無(wú)線通信系統(tǒng)中基于嚖層優(yōu)化的TCP協(xié)議研究.pdf

1、TCP(Transmisson Control Protocol)協(xié)議是目前網(wǎng)絡(luò)通信中廣泛采用的傳輸層控制協(xié)議，它為用戶提供了可靠、健壯的端到端數(shù)據(jù)通信服務(wù)，在保障網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量方面起著非常重要的作用。TCP協(xié)議最初是在有線網(wǎng)絡(luò)中提出的，而無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的誤比特率高、高時(shí)延、帶寬有限、移動(dòng)性等特點(diǎn)使得TCP協(xié)議性能?chē)?yán)重下降?？鐚勇?lián)合優(yōu)化(Cross-layer Optimization)作為未來(lái)通信發(fā)展的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，打破了傳統(tǒng)OSI模型(Op

2、en System Interconnection)中嚴(yán)格的分層結(jié)構(gòu)，讓各子層相互共享關(guān)聯(lián)信息，以全局的方式優(yōu)化系統(tǒng)性能，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的最優(yōu)分配?？梢?jiàn)，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，基于跨層聯(lián)合優(yōu)化的思想，將上層用戶QoS(Quality of Service)要求和下層網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息反饋給傳輸層，傳輸層協(xié)議根據(jù)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)情況調(diào)整控制機(jī)制，對(duì)有效改善無(wú)線寬帶網(wǎng)絡(luò)性能具有重要的意義。因此，本論文以信息論和優(yōu)化理論為基礎(chǔ)，基于跨層聯(lián)合優(yōu)化思想，從理論分析和實(shí)際

3、應(yīng)用兩方面對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中TCP協(xié)議進(jìn)行了深入研究，提出無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中保證QoS的跨層聯(lián)合優(yōu)化理論框架，并針對(duì)速率控制、擁塞控制、DCF機(jī)制等關(guān)鍵技術(shù)提出了TCP協(xié)議的跨層優(yōu)化方案，為下一代無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的跨層協(xié)議設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)基礎(chǔ)。論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　 第一，基于網(wǎng)絡(luò)效用最大化理論(Netowrk Utility Maximization-NUM)，對(duì)跨層優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，提出了一種保證應(yīng)用端到端的QoS

4、服務(wù)質(zhì)量的跨層聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)理論框架。該框架是對(duì)跨層優(yōu)化涉及到的應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層和物理層進(jìn)行了簡(jiǎn)單而合理的數(shù)學(xué)建模，然后將上述復(fù)雜的通信問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)效用函數(shù)最大化問(wèn)題，并利用凸優(yōu)化理論求解全局最優(yōu)解，即把多層間聯(lián)合最優(yōu)問(wèn)題轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)優(yōu)化問(wèn)題。然后利用拉格朗日對(duì)偶法將全局優(yōu)化問(wèn)題分解為多個(gè)子問(wèn)題，例如糾錯(cuò)編碼、功率分配、端到端時(shí)延控制問(wèn)題等，這子問(wèn)題可在各子層分布式地解決，從而得到全局最優(yōu)。此框架是跨層優(yōu)化的方法論，用于分析

5、不同網(wǎng)絡(luò)(例如Ad hoc網(wǎng)，Mesh網(wǎng)等)在不同的約束條件下的性能最優(yōu)(例如吞吐量最大化、網(wǎng)絡(luò)存活時(shí)間最大化、容量最大化等)，具有一定的理論意義。
　　 第二，根據(jù)本文提出的跨層聯(lián)合優(yōu)化理論框架，在多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，提出了一種保證多媒體應(yīng)用QoS要求的TCP端到端最佳速率控制方案。此方案是以保證用戶時(shí)延要求為目標(biāo)，基于傳輸層擁塞狀態(tài)，將物理層功率控制和MAC層接入競(jìng)爭(zhēng)聯(lián)合考慮的端到端速率控制算法，最大限度地提高網(wǎng)絡(luò)的整體吞吐

6、量。此算法是完全分布式的，具有良好的可擴(kuò)展性。在研究方法上，采用了前面提出的跨層優(yōu)化理論框架進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，利用凸優(yōu)化理論工具對(duì)規(guī)劃出的優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行理論分析，得到最優(yōu)的TCP速率控制方案。
　　 第三，基于帶寬測(cè)量技術(shù)，提出了一種無(wú)線環(huán)境下跨層TCP擁塞控制機(jī)制-TCP_ABE(TCP with Adaptive Bandwidth Estimation)。在TCP_ABE中，通過(guò)探測(cè)TOP確認(rèn)信號(hào)ACK返回速率和往返時(shí)間RTT，

7、結(jié)合鏈路擁塞和物理層突發(fā)錯(cuò)誤分布，計(jì)算帶寬樣本，估計(jì)無(wú)線鏈路動(dòng)態(tài)可用帶寬。這種估計(jì)方法對(duì)于丟包類(lèi)型(擁塞丟包或誤碼丟包)具有魯棒性。基于上述可用帶寬估計(jì)算法，實(shí)時(shí)探測(cè)鏈路可用帶寬和信道狀態(tài)，若是擁塞丟包嚴(yán)重時(shí)，則動(dòng)態(tài)調(diào)整慢啟動(dòng)閥值(Ssthresh)、發(fā)送速率等參數(shù)，保證資源的有效利用，提高系統(tǒng)性能；若短期內(nèi)誤碼丟包變得較為嚴(yán)重時(shí)，降低數(shù)據(jù)的發(fā)送速率，減少誤碼丟包的數(shù)量，從而有效的提高系統(tǒng)可靠性，減少了系統(tǒng)不必要的能源消耗，保證用戶的Q

8、oS。仿真結(jié)果證明，TCP_ABE算法使系統(tǒng)的可靠性、吞吐量、時(shí)延方面的性能均有較大提升。
　　 最后，IEEE802.11協(xié)議在解決MAC層接入碰撞問(wèn)題時(shí)，沒(méi)有考慮接入時(shí)延以及碰撞丟包對(duì)上層協(xié)議性能的影響。在高負(fù)載情況下，多個(gè)節(jié)點(diǎn)激烈競(jìng)爭(zhēng)信道，頻繁碰撞導(dǎo)致接入時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或者M(jìn)AC幀的丟棄，易造成TCP擁塞控制的誤啟動(dòng)，使得TCP的擁塞窗口急劇振蕩引起系統(tǒng)吞吐量下降或不穩(wěn)定。本文最后針對(duì)以上問(wèn)題，從跨層優(yōu)化的角度，分析了物理信道狀

9、態(tài)、鏈路層接入方式對(duì)TCP擁塞控制的影響，基于物理層衰落統(tǒng)計(jì)特性和誤碼率，對(duì)IEEE802.11 DCF的跨層設(shè)計(jì)進(jìn)行理論建模，推導(dǎo)出一種物理層信道狀態(tài)參數(shù)與鏈路層包長(zhǎng)和吞吐量之間的通用關(guān)系式。基于以上數(shù)學(xué)模型，提出了一種基于跨層聯(lián)合優(yōu)化的IEEE802.11 DCF的自適應(yīng)退避算法-ACWB(Adaptive Contention Window Backoff)，此方案可以根據(jù)物理信道的狀態(tài)信息，自適應(yīng)的調(diào)節(jié)包長(zhǎng)和競(jìng)爭(zhēng)窗口的大小，以獲