[发明专利]一种多路径并行传输系统有效吞吐量的优化方法

摘要

本发明涉及一种多路径并行传输系统有效吞吐量的优化方法，属于通信技术领域。该方法包括以下步骤：步骤1)在多路径并行传输系统中，利用卡尔曼滤波算法对各条并发链路上的传播时延进行估计；步骤2)推导出多路径并行传输系统中数据包有序传输约束条件；步骤3)根据推导出的传播时延估计结果和数据包有序传播的约束条件，对发送端的拥塞窗口进行调整。本发明提供的一种多路径并行传输系统有效吞吐量的优化方法，能够根据传播时延估计和数据包有序传播约束条件，自适应地调整各子流的拥塞窗口大小，从而均衡各链路上的负载，减小并发链路间的最大时延差，减少数据包乱序，提高多路径并行传输系统有效吞吐量。

主权项

1.一种多路径并行传输系统有效吞吐量的优化方法，其特征在于：在该方法中，多路径并行传输系统在发送端与接收端之间存在N条相互独立的传输路径，分别为L₁,L₂,...,L_i,...L_N，N≥2；各条路径上端到端的路径传播时延满足d(1)≤d(2)≤...d(i)...≤d(N)；该方法包括以下步骤：S1：在多路径并行传输系统中，运用时延估计算法，估计出当前时刻的最优估计值；S2：根据数据包有序传输的约束条件d(i)≥d(i‑1)‑Δ_T(i)和步骤S1中估计出的 当前时刻的最优估计值，调节各条路径上的拥塞窗口，减小不同路径上的端到端时延差，提高在异构网络环境下的多路径并行传输有效吞吐量；其中d(i)表示路径i上的传播时延，Δ_T(i)表示发送端路径i上的数据包发送间隔；所述步骤S1具体包括以下步骤：S11：采用卡尔曼滤波算法对离散系统的状态进行最优估计，线性随机微分方程的形式为：X(k)＝AX(k‑1)+BU(k‑1)+W(k‑1)，系统状态的测量值描述为：Z(k)＝HX(k)+V(k)，其中，X(k)和X(k‑1)分别是k时刻和k‑1时刻端到端时延的真实值，U(k‑1)是k‑1时刻系统的控制量；A、B均为目标系统的参数，若目标系统是多模型系统，则A和B是矩阵的形式；Z(k)是k时刻系统状态的时延测量值，H是测量系统的参数，若是多测量系统，则同理H是矩阵的形式；W(k‑1)是端到端时延的高频噪声分量，而V(k)表示端到端时延测量值的噪声，两者均为高斯白噪声，方差分别是Q和R；S12：假设端到端传输时延是一个常量信号与一个高频变化的分量之和，该高频变化的分量是一个高斯白噪声，则端到端时延表示为：X(k)＝X(k‑1)+W(k‑1)，Z(k)＝X(k)+V(k)，其中，X(k)和Z(k)分别表示k时刻端到端时延的真实值和系统状态的时延测量值；W(k)代表端到端时延的高频噪声分量，满足方差为Q的高斯分布，即W(k)～N(0,Q)；V(k)表示端到端时延测量值的噪声，满足方差为R的高斯分布，即V(k)～N(0,R)；S13：更新当前时刻的时延估计值：X(k|k‑1)＝X(k‑1|k‑1)，P(k|k‑1)＝P(k‑1|k‑1)+Q；更新估计误差：X(k|k)＝X(k|k‑1)+Kg(k)(Z(k)‑X(k|k‑1))，P(k|k)＝(1‑Kg(k))P(k|k‑1)；其中，X(k|k‑1)是根据k‑1时刻的状态预测得到的k时刻端到端时延的先验估计，X(k‑1|k‑1) 是k‑1时刻的最优估计；P(k|k‑1)是X(k|k‑1)对应的估计误差，类似的，P(k‑1|k‑1)是X(k‑1|k‑1)对应的估计误差；而更新估计误差阶段根据当前时刻的时延估计值对先验估计值及其估计误差进行修正，得到当前时刻的时延最优估计值，作为下一次估计的依据；Kg为卡尔曼增益(Kalman Gain)，Z(k)是k时刻系统状态的时延测量值，由SACK(Selective ACK)报文中包含的信息计算得出；S14：取最新的时延测量值作为时延估计初值X(0|0)，并输入估计误差的初值P(0|0)，取任意非零值，根据X(k|k‑1)＝X(k‑1|k‑1)得到当前时刻的时延最优估计值；所述步骤S2具体包括以下步骤：S21：根据当前时刻的时延最优估计值，更新时延系数θ，其中，d_max为当前时刻的时延最优估计值中最大值，d_min为当前时刻的时延最优估计值中最小值；S22：定义两个阈值θ₀和θ_max，阈值θ₀定义为：当θ＞θ₀时，表示当前不同路径上时延差距较大，有可能会导致数据乱序现象的发生，由于数据包i的发送路径与所采用的数据分流策略有关，因此为了保证满足数据包有序传输约束条件，要求所有路径上的发送间隔都要满足：d(i)≥d(i‑1)‑(T(i)‑T(i‑1))＝d(i‑1)‑Δ_T(i)，因此有：其中，T(i)表示路径i接收到一个完整有序的数据块所花费的时间，Δ_T(i)表示发送端路径i上的数据包发送间隔，min(Δ_T)表示所有路径中最小的数据包发送间隔；阈值θ_max的定义是，当θ＞θ_max时，表示当前路径时延差异非常大，传输过程中数据乱序现象严重，很有可能会导致接收端缓存阻塞，因此选择接收端的缓存大小作为θ_max计算的参考标准，记接收端缓存中能够容纳的数据包个数为N_Buffer，S23：判断θ与θ₀和θ_max的关系：若θ＞θ₀，查找当前传输时延估计值最大的路径P_i；若0＜θ₀＜θ_max，则将P_i上的拥塞窗口cwnd_i减小为：若θ＞θ_max，则将P_i上的拥塞窗口cwnd_i减小为：其中，cwnd：拥塞控制窗口(Congestion control window)，用于控制发送端一次性最多可以往网络中发送的数据包数量；发送端根据当前网络的拥塞状况，自适应地调整cwnd的大小来对网络进行拥塞控制；S24：比较减小后的cwnd_i和该路径的慢启动阈值SSthresh_i，如果cwnd_i＜SSthresh_i，则令SSthresh_i＝cwnd_i，其中，ssthresh：慢启动阈值(Slow‑start threshold)，区分慢启动阶段和拥塞避免阶段的临界值，当cwnd＜ssthresh时，执行慢启动阶段；反之，当cwnd＞ssthresh时，执行拥塞避免阶段。