基于跨层设计的车载通信网TCP性能改进研究

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车辆的爆发式增长和无处不在的信息需求将通信网络与交通网络紧密结合起来,车载通信网由此应运而生,并成为一个研究热点。车辆间的通信形成了一种自组织的、结构开放的车载自组织网络(VANET),不仅具有移动自组织网络动态、分布式、多跳等特点,还具有自身独有的属性,如车辆运动的高速性、网络拓扑变化频繁等,这些属性直接影响VANET环境中的数据传输性能。VANET中有许多信息相关的应用,对于这些应用有必要选择可靠的传输协议,如TCP协议。在高动态的VANET环境中,由于信道质量不佳、路由切换频繁,使得丢包原因复杂化,传统TCP协议已不能很好的发挥作用,而目前对VANET的TCP机制研究较少。基于此,本文通过理论分析和仿真实验找出现有TCP不适合于车载通信网的原因,并引入跨层设计及模糊控制的思想对VANET中TCP传输性能进行改进。首先,本文基于跨层思想提出改进的VC-TCP,将网络层与传输层相结合进行跨层优化,通过向网络层提供有用的车辆运行信息,使网络层在路由过程中能够预测链路状态;然后在TCP首部中新增VC位用于指示链路状态,网络层通过跨层通信将链路状态记录到VC位,TCP发送端根据VC位快速区分丢包原因;最后基于跨层设计的四状态转移图,改进传统TCP拥塞控制算法,对不同丢包情况采取不同的拥塞控制策略。随后,本文引入模糊控制理论,在上述研究基础上进一步提出VF-TCP,利用相邻节点的相对速度、相邻节点的距离、相对往返时延变化率、短期吞吐量变化率作为模糊推理的输入参数,建立模糊控制规则库,通过模糊推理来判断链路稳定性及丢包原因,并结合上述跨层方案改进TCP拥塞控制策略和路由切换策略。仿真结果表明,采用本文中两种改进的TCP拥塞控制策略,在车载通信网环境下TCP传输的吞吐量、时延等性能均得到一定改善,特别在节点高速移动、信道质量不佳的环境下,优势更为明显。
摘要第3-4页
Abstract第4-5页
目录第6-9页
缩略词对照表第9-10页
第一章 绪论第10-14页
    1.1 选题的背景与意义第10-11页
    1.2 国内外研究进展第11-13页
    1.3 论文的主要工作与章节安排第13-14页
第二章 车载通信网简介及 TCP 拥塞控制基本原理第14-26页
    2.1 车载通信网简介第14-20页
        2.1.1 网络模型第14-15页
        2.1.2 主要优缺点第15页
        2.1.3 分层体系结构第15-20页
    2.2 TCP 拥塞控制基本原理第20-25页
        2.2.1 TCP 协议概述第20页
        2.2.2 TCP 主要功能第20-21页
        2.2.3 TCP 报文段格式第21-22页
        2.2.4 TCP 拥塞控制机制第22-24页
        2.2.5 TCP Veno第24-25页
    2.3 本章小结第25-26页
第三章 车载通信网中 TCP Reno 与 TCP Veno 性能分析第26-35页
    3.1 VANET 网络特性对 TCP Reno 的影响第26-27页
        3.1.1 路由切换对 TCP Reno 的影响第26-27页
        3.1.2 误码丢包对 TCP Reno 的影响第27页
    3.2 TCP Veno 在 VANET 环境下的缺陷第27-28页
    3.3 VANET 交通仿真场景搭建第28-30页
        3.3.1 交通仿真模型第28页
        3.3.2 VanetMobisim 简介第28-29页
        3.3.3 使用 VanetMobisim 进行交通仿真第29-30页
    3.4 VANET 网络仿真场景搭建第30-32页
        3.4.1 NS2 概述第30-31页
        3.4.2 NS2 仿真步骤第31-32页
        3.4.3 使用 NS2 进行网络仿真第32页
    3.5 VANET 中 TCP Reno 与 TCP Veno 性能仿真分析第32-34页
    3.6 本章小结第34-35页
第四章 车载通信网中基于跨层设计的 TCP 拥塞控制机制第35-45页
    4.1 跨层设计概述第35-36页
    4.2 基于跨层设计的丢包区分算法第36-39页
        4.2.1 通信距离与丢包的关系第36-38页
        4.2.2 TCP 首部改进方案第38页
        4.2.3 路由过程改进方案第38-39页
        4.2.4 跨层通信方案第39页
    4.3 基于跨层设计的拥塞控制改进机制第39-42页
        4.3.1 四状态转移图第39-41页
        4.3.2 TCP 拥塞控制改进方案第41页
        4.3.3 路由切换改进方案第41-42页
    4.4 仿真与分析第42-44页
    4.5 本章小结第44-45页
第五章 车载通信网中基于模糊控制的 TCP 拥塞控制机制第45-61页
    5.1 模糊控制概述第45-47页
        5.1.1 模糊集合与模糊推理第45-46页
        5.1.2 模糊控制基本原理第46-47页
    5.2 基于模糊控制的丢包区分算法第47-57页
        5.2.1 模糊控制的参数选择第47页
        5.2.2 系统总体框架第47-48页
        5.2.3 模糊化处理第48-53页
        5.2.4 模糊控制规则库第53-55页
        5.2.5 解模糊化第55-57页
    5.3 基于模糊控制的拥塞控制改进机制第57-59页
        5.3.1 传输层改进策略第58页
        5.3.2 路由层改进策略第58-59页
    5.4 仿真与分析第59-60页
    5.5 本章小节第60-61页
第六章 全文总结及未来工作第61-62页
    6.1 本文工作总结第61页
    6.2 进一步的研究工作第61-62页
致谢第62-63页
参考文献第63-68页
附录第68-73页
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