BSS:破裂移动雾计算多路径传输的纠错方案

文摘

场景的移动雾计算(MFC),车辆之间的通信和雾层,叫做vehicle-to-fog (V2F)沟通,需要使用带宽资源尽可能低延迟和高容忍错误。为了适应这些残酷的场景,有重要的技术挑战有关的结合网络编码(NC)和多路径传输建设高质量V2F cloud-aware MFC的沟通。大多数数控计划表现出较差的可靠性在破裂的错误通常发生在高速移动场景。这些可以通过使用交叉技术改进。然而,大多数传统的交叉多路径传输方案设计基于轮循(RR)或加权轮循WRR)(到,在实践中,这会浪费大量的带宽资源。为了解决这些问题,本文提出了一种新颖的多路径传输方案cloud-aware MFC,叫做双向选择调度(BSS)计划。的前提下实现交错,由于BSS可以与很多路径调度算法结合使用基于最早交付路径优先(EDPF),它可以更好地利用带宽资源。因此,BSS具有较高的可靠性和带宽利用率在严酷的场景。它可以满足传输cloud-aware MFC的高质量要求。

1。介绍

移动雾计算(MFC)扩展云计算车辆和云之间增加了一层雾,降低传输延迟和更少的交通负担(1- - - - - -3]。与移动边缘计算(MEG),因为MFC能够注意集中的云,它可以共同使用集中式云(4]。然而,在车辆之间的通信和雾层,尤其是对延迟敏感用户,数据丢失极大地影响质量的经验(5]。为了满足优质服务要求在移动场景中,重要的是构造vehicle-to-fog (V2F)与高可靠性通信cloud-aware MFC和带宽利用率。V2F沟通需要快速传输大量数据(6,7]。它需要用更低的延迟和更高的带宽资源容忍错误。

大量研究已经证明多路径传输可以显著提高V2F通信的吞吐量(8- - - - - -10]。调度算法是一个重要的因素影响多路径传输的带宽利用率。一个简单的轮循调度算法(RR) [11公平对待每个路径)。然而,RR不考虑每条路径的实际状态。它会浪费很多的整个传输的带宽资源。WRR)加权轮循(到预先设定的重量在每个路径表示的状态带宽、丢包和延迟。WRR比RR广泛应用。因此,到WRR,相比RR和到最早的传递路径优先(EDPF) [12)执行得更好。这种方法提高了带宽利用率,实时估计状态的路径。最早完成第一(ECF) [13)是一种基于EDPF当前的调度算法,考虑所有相关的信息多路径传输。它有更高的带宽利用率和较低的延迟。

在传播过程中,特别是在严酷的场景中,经常出现数据丢失。它可以减少传输的质量。网络编码(NC)被证明是一个有效的方案,可大大提高多路传输的可靠性和带宽利用率(14]。数控方案可以被视为一个包级别纠错方案。它提高了可靠性通过增加冗余,降低了重传的时候当遇到数据丢失。我们之前提出一个BNNC计划(15,16]在整数的集合。与传统的数控方案相比,它提高了编码和解码的效率。

然而,大多数研究关于数控为加性高斯白噪声(AWGN)渠道,具有良好的性能,纠正随机错误(17]。在V2F通信中,由于网络或通道阻塞的传球给队友,也有大量的突发错误除了随机误差(18]。这些计划专为AWGN展览在突发错误场景中表现不佳。提高突发错误场景的可靠性,交叉通常是一起使用的纠错方案。交错的方式重新排列,通常采用随机突发错误的纠错方案可能更有效。黄等。19首先建立一个交叉和数控之间的联系,这表明,交叉可以有效应对突发错误。月亮和金(20.)提出了一个Network-Adaptive选择的传输错误控制开关在不同误差方案包括前向纠错(FEC),交叉,自动重发请求(ARQ)。

多路径传输是基于传统交叉方案WRR [RR或到21),浪费大量的带宽资源。此外,由于限制的RR WRR,或到这些计划只能维护一个系统的交错的距离。它引入了额外的信号延迟和显著影响cloud-aware MFC的经验。很少有研究在多路径传输表现良好。

在本文中,我们提出一个新颖的破裂纠错方案,双向选择调度(BSS),具有高可靠性和多路径传输的带宽利用率cloud-aware MFC。BSS的方式重新排列过程,而不是一种编码方案,所以它是足够灵活兼容大部分的现有技术。BSS可以实现多路交叉过程和高带宽利用率和维护等级交错的距离。本文的贡献可以概括如下:(我)我们提出一种新的调度算法,实现交叉/多路传输的过程(2)我们完成一个完整的破裂纠错方案,BSS, cloud-aware MFC的多路径传输(3)大量的模拟证明了BSS的可行性。它有更好的可靠性和带宽利用率比其他数控计划

本文的其余部分组织如下。部分2回顾一些关于突发纠错的相关工作计划。部分3介绍了BSS的实现。部分4通过模拟验证BSS的可行性。最后,部分5总结了调查。

2。相关工作

在本节中,我们主要关注一些不同类型的破裂纠错方案。

2.1。数控计划通过增加冗余

数控计划首先旨在提高多播网络的吞吐量。FMTCP数控适用于MPTCP,使多路传输的可靠性通过添加冗余(22]。数控 可以被视为一个包级别纠错方案。在发送端,原创数据包进行编码,数据包通过添加冗余数据包。可以恢复原来的包只要收到数据包,而不是所有数据包在接收端。数控相关的纠错功能冗余的长度 。

提高突发纠错的能力,增加冗余的长度是一个有用的方法。我们之前的研究表明,仅仅增加冗余可以增加整个系统开销和降低带宽利用率。合并原编码组数控 变成一个大编码组数控 可以增加冗余而不失去额外的带宽利用率。它可以提高突发纠错的能力次了。

然而,这种类型的计划本身是一个单一路径的解决方案,而不是一个多路径的解决方案。这些计划的纠错功能不稳定在不同路径的调度算法。主要的问题是性能。冗余可以大大增加计算复杂度的增加,虽然总编码长度不会改变。此外,在某些情况下,它可能扩展包丢失的影响。如果破裂的长度太长新的冗余错误 ,这个方案可能造成的损失 原始的数据包。

2.2。交错编码方案

路径依赖模型(23- - - - - -26)通常使用交叉在突发错误,提高性能,称为交错编码。黄等。19)首先建立一个交叉连接和网络编码,这表明,交叉可以有效应对突发错误。这些模型信息数据包发送到不同的路径,然后将这些数据包编码每个路径(27]。交错编码扰乱了数据包的顺序在每个路径和突发错误转换成随机错误。

这种类型的方案可以被视为许多单路径传输的组合。每个路径保持编码方案这意味着不同的路径有不同长度的冗余和交错的距离。与系统隔离距离相比,它有较低的平均延迟。

然而,这种类型的方案并不充分利用多路径传输的特点。尽管大多数路径是非常健康的,它可以严重影响整个系统的带宽利用率,曾经的破裂长度错误发生在一个路径。

2.3。道路交叉方案

多路传输技术旨在提高端到端传输的吞吐量(28]。此外,由于每条路径的状态是独立的,多路径传输可以包在每个路径传播,从而减少丢包率造成一定的路径。道路交叉方案考虑每条路径的独立多路径传输。他们分散包相同的编码组在不同的传播路径,以减少相关(29日]。

Giovambene et al。30.)提出了一种基于路径网络编码(PBNC)计划。它关注数据包在多路径的分布,在独立路径场景中可以提高性能。这种类型的计划第一个编码包的信息,然后发送信息数据包和冗余数据包到多个路径。因为相同的数据包编码组可能分散在不同的路径,它是有效的在处理包丢失在一个路径。蔡等人提出了多路径传输结合向前纠错和路径交叉,这打破了各自的路径上的数据包通过RR (21]。它比大多数计划在破裂的情况下具有较高的可靠性。

事实上,RR算法可以拖累了最糟糕的道路。此外,该方案只维护一个系统的交错的距离。每条路径的距离过长交叉会降低系统的性能,和过分交叉距离可以降低系统的可靠性。

3所示。双向选择调度方案

BSS的介绍之前,我们在表总结这些解决方案的限制1提出的部分2。增加冗余的长度数控计划不是一个多路径的解决方案。此外,它有一个计算问题和低健壮可能导致一个巨大的长突发错误的影响。交错编码方案和路径交叉方案性能的一个主要问题。额外平均信号延迟和一个贫穷的路径会严重拖累整体吞吐量。

在本文中,我们提出一种改进的自适应突发纠错方案,BSS,适用于多路径传输cloud-aware MFC。BSS不添加额外的计算开销。很健壮的长突发错误和单独的可怜的路径。与大多数的突发纠错方案相比,它具有更高的可靠性和多路径传输的带宽利用率。

3.1。BSS的网络拓扑

传输的过程是对称的。在这篇文章中,我们介绍了BSS的上行流量用户雾层和集中的云。图1显示了BSS的网络拓扑部署在V2F沟通。拓扑是由用户层、多路径网络、雾层,和集中的云。在用户层,在激励过程中,用户转发数据通过移动互联网路由器(先生)不同的基站。先生的访问异构网络的功能是不同的运营商,因此,模型可以视为并发多路径传输(31日]。在雾层,雾节点负责恢复原始数据从多路径网络和处理虚拟机(VM)。在从用户数据传输层雾层,可能会有错误。为了减少破裂错误对系统的影响,BSS被设计为一个端到端的破裂纠错方案。

我们部署的编码和解码方案先生和雾节点,分别。先生,用户的数据映射到数据包通过映射模块。网络编码器实现了数控,增加冗余数据包来提高随机误差的可靠性。然后,信息和冗余数据包发送的数据包通过BSS部署在一个双向的选择器。双向选择器实现了交叉过程相互选择机制的路径和包。它能改善突发错误的可靠性。此外,网络接口控制器(NIC)发送者可以访问异构网络不同的运营商实现并行传输。雾节点接收到的数据包恢复到源数据通过接收缓冲区,deinterleaver,网络解码器和映射模块,然后处理源数据与虚拟机。最后,雾节点只需要向前集中云的重要成果。此外,链接管理模块部署在先生和雾节点。 They can detect the status of the entire network transmission in real-time and dynamically adjust the parameters of the bidirectional selector.

3.2。双向选择器模块的设计

BSS实现交叉/多路传输的过程。驱散原始连续交叉技术和相关数据包,从而将连续的突发错误转化为随机错误,然后依靠数控的纠错功能来恢复数据。与传统多路径交叉方案基于RR算法,BSS可以使用任何路径调度算法。

传统的多路径传输方案由一个第一输入输出缓冲区和调度程序的路径。调度程序的路径只第一个数据包缓冲区。其实质是一个寻路过程的第一个数据包,保证第一个数据包总是可以送到最合适的路径。BSS添加一个模块的包调度程序和重新设计缓冲的结构可以提供包选择服务。包与路径调度器调度程序配合完成数据包的双向选择和路径。因此,BSS可以确保数据包发送不仅在最合适的路径,而且在最合适的时间。

如图2为了实现BSS,我们使用一个双向选择定制包的程度的不连续性。双向选择器主要由一个数据包调度和调度程序的路径。数据包调度程序可以暂时存储发送数据包。包第一次进入发送缓冲区的数据包调度程序临时存储,同时触发路径调度程序得到适当的路径。BSS使得获取路径之后,第二个选择适当的发送数据包的发送缓冲区。这个过程会破坏数据包的顺序在每个路径和实现交错的过程。

3.3。数学分析的BSS

交错的距离是最重要的数学参数突发纠错的能力。考虑多路径传输和数控的特点,我们做一些假设:(我)每个路径独立的状态(2)不同网络的数据包编码组织是独立的

包的选择路径主要取决于调度算法的实现路径,所以我们只需要分析包的路径选择算法。多路径传输允许数据包,由数控编码 ,同时可以通过多条路径来发送。尽管同一个NC组的数量较小的每条路径上,每条路径的包丢失约束是没有改变。破裂的包丢失约束误差不大于冗余的长度 。交叉可以改善它的重排过程。因此,突发包丢失约束每个路径 在哪里意味着交叉后相邻数据包之间的最小距离。公式(1)表明,只有相关长度冗余和交叉的距离 。自是由网络编码,关键是如何设计和实现交叉的距离 。我们定义的长度错误和每个数据包的破裂损失率 。当不使用交叉,成功恢复的一组编码数据包的概率:

当使用交叉技术和 ,破裂的错误成为随机错误。成功的概率译码 在哪里意味着整个数据包损失率。如果 ,爆炸成为错误 。成功的概率译码

我们可以看到,公式(2公式(的)是一个特例4)当

一般来说,我们观察一段时间的道路,让整个数据包损失率 。公式(3)和公式(4)可以表示为

公式(5)表明,只要 ,成功恢复的概率可以达到最高的价值。因此,它是必要的,以满足连续数据包在每个路径都是独立的。

3.4。核心算法的实现

BSS提供了一个等级交错的距离。每个路径可以维护自己的交叉交错距离减少性能问题的影响。的核心算法BSS算法所示1。步骤1到3首先初始化每个路径的距离交叉反馈链接管理。然后,每个路径初始化缓冲碰撞距离交叉路径的长度相同。BSS需要监视的状态数据包的发送缓冲区。发送缓冲区不为空时,此时路径调度程序给最合适的路径根据配置的路径调度算法。然后,BSS触发包的包调度程序寻找满足所选路径的交叉距离。在获得适当的包和路径,BSS完成发送和更新的操作可以发送缓冲区和碰撞缓冲区。在最坏的情况下,没有合适的数据包的发送缓冲区,当它需要。这个时候,可以直接发送或继续等待。自交叉距离反映突发错误,在理想的情况下,只要交错距离是足够准确的,包总是失去了。 In practical terms, we generally set a timeout threshold. Packets with a waiting time exceeding the threshold can be sent immediately.

4所示。性能和讨论

为了定量分析缓冲V2F中的错误,我们模拟车辆之间的通信,通过NS3 cloud-aware MFC。首先,我们介绍了误差模型用于模拟。其次,我们引入模拟V2F通信包括模拟拓扑的设计和参数。最后,我们分析和比较不同方案的性能在突发错误场景下,这证明了BSS的可行性。

4.1。破裂的误差模型

我们使用一个两国并存的马尔可夫模型,Gilbert-Elliot模型,来描述突发错误属性。这个模型提出了吉尔伯特和艾略特(32]。路径状态分为两种状态:好(G)和坏(B)。在G的路径提出了高可靠性、低损耗的概率。然而,在B状态,难以接收的数据包。

为了简化误差模型,我们假设G状态的丢包率和B的丢包率 。此外,我们将初始状态设置为g .我们统一定义的第一个下标代表原始状态和最后一个代表转换状态。从G B的转移概率 ,和B G的转移概率 。因此,我们可以改变破裂误差模型来模拟不同的场景通过修改的值和 。

4.2。设计仿真V2F沟通

仿真拓扑如图3。我们使用四个节点形成一个最低cloud-aware MFC多路径传输模型。节点1(用户)将源数据发送到节点2(移动路由器)上部署。节点2编码和交叉源数据;然后,它将信息和冗余数据包发送给节点3(雾节点)通过三个并行路径。在收到足够的数据包,节点3恢复原始数据,并将结果转发节点4(集中云)。

值得注意的是,节点2和节点之间的路径3可能遇到突发错误。我们设置了编码方案和解码方案在节点2和节点3,分别减少破裂错误对系统的影响。为了模拟不同的场景中,我们设置不同的路径状态和改变破裂误差模型来验证BSS的可行性。

表2显示了仿真参数。节点1生成源代码包。BNNC 使用纠错方案,也是作为基准。我们修正参数 来 。为了模拟突发错误,我们使用Gilbert-Elliot模型生成包丢失。如表所示3,我们设置三种不同的路径。没有破裂的错误路径1和路径3。我们模拟三种不同的突发丢包率路径2,这是 , ,和 。基于公式(5),我们设置每条路径的交叉距离等于连续丢包长度。

4.3。验证和分析

首先,图4比较了解码失败比率BSS和数控当路径2已经破裂错误。解码失败比率意味着编码的概率组不能解码;也就是说,以上 同一组丢失的数据包传输。当破裂的平均长度等于错误 ,可以被视为一个理想的随机误差的情况下,两个计划几乎没有解码失败和信息丢失,因为一个包丢失在一个编码组可以由数控纠正。当破裂长度大于错误 ,误差模型可以生成连续丢包在一个编码组超过包丢失约束 。数控展品可怜的可靠性增长的破裂的平均长度错误。由于BSS使用交叉,它将连续的突发错误随机错误。尽管BSS的解码失败比平均长度等于时也会增加 ,随后的变化非常缓慢。当在爆炸中错误场景(破裂的平均长度大于错误 ),BSS的解码失败比率远低于数控,甚至只有一半的数控。这表明,BSS的可靠性高于数控在不同的场景中。可靠性有很大影响整个系统的性能。较低的解码失败比率也代表了更少的重发,这意味着更高的带宽利用率。因此,BSS远远优于其它方案的可靠性,而且还可以大大提高整体性能。

其次,图5显示了BSS的实时流量、BNNC和路径交叉方案当路径2平均丢包和破裂的平均长度错误 。它表明数控实时吞吐量大幅波动,显示了平均吞吐量的下降趋势。然而,实时的吞吐量BSS和路径交叉都是相对稳定的。它表明,BSS和路径交叉由突发错误的影响较小。注意,路径交叉不能充分利用每条路径的带宽。表的设置3,RR算法限制了每条路径的带宽不足Mbps带宽等于的路径1。相比,数控和路径交错,尽管突发错误,BSS的实时吞吐量是保持在一个较高的值,这意味着BSS有更高的带宽利用率。

最后,我们比较BSS的带宽利用率和数控方面的统计指标。图6展示了BSS之间的方差和数控。仿真、数控的方差增加而破裂的长度错误,但BSS相对稳定和保持一个较低的值。与数控相比,BSS方差较低,这意味着它的实时流量更稳定和平滑。特别是在低丢包率的情况下,比数控BSS要好得多。图7显示了数控的平均吞吐量,BSS不同长度的路径交叉和突发错误。类似于解码失败比率,数控性能更好的平均长度等于破裂错误这可以被视为一个理想的随机误差的场景。然而随着突发错误的平均长度增加 ,数控的吞吐量迅速减少。当平均损失= ,数控甚至类似于路径的平均吞吐量交叉已证明失去大量的带宽资源。相比,高连续丢包的情况下,数控,BSS可以增加吞吐量近 。图8显示了不同的路径的平均吞吐量在突发错误场景(平均长度大于破裂的错误 )当平均丢包率 。虽然路径1和路径3仍然维持高吞吐量,路径的平均吞吐量数控2拖下来。此外,由于路径2的包丢失了很长时间,TCP的传输速度降低,和大多数路径调度算法低这条道路的重量同时,从而大大减少这条路径的带宽利用率。在相同的情况下,无论破裂的平均长度错误是什么,BSS可以更好地利用带宽资源路径2。它表明在爆炸中错误场景,BSS执行比数控。

5。结论

在本文中,我们提出一个新颖的破裂纠错方案V2F cloud-aware MFC的沟通。计划使用双向选择调度算法实现多路交叉的过程。它可以维护一个适应性等级交错的距离。最后,我们做了大量的模拟。结果表明,BSS丢包率和更高的带宽利用率较低的错误场景。相比,高连续丢包的情况下,数控,BSS可以减少解码失败比率和增加吞吐量近 。因此,得出的结论是,BSS cloud-aware MFC可以应付突发错误场景。在未来,我们将集中分析多路径破裂的状态错误和优化方案的交叉距离。

数据可用性

作者确认数据支持本研究的发现可用的文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持部分由中国国家自然科学基金(国家自然科学基金委)授予61872029和部分由北京市自然科学基金资助4182048。

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