无线网络TCP拥塞控制机制设计与建模研究

摘要

多跳无线网络是由一系列可移动的无线终端通过自组织组网的方式构成的。该网络中节点间通过多跳转发的方式来扩大无线通信网络的覆盖范围,从而建立长距离连接,因而具有一定的灵活性。现有的多跳无线网络中的拥塞控制任务主要依靠传输控制协议(TCP)的拥塞控制机制完成。传统的TCP拥塞技术针对Internet等广域网络环境而设计,很难满足多跳无线网络低带宽、拓扑动态变化、节点间接入信道竞争等网络条件的要求,在网络利用率等方面表现出严重的性能问题。随着多跳无线网络在军事作战、抢险救灾、车载通信等领域的部署和应用,TCP拥塞控制已经成为制约全球多跳无线通信的一大性能瓶颈。改进现有TCP拥塞控制机制,使其能够满足多跳网络环境的需要,已经成为当前紧急场合应用时所要解决的首要问题之一。本文旨在研究能够适用于多跳无线网络的TCP拥塞控制机制,通过对现有模型进行改进,并设计出一种跨层TCP拥塞控制协议,主要贡献如下:
　　(1)对TCP在无线网络中饱和吞吐量的建模难点进行分析的基础上,发现缺乏快速恢复状态的模型,没有考虑在一个传输往返时间内多个数据报文段丢失造成拥塞窗口多次减小,导致快速恢复结束后拥塞窗口降低的问题,而且没有考虑超时机制后的慢启动状态。因此,本文以产生数据报文段丢失的不同标志事件为依据,分析拥塞窗口与丢包概率以及传输往返时间之间的关系,并在TCP Reno饱和吞吐量模型中引入快速恢复状态。仿真结果证明,本文提出的改进模型可以更加有效地估计拥塞窗口值,从而准确地得出TCP Reno协议的饱和吞吐量。
　　(2)根据对传统的TCP拥塞控制算法应用于多跳无线网络环境中的分析,发现媒质访问控制层(MAC)的信道竞争问题:隐终端和暴露终端问题造成某些节点长期竞争不到信道,引起某些业务流饿死以及数据流流内和流间干扰使得数据分组拥塞在网络层队列中,并随着 MAC层竞争的加剧而严重。同时指出TCP拥塞窗口的过激增长机制也是影响TCP性能的主要原因。在上述分析的基础上,提出了一种MAC-TCP联合设计的跨层拥塞控制机制,对MAC层控制帧进行扩展,使其捎带当前链路的冲突概率信息,通过 MAC层信道接入控制帧的交换获取当前链路情况,同时将链路信息存储在节点维护链表中,并将链路冲突概率定时向源节点传输层进行反馈,源节点根据获取的反馈信息做出及时拥塞窗口调整。仿真结果表明,该拥塞控制机制能够有效判断当前网络拥塞和信道竞争情况,从而提高了 TCP在多跳无线网络环境下的性能。

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图表清单

缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.3 本文主要贡献与框架

第二章 多跳无线网络中TCP算法面临的问题分析

2.1 影响TCP吞吐量的主要因素

2.2 TCP吞吐量性能仿真分析

2.3 拥塞控制算法的研究现状

2.4 本章小结

第三章无线网络TCP RENO协议饱和吞吐量建模分析

3.1 引言

3.2 相关工作

3.3TCP RENO饱和吞吐量系统模型

3.4 数值结果与模型验证

3.5 本章小结

第四章 基于MAC-TCP联合设计的跨层拥塞控制算法

4.1 引言

4.2 MTCC算法的基本思想

4.3 仿真结果与分析

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 研究总结

5.2 研究展望

参考文献

致谢

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