CN111464437B - 一种车载异构网络中基于前向时延的多径传输路径优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种车载异构网络中基于前向时延的多径传输路径优化方法，首先，将所有传输路径两辆进行比较，计算得到不同路径之间的前向时延差；根据吞吐量预测和可用带宽对路径进行筛选；然后，输入所有传输路径，通过比较前向时延差得到前向时延最短的路径；将发送缓冲区的数据分区为数据包，每个数据包的大小等于路径的消息段大小；最后，在得到的前向时延小的路径上发送分区后序列号低的数据包。本发明在接收器处可以明显的降低数据包的乱序问题，可以提高***的总吞吐量，提高网络利用率。

Description

一种车载异构网络中基于前向时延的多径传输路径优化方法

技术领域

本发明属于车联网技术领域，具体涉及一种车载异构网络中基于前向时延的多径传输路径优化方法。

背景技术

近年来，随着工业技术和互联网技术的不断发展，硬件设备成本大大降低和网络设备普及越来越广，越来越多的终端设备装有多个网络接口，同时，装备在车辆上的网络接口也越来越复杂多样。新一代的车载网络可以实现移动过程中车辆之间的通信，以及低速移动或者静止时车辆与路边基础设施之间的通信，能为车辆提供各种车辆安全消息传输、智能交通信息业务、多媒体数字业务等。多路径传输可以通过提高信道资源利用率从而来提高数据传输效率，因此，将多路径传输应用于车载异构网络中可以提高吞吐量。

使用多路径传输的主要挑战之一是接收方数据包乱序问题。使用多个路径传输时需要用到分组调度器，分组调度器决定选择的路径和发送的数据包。多径传输作为一种可靠的方法需要确保接收方收到的数据包的顺序与发送方相同。传统的多径传输中使用的Round-Robin算法不考虑子流之间带宽、时延等参数的差异性，依次向每个子流发送数据包。因为车载异构网络中不同路径的延迟、带宽等参数各不相同，接收方收到的数据包就会乱序，这就需要对数据包重新排序。这些无序分组就会被累积在有限的接收缓冲器中，并且有可能会导致缓冲区阻塞并会影响车辆之间的通信性能。所以，需要设计一种有效的路径调度优化方法来避免较少的重新排序工作，并且可以防止多径传输的性能降低。

发明内容

发明目的：本发明提出一种车载异构网络中基于前向时延的多径传输路径调度优化方法，不仅在接收器处可以明显的降低数据包的乱序问题，还可以提高***的总吞吐量，提高网络利用率。

发明内容：本发明提出一种车载异构网络中基于前向时延的多径传输路径调度优化方法，包括以下步骤：

(1)将所有传输路径两辆进行比较，计算得到不同路径之间的前向时延差；

(2)根据吞吐量预测和可用带宽对路径进行筛选；

(3)输入所有传输路径，通过比较前向时延差得到前向时延最短的路径；

(4)将发送缓冲区的数据分区为数据包，每个数据包的大小等于路径的消息段大小；

(5)在步骤(3)得到的前向时延小的路径上发送步骤(4)分区后序列号低的数据包。

进一步地，所述步骤(1)的实现过程如下：

表示发送方在时间

经路径1将分组1发送到接收方，

表示发送方在时间

将分组2经路径2发送到接收方，Δs表示两个数据包发送时间差，利用公式(1)可以算出两个数据包的发送时间差：

表示接收方在时间

接收到路径1发送的数据包1，

表示接收方在时间

接收到路径2发送的数据包2，Δr表示两个数据包的接收时间差，通过公式(2)以计算得到两个数据包的接收时间差：

令ΔT＝clkS-clkT为发送和接收双方之间的时钟差，T₁表示数据包1的前向时延，通过公式(3)计算出数据包1的前向延迟，同理利用公式(4)计算出数据包2的前向延迟，最后通过公式(5)可以得到两条路径之间的前向时延差Δp：

Δp＝T₁-T₂ (5)

进一步地，所述步骤(2)包括以下步骤：

(21)基于RTT和丢包率的预测吞吐量公式为：

其中，RTT为路径的往返时间，d为丢包率，b为收到ACK确认的分组数量，这里令d等于1；

(22)设P₀＝{1,2，...，n}代表所有的可用路径，路径的参数分别为：RTT_i为可用路径i的来回往返时间，d_i为路径i的丢包率，BW_i为路径的i的可用带宽，最大的吞吐量为：

在最佳路径的可用带宽有限的情况下，则有：

C_k＝C_max且C_k＞BW_k (8)

其中，C_k为路径k的吞吐量，BW_k为路径k的可用带宽，路径k的吞吐量等于最大的吞吐量，并且其吞吐量大于其可用带宽，则筛选后路径集合为：

P＝{k|C_k＝C_max且C_k＞BW_k}。 (9)

进一步地，所述步骤(3)包括以下步骤：

(31)输入筛选后的路径集合P，并且每条路径对应一个标记变量Sum，让路径p_i与其他路径p_j∈p进行比较；

(32)若Δp_ip_j<0，则路径p_i对应的标记变量Sum[i]加1，若Δp_ip_j>0，则路径p_j对应的标记变量Sum[j]加1，若Δp_ip_j＝0，则创建一个随机变量伯努利因子来决定哪条路径对应的标记变量加1；

(33)输出最大的标记变量Sum值，输出的标记变量对应的路径就是最佳路径。

进一步地，所述步骤(5)实现过程如下：

选择具有较低序列号的数据包以在具有较小前向延迟的路径上发送，当路径i上的子流需要传输数据时，调度程序将根据公式(10)在发送缓冲区中的索引idx_i处选择数据包：

其中，Δp_i,p_j为路径i和路径j之间的前向时延差，x_i是路径i的平均吞吐量，在发送一个数据包之后，具有较高索引的其他数据包将被移位以填充缓冲区。

有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：现在车载通信设备越来越多，并且网络资源越来越稀缺，利用终端的多接口特性并协同多个终端将业务拆分成多个子流进行传输。在不同带宽和延迟条件下，通过NS-3仿真，将本发明与FIFO、MTCS、Kim-2012对比，仿真结果显示本发明不仅可以显著减少重新排序缓冲区的占用，也提高了***的整体吞吐量，从而提高网络利用率，节省网络资源。

附图说明

图1为前向时延差异拓扑图；

图2为比较前向时延差得到前向时延最短的路径算法流程图；

图3为数据包分配图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出了一种车载异构网络中基于前向时延的多径传输路径优化方法，具体包括以下步骤：

步骤1：将所有传输路径两辆进行比较，计算得到不同路径之间的前向时延差。

如图1所示，

表示发送方(S)在时间

经路径1将分组1发送到接收方，

表示发送方在时间

将分组2经路径2发送到接收方，Δs表示两个数据包发送时间差，利用公式(1)可以算出两个数据包的发送时间差。

表示接收方在时间

接收到路径1发送的数据包1，

表示接收方在时间

接收到路径2发送的数据包2，Δr表示两个数据包的接收时间差，通过公式(2)以计算得到两个数据包的接收时间差。

令ΔT＝clkS-clkT为发送和接收双方之间的时钟差，T₁表示数据包1的前向时延，通过公式(3)计算出数据包1的前向延迟，同理利用公式(4)计算出数据包2的前向延迟，最后通过公式(5)可以得到两条路径之间的前向时延差Δp。

Δp＝T₁-T₂ (5)

步骤2：根据吞吐量预测和可用带宽对路径进行筛选。

首先基于RTT和丢包率的预测吞吐量公式为：

RTT为路径的往返时间，d为丢包率，b为收到ACK确认的分组数量，这里令d等于1。根据此公式可以预测各个路径的吞吐量。

设P₀＝{1,2，...，n}代表所有的可用路径，路径的参数分别为：RTT_i为可用路径i的来回往返时间，d_i为路径i的丢包率，BW_i为路径的i的可用带宽。

最大的吞吐量为：

在最佳路径的可用带宽有限的情况下，则有：

C_k＝C_max且C_k＞BW_k (8)

其中，C_k为路径k的吞吐量，BW_k为路径k的可用带宽，路径k的吞吐量等于最大的吞吐量，并且其吞吐量大于其可用带宽，则筛选后路径集合为：

P＝{k|C_k＝C_max且C_k＞BW_k} (9)

步骤3：输入所有传输路径，通过比较前向时延差得到前向时延最短的路径。

如图2所示，首先输入筛选后的路径集合P，并且每条路径对应一个标记变量Sum，让路径p_i与其他路径p_j∈p进行比较。

若Δp_ip_j<0，则路径p_i对应的标记变量Sum[i]加1，若Δp_ip_j>0，则路径p_j对应的标记变量Sum[j]加1，若Δp_ip_j＝0，则创建一个随机变量伯努利因子来决定哪条路径对应的标记变量加1。

输出最大的标记变量Sum值，输出的标记变量对应的路径就是最佳路径。

步骤4：将发送缓冲区的数据分区为数据包，每个数据包的大小等于路径的消息段大小。

假设多径传输发送方使用子流之间共享的发送缓冲区，来自应用层的数据足以填充缓冲区。将发送缓冲区中的数据分区为数据包，每个数据包的大小等于路径的MSS(消息段大小)。将发送缓冲区中的数据分区为数据包，每个数据包的大小等于路径的MSS(消息段大小)。

步骤5：在步骤3得到的前向时延小的路径上发送步骤4分区后序列号低的数据包.

选择具有较低序列号的数据包以在具有较小前向延迟的路径上发送，特别是，当路径i上的子流需要传输数据时，调度程序将根据公式(10)在发送缓冲区中的索引idx_i处选择数据包：

其中，x_i是路径i的平均吞吐量(字节/秒)，路径i始终在索引0处选择数据包。在发送一个数据包之后，具有较高索引的其他数据包将被移位以填充缓冲区，如图3所示。分组调度算法采用Pull机制，也就是说，生成的数据分组被存储在发送缓冲器中并且仅当子流具有用于发送数据的打开窗口时，例如，在接收到ACK之后才被分配给子流。

Claims (2)

1.一种车载异构网络中基于前向时延的多径传输路径优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将所有传输路径两两进行比较，计算得到不同路径之间的前向时延差；

(2)根据吞吐量预测和可用带宽对路径进行筛选；

(3)输入所有传输路径，通过比较前向时延差得到前向时延最短的路径；

(4)将发送缓冲区的数据分区为数据包，每个数据包的大小等于路径的消息段大小MSS；

(5)在步骤(3)得到的前向时延小的路径上发送步骤(4)分区后序列号低的数据包；

所述步骤(1)的实现过程如下：

表示发送方在时间

经路径1将分组1发送到接收方，

表示发送方在时间

将分组2经路径2发送到接收方，△s表示两个数据包发送时间差，利用公式(1)可以算出两个数据包的发送时间差：

表示接收方在时间

接收到路径1发送的数据包1，

表示接收方在时间

接收到路径2发送的数据包2，△r表示两个数据包的接收时间差，通过公式(2)以计算得到两个数据包的接收时间差：

令△T＝clkS-clkT为发送和接收双方之间的时钟差，T₁表示数据包1的前向时延，通过公式(3)计算出数据包1的前向延迟，同理利用公式(4)计算出数据包2的前向延迟，最后通过公式(5)可以得到两条路径之间的前向时延差△p：

△p＝T₁-T₂； (5)

所述步骤(2)包括以下步骤：

(21)基于RTT和丢包率的预测吞吐量公式为：

其中，RTT为路径的往返时间，d为丢包率，b为收到ACK确认的分组数量，这里令d等于1；

(22)设P₀＝{1,2，...，n}代表所有的可用路径，路径的参数分别为：RTT_i为可用路径i的来回往返时间，d_i为路径i的丢包率，BW_i为路径的i的可用带宽，最大的吞吐量为：

在最佳路径的可用带宽有限的情况下，则有：

C_k＝C_max且C_k>BW_k (8)

其中，C_k为路径k的吞吐量，BW_k为路径k的可用带宽，路径k的吞吐量等于最大的吞吐量，并且其吞吐量大于其可用带宽，则筛选后路径集合为：

P＝{k|C_k＝C_max且C_k>BW_k}； (9)

所述步骤(5)实现过程如下：

选择具有较低序列号的数据包以在具有较小前向延迟的路径上发送，当路径i上的子流需要传输数据时，调度程序将根据公式(10)在发送缓冲区中的索引idx_i处选择数据包：

其中，△p_i,p_j为路径i和路径j之间的前向时延差，x_i是路径i的平均吞吐量，在发送一个数据包之后，具有较高索引的其他数据包将被移位以填充缓冲区。

2.根据权利要求1所述的一种车载异构网络中基于前向时延的多径传输路径优化方法，其特征在于，所述步骤(3)包括以下步骤：

(31)输入筛选后的路径集合P，并且每条路径对应一个标记变量Sum，让路径p_i与其他路径p_j∈p进行比较；

(32)若△p_ip_j<0，则路径p_i对应的标记变量Sum[i]加1，若△p_ip_j>0，则路径p_j对应的标记变量Sum[j]加1，若△p_ip_j＝0，则创建一个随机变量伯努利因子来决定哪条路径对应的标记变量加1；

(33)输出最大的标记变量Sum值，输出的标记变量对应的路径就是最佳路径。

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