移動互聯(lián)網(wǎng)全網(wǎng)通模式的無線通信技術
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摘要：在計算機技術與通信技術飛速發(fā)展的今天，無線通信已成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚囊徊糠?，更多的用戶喜歡在移動設備上進行無線通信和多媒體應用。筆者提出了一種基于移動互聯(lián)網(wǎng)全網(wǎng)通模式的自適應無線通信技術，該技術通過分析不同路徑的可用寬帶大小，來調配當前路徑能夠發(fā)送的分組數(shù)量，并據(jù)此進行對應的路徑管理和分配。能夠對網(wǎng)絡情況進行分析，動態(tài)適應實時寬帶變化，利用該技術能夠提高傳輸速率、增加網(wǎng)絡吞吐量、提高網(wǎng)絡利用率、提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
關鍵詞：移動互聯(lián)網(wǎng)；自適應；路徑管理；可用帶寬
1引言
在計算機技術與通信技術飛速發(fā)展的今天，無線通信已成為了人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚囊徊糠?，更多的用戶喜歡在移動設備上進行無線通信和多媒體應用，因此，基于移動互聯(lián)網(wǎng)全網(wǎng)通模式的無線通信技術也受到了國內(nèi)外研究人員的廣泛關注[1]。在當前這種動態(tài)變化的多種網(wǎng)絡構成的無線環(huán)境中，采用何種方式為用戶提供高質量、穩(wěn)定度高、連續(xù)的業(yè)務是需要考慮的一個重大問題[2]。在無線通信技術中加入自適應技術，更能夠根據(jù)網(wǎng)絡的情況和用戶的實際需求調整業(yè)務質量，為用戶提供更好的通信服務。
2多路并行傳輸技術
傳統(tǒng)的單路無線通信方式已無法滿足當前人們在視頻應用方面的需求，同時由于現(xiàn)在的終端設備一般都采用多種網(wǎng)絡接口，如3G、4G、無線網(wǎng)絡等，利用多路并行傳輸技術，將通信數(shù)據(jù)進行無線傳輸成為了一種必然趨勢[3]。采用多路并行傳輸技術，不僅能夠提高傳輸速率、增加網(wǎng)絡吞吐量、提高網(wǎng)絡利用率，同時還能夠提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
2.1多路并行傳輸協(xié)議MPTCP
MPTCP協(xié)議是TCP協(xié)議的擴展協(xié)議[4]，能夠支持多路并行傳輸、增加網(wǎng)絡吞吐量、提高網(wǎng)絡利用率和可靠性。MPTCP使用了子流（Subflow）的概念，子流指的是源地址與目的地址之間的通信路徑。MPTCP能夠確定子流中的源地址和目的地址位置和端口號[5]，還能夠對子流進行具體管理，例如創(chuàng)建、修改和刪除子流。該協(xié)議采用的調度算法是RoundRobin輪詢機制[6]。MPTCP協(xié)議的優(yōu)點是實現(xiàn)簡單，缺點就是沒有將多條路徑在不同方面的差異考慮在內(nèi)[7]。因此，就需要具體改善該協(xié)議的分組調度、子流管理等方面內(nèi)容。
2.2可用帶寬估計算法
路徑帶寬表征的是在當前路徑下每個單位時間內(nèi)所能夠提供的最大傳輸速率，通常是將所有路徑中帶寬最小的路徑作為路徑帶寬。路徑的可用帶寬表示的是當前路徑在這一時刻能夠為所需業(yè)務提供低于其他業(yè)務速率的最大傳輸速率[8]。由此可見，路徑帶寬和網(wǎng)絡負載狀況直接影響該路徑的可用帶寬，并且可用帶寬的值與時間有關，因此，對可用帶寬的測量需要考慮多方面的因素[9]。
3基于MPTCP的多路并行傳輸系統(tǒng)結構
根據(jù)多路并行傳輸?shù)木W(wǎng)絡結構，提出了一種基于移動互聯(lián)網(wǎng)全網(wǎng)通模式的自適應無線通信技術，該技術通過分析不同路徑的可用寬帶大小，來調配當前路徑能夠發(fā)送的分組數(shù)量，并據(jù)此進行對應的路徑管理和分配。能夠對網(wǎng)絡情況進行分析，動態(tài)適應實時寬帶變化，利用該技術能夠提高傳輸速率、增加網(wǎng)絡吞吐量、提高網(wǎng)絡利用率[10]。
3.1基于可用帶寬估計的自適應調度算法
本文采用的算法結構如圖2所示。從圖2中可以看出流媒體服務器包含了三個主要模塊，分別為子流管理、分組調度和路徑監(jiān)控。接收端的兩個模塊分別起到緩存管理和流量控制的作用。路徑狀況監(jiān)測模塊能夠對各個路徑的流量信息和寬帶大小進行監(jiān)控。流量管理模塊能夠動態(tài)管理子流，根據(jù)可用寬帶的大小和限制額度來對子流進行自適應調度。分組調度模塊能夠根據(jù)子流可用帶寬大小對其進行分組，然后為每個子流分配適當?shù)姆纸M數(shù)。接收端的緩存管理作用是對已收到的分組進行排序處理，然后根據(jù)排序調整輸出隊列的大小，流量控制的作用是控制子流輸出的流量和時間。本文研究的自適應無線通信技術主要涉及發(fā)送端的子流管理和接收端的排序接受方面。
3.2發(fā)送端子流管理和分組調度
（1）子流管理作用。發(fā)送端能夠根據(jù)路徑情況進行自適應調度，選擇最佳的傳輸路徑。在這里假設當前一共有k條子流路徑S1,S2,…,Sn，而這些路徑中只有一部分路徑能夠符合傳輸要求。首先需要做的就是先要確定哪些子流路徑能夠進行傳輸，采用可用帶寬來評定該路徑是否能夠傳輸。假定每個子流路徑的可用寬帶為Bi，帶寬上限和下限門限分別為Bh和Bl。Bh代表的是一路傳輸視頻不會產(chǎn)生丟包的閾值。當該路徑的可用帶寬Bi大于Bh時，就能夠將這條路徑歸為可用路徑，同時也不需要檢查剩余路徑的帶寬情況，并可以將剩余路徑從可用路徑集中移除，這樣就可以直接利用該路徑傳輸所需數(shù)據(jù)，剩余路徑可以用于傳輸其他數(shù)據(jù)。如果當前路徑的可用帶寬小于Bh但是大于Bi，代表該路徑能夠滿足多路并行傳輸?shù)男枨蟆l表征的是某一條路徑在滿足傳輸需求時丟包率低于1%。當該路徑的可用帶寬Bi小于Bl時，表示該路徑無法滿足傳輸數(shù)據(jù)的需求，丟包率較高，也就是說該路徑不應加入可用路徑中，或者應從可用路徑集中移除。根據(jù)上述規(guī)則可以得到可用路徑集P1,P2,…,Pr，對應的可用帶寬分別為B1,B2,…,Br。對于路徑可用帶寬的估計采用TCPWestwood算法，可以計算得到單位時間內(nèi)發(fā)送端發(fā)送的分組個數(shù)，然后乘以分組的大小，就能夠得到最終的可用帶寬值。同時為了能夠根據(jù)帶寬情況進行動態(tài)估計，需要采集不同時間的多個帶寬值，最后計算得到的可用帶寬表示為Bi=a*Bi+(1-a)*Bi，其中a=0.875。（2）分組調度作用。當多路進行同時傳輸時，能夠選取可用路徑集中的若干條路徑并行傳輸數(shù)據(jù)，同時需要根據(jù)各個路徑的可用帶寬情況合理分配分組數(shù)，路徑的可用帶寬較大時，將為其分配較多的分組數(shù)，同理當可用帶寬較小時，分組數(shù)降低，保證傳輸過程中各個路徑的負載均衡，使得整個傳輸?shù)膩G包率和重傳率大大降低。在這里設定數(shù)據(jù)采用恒定不變的速率進行發(fā)送，每次發(fā)送的數(shù)據(jù)量恒定為N，并且設定每個分組的長度相同并且固定，第一步需要計算得到每條可用路徑帶寬之間的比值，并進行歸一化B1:B2…:Br=t1:t2…:tr，歸一化之后，可用帶寬比值之和為t1+t2+…tr=1。假設每個路徑的N個分組都需要n輪調度，在每一輪調度的過程中都分配了1rskksMN個分組，其中k=1,2,…,n，而且所有調度包含的分組數(shù)總和為N。調度利用均勻輪詢調度的方式，能夠很大程度上提高接收端進行排序的效率。根據(jù)每輪發(fā)送的分組數(shù)量Mk，可以得到路徑s的第j輪發(fā)送的分組個數(shù)，可以用下面的公式表示：1*1,2,,1,2,,sjsknssjkNtMknNNsr（1）在這里需要使得每輪調度的分組數(shù)低于發(fā)送窗口大小。而且如果其中一條路徑?jīng)]有按照規(guī)定時間接收到其中某一個分組的確認ACK消息時，就會對當前可用的路徑進行輪詢操作，當某個發(fā)送窗口沒有數(shù)據(jù)時，就會優(yōu)先分配該分組，將其分配到緩沖區(qū)域進行發(fā)送處理。如果發(fā)送窗口不為空，就會對當前各個路徑的rtt值進行比較，將這個分組分配到rtt值最小的傳輸線路上，采用這種方式就能夠在最短時間內(nèi)將需要重新發(fā)送的分組，利用延時最小的路徑進行發(fā)送，從而避免丟包，降低系統(tǒng)的緩存成本。當全部分組確認消息都已接收到之后，就會將這一輪詢的分組刪除，然后進行下一輪的調度過程。
3.3接收端緩存開銷與流量控制
（1）緩沖開銷作用。接收端能夠利用緩沖隊列使得已發(fā)送的分組能夠成功到達接收端的緩存部位，并且使得接收端的緩存盡可能小，從而能夠降低成本、節(jié)約傳輸資源。通常情況下，將接收端的緩存大小設定為BuffersSize=max2**iiBWrtt，其中BWi表示的是對應子流的帶寬，rttmax表示的是可用傳輸子流rtt中的最大值。（2）流量控制與分組交付。通常情況下，都會盡可能提高傳輸速率，但是在實際過程中，一旦發(fā)送端的發(fā)送速率過快，接收端就無法及時接收數(shù)據(jù)，這就使得分組丟失。當某一條路徑產(chǎn)生分組丟失現(xiàn)象時，采用并行多路傳輸?shù)氖侄危渌窂降臄?shù)據(jù)就要等待該路徑重傳接收之后才能夠進行交付。如果發(fā)送端的速率一直居高不下，就會使得分組丟失過多，大量積壓在接收端的緩存當中。這時就需要通過流量控制來保障分組發(fā)送的數(shù)據(jù)不超過一定限度。以往采用最多的TCP協(xié)議是利用滑動窗口的機制控制流量，其機理就是使得發(fā)送方的發(fā)送窗口數(shù)低于接收方已設定的接收窗口數(shù)。但是采用TCP窗口滑動機制仍然存在隊頭堵塞和糊涂窗口的問題。為了能夠使得流量控制更加符合實際需求，并解決TCP滑動窗口機制現(xiàn)存的這些問題，采用如下方法：當某條傳輸速率的接收緩存將要溢出時，即便分組是雜亂無章的，依舊向總接受隊列提交分組請求。并且在此時將sack中的awnd設置為原緩存大小的β。在這里，采用平滑控制的方式，具體算法流程如下：算法流程1路徑s接收到分組seq2ifseq==nextExpSeq：3將該分組從路徑S的接收緩沖中放入接收隊列中4nextExpSeq=nextExpSeq+15elseifseq>nextExpSeq6ifls≥αLs7將該緩沖區(qū)中的δ個分組移至輸出隊列8awnd=(ls－Ls)*β9else：10將該分組放入路徑S的接收緩沖中11awnd=ls－Ls12endif13else：14丟棄當前分組15endif16必要時發(fā)送ack確認，包含awnd值其中seq表示分組隊列的序號，nextseq表示下一次分組隊列的序號，Ls表示總緩沖隊列，ls表示當前隊列的分組，接收端確認窗口的大小為awnd。
4結語
本文提出了一種基于移動互聯(lián)網(wǎng)全網(wǎng)通模式的自適應無線通信技術，該技術通過分析不同路徑的可用寬帶大小，來調配當前路徑能夠發(fā)送的分組數(shù)量，并據(jù)此進行對應的路徑管理和分配。能夠對網(wǎng)絡情況進行分析，動態(tài)適應實時寬帶變化，利用該技術能夠提高傳輸速率、增加網(wǎng)絡吞吐量、提高網(wǎng)絡利用率，為移動互聯(lián)網(wǎng)全網(wǎng)通模式提供了可行的無線通信方式，能夠提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
參考文獻
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作者:溫思行 單位:東莞供電局
