姜月秋 郭秦超 關(guān)世杰 關(guān)啟學(xué)(沈陽(yáng)理工大學(xué) 遼寧 沈陽(yáng) 110159)

0 引 言

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)具有信息傳播距離遠(yuǎn)、受地理位置因素影響小等特點(diǎn)，如今已經(jīng)成為重要的無(wú)線(xiàn)通信方式之一。尤其在地理偏遠(yuǎn)、人員稀少以及船只、飛行器通信方面更加不可或缺。但是由于衛(wèi)星通信中空間、時(shí)間中一些因素的影響，導(dǎo)致信息傳輸中存在著傳播延時(shí)長(zhǎng)、誤碼率高、往返鏈路不對(duì)稱(chēng)，以及間歇性連接等問(wèn)題[1]。原始的TCP傳輸協(xié)議以Reno為基礎(chǔ)，但其較強(qiáng)的侵略性會(huì)導(dǎo)致?lián)砣翱诘膰?yán)重震蕩，而性能高度依賴(lài)于擁塞丟失數(shù)據(jù)后恢復(fù)算法，如快速重傳和重傳超時(shí)，這些因素也限制了吞吐量的增長(zhǎng)[2-3]。所以對(duì)衛(wèi)星通信傳輸層的改進(jìn)將有助于改善衛(wèi)星傳輸效率[4]。最近幾年出現(xiàn)比較有名的TCP協(xié)議的改進(jìn)方法:TCP-Hybla將網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延與傳輸速率獨(dú)立，TCP-Westwood實(shí)時(shí)評(píng)估網(wǎng)絡(luò)的帶寬，以及美國(guó)航天局設(shè)計(jì)的SCPS協(xié)議[5]。這些改進(jìn)方法都為提高衛(wèi)星通信效率產(chǎn)生了一定的作用和良好的思路。

1 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

(1) 傳播數(shù)據(jù)高誤碼率 由于衛(wèi)星通信的長(zhǎng)距離傳輸數(shù)據(jù)、無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)牟豢煽啃砸约疤鞖獾乩淼纫蛩氐挠绊?，傳輸?shù)據(jù)的誤碼率通常達(dá)到10-7～10-4左右[7]。然而在TCP傳輸協(xié)議中數(shù)據(jù)的誤默認(rèn)是由于信息窗口的擁塞造成的，故在高誤碼率的衛(wèi)星通信中TCP協(xié)議將會(huì)受到極大影響。

(2) 傳播數(shù)據(jù)高延時(shí) 在與GEO衛(wèi)星或空間站通信中，單向傳輸延時(shí)一般在250 ms～280 ms[8]。較長(zhǎng)的傳播延時(shí)讓TCP擁塞窗口變化緩慢，并且長(zhǎng)傳播延時(shí)讓信息誤碼率提高，嚴(yán)重影響TCP協(xié)議傳輸性能。

(3) 傳播信道不對(duì)稱(chēng) 由于收發(fā)天線(xiàn)功率、建立衛(wèi)星通信網(wǎng)所需成本以及相關(guān)的技術(shù)要求等問(wèn)題的限制，衛(wèi)星正向鏈路傳輸帶寬要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于反向鏈路傳輸帶寬。這種不對(duì)稱(chēng)性會(huì)造成確認(rèn)速度慢、數(shù)據(jù)突發(fā)等問(wèn)題，從而降低網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

2 SCPS協(xié)議介紹

2.1 SCPS協(xié)議

由于地面?zhèn)鬏攨f(xié)議TCP協(xié)議的慢啟動(dòng)和保守的擁塞控制機(jī)制不適合在高帶寬、往返時(shí)間長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)中批量傳輸數(shù)據(jù)[9]，NASA JPL(美國(guó)航空航天局噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室) 和CCSDS組織共同研究制作一套網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，此協(xié)議可以用來(lái)減小上述問(wèn)題的發(fā)生。這套協(xié)議主要分為四個(gè)方面，SCPS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(SCPS-NP)、安全協(xié)議(SCPS-SP)、傳輸協(xié)議(SCPS-TP)和文件協(xié)議(SCPS-FP)，其中傳輸協(xié)議SCPS-TP，針對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)帶寬不對(duì)稱(chēng)、誤碼率高、延時(shí)長(zhǎng)等采取了有效措施，在SCPS中是必須使用的。

在整個(gè)SCPS協(xié)議中，NP支持信息經(jīng)過(guò)的信息傳輸鏈路是面向連接和無(wú)連接，SP保證了端到端的信息安全性和完整性，F(xiàn)P是對(duì)航天器指令以及控制信息下載做優(yōu)化處理。所以對(duì)SCPS-TP的研究與改進(jìn)是改善整個(gè)SCPS協(xié)議性能的關(guān)鍵。

2.2 SCPS-TP擁塞控制方法

SCPS-TP協(xié)議中使用了SNACK部分代替ACK幀傳輸，提高了反向確認(rèn)幀效率、TP包頭壓縮、往返延遲估計(jì)以及特有的擁塞控制等技術(shù)來(lái)保證衛(wèi)星通信過(guò)程中數(shù)據(jù)信息的安全性與時(shí)效性。其中擁塞控制方式有Van Jacobson[10]和Vegas兩種。

Van Jacobson是基于傳統(tǒng)TCP協(xié)議的擁塞控制方法，處于慢啟動(dòng)時(shí)以每經(jīng)過(guò)一個(gè)RTT窗口就增大一倍的指數(shù)形式增長(zhǎng)，超過(guò)閾值后窗口以線(xiàn)性方式增長(zhǎng)，出現(xiàn)丟包則認(rèn)為出現(xiàn)擁塞，窗口回到初始值重新進(jìn)入慢啟動(dòng)。

Vegas方法在慢啟動(dòng)階段是每經(jīng)過(guò)兩個(gè)RTT對(duì)窗口進(jìn)行一次加倍調(diào)整，增長(zhǎng)頻率低。而在連接建立后Vegas會(huì)獲得一個(gè)最小往返時(shí)延BaseRTT，得到一個(gè)期望吞吐量：

ThE=cwnd/BaseRTT

實(shí)際吞吐量：

ThA=cwnd/RTT

用期望吞吐量與實(shí)際吞吐量的差值來(lái)判斷鏈路的使用情況：

diff=(ThE-ThA)/BaseRTT

并據(jù)此調(diào)節(jié)擁塞窗口的大小：

式中:α和β為定義的2個(gè)門(mén)限值，并且0<α<β。當(dāng)diff<α?xí)r說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)狀況良好，可以使窗口遞增，當(dāng)在α與β之間時(shí)表示有輕微的擁塞，但是數(shù)據(jù)傳輸并無(wú)大影響，保持窗口，當(dāng)diff>β時(shí)表示已經(jīng)發(fā)生擁塞，需要減小窗口大小以減輕擁塞狀況，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值α和β分別為1和3。

3 Vegas改進(jìn)策略

3.1 測(cè)算延時(shí)改進(jìn)

SCPC-TP中Vegas是以往返RTT為基礎(chǔ)，對(duì)擁塞窗口進(jìn)行控制。但是在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中存在影響往返延時(shí)的因素較多，比如正向鏈路信息傳輸狀況良好，反向鏈路產(chǎn)生了擁塞而導(dǎo)致了RTT的增大;或者反向確認(rèn)幀丟失，使正向計(jì)時(shí)器超時(shí)導(dǎo)致正向鏈路判定為正向擁塞引起；以及通信時(shí)衛(wèi)星之間多跳傳輸導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致延時(shí)增加等。由于Vegas并沒(méi)有良好的判斷機(jī)制來(lái)區(qū)別這些非擁塞因素對(duì)RTT的影響，所以會(huì)默認(rèn)為正向鏈路擁塞，從而減小擁塞窗口來(lái)減小RTT，實(shí)際上卻導(dǎo)致在未發(fā)生擁塞情況下依然減小擁塞窗口，傳輸效率難以提高。

針對(duì)這種情況，本文對(duì)RTT進(jìn)行新的測(cè)算。測(cè)算中以單向傳輸時(shí)延(RTT-S)代替往返傳輸時(shí)延作為對(duì)擁塞窗口的控制，這樣窗口的變化就不再受反向丟包、擁塞、錯(cuò)序等不利因素的影響，能夠加大對(duì)正向鏈路的利用效率。

3.2 對(duì)擁塞窗口調(diào)整的改進(jìn)

對(duì)α和β改進(jìn)算法有Vegas-H[11]、Vegas-b[12]及控制diff區(qū)間的TCP New Vegas[13]等幾種算法，都是作用于α和β的值考慮，改變其固定值為可變化值，隨著其擁塞窗口的變化小幅調(diào)整門(mén)限值以提高效率。但是研究發(fā)現(xiàn)擁塞窗口的調(diào)整方式也是影響傳輸效率的重要因素，由于窗口的變化只與本次diff的值有關(guān)，有時(shí)非擁塞因素或可自消化擁塞等都會(huì)使窗口變化，這樣使得窗口波動(dòng)大、利用率不高。所以本算法將對(duì)下一次窗口調(diào)整進(jìn)行預(yù)測(cè)調(diào)整，使窗口變化更符合實(shí)際情況。

主要思想是利用三次單向傳輸時(shí)延RTT-S1、RTT-S2、RTT-S3的變化情況以及變化率幅度因子Z來(lái)控制擁塞窗口的變化。根據(jù)幅度因子Z與前后RTT-S的變化情況DTR-1(RTT-S1與RTT-S2的差值)和DTR-2(RTT-S2與RTT-S3的差值)將窗口變化分為單線(xiàn)型 和波動(dòng)型兩大類(lèi)分別處理，可以提前判斷擁塞情況是否要到來(lái)，從而采取相應(yīng)措施，使傳輸速率更加平穩(wěn)。對(duì)擁塞避免階段窗口調(diào)整的階段頻繁度與增長(zhǎng)、減小頻度因素進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，cwnd在每次調(diào)整時(shí)變化幅度，以及α和β值的大小都會(huì)影響傳輸效率，所以在上述基礎(chǔ)上對(duì)以下兩個(gè)方面也進(jìn)行了相關(guān)的改進(jìn)。

在小于α階段時(shí)，衛(wèi)星通信狀況理論上處于良好狀態(tài)，在這階段可以將整個(gè)增長(zhǎng)階段分為兩部分，在不同的部分依據(jù)影響因子加快增長(zhǎng)方式。

當(dāng)diff小于(2/3)×α?xí)r，cwnd依據(jù)幅度因子將整體分為幾種情況，并以窗口數(shù)為3×(1-diff)的增長(zhǎng)方式作為主要增長(zhǎng)，當(dāng)diff在(2/3)×α與α之間時(shí)，cwnd以傳統(tǒng)線(xiàn)性增加方式增長(zhǎng)窗口數(shù)量。

在α和β之間時(shí)，如果大于(α+β)/2，窗口基本處于飽和狀態(tài)，此時(shí)每次窗口調(diào)整幅度為原來(lái)的一半。Vegas_pre算法此處對(duì)窗口的預(yù)測(cè)處理使窗口處于不斷調(diào)整狀態(tài)，避免窗口調(diào)整進(jìn)入假死停止?fàn)顟B(tài)，提高窗口容納量。

當(dāng)diff大于β時(shí)，此時(shí)窗口已經(jīng)達(dá)到可緩存的飽和狀態(tài)， 本部分算法將固定的門(mén)限值改為可動(dòng)態(tài)調(diào)整的門(mén)限值。隨著不同的幅度因子與窗口階段的結(jié)合，對(duì)門(mén)限值進(jìn)行小幅度動(dòng)態(tài)調(diào)整。 如圖1所示是Vegas_pre算法流程框架。

圖1 Vegas_pre 算法的基本流程圖

4 算法仿真

4.1 仿真環(huán)境

本實(shí)驗(yàn)使用Opnet14.5網(wǎng)絡(luò)仿真軟件模擬仿真環(huán)境，用以對(duì)該算法進(jìn)行性能驗(yàn)證。仿真模型庫(kù)為CCSDS協(xié)議模型庫(kù)，采用標(biāo)準(zhǔn)SCPS-TP通信協(xié)議，衛(wèi)星采用GEO衛(wèi)星單向延時(shí)為250 ms，業(yè)務(wù)為4個(gè)FTP流傳輸，以及如表1所給的仿真參數(shù)。仿真中以衛(wèi)星作為信息源給地面發(fā)送信息并接收返回確認(rèn)，最終仿真實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

表1 仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)取值

4.2 不同誤碼率對(duì)吞吐率影響

本實(shí)驗(yàn)以誤碼率作為變量參數(shù)，獲取吞吐量的性能對(duì)比。如圖3、圖4分別為GEO衛(wèi)星在10-5、10-6時(shí)，兩種算法的擁塞窗口比較。

通過(guò)對(duì)比下圖的仿真結(jié)果可以看出在誤碼率不相同的情況下Vegas_pre算法的吞吐量都要優(yōu)于原始的Vegas算法，并且新算法吞吐量的大小波動(dòng)要小于Vegas算法。其中誤碼率為10-6時(shí)，和傳統(tǒng)的Vegas算法相比，新算法吞吐量提高了62.2%。誤碼率為10-5的情況下，新算法的吞吐量提高了66%。并且當(dāng)誤碼率從10-6變?yōu)?0-5后，Vegas算法吞吐量降低了33.3%，新算法降低了28.5%，可見(jiàn)新算法的穩(wěn)定性要高于Vegas算法。通過(guò)對(duì)兩個(gè)仿真結(jié)果的分析可知，新算法在吞吐量大小以及穩(wěn)定性方面都有較好的提高，驗(yàn)證了新算法的正確性。

圖3 誤碼率為10-6時(shí)吞吐量的變化

圖4 誤碼率為10-5時(shí)的吞吐量變化

5 結(jié) 語(yǔ)

Vegas_pre算法屏蔽反向傳輸所存在的不利因素，并且在窗口調(diào)整過(guò)程用變化幅度因子預(yù)測(cè)并控制窗口，使窗口調(diào)整更加的迅速與精確，提高了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男省２⑼ㄟ^(guò)Opnet仿真驗(yàn)證算法的正確性。本算法復(fù)雜度低、效果改進(jìn)明顯。

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