无线异构网络系统中基于跨层优化的数据并发传输方法

摘要

本发明涉及一种无线异构网络系统中基于跨层优化的数据并发传输方法，步骤为:定义网关为多个无线异构网络在服务器和终端接入点之间的汇聚点；在网关的网络层和数据链路层之间构造一个新的协议层，为跨层处理层，同时在跨层处理层构造虚拟网卡；从服务器传来的数据到达网关时，在网关的网络层提取IP数据包，同时网关检测各个无线异构网络的信道质量信息；跨层处理层根据检测结果将要发送的IP数据包分配到各个无线异构网络中，发送给终端设备；终端接收数据，将接收到的IP数据包放入接收缓冲区中，并对缓冲区中的IP数据包进行重排序处理例程。本发明能提高网络端到端传输速率，降低业务端到端传输时延，实现无线异构网络系统中并发数据的均衡传输。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及无线异构网络系统中基于跨层优化的数据并发传输方法。 

背景技术

近年来，无线通信技术取得了巨大的进展，各种全新的无线通信概念和技术层出不穷，形成了多种体制并存的无线异构网络。与此同时，移动互联网、通信技术迅猛发展，人们的生活品质逐步提高，多样化的智能终端开始普及，人们对通信网络的容量、速率、灵活性以及质量的需求日益增长，而单一模式的通信网络由于端到端的吞吐量较低、延时较大，已无法满足现有需求，许多蜂窝网络供应商开始为无线通信资源的短缺而感到十分焦虑。因此从资源的有限性、运营的有效性以及用户多样的业务需求等多方面角度考虑，需要充分利用不同网络间的互补特性，实现无线异构网络技术的有机融合和协作共享，以提供更为优化的网络性能和更加灵活可靠的业务，从而实现无线通信网络真正意义的自组织、自适应，并且实现网络间的互联互通。 

作为无线异构网络互通和融合的研究热点和有效手段之一，联合的无线资源管理在近年来受到了广泛的关注与研究。无线异构网络系统中的联合无线资源管理是一组针对多个共存网络的控制机制的集合，它包括智能的会话接纳控制、业务类型和传输速率的自适应管理，以及系统功率的优化分配和控制等，从而实现无线资源的有效利用并达到系统性能最优化的目标。然而，在过去的对联合无线资源管理的研究主要侧重于在提供业务时对具体网络的选择，从而发挥单一网络的技术优势，尽管也考虑了异构网络环境中其他网络的情况，但作为联合无线资源管理基础之一的多模或可重配置技术并没有得到充分的利用，从技术上来说，在多模技术或可重配置技术的支持下，拥有多套天线的终端具有同时接入到多个无线接入网络的能力，由此出现了一种无线资源管理的新概念:即将单一的业务数据流进行分流，并将子数据流交由多个网络进行并行传输。这样就可以充分发挥多种网络的优势，使无线异构网络之间相互合作，为用户提供更好的服务。 

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种无线异构网络 系统中基于跨层优化的数据并发传输方法，以提高网络端到端传输速率，降低业务端到端传输时延，实现无线异构网络系统中并发数据的均衡传输。 

本发明中，一方面，通过获取数据并发传输的分流参数作为分流策略的依据，将数据公平合理地分配到各个网络，另一方面，在接收端，对接收的IP数据包做重排序，保证IP数据包按序向协议栈上层提交。 

无线异构网络系统中基于跨层优化的数据并发传输方法，其特征在于按以下步骤进行： 

(1)、定义网关为多个无线异构网络在服务器和终端接入点之间的汇聚点； 

(2)、在网关的网络层和数据链路层之间构造一个新的协议层，称为跨层处理层，同时在跨层处理层构造虚拟网卡； 

(3)、从服务器传来的数据到达网关时，在网关的网络层提取IP数据包； 

(4)、网关检测各个无线异构网络的信道质量信息；其中，步骤(3)和步骤(4)为两个并行处理过程； 

(5)跨层处理层根据检测结果将要发送的IP数据包分配到各个无线异构网络中，发送给终端设备； 

(6)终端接收数据，将接收到的IP数据包放入接收缓冲区中，并对缓冲区中的IP数据包进行重排序处理例程。 

本发明的步骤(4)的具体实现方法为： 

网关每隔固定时间T，同时通过所有的无线异构网络向终端发送一次互联网控制报文协议ICMP（Internet Control Message Protocol）包，来更新各个无线异构网络的端到端往返时延RTT（Round-Trip Time）。 

所述RTT按如下方式完成更新： 

RTT=α×(RTT_new)+(1-α)×(RTT_old) 

其中RTT_new为当前时刻无线异构网的端到端往返时延，RTT_old为上一时刻无线异构网络的端到端往返时延，α表示RTT历史影响因子，一般取0.125。 

本发明的步骤(5)具体实现方法为： 

首先通过无线异构网络的物理层可用带宽W和端到端往返时延RTT的比值来表征无线异构网络的传输能力，然后计算出每个无线异构网络传输能力占所有无线异构网络总传输能力的比例，将数据包以该比例值大小为概率发送到各个网络。 

步骤(6)的重排序处理例程具体实现方法如下： 

在接收端，在整个可用SN(数据包序号)区间内设置一个宽度一定的重排序窗口，且窗口宽度不超过SN数目-1，窗口下沿即当前期待接收的SN号；如果收到的SN落在窗口外，则丢弃该数据包；如果收到的SN恰好为窗口下沿，则移动窗口，向上层按序提交从下沿开始的、连续的、已收的数据包；如果收到的SN落在窗口内但不为窗口下沿，则插入到窗口队列中；另外，启动一个周期轮询任务，若窗口内有数据包超时未提交，则强制移动窗口下沿至该数据包之后，并向上层按序提交移出窗口外的、已收的数据包。 

本发明与现有技术相比有如下优点： 

（1）本发明通过将数据分流到几种不同无线异构网络中传输，比起数据集中在单个网络中传输，具有更高的端到端吞吐量和更低的时延。 

（2）本发明通过构造新的协议层，即跨层处理层，将在物理层和网络层测得的信道质量信息联合起来来衡量各个无线异构网络的传输能力，并根据各个无线异构网络的传输能力分配相应比例的数据流，使得发送到各个无线异构网络的数据量与当前的真实传输能力相匹配。一方面，一定程度上实现了负载均衡，另一方面，在大业务量时，能明显提高业务端到端的吞吐量和减少业务传输时延。 

（3）本发明通过在网络层和链路层之间构造新协议层，即跨层处理层，并在跨层处理层做分流，相比在应用层和传输层做分流，其分流的效用更高，即获得较高的传输灵活性和带宽利用率；相比在链路层做分流，其数据排序、同步等复杂问题更容易处理。 

（4）本发明通过在接收端对IP数据包做重排序处理，避免了因各个无线异构网络的端到端时延不同而导致的接收端收到的数据包的乱序问题，保证了IP数据包向协议栈上层的按序提交。 

附图说明

图1是本发明的实施例的系统结构示意图。 

图2是本发明的实施例的系统中各节点所包含的功能模块图。 

图3是本发明基于跨层优化的数据并发传输方法的总流程图。 

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步的描述。 

本文将以图1为实施例对无线异构网络系统中基于跨层优化的数据并发传输方法做详细说明，但不局限于图1所示的网络拓扑结构。 

图1是本发明的实施例的系统结构示意图，该系统由LTE和WLAN两个无线异构网络组成；整个无线异构网络系统包含两个多模终端、一个网关 以及一条LTE链路和两条WLAN链路，其中网关是各个无线异构网络在服务器和终端接入点之间的汇聚点。 

图2是系统中各节点所包含的功能模块示意图，本发明只针对网关和终端，在现有功能模块基础上增加部分功能模块，由于网关和终端为两个对等实体，因此在网关和终端处均增加了跨层处理层，并在跨层处理层中实现虚拟网卡、分流和重排序三个功能模块，以实现网关和终端的基于跨层优化的数据并发传输功能。 

图3为本发明基于跨层优化的数据并发传输方法的总流程图，该方法包括： 

步骤1：定义网关为多个无线异构网络在服务器和终端接入点之间的汇聚点； 

步骤2：在网关的网络层和数据链路层之间构造一个新的协议层，称为跨层处理层，同时在跨层处理层构造虚拟网卡； 

步骤3：服务器传来的数据到达网关时，在网关的网络层提取IP数据包； 

步骤4：网关检测各个无线异构网络的信道质量信息； 

如图3所示， 步骤3和步骤4为两并行处理过程，其中步骤4的具体实现方法如下： 

网关每隔固定时间T，同时通过所有的无线异构网络向终端发送一次ICMP包，来更新各个无线异构网络端到端往返时延RTT； 

所述RTT按如下方式完成更新： 

RTT=α×(RTT_new)+(1-α)×(RTT_old) 

其中RTT_new为当前时刻无线异构网的端到端往返时延，RTT_old为上一时刻无线异构网络的端到端往返时延，α表示RTT历史影响因子，一般取0.125。 

步骤5：根据检测结果将要发送的IP数据包分配到各个无线异构网络中，发送给终端设备； 

其具体实现如下： 

(1)计算：无线异构网络的物理层可用带宽W与端到端往返时延RTT的比值，得到异构无线网络的传输能力P； 

(2)按如下公式计算每个无线异构网络传输能力占所有无线异构网络总传输能力的比例； 

上式中η_i表示无线异构网络i传输能力占所有无线异构网络总传输能力比例大小，W_i表示无线异构网络网络i的物理层可用带宽，RTT_i 表示当前时刻无线异构网络网络i的端到端往返时延，n表示无线异构网络个数，i表示1到n之间的整数； 

(3)以上述步骤(2)中计算出来的比例值η_i为概率确定IP数据包的发送网络，具体是先将0到1的范围以比例值η_i(1≤i≤n)为大小分割成互不重叠的n个区间，即每个区间对应一个无线异构网络，然后产生一个0到1的随机数，随机数落在某个区间即对应某个无线异构网络中，该无线异构网络即为IP数据包将要发送的网络。 

步骤6：终端接收数据，将接收到的IP数据包放入接收缓冲区， 并对缓冲区中的IP数据包进行重排序处理例程。 

参考图3中的重排序处理例程，其具体实现方法如下： 

在接收端，在整个可用SN区间内设置一个宽度一定的重排序窗口，且窗口宽度不超过SN数目-1，窗口下沿即当前期待接收的SN号(序号)；如果收到的SN落在窗口外，则丢弃该数据包；如果收到的SN恰好为窗口下沿，则移动窗口，向上层按序提交从下沿开始的、连续的、已收的数据包；如果收到的SN落在窗口内但不为窗口下沿，则插入到窗口队列中；另外，启动一个周期轮询任务，若窗口内有数据包超时未提交，则强制移动窗口下沿至该数据包之后，并向上层按序提交移出窗口外的、已收的数据包。