综合分析异构无线网络在高速场景

文摘

需要更多被放置在访问带宽、稳定性、和网络延迟,由于生活节奏的加快和工作,特别是在移动场景。为了获得一个稳定的低延迟和高带宽网络在移动场景中,利用无线异构网络的并行是一个不错的选择。如今,人们越来越担心移动场景下的网络质量。一些学者做了相关的测量。然而,所有的这些测量主要研究网络参数的一部分或移动场景的一部分。在本文中,我们提出以下的贡献。首先,在高速移动场景中,无线网络不同的供应商综合测量的质量。其次,我们分析利用不同供应商的好处。第三,我们在高速移动场景部署复制链接机制,提出一种算法删除重复的数据包在高速移动场景中。,该算法也可以用于另一个多路径调度算法来提高可靠性。

1。介绍

高速铁路技术的快速发展,高速铁路已成为日常短期或中期距离旅行的主要方式(1]。在中国,有17.13亿次2017年总数累计去70亿。其次是巨大的客流,需要更多被放置在移动场景2,3]。

如今,手机网络已成为人们上网的主要方式(4]。随着手机网络的发展,许多研究者从不同方面衡量蜂窝网络的性能在不同的场景中。谭et al。5]研究了多个商业3 g UMTS网络。他们分析了延迟、吞吐量和不同的应用程序的性能。Tso et al。6]分析了HSPA网络在低速移动场景。然而,所有的这些测量主要调查网络层参数和传输层参数。他们错过了信噪比,一个重要的网络参数在网络接入层。Rodriguez-Pineiro J和Martin-Vega指出,信噪比是一个重要的网络参数分析蜂窝网络在高速移动场景中(7,8]。

此外,有一些文献研究无线网络的性能在高速移动场景中(9,10]。然而,这些文献只关注单个供应商的网络性能在高速移动场景中,并且他们不会分析异构网络的性能,是由不同的供应商。我们分析异构网络的关系在同一时间和地点在高速情况下。

在本文中,我们进行测量研究异构无线网络在高速移动场景的表现。我们定义高速移动场景,相对于基站接收机的速度是300公里/小时以上。典型的速度是300公里/小时的中国铁路高速(CRH),这是最大的商业高速铁路网络。我们做了我们在京津城际铁路的测量。在我们的实验中,我们开发一种特殊的测量工具,叫做异构网络测量仪(HNMI)。HNMI可以访问三个异构无线网络。在我们的测量中,我们使HNMI访问三大供应商中,中国联通(铜)和中国电信(CT)在同一时间。我们选择Iperf [11]的TCP包生成器和阿里云服务器的TCP接收器,它是中国最大的云服务提供商。为了研究在无线网络移动速度的影响,我们设计的测量在静态场景和低速移动场景作为参考。北京地铁13号线被选中作为低速移动的情况下,列车的运行速度大约是50公里/小时。和一个操场在北京交通大学选为静态情况下,信号强度的三个供应商是优秀的。结果表明,在高速情况下,一个单一的无线网络太穷来满足用户的需求。和网络不稳定高速的场景。

此外,它可以综合利用丰富的无线网络资源的异构无线网络,因为沿着铁路(12]。在本文中,我们试图在高速移动场景部署复制链接机制。实测结果表明,复制链接机制有效地减少了网络波动,降低了整体丢包率,并显著提高了网络吞吐量。

论文的结构组织如下。部分2回顾一些关于无线网络测量的相关工作。节3,我们描述我们的测量方法测量。节4,我们描述我们的结果和分析移动速度对网络性能的影响对于每个供应商。节5,我们在高速移动场景部署包复制机制。

2。相关工作

研究vehicle-ground通信是一个热门话题13]。研究无线网络的性能在不同移动速度下vehicle-ground通信的一个重要方向。许多研究人员做了很多无线移动网络的测量。这些作品可以分为两类: 有限的场景。Tso et al。6]研究了HSPA网络的性能。他们分析不仅静态场景,而且许多移动场景包括地铁、火车和公交车。然而,有限的商业网络部署,他们只分析3 g网络,而不是4 g网络。张成泽et al。14)测量了3 g和3.5 g网络与不同的供应商在不同的移动场景。参考文献(8,15)提出了不同的网络通道高速移动场景的模型。黄等。16)测量低速移动场景。他们发现,在低速移动场景中,RTT保持稳定与小波动。作为他们的分析信噪比是一个重要参数,影响网络吞吐量,李et al。17]研究了TCP在高速移动场景中行为。他们发现,当前的TCP不适应高速移动场景。然而,这些文献是有限的测量方案,没有全面分析网络性能的高速移动场景。 有限的网络参数。肖et al。18)进行了广泛的测量4 g LTE网络的性能在高速情况下。他们调查RSRP, RTT、抖动和TCP吞吐量。然而,他们不测量信噪比,这是无线网络的一个重要参数。谭等人做研究的多个商业3 g UMTS网络(5]。他们分析了延迟、吞吐量和不同的应用程序的性能。刘等人。19在高速情况下)测量了三种不同的LTE网络。他们专注于传输层的参数以及他们不分析网络接入层的参数。然而,这些文献只关注单个供应商的网络性能在高速移动场景中,不分析异构网络的性能,是由不同的供应商。

在本文中,我们进行测量研究异构无线网络的性能在不同的移动场景。我们分析高速移动场景对无线网络的影响。我们探索的方法,利用异构网络的高速铁路。

3所示。测量方法

为了探索实际的网络质量,我们设计一组实验来测量网络质量在不同的场景中。在本节中,我们描述的内容包括我们的网络测量工具,场景,和测量方法。我们详细分析网络质量的测量结果。

3.1。测量场景

为了测量对无线网络的影响在不同的移动速度,我们选择三个典型场景,即静态场景中,低速移动场景,和高速移动场景。

我们选择北京交通大学开放面积作为静态场景中,所有供应商的网络信号在哪里。北京地铁13号线被选中作为低速移动的情况下,列车的运行速度大约是70公里/小时。我们选择京津城际高速铁路高速移动场景中,列车的运行速度是300公里/小时左右。

在中国,无线蜂窝网络主要是由中国电信(CT),和中国移动,中国联通(铜)。我们在中国选择这三大厂商之间的关系来研究异构移动网络在同一地点和时间。三个主要供应商的名字和频带如表所示1。

3.2。测量参数

参照前面的工作,并给出了网络参数表中2。我们把所有的参数分为三个部分根据TCP / IP堆栈。有几个原因:互联网上存在大量的应用程序;绝大多数的交通TCP流量;TCP的吞吐量可以反映出用户的网络体验。因此,我们选择TCP吞吐量作为切入点的测量。网络层的质量影响传输层的质量。因此,我们分析网络层参数。RTT和抖动是最受欢迎的参数。网络访问层保证网络层的质量。4 g网络覆盖广泛的供应商在中国,RSRP是最重要的参数显示网络信号的强度。根据(7,8),信噪比是一个重要的参数为网络传输模型在高速情况下尤其如此。细胞ID代表我们访问的蜂窝网络基站。细胞ID的变化意味着接入网已经被调包。在网络交换机,移动设备发送一系列数据包重复对准,这不利于传播。

3.3。测量工具

大多数传统的测量工具只能测量一种无线网络在同一时间。为了进一步研究不同的移动场景的网络质量同时,我们设计网络传输拓扑如图1。此外,网络质量测量工具开发如图2。

测量的拓扑结构如图1。我们购买阿里云服务作为我们的服务器。我们选择阿里云的原因是,它是中国最大的云服务提供商和它有足够的访问带宽三大手机厂商。最后但并非最不重要的,它可以减少测量的电缆连接的影响。客户专用的网络质量测量工具如图2。它由三个相同的细胞网络适配器和一个WLAN网络适配器。每个手机网络适配器对应一个单独的手机网络。因此,该设备可以同时支持三个主要供应商。WLAN网络适配器提供控制设备在IEEE 802.11 b / g / n协议。

至于软件,我们开发一个网络参数监测模块基于Linux 3.2.0内核。模块可以包括RSRP监控信息,信噪比,获取基站信息,网络延迟,TCP吞吐量,等等。

3.4。测量过程

我们测量了三种不同的网络供应商同时在三个不同的场景。我们组的参数通过TCP / IP模型的四层的特点。针对网络接入层的参数,我们读网络适配器信息每隔100毫秒。在网络层,我们获取信息的方式定期发送Ping命令。传输层Iperf获得的信息,可以做出最好的传输层的资源。然后我们计算结果传输层的网络适配器的参数每100毫秒。

4所示。异构网络的优势

通过实际测量结果,我们发现网络性能不好在高速移动场景,不能满足人们的需求的访问互联网。在本节中,我们分析了影响单一供应商的网络性能的因素在一层一层地高速移动场景。此外,我们进一步讨论使用异构网络的优势。

4.1。传输层

首先,让我们直观地观察到传输层的性能参数在高速移动场景中。图3说明了在不同的场景中TCP的性能。TCP吞吐量在不同速度的变化趋势类似于每个供应商。在所有的三个场景,显然,TCP吞吐量的性能在高速情况下是最贫穷的。在高速情况下,TCP吞吐量的平均值最低和TCP吞吐量的波动是最引人注目的。

接下来,我们给出了统计分析通过箱线图和累积分布函数(CDF)图。图4在不同的场景中展示了TCP吞吐量的箱线图。我们的模式水平轴是“vendor_scenario名称。“年代意味着静态场景中,L意味着低速移动的情况下,和H意味着高速移动场景。对于每一个蜂窝网络,高速移动场景静态场景的平均比例是33.32%,6.25%,15.9%。

此外,我们研究TCP吞吐量的波动。图5提供的TCP吞吐量在100 ms的波动。水平轴的比值波动的TCP吞吐量在100 ms的中值的结果。纵轴是累积概率。在高速移动场景中,只有约40%的波动可能是稳定的。然而,在静态场景中,指数超过60%。和在高速情况下,约40%的波动可能TCP吞吐量超过20%。相同的索引在静态场景中约为20%。在高速情况下,如此巨大的波动在一个网络对用户体验有很大的影响。

基于上述分析,我们发现,在高速移动场景中,很难满足人们的需求由单一的无线网络上网。利用异构网络可以满足人们对上网的需求。从图3,我们发现几乎没有风险,所有的无线网络在吞吐量同时表现糟糕。因此,如图6一个适当的算法,可以利用异构网络,实现带宽聚合可以得到一个相对可靠的网络。

4.2。网络层

通过传输层的分析,我们可以观察到,在高速移动场景中,一个无线网络的网络性能很差。然而,由于异构网络,整个网络的性能有很大改进的余地。接下来,我们分析网络层使用异构网络的优点。

图7显示了单一的无线网络的RTT在不同的场景中。纵轴是RTT值。RTT等于零意味着探测数据包丢失。我们可以观察到,随着运动速度的增加,平均RTT增加,有时探测数据包丢失。

接下来,让我们观察运动对RTT抖动的影响(20.]。从图8,我们可以明显的RTT抖动在高速情况下更为明显。具备网络中,超过40%可能RTT恐慌在高速情况下女士超过50岁。然而,中位数RTT只有131 ms。

通过上面的分析,我们发现RTT的趋势相似。与数据包移动速度的增加,需要更多的时间交付,甚至丢失。这可能导致灾难的封包延迟非常敏感的应用程序,比如实时游戏。利用异构网络可以减少传输延迟。因此,如图9,一个适当的算法表明,每一次网络选择最快的链接可以得到一个相对可靠的网络。

4.3。网络访问层

后传输层和网络访问层参数的分析,我们发现在高速的场景中表现不佳的根本原因是表现不佳的网络接入层。

首先,我们分析的信号质量。在我们的整个测量中,每一个场景都是4 g网络。RSRP主要用于4 g蜂窝网络。图10在不同的场景中展示了RSRP。在我们的测量中,我们把RSRP分成5水平如表3显示。表4是测量结果。我们可以看到,在静态场景中,RSRP足够强大。然而,当接收方移动,RSRP大部分时间不是足够强大和RSRP位于平均水平。更重要的是,RSRP在高速情况下低于低速场景的。手机网络的信噪比是另一个重要参数。图11表明,信噪比在高速情况下低于信噪比在静态场景。

接下来,我们分析了信号质量的波动。图12在不同的场景中展示了RSRP的波动。图13在不同的场景中展示了信噪比的波动。我们一起分析这些参数,因为他们有类似的特征。我们可以观察到,在静态场景中,RSRP稳定,信噪比有点不稳定。在移动场景中,RSRP有一定程度的波动和波动度的高速和低速情况接近。在我看来,这个问题有两个原因。对于低速场景,测量场景是在城市区域的无线环境复杂,对基站的访问经常变化。在高速情况下,接收机的快速运动导致RSRP和信噪比的变化。但是基站沿着铁路更均匀分布。这也证明了切换时间提供图所示14。横轴是时间访问同一基站接收机。纵轴是累积概率。我们可以观察到,虽然接收机在高速情况下远远的同时,接收者很少交换由于基站的分布。

虽然高速移动场景中的三个供应商的性能不是很好,他们的网络信号在高速移动场景中是相对独立的。表5是相关分析的结果不同的厂商在高速移动场景中。两组的数据是不相关的,相关系数小于0.3。

我们进一步讨论每个无线蜂窝网络的切换不同的场景下。同时我们测量这三个无线蜂窝网络。具体分析切换图如图一所示15。横轴是时间。纵轴是不同的供应商在不同的场景中。年代意味着静态场景中,L意味着低速场景,和H意味着高速场景。在图15,同样的颜色块意味着接收者访问到相同的基站。换句话说,不同的颜色块的结是切换的时候。我们可以清楚地观察到,在同样的场景中,它很少发生,三个蜂窝无线网络切换在同一时间。换句话说,即使在高速情况下,使用多个供应商的网络与一个合适的调度算法可以支持一个可靠的网络。

5。异构网络资源综合利用高速移动场景

部分4指出,在高速移动场景中,由于汽车身体的屏蔽和无线蜂窝网络波动,一个无线网络很难满足用户的需求。然而,有许多不同的无线网络资源沿着铁路。沿着铁路异构无线网络的综合利用已经成为一个重要的方法来解决网络访问高速移动场景。

对于这样一个严厉的网络环境,一个简单的想法是复制数据包,分别从不同的发送的链接,以第一个到达的数据包为有用的数据包。剩下的数据包被丢弃。乍一看这个想法的成本非常大。但是,在这样一个恶劣的无线网络环境中,由于无线链路切换,网络延迟波动,和包丢失,TCP协议设计可靠的有线网络难以充分利用现有的网络资源。在链接交换的情况下,我们发现,在高速移动场景中,蜂窝基站连接的移动设备不断切换。然而,根据上一节的分析,三个供应商的网络切换的可能性几乎没有。网络延迟,接收机只接收第一个到达的数据包。换句话说,这种多路径传播的想法可以动态地选择传播最快的链接。和每一个选择都是绝对准确的。此外,它可以减少延迟波动的联系。 丢包的概率分析所示(1)。我们可以发现复制链接机制极大地降低丢包率。在吞吐量方面,服务器接收到第一个到达的数据包在任何一个链接。这将确保,在任何给定的时间,吞吐量是当前可用的最高链接链接。在高速移动场景中,每个链接的实时吞吐量快速波动和复制链接机制可以选择当前最佳链接实时确保吞吐量。此外,在异构网络多路径传播面临着一个重要的问题是无序的数据包。根据TCP协议的设计原则,一旦无序的数据包,它触发重传机制,严重影响了链接的有效吞吐量。在静态场景中,学者设计了很多方法来防止无序的数据包。然而,大多数这些方法都是基于链接的精确测量质量的基础上,系统或协议。这些方法,根据测量结果,作出准确的计算,避免无序的数据包。 In high-speed mobile scenario, we find that the quality of the wireless link is very volatile. These methods have difficulty estimating the quality of accurate links and cannot make accurate scheduling decisions. However, the replication link mechanism effectively avoids the problem of out-of-order packet in multipath transmission because the problem of out-of-order packet can be neglected when the packets are transmitted on a single link.

复制链接机制是在设计也面临着很多问题。其中,删除重复的包是一个非常重要的问题17]。异构无线网络在高速移动场景的问题尤为突出。在复制链接机制,同样的数据包复制到许多复制和发送不同的链接。在这些相同的数据包,数据包到达有效数据包和其余的数据包被视为重复的数据包被丢弃。重复的ack数据包触发TCP的拥塞控制机制,如果这些重复的数据包发送给接收者。TCP吞吐量降低链路利用率下降。因此,我们需要的数据包数量,删除重复的数据包。我们不能记录所有的数据包数量,因为计算机的存储空间是有限的。与此同时,如何快速确定一个包已经收到也是一个重要的问题。此外,在高速移动场景中,数据包序列号的差别是非常大的在很短的时间内。 Designing a deduplication algorithm in a high-speed mobile scenario faces enormous challenges.

我们设计一个重复数据删除算法对于高速移动场景。该算法不仅可以部署到复制链接机制,还用作容错机制在其他多路径传输机制。所示的重复数据删除算法设计算法1。

在算法的执行过程中,系统存储两个变量。一是最后清楚数据包序列号记录每次的最大数据包序列号清除。另一个缓冲区来记录接收数据包序列号。和接收到的数据包序号存储在秩序和定期清洗。该算法用于确定数据包是否重复。它表明,包是一个重复的包如果算法返回true。它表明,包不是复制算法返回false。数据包到达时,第一步分析了数据包并获得数据包序列号。如果数据包数量是1,步骤3和4显示,该算法扫清了最后明显包序列号和清除缓冲区接收到的数据包数量。在步骤7,当接收到的数据包数量小于最后明显包数量,这意味着同样的包已经到达,包是一个重复的数据包。 And the algorithm returns true. If the received packet number is greater than the last clear packet number, you need to search the received packet number buffer. In step 10, if the packet is found, it indicates that the same packet arrives. The algorithm returns true.

步骤12中,如果没有找到包,这意味着这包是第一个到达的数据包。在这种情况下,该算法检查接收到的数据包数量缓冲区的长度。如果缓冲区的长度超过了最大长度。该算法清除缓冲区的一部分,返回false。在这里,无序的包是一种常见的现象,因为网络在高速移动场景中是非常糟糕的。因此,接收到的数据包数量不能清除缓冲区。否则,无序的数据包误认为是不接收数据包。

图16显示了我们的结果复制链接机制的部署在高速移动场景。相比之下,图3,我们可以观察到,在高速移动场景中,复制链接机制的影响比任何单一的无线网络。相比之下,图6,我们可以观察到复制链接机制有效地减少网络的波动性和包丢失。

6。结论

在这篇文章中,有很多实际的实验结果,我们进行全面的异构无线网络性能的分析。我们设计HNMI测量不同厂商的网络在同一时间。我们发现,在高速移动场景中,单一的无线网络发现很难满足上网的需求。异构网络的综合利用有许多优点。此外,我们部署一个复制链接机制在实际高速移动场景和提出一个算法删除重复的包,也可以用于其他路径的调度算法。从测量,我们发现复制链接机制执行比任何单一的网络,因为它有效地降低了网络波动和数据包丢失。在未来,我们将继续探索如何使用异构网络在高速移动的情况下,为用户提供更好的网络服务。

信息披露

这手稿在第五届国际会议上提出了企业系统2017幻灯片,不是富尔语的手稿。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了中央大学基础研究基金(批准号2017 jbm018)和中国国家基础研究计划(973计划,批准号2013 cb329101)。

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