本發(fā)明涉及無線網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域，特別是解決無線網(wǎng)絡(luò)傳輸中的擁塞問題，具體講,涉及基于garch(廣義自回歸條件異方差)時間序列算法的擁塞控制機制。

背景技術(shù)：

隨著無線網(wǎng)絡(luò)的盛行，互聯(lián)網(wǎng)的崛起，移動終端更是數(shù)不勝數(shù)，pc機、移動手機、mac等終端設(shè)備對網(wǎng)絡(luò)的依賴越來越高，因此網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象隨處可見。如何解決網(wǎng)絡(luò)擁堵現(xiàn)象一直成為困擾網(wǎng)絡(luò)提供商的難題。在確保不增大帶寬的前提下如何充分利用現(xiàn)有帶寬，減少網(wǎng)絡(luò)擁塞是每個網(wǎng)絡(luò)提供商非常關(guān)注的話題，也是給公司或企業(yè)帶來更高效益的發(fā)展目標。如果一味增大帶寬會帶來技術(shù)、研發(fā)以及設(shè)備上的更多的投入以至于增大成本，而網(wǎng)絡(luò)利用率也并不一定會因為帶寬的增大有所提高。那么，如何去解決這一網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象呢？傳統(tǒng)的tcp(傳輸控制協(xié)議)在有線網(wǎng)絡(luò)方面有著較少的數(shù)據(jù)包丟失率和較高的傳輸穩(wěn)定性，但是在無線網(wǎng)絡(luò)上表現(xiàn)平平。傳統(tǒng)的tcp(傳輸控制協(xié)議)不能辨別數(shù)據(jù)包丟失的類別，容易造成錯誤的判斷。大多數(shù)擁塞控制算法在發(fā)送端實現(xiàn)，如pi(比例積分控制)率控制算法，但是該算法需要發(fā)送端和所有中間節(jié)點做相應的改變，打破了傳統(tǒng)tcp(傳輸控制協(xié)議)的語義，因此不被廣泛應用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提出一種基于arch(自回歸條件異方差)算法的擁塞控制機制，解決無線網(wǎng)絡(luò)通信擁堵問題。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，基于garch時間序列算法的擁塞控制方法，以廣義自回歸條件異方差garch算法為基礎(chǔ)，以發(fā)送端接受到的正確命令到達的時間間隔為一時間序列，建立garch(p,q)自回歸條件異方差預測模型，其中p自回歸的階數(shù)，q是arch項的階數(shù)，對發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)包的延遲時間進行預測，得到預測值；然后用數(shù)據(jù)包的大小比上這一預測值，得到的這一比值可以用來衡量此時網(wǎng)絡(luò)中的帶寬，若實際帶寬大于這一值，則說明此時的傳輸不會出現(xiàn)擁塞現(xiàn)象，否則，此時網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了擁塞現(xiàn)象，那么就需要對發(fā)送端擁塞的數(shù)據(jù)發(fā)送窗口的大小進行相應的調(diào)整，如果某一時刻，發(fā)送端收到的命令正確響應的時間超過了某一預設(shè)值，即響應超時，此時視為數(shù)據(jù)包丟失，需要重新發(fā)送丟失數(shù)據(jù)包，并減小擁塞窗口的大小，以便數(shù)據(jù)包能在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中順利地傳輸。

具體步驟進一步細化為：

第一步：確定正確命令正確應答ack指令到達的時間，然后根據(jù)這個時間求出響應的時間間隔序列；

第二步：根據(jù)第一步產(chǎn)生的這一時間序列建立arch(p,q)，p自回歸的階數(shù)，q是arch項的階數(shù)，并確定最優(yōu)的p,q參數(shù)值；

第三步：利用第二步中建立的arch(p,q)預測模型對下一ack到達的時間的延遲進行預測，并記錄真實值，根據(jù)擁塞窗口的大小與這一預測延遲值之比與當前帶寬進行比較，根據(jù)比較結(jié)果來動態(tài)調(diào)整發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)包的速率；

第四步：對響應超時的處理：當正確命令的響應時間超過某一閾值時，此時認定為響應超時，會造成數(shù)據(jù)包的丟失，發(fā)送端收到超時信號后會對丟失的那一數(shù)據(jù)包進行再次發(fā)送，并記錄發(fā)送次數(shù)，當次數(shù)超過3次時說明網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了擁塞現(xiàn)象，解決辦法是減小擁塞窗口的大小為原來的一半；否則，根據(jù)計算的延遲方差來動態(tài)調(diào)控擁塞窗口的大小；

第五步：檢測網(wǎng)絡(luò)中是否有足夠可用的帶寬，如果有，則可以適當?shù)脑黾訑?shù)據(jù)包的發(fā)送速率來充分利用現(xiàn)有的帶寬。

第三步具體的調(diào)控策略為，當擁塞窗口的大小與這一預測延遲值之比小于當前網(wǎng)絡(luò)中可用帶寬時，說明網(wǎng)絡(luò)中有足夠可用的帶寬，此時可以適當?shù)脑龃髷?shù)據(jù)包的發(fā)送速率，擁塞窗口的大小與這一預測延遲值之比大于當前網(wǎng)絡(luò)可用帶寬時，說明此時出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞，減小發(fā)送端擁塞窗口的大小，并將記錄的真實值作為下一次建立garch(p,q)預測模型的數(shù)據(jù)。

根據(jù)時間序列xt建立garch(p,q)預測模型，具體建立過程如下：

將xt序列表示為

xt＝βxt+εt

其中εt為噪音，β為系數(shù)，滿足εt～n(0,1)的獨立同分布，并且σt標準差，滿足

為確保方差因此有系數(shù)αi≥0,i＝0,1,…,p，并且α1+α2+…+αp<1；

設(shè)ωt-1＝σ(xt-1,xt-2,…)表示在t-1時刻所有可得信息的集合，其中ht為條件方差，αi為系數(shù)；

garch(p,q)模型表示如下：

本發(fā)明的特點及有益效果是：

1、本發(fā)明能夠通過命令到達時間辨別出數(shù)據(jù)包的丟失類型，比如是因為網(wǎng)絡(luò)擁塞導致的還是由于網(wǎng)絡(luò)鏈接不穩(wěn)定導致的，以便更準確的實施調(diào)控。

2、本發(fā)明通過實時預測網(wǎng)絡(luò)延遲，根據(jù)預測結(jié)果動態(tài)調(diào)整發(fā)送端數(shù)據(jù)的發(fā)送速率，以便更好的利用現(xiàn)有帶寬。

3、本發(fā)明能夠在數(shù)據(jù)包的發(fā)送超過現(xiàn)有帶寬承載能力時自動地減少數(shù)據(jù)包發(fā)送速率以避免網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象的發(fā)生。

4、本發(fā)明能提高數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明中終端設(shè)備訪問無線網(wǎng)絡(luò)示意圖；

圖2為正確命令到達的時間間隔的時間序列；

圖3為本發(fā)明根據(jù)預測延遲動態(tài)調(diào)節(jié)擁塞窗口大小流程圖。

具體實施方式

為了解決上述問題，本發(fā)明是基于發(fā)送端的擁塞控制算法。該算法以garch(廣義自回歸條件異方差)算法為基礎(chǔ)，以發(fā)送端接受到的正確命令到達的時間間隔為一時間序列，建立garch(p,q)(廣義自回歸條件異方差，p自回歸的階數(shù)，q是arch項的階數(shù))自回歸條件異方差預測模型，對發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)包的延遲時間進行預測，得到預測值。然后用數(shù)據(jù)包的大小比上這一預測值，得到的這一比值可以用來衡量此時網(wǎng)絡(luò)中的帶寬。若實際帶寬大于這一值，則說明此時的傳輸不會出現(xiàn)擁塞現(xiàn)象，否則，此時網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了擁塞現(xiàn)象，那么就需要對發(fā)送端的數(shù)據(jù)發(fā)送窗口(擁塞窗口)的大小進行相應的調(diào)整。如果某一時刻，發(fā)送端收到的命令正確響應的時間超過了某一預設(shè)值，即響應超時，此時視為數(shù)據(jù)包丟失，需要重新發(fā)送丟失數(shù)據(jù)包，并減小擁塞窗口的大小，以便數(shù)據(jù)包能在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中順利地傳輸。

當網(wǎng)絡(luò)擁堵導致數(shù)據(jù)包丟失時，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量會迅速地減小，往返時間會迅速增大，此時會帶來一個很大的延遲方差，因此需要減小擁塞窗口的大小來緩解這一擁塞現(xiàn)象。

當數(shù)據(jù)包的丟失是由于無線網(wǎng)絡(luò)鏈接不穩(wěn)定導致的，而網(wǎng)絡(luò)沒有出現(xiàn)擁塞現(xiàn)象，此時的帶寬比較穩(wěn)定，會帶來一個比較小的延遲方差，因此不需要調(diào)整擁塞窗口的大小。

當某段時間內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)帶寬足夠可用的時候，該機制根據(jù)實時預測的延遲動態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)包的發(fā)送率，以便充分的利用網(wǎng)絡(luò)帶寬。

本發(fā)明設(shè)計出了一種基于arch(自回歸條件異方差)算法的擁塞控制機制，該機制包括以下步驟：

第一步：確定正確ack(命令正確應答)指令到達的時間，然后根據(jù)這個時間求出響應的時間間隔序列，如圖2為正確指令到達的時間間隔的時間序列示意圖。

第二步：根據(jù)第一步產(chǎn)生的這一時間序列建立arch(p,q)(自回歸條件異方差，p自回歸的階數(shù)，q是arch項的階數(shù))，并確定最優(yōu)的p,q參數(shù)值。

第三步：利用第二步中建立的arch(p,q)(自回歸條件異方差，p自回歸的階數(shù)，q是arch項的階數(shù))預測模型對下一ack(命令正確應答)到達的時間的延遲進行預測，并記錄真實值。根據(jù)擁塞窗口的大小與這一預測延遲值之比與當前帶寬進行比較，根據(jù)比較結(jié)果來動態(tài)調(diào)整發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)包的速率。具體的調(diào)控策略為，當擁塞窗口的大小與這一預測延遲值之比小于當前網(wǎng)絡(luò)中可用帶寬時，說明網(wǎng)絡(luò)中有足夠可用的帶寬，此時可以適當?shù)脑龃髷?shù)據(jù)包的發(fā)送速率。擁塞窗口的大小與這一預測延遲值之比大于當前網(wǎng)絡(luò)可用帶寬時，說明此時出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞，減小發(fā)送端擁塞窗口的大小。并將記錄的真實值作為下一次建立garch(p,q)(廣義自回歸條件異方差，p自回歸的階數(shù)，q是arch項的階數(shù))預測模型的數(shù)據(jù)，這樣可以動態(tài)建立預測模型，能得到更加精確的預測模型。

第四步：對響應超時的處理。當正確命令的響應時間超過某一閾值時，此時認定為響應超時，會造成數(shù)據(jù)包的丟失。發(fā)送端收到超時信號后會對丟失的那一數(shù)據(jù)包進行再次發(fā)送，并記錄發(fā)送次數(shù)。當次數(shù)超過3次時說明網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了擁塞現(xiàn)象，解決辦法是減小擁塞窗口的大小為原來的一半；否則，根據(jù)計算的延遲方差來動態(tài)調(diào)控擁塞窗口的大小。

第五步：檢測網(wǎng)絡(luò)中是否有足夠可用的帶寬，如果有，則可以適當?shù)脑黾訑?shù)據(jù)包的發(fā)送速率來充分利用現(xiàn)有的帶寬。

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述。

如圖1是終端設(shè)備鏈接無線網(wǎng)絡(luò)訪問點示意圖，當移動終端的數(shù)量越來越多時，每個鏈接的帶寬會減少，如果在發(fā)送數(shù)據(jù)包速率不變的情況下就很容易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象，造成大量數(shù)據(jù)包丟失。不僅會影響數(shù)據(jù)包的傳送速率而且還會影響用戶的上網(wǎng)體驗。需要采取措施解決這一問題。

首先，記錄數(shù)據(jù)包t在發(fā)送端的發(fā)送時間dst和接收端的接收時間drt，然后根據(jù)發(fā)送時間dst和接收時間drt得到ack的時間間隔序列xt＝drt-dst，如圖2所示。

然后根據(jù)計算得到的這一時間序列xt建立garch(p,q)(廣義自回歸條件異方差，p自回歸的階數(shù)，q是arch項的階數(shù))預測模型，具體建立過程如下：

將xt序列表示為

將xt序列表示為

xt＝βxt+εt

其中εt為噪音，β為系數(shù)，滿足εt～n(0,1)的獨立同分布，并且σt標準差，滿足

為確保方差因此有系數(shù)αi≥0,i＝0,1,…,p，并且α1+α2+…+αp<1；

設(shè)ωt-1＝σ(xt-1,xt-2,…)表示在t-1時刻所有可得信息的集合，其中ht為條件方差，αi為系數(shù)；

garch(p,q)(廣義自回歸條件異方差，p自回歸的階數(shù)，q是arch項的階數(shù))模型表示如下：

其中，σt²為方差，p自回歸的階數(shù)，q是arch項的階數(shù)，αi和βi為系數(shù)，xt為時間序列。

根據(jù)以上建立的garch預測模型對ack(命令正確應答)進行預測，然后動態(tài)調(diào)整擁塞窗口的大小進而充分利用網(wǎng)絡(luò)帶寬。調(diào)節(jié)窗口的具體過程如下：

首先在接收到一個新的ack(命令正確應答)后對下一個ack(命令正確應答)進行預測，得到預測延遲p_delay，然后通過預測延遲p_delay計算出可利用的帶寬，計算公式為：

bandwidth＝packet_size/p_delay，其中packet_size為數(shù)據(jù)包的大小，bandwidth為可用帶寬，p_delay為預測延遲。如果這一預測的帶寬大于實際帶寬，則此時很可能網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了擁塞現(xiàn)象，發(fā)送端會減小擁塞窗口的大小；如果這一預測的帶寬小于實際帶寬，則說明此時網(wǎng)絡(luò)中還有可用帶寬，此時發(fā)送端需要適當增大數(shù)據(jù)包的發(fā)送速度來充分利用網(wǎng)絡(luò)帶寬。

接著，如果接收端測量到的實際延遲大于設(shè)定的某一值時，此時出現(xiàn)響應超時現(xiàn)象，該現(xiàn)象是由于網(wǎng)絡(luò)擁堵導致的，致使數(shù)據(jù)包丟失，所以此時需要重新發(fā)送數(shù)據(jù)包，并記錄重復發(fā)送的次數(shù)。如果在數(shù)據(jù)包發(fā)送成功時，發(fā)送的次數(shù)沒有達到三次，則只需要將擁塞窗口的大小減小到2，并進入下一個ack(命令正確應答)的接收與預測；如果在數(shù)據(jù)包發(fā)送成功時，發(fā)送的次數(shù)大于等于三次，則需要計算網(wǎng)絡(luò)中的延遲方差并記下此時的測量延遲的大小m_delay。

接下來需要進行比較。判斷是否并且m_delay/p_delay>2，其中window_size為窗口大小，m_delay為測量延遲，為方差。如果有一條件不滿足，則說明網(wǎng)絡(luò)中有較大的延遲方差，此時需要將此時的擁塞窗口大小減少為原來的一半；如果兩者都滿足，則說明網(wǎng)絡(luò)中沒有出現(xiàn)擁塞現(xiàn)象，對擁塞窗口的大小不需要做任何調(diào)整。整個動態(tài)調(diào)整的流程如圖3所示。