一种基于跨层协作机制提高无线自组织网络性能的方法

摘要

本发明请求保护一种利用VDSR++跨层优化技术提高无线自组织网络性能的方法，涉及无线通信技术。该方法结合了MAC层、网络层与传输层的跨层优化协议VDSR++优化策略，在802.11MAC层和IP层运用跨层机制DSR++，解决无线自组织网络中因为网络拥塞而引起的路由发现与重建；在传输层采用TCP Veno协议，解决无线自组织网络中高误码率引起的路由发现与重建问题。提高无线自组织网络中TCP的性能。本方法适用于静态的无线自组织网络SANET和动态的无线自组织网络MANET中。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种提高无线自组织网络性能的技术。

背景技术

在无线自组织网络中，按需路由协议(例如：DSR和AODV等)是用得最多，也是最常用的路由协议。按需路由协议是在连接的建立阶段，按照连接的需求而建立的。按需路由协议通过对MAC层的丢包探查来判断是否需要进行路由的维护和重建；也就是说，一旦路由协议发现了MAC层丢包，它就会触发路由的发现和重建。无线ad hoc网络中的按需路由协议对802.11MAC层的丢包敏感度很高。通过大量的试验，我们发现在802.11网络中一旦MAC层(物理层)的丢包被发现，ad hoc的按需路由协议就会触发路由的发现与重建。但是该路由协议却不能够区分由何种因素导致的MAC丢包，并针对不同的丢包采取不同的处理方法。所以，只要发现MAC层有丢包发生，按需路由协议就会进行路由的发现与重建，导致无线ad hoc网络中的TCP进入不必要的重传与慢启动，大大降低了无线网络中TCP的性能。这主要是因为802.11MAC只是路由层与低层之间的中间层，它没有足够的能力来区分并处理由不同原因引起的丢包。

同时，传统的TCP协议(如TCPReno)的窗口机制也会对802.11的无线adhoc网络造成很大的影响。TCP传输控制层协议为了提高自身的吞吐量性能，会尽可能多的向网络中发送数据(由拥塞窗口值cwnd就可以知道TCP的数据发送速率是一直在增加的)直到网络发生拥塞。所以当我们将传统的TCP的窗口机制运用在无线adhoc网络中时，TCP会尽可能多地向网络中发送数据包，但是因为无线网络链路的容量较低，所以拥塞常常是发生在无线链路中而不是队列中，造成链路的竞争丢包，触发路由发现与重建机制。当TCP向网络中发送了过多的数据包而超过了一个极限值之后，就会导致MAC层的竞争丢包，而不是节点的队列丢包；也就会导致802.11网络中的按需路由协议触发不必要的路由重建，从而导致TCP的性能下降。

为了解决无线自组织网络环境下由于网络拥塞和高误码率丢包而引起的不必要的路由发现与重建机制，我们在无线自组织网络中采用一种新的跨层优化策略VDSR++的解决方案。

发明内容

本发明针对现有技术的上述缺陷，提出一种能够区分导致MAC层丢包因素的路由协议，从而针对造成丢包的不同因素采取不同处理方法的跨层优化策略VDSR++，克服因为网络拥塞和高误码率而引起不必要的路由发现与重建。

本发明解决上述问题的技术方案是：将DSR++跨层机制与TCP Veno协议相结合，提出一种结合了MAC层、网络层与传输层的跨层优化协议VDSR++，来解决无线自组织网络中因为网络拥塞和高误码率而引起的不必要的路由发现与重建机制问题。在无线自组织网络中，首先将802.11MAC层的参数信息传递到网络IP层，在802.11MAC层和IP层运用跨层协作机制DSR++，解决无线自组织网络中因为网络拥塞而引起的路由发现与重建；然后在传输层采用能更适应无线传输环境的TCP Veno协议，解决无线自组织网络中的高误码率问题。

跨层优化协议VDSR++具体实施过程包括，根据网络IP层中DSR按需路由协议响应802.11MAC层连续丢包的个数或者响应链路连续失败的次数确定一个按需路由协议的阈值β，控制处理器向网络发送探测信号，位于网络层的探测模块接收802.11MAC层反馈的函数和消息，根据最大重传次数判断是否有连续的丢包发生，并记录链路连续失败(链路断路)次数L，比较模块调用存储器中的L与β的值，比较其大小，根据L与β的关系，确定链路连接所处的状态，以解决路由层因为对802.11MAC层丢包的敏感度高而触发不必要的路由发现与重建。

采用TCPVeno的窗口调整算法调整拥塞避免阶段的拥塞窗口值，根据报文积压长度判断链路连接所处的阶段并在不同阶段采取不同的处理方式，如果是由链路造成的随机丢包，不启动路由的发现与重建，如果丢包是由于网络拥塞引起，降低窗口的增加速度，使TCPVeno能更长时间的处于较大的窗口数目状态，提高了数据传输效率和网络吞吐量。

本发明主要结合802.11MAC层、网络IP层和传输层的跨层协作，提出一种能够区分导致MAC层丢包因素，从而针对不同的丢包类型采取不同的处理方法的路由协议，解决了无线自组织网络中因为网络拥塞和高误码率而引起的不必要的路由发现与重建机制问题，很好地提高了无线自组织网络在无线高误码率环境中的传输性能。

附图说明

图1所示为本发明所述跨层机制DSR++控制处理流程图

图2拥塞避免阶段窗口调整算法示意图

具体实施方式

在无线自组织网络中，采用按需路由协议DSR的TCP连接中，一旦按需路由协议发现了MAC层丢包就会马上触发路由新建机制(即对丢包反应太敏感)；由于网络的拥塞丢包与信道的高误码率丢包，使得对MAC层丢包敏感度过高的DSR路由协议产生不必要的路由重建。这样会大大浪费网络资源(很大一部分网络资源被用去进行不必要的路由维护和重建)，导致TCP网络的性能下降。

为了降低DSR路由协议对MAC层丢包的敏感度，从而降低路由发现和重建的次数。本发明利用一种跨层机制DSRwithDAMPENpolicy(简称为DSR++)协议与802.11MAC的层间协作来解决这个问题，在802.11的MAC层与IP层之间进行参数交互，达到跨层协作的目的。

首先对跨层机制DSR++的具体实现过程作详细描述。如图1所示为跨层机制DSR++的处理过程流程图。

在802.11MAC层中，最大重传次数RTS/CTS的设置解决了无线ad hoc中的隐藏终端和暴露终端问题，默认值为7，它的作用是在数据包传输之前首先发送一个探测信号用来探测信道是否可用，在RTS/CTS连续重传失败7次之后说明信道不可用，那么相应的数据包就不会发送；进入路由维护与重建阶段。只有在RTS/CTS传输成功之后，才开始传输对应的数据包。

在802.11MAC层中加入一个反馈函数和一个消息，将802.11MAC层的参数信息传递到网络IP层，在802.11MAC层和IP层运用跨层机制DSR++，解决无线自组织网络中因为网络拥塞而引起的路由发现与重建。

根据加载在网络IP层中DSR按需路由协议响应802.11MAC层连续丢包的个数或者响应链路连续失败的次数确定一个按需路由协议的阈值β，将该阈值存入存储器中。在网络中控制处理器发送探测信号，探测模块判断是否有连续的丢包发生，并记录链路连续失败(链路断路)次数L，比较模块比较L与β的大小，根据L与β的关系，确定链路连接所处的状态，只有当链路连续失败的次数等于β之后，按需路由协议DSR才会触发路由的发现与重建。

网络中探测模块根据最大重传次数进行判断，信道中是否发生数据包的丢失，如果发生连续的丢包，比较模块调用存储器中存储的记录当前链路连续失败次数L，以及设置的阈值β，对其进行比较判断，如果L<β，则控制处理器控制丢掉当前传送的数据包，继续向信道发送下一个数据包，并且当前的路由保持不变，控制处理器控制存储器中的计数器加一，使得L′＝L+1，得到新的当前链路连续失败次数L′；如果L＝β，按需路由协议DSR开始响应丢包，控制处理器将存储器中L的值设置为0，根据DSR路由协议建立新的路由，触发必要的路由维护机制。当链路连接结束，控制处理器将L重置为0。

如果设置阈值β的值大于1，就会在很大程度上加强链路连接的健壮性。因为802.11的MAC协议规定了数据包的最大重传次数标准值为7，也就是说数据包在MAC层要被连续重传7次，如果都没有成功之后，才会被认为此数据包丢失。一旦β>1，那么在MAC层，数据包至少要被重传7*β之后才会被认为已经丢失，这样就在很大程度上降低了DSR路由协议响应MAC丢包的敏感度，大大降低了不必要的路由发现和重建的概率。

采用DSR++跨层协作能够较好的解决路由层因为对802.11MAC层丢包的敏感度高而触发的不必要的路由发现与重建；但是目前常规的处理方式中还存在因为TCP层的窗口机制而引起的MAC层的竞争丢包(链路丢包)，也频繁触发路由发现与重建机制，本发明采用TCPVeno协议的拥塞改进算法。根据队列中积压的报文个数确定拥塞窗口值。

本发明采用TCPVeno的窗口调整算法调整拥塞避免阶段的拥塞窗口值，根据链路连接所处的阶段采取不同的处理方式，首先判断是由链路引起的丢包，还是由拥塞引起的丢包。根据报文积压长度N值指示当前连接是否处于拥塞阶段。设定一个门限值β，比较判别模块通过对报文积压长度N和门限值β的比较来区分当前连接所处的状态，如果N<β，则认为连接处于非拥塞状态，此时发生的丢包是由于链路造成的随机丢包，而不是由于网络拥塞导致。当N≥β时，认为连接处于拥塞阶段，此时丢包是由于网络拥塞产生。当连接处于拥塞阶段时，降低窗口的增加速度。使TCPVeno能更长时间的处于较大的窗口数目状态，提高了数据传输效率和网络吞吐量。    

如图2所示为拥塞避免阶段窗口调整算法示意图。比较判断模块对数据传输队列中积压的报文个数N及门限值β进行比较，当队列中积压的报文个数超过门限值β后，判断链路处于拥塞状态，调用算法模块，采用改进的拥塞避免算法计算发送端的拥塞窗口数cwnd，例如，当每收到两个新的请求确认ACK信号，cwnd值数目增加1，以此减缓窗口的增加速度，使窗口更长时间地处于可工作状态。当队列中积压的报文个数未超过门限值β，网络处于非拥塞状态时，采用加法增加算法计算发送端的拥塞窗口数cwnd；每收到一个新的ACK确认信号，cwnd值数目增加1。比起传统TCP的每个RTT内增加一个拥塞窗口的处理方法，本发明降低了窗口增加的速率，也就降低了链路拥塞的程度和概率，相应地减少了链路丢包。也可建立请求确认ACK信号与拥塞窗口数其他对应关系，改变窗口的增加速度。

虽然造成MAC层丢包的因素不同，但是通过网络层与MAC层之间信息的反馈，达到了降低网络层敏感度的目的。采用结合了MAC层、网络层与传输层的跨层优化协议VDSR++，能够区分不同因素造成的MAC层丢包并采取相应的拥塞控制策略，避免了不必要的路由发现与重建。本发明在无线自组织网络中利用DSR++跨层机制与TCPVeno协议相结合，同时解决了因为网络拥塞和高误码率两种不同的问题而引起的不必要的路由发现与重建问题，提高了网络的吞吐量，达到提高网络性能的目的。

下面以grid拓扑结构的无线自组织网络为例，对采用本发明提高无线自组织网络性能作具体说明。

假如设置按需路由协议的阈值β＝2，表明使用跨层协议DSR++算法；β＝1表明使用的传统DSR算法；β＝0表明使用静态路由协议；VDSR++表示DSR++与TCP Veno相结合的跨层优化协议算法；链路的误码率都为无线节点的无线物理层的误码率。

一共设置了49个无线节点，排列成等间隔均匀的成一个正方形分布，在仿真环境中，每个节点的队列长度为10，拥塞窗口(cwnd)和通告窗口(wnd)均为12，数据包大小为1024个字节，节点的通信范围为250m，载波感知范围为550m，每两个节点之间均间隔200m，每个节点均静止不动，在其中的两个节点之间建立一条FTP数据流。采用NS2仿真工具，仿真结果表明在不同的误码率情况下，VDSR++的性能不仅比传统的TCP Reno好，而且也比单独使用DSR++与TCP Veno更好。结合DSR++与TCP Veno的VDSR++跨层优化算法在解决无线自组织网络中因为网络拥塞和高误码率而引起的不必要的路由发现与重建机制问题，提高无线自组织网络中TCP的性能方面是比较好的。本方法适用于静态的无线自组织网络SANET和动态的无线自组织网络MANET中。