANET (Vehicular Ad hoc Network,車載自組織網絡)。VANET是一種自組織的、結構開放的車輛間通信網絡，不僅具有移動自組織網絡動態、分布式、多跳等特點，還具有自身獨有的屬性，如車輛運動的高速性、網絡拓撲變化頻繁、運行軌跡可預測、無明顯的硬體約束等，這些屬性直接影響VANET環境中的傳輸性能，使得丟包增加、延遲增大。在VANET環境下，車輛運動受道路條件約束，其運行軌跡可預測，且車輛可獲取豐富的外部輔助信息，結合這些優點可以設計更為高效的、可靠的傳輸控制協議。VANET中有許多安全信息相關的應用，對於這些應用有必要選擇可靠的傳輸協議，如TCP (Transmission Control Protocol,傳輸控制協議)。然而，傳統的TCP是基於有線信道設計的，由於有線環境下傳輸介質可靠性很高，傳統TCP及TCP的各種改進版本，如TCPReno、TCPNewReno, TCPVegas等，都認為丟包是由於網絡擁塞所致。而無線網絡中，由於信道質量不佳，分組丟失率高，如果採用有線TCP擁塞控制算法，將分組丟失都視為網絡擁塞的指示，必然導致整個網絡傳輸性能的嚴重降低。現已提出很多無線環境下的TCP的改進方案，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)是專門針對解決無線網絡環境中高誤碼率問題而提出的TCP改進方案，大量的試驗證明在小區蜂窩網和3G網絡中，TCP Veno對網絡傳輸性能都有較大的改進。在VANET環境下，由於其傳輸距離短而移動速度快，鏈路切換十分頻繁，頻繁的路由切換造成的分組丟失是影響TCP傳輸性能的重要原因。當節點快速移動造成路由中斷，會導致多個連續TCP數據包丟失,若發送端收不到ACK (Acknowledgment,確認信號),需要等待RTO (Retransmission Time Out,超時重傳時間)後開始重傳任務，同時可能觸發不必要擁塞控制進程。由此可見，若不能有效處理路由切換造成的丟包，將造成傳輸時延的增力口，並帶來不合理的擁塞控制和重傳。在文獻(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)中提出了基於代理機制的 VANET 環境下 TCP 優化方案:MCTP (Mobile Control Transport Protocol,移動傳輸控制協議)，該方案通過設置代理將端到端的TCP連接分離開，並在代理中對TCP傳輸性能進行優化，但是這種方案由於需要增加代理，實現較為複雜，兼容性也不夠好，而且這種方案沒有結合車載通信網運動趨勢可預測等特點，也沒有結合網絡層進行聯合優化。在VANET環境下，影響丟包的原因和參數很多，如通信距離、車輛移動的速度、數據傳輸時延的波動、端到端吞吐量的變化等，然而，這些可利用的參數與鏈路狀態之間的對應關係很難通過建立一個明確的函數關係式表現出來，因此，通過模糊控制(FuzzyControl)的方法是一種很好的思路。一些文獻已將模糊控制理論運用到移動自組織網絡中的 TCP 傳輸性能改進，如文獻(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)結合帶寬利用率和丟包率來進行模糊控制，以調整擁塞控制窗口的大小，提高TCP傳輸性能。文獻(WANGXiaoBo, YANGYuLiang, AN Jian WeiiiMult1-MetricRouting Decisions in VANET^ The Eighth IEEE International Conference onDependable, Autonomic and Secure Computing, 2009:551-556)將模糊控制理論引入到車載通信網中來改進路由協議，結合車載通信網的特性，綜合考慮車輛行駛方向和路由生命周期來進行路由決策。以上研究成果為設計車載通信網中基於模糊控制的TCP性能改進提供有用參考。

發明內容
本發明針對在VANET環境下，影響丟包的原因和參數很多與鏈路狀態之間的對應關係很難通過建立一個明確的函數關係式，現有技術中存在的上述缺陷，提出了一種基於模糊控制的丟包區分算法，並引入跨層思想提供一種基於模糊控制的TCP擁塞控制算法及路由選擇協議，以克服車載通信網中路由切換及誤碼丟包對TCP傳輸性能的影響。本發明解決上述問題的技術方案是，提出車載通信網中一種基於模糊控制的TCP擁塞控制方法 VF-TCP (Vehicular Fuzzy-control Transmission Control Protocol,車載模糊控制 TCP)及改進的 路由協議 VF-DSR (Vehicular Fuzzy-control Dynamic SourceRouting,車載模糊控制DSR)，採用模糊控制方法，根據相鄰節點的相對速度、相鄰節點的距離、相對往返時延變化率、短期吞吐量變化率作為模糊推理的輸入參數，建立模糊控制規則庫，通過模糊推理判斷丟包原因，並結合跨層方案改進TCP擁塞控制策略和路由切換策略。一種車載通信網中基於模糊控制的TCP擁塞控制方法,第一模糊控制子系統FCl根據車載終端相對速度和距離進行模糊控制，得到關於路由穩定性的模糊集；將路由穩定性模糊集、相對往返時延變化率、短期吞吐量變化率輸入第二模糊控制子系統FC2 ；FC2根據模糊控制規則庫經過模糊推理得到丟包原因，並根據丟包原因確定鏈路狀態，根據鏈路狀態採取相應的TCP擁塞控制策略；根據VF-DSR路由協議進行路由建立及重建中，源節點更新路由表，獲取到達目的節點的所有路由，並基於模糊控制選擇最優路由。通過模糊控制將能夠反映鏈路狀態的多個參數綜合利用，包括相鄰節點的相對速度、相鄰節點的距離、相對往返時延變化率、短期吞吐量變化率，由此提出一種有效的丟包區分算法。基於模糊控制的丟包區分算法系統包括兩個模糊控制子系統FCl和FC2。FCl的作用是根據相對速度和距離進行模糊控制，得到一個關於路由穩定性的模糊集；路由穩定性模糊集與相對往返時延變化率、短期吞吐量變化率一同作為FC2的輸出參數，經過模糊推理得到丟包原因，並根據最終的輸出結果控制TCP的傳輸控制過程。當丟包發生後，TCP發送端通過模糊控制區分丟包原因並採取擁塞控制措施，若判斷丟包原因為鏈路擁塞，轉入普通的擁塞控制狀態(簡稱為擁塞控制狀態)；若判斷丟包原因為鏈路誤碼，轉入「壞」信道下的擁塞控制狀態(簡稱為「壞」信道狀態);若判斷丟包原因為鏈路斷開，轉入等停狀態，等待路由層完成切換後重傳丟包。若判斷丟包原因為鏈路斷開，觸發等停狀態，TCP發送端重置ssthresh (慢啟動門限)、cwnd (擁塞窗口)、rwnd (接收窗口)的值，並暫停發送數據，待路由重建成功後，網絡層發送端通過跨層通信通知TCP發送端路由重新建立成功，TCP發送端恢復重置之前記錄的ssthresh、cwnd、rwnd及SYN (序號同步)值，並減小cwnd為4/5cwnd後發送數據；若判斷丟包原因為鏈路誤碼，指示信道處於「壞」信道狀態，將ssthresh值修改為(4/5) *cwnd, cwnd重置為ssthresh+3,然後重傳丟失分組，每收到一個重複ACK時，ssthresh加I並發送I個報文段，當下一個新ACK到達時，置cwnd為ssthresh ;若判斷丟包原因為鏈路擁塞,進入擁塞控制狀態,根據TCPReno擁塞控制策略進行快速重傳及快速恢復。採用VF-DSR協議，在路由建立及重建過程中，源節點首先更新路由表，獲取到達目的節點的所有路由，並基於模糊控制選擇最優路由。VF-DSR選擇最優路由的準則為:①選擇路由穩定性為「非常穩定」或「比較穩定」的路由；②不選擇路由穩定性為「非常不穩定」的路由；③存在多條穩定性較好的路由時，選擇跳數最少的路由。採用本發明的TCP擁塞控制機制及路由改進策略(VF-TCP&VF-DSR)，在車載通信網環境下傳輸性能得到較大改善，有效解決車載通信網中由於不能區分鏈路擁塞、路由切換及誤碼丟包而造成的TCP傳輸性能降低問題。系統吞吐量得以提高且端到端時延有所降低，特別在節點高速移動、拓撲頻繁變化、信道質量不佳的環境下，其優勢更為明顯。


圖1是VF-TCP模糊控制總體框架；圖2是模糊控制過程示意圖；圖3是基於模糊控制的VF-TCP四狀態轉移圖；圖4是VF-TCP與TCPVeno平均吞吐量隨速度變化對比曲線；圖5是VF-TCP與TCPVeno平均端到端時延隨速度變化對比曲線。
具體實施例方式為了克服路由切換及誤碼丟包對車載通信網中TCP傳輸性能的影響，本發明提出一種車載通信網中基於模糊控制的TCP擁塞控制方法VF-TCP(VehicularFuzzy-controlTransmissionControlProtocol,車載模糊控制 TCP)及改進的路由協議 VF-DSR (VehicularFuzzy-controlDynamicSourceRouting,車載模糊控制DSR),採用模糊控制和跨層思想,提供一種有效的丟包區分算法，並改進TCP擁塞控制策略和路由切換策略，以解決車載通信網中由於不能區分鏈路擁塞、路由切換及誤碼丟包而造成的TCP傳輸性能降低。
以下通過附圖和具體實例對本發明的實施作進一步具體說明。包括如下部分:基於模糊控制的丟包區分算法、基於模糊控制及跨層設計的TCP擁塞控制策略、基於模糊控制的路由切換策略。一、基於模糊控制的丟包區分算法如圖1所示為本發明丟包區分算法的系統總體框架，該系統包括兩個模糊控制子系統FCl和FC2。第一模糊控制子系統FCl根據車載移動終端相對速度和距離進行模糊控制，建立路由穩定性模糊集。將路由穩定性模糊集與相對往返時延變化率、短期吞吐量變化率作為第二模糊控制子系統FC2的輸入參數，根據相鄰節點的相對速度、相鄰節點的距離、相對往返時延變化率、短期吞吐量變化率作為模糊推理的輸入參數，建立模糊控制規則庫，經過FC2模糊推理判斷丟包原因(Reason)，將丟包原因用於控制TCP的傳輸控制過程。並結合跨層方案來改進TCP擁塞控制策略和路由切換策略。FCl和FC2進行模糊控制的過程如圖2所示，包括模糊化、模糊知識庫、模糊推理以及反模糊化。下面進一步具體說明。模糊化處理採集節點U，j}的速度Vj5Vj ,根據公式:
權利要求
1.一種車載通信網中基於模糊控制的TCP擁塞控制方法，其特徵在於，第一模糊控制子系統FCl根據車載終端相對速度和距離進行模糊控制，得到關於路由穩定性的模糊集；將路由穩定性模糊集、相對往返時延變化率、短期吞吐量變化率輸入第二模糊控制子系統FC2 ；FC2根據模糊控制規則庫經過模糊推理得到丟包原因，並根據丟包原因確定鏈路狀態，根據鏈路狀態採取相應的TCP擁塞控制策略；根據VF-DSR路由協議進行路由建立及重建中，源節點更新路由表，獲取到達目的節點的所有路由，並基於模糊控制選擇最優路由。
2.根據權利要求1所述的TCP擁塞控制方法，其特徵在於，所述路由穩定性的確定具體為，取多跳路由中穩定性最低的一跳作為整條路由的穩定性，其論域為[O，1]，分為四個模糊集合:{非常不穩定VLR，較不穩定LR，一般穩定MR，非常穩定HR}。
3.根據權利要求1所述的TCP擁塞控制方法，其特徵在於，相對往返時延變化率的確定具體為:對速度變量的取值集合劃分為三個模糊集合:{SV (慢速)，MV (中速)，FV (快速)};將距離分為四個模糊集合:{SS (短距)，MS (中距)，LS (長距)，VLS (非 常長距)}，根據公式:
4.根據權利要求1一 3其中之一所述的TCP擁塞控制方法，其特徵在於，短期吞吐量 變化率的確足具體為，根據公式:
5.根據權利要求1一 3其中之一所述的TCP擁塞控制方法，其特徵在於，若丟包原因為鏈路斷開，則觸發等停狀態，TCP發送端重置慢啟動門限ssthresh、擁塞窗口 cwnd、接收窗口 rwnd的值，並暫停發送數據；待路由重建成功後，網絡層發送端通過跨層通信通知TCP發送端路由重新建立成功，TCP發送端恢復重置之前記錄的ssthresh、cwnd、rwnd及序號同步SYN值,並減小cwnd為4/5cwnd後發送數據；重傳成功後，恢復正常狀態。
6.根據權利要求1一 3其中之一所述的TCP擁塞控制方法，其特徵在於，若丟包原因為鏈路誤碼，則指示信道處於「壞」信道狀態；TCP發送端將ssthresh值修改為(4/5) *cwnd,cwnd重置為ssthresh+3，然後重傳丟失分組，每收到一個重複ACK時，ssthresh加I並發送I個報文段，當下一個新ACK到達時,置cwnd為ssthresh ;重傳成功後,恢復正常狀態。
7.根據權利要求1一 3其中之一所述的TCP擁塞控制方法，其特徵在於，若丟包原因為鏈路擁塞，則進入擁塞控制狀態；根據TCPReno擁塞控制策略進行快速重傳及快速恢復；重傳成功後，恢復正常狀態。
8.根據權利要求1一 3其中之一所述的TCP擁塞控制方法，其特徵在於，所述基於模糊控制選擇最優路由具體為:選擇路由穩定性為「非常穩定」或「比較穩定」的路由；不選擇路由穩定性為「非常不穩定」的路由；存在多條「非常穩定」或「比較穩定」的路由時，選擇跳數最少的路由；路由重建完成後，路由層通過跨層通信通知TCP發送端，收到路由應當分組RREP後，TCP發送端重 傳丟失的數據包並結束等停狀態。
全文摘要
本發明請求保護一種車載通信網中基於模糊控制的TCP擁塞控制方法，涉及無線通信領域。本發明採用模糊控制，引入相鄰節點的相對速度、相鄰節點的距離、相對往返時延變化率、短期吞吐量變化率作為模糊推理的輸入參數，建立模糊控制規則庫，通過模糊推理判斷丟包原因，並結合跨層方案改進TCP擁塞控制策略和路由切換策略，以對不同丟包原因採取不同的處理對策，同時增強路由穩定性，減少路由切換帶來的傳輸中斷，使得系統吞吐量及平均時延得到改善。本發明用於改善車載通信網中TCP傳輸性能，特別在節點高速移動、拓撲頻繁變化、信道質量不佳的環境下，優勢更為明顯。
文檔編號H04W40/04GK103209434SQ20131014263
公開日2013年7月17日 申請日期2013年4月23日 優先權日2013年4月23日
發明者謝顯中, 王昭然, 馬彬 申請人:重慶郵電大學