5G毫米波论文提纲,拥塞控制协议论文提纲,卡尔曼滤波论文提纲

5G毫米波通信中高效动态拥塞控制机制研究

摘要：作为新一代宽带移动通信技术,第五代移动通信技术（5th Generation Mobile Communication Technology,5G）具有高带宽、低时延和大连接等特点,是实现人机互联的网络基础设施。毫米波（30-300GHz的电磁波）通信为5G带来速率和时延优势的同时,也会为5G网络上层的传输协议的设计,特别是拥塞控制机制的设计带来挑战。（1）目前网络中广泛使用的TCP协议采用“慢启动”以及“加性增长、乘性减少”的拥塞控制机制,大大限制了带宽的利用率,在高带宽的5G网络中势必造成带宽的浪费,因此如何提高在5G网络中的带宽利用率是拥塞控制机制面临的一个挑战;（2）现有的拥塞控制机制以丢包作为网络拥塞的信号,网络中的分组在被丢弃前会被暂存在路由或基站的缓存中,形成队列,大量分组在缓存中排队,增加了端到端的传输时延,因此如何降低端到端的传输时延以凸显5G网络的低时延优势,这是拥塞控制机制面临的第二个挑战;（3）5G毫米波极易受到外部环境的影响,信道质量极不稳定,从而导致带宽和时延高度动态变化,如何快速探测带宽和时延的变化以适应5G网络的高动态性,这是拥塞控制面临的第三个挑战。本文针对TCP拥塞控制协议在5G网络中面临的以上挑战进行了深入研究,主要工作如下:1.5G网络中拥塞控制协议适应性分析。当前对于5G网络下的拥塞控制协议性能研究不够系统和全面,现有的相关研究仅选取个别拥塞控制协议进行性能分析,并且实验场景较为单一,因此并不能获取一个全面有效的适应性分析结论。鉴于此,本文基于网络仿真模拟器网络模拟器（Network Simulator-3,NS-3）设计5G毫米波仿真实验场景,并选取8个典型的拥塞控制协议,包括基于丢包、基于时延和混合型的协议,在静态、遮挡和移动三种场景下进行了广泛的实验研究,分析了这些协议的吞吐量、往返时延等性能参数。结果表明,在所有协议中BBR对5G网络的适应性最好,但是它对网络拥塞的响应较慢,在缓存中形成较长队列,导致往返时延显著增加。另外,BBR在高动态性的场景下不能及时探测到瓶颈带宽的变化,导致吞吐量和往返时延性能下降。2.针对BBR协议对网络拥塞响应较慢的问题,本文提出了一个New BBR协议,协议使用快速拥塞感知算法以改进BBR的拥塞探测机制。BBR需要经过三轮探测才能进入排空状态,而快速拥塞感知算法利用往返时延和数据包平均传输速率的变化率探测拥塞点,当探测到接近拥塞点时,New BBR进入排空状态,控制队列的增长。仿真实验结果表明,改进后的New BBR在三个场景中都表现出较高的吞吐量和较低的往返时延,特别是在移动场景中,其吞吐量性能比BBR提升了5%。3.针对BBR在高动态场景下不能及时探测瓶颈带宽变化的问题,本文基于卡尔曼滤波提出一个新的拥塞控制协议Kalman-BR。首先构建端到端链路可用带宽模型,然后基于此模型,结合卡尔曼滤波得到动态带宽预测算法,该算法根据数据包的发送速率和接收速率估计网络可用带宽,及时感知带宽的变化。仿真实验结果表明,Kalman-BR协议在三个场景下均实现了比BBR和New BBR更高的吞吐量和更低的往返时延,特别是在具有高动态性的场景二和场景三性能优势更加明显。 

关键词：5G毫米波;拥塞控制协议;卡尔曼滤波

摘要

abstract

第1章 绪论

    1.1 研究背景及意义

        1.1.1 5G毫米波通信技术简介

        1.1.2 拥塞控制协议在5G毫米波通信中面临的挑战

        1.1.3 研究意义

    1.2 研究现状

        1.2.1 实现高吞吐量的拥塞控制算法

        1.2.2 实现低往返时延的拥塞控制算法

        1.2.3 动态自适应的拥塞控制算法

        1.2.4 小结

    1.3 研究目标和研究内容

    1.4 本文组织结构

第2章 相关算法和工具

    2.1 TCP拥塞控制协议

        2.1.1 标准拥塞控制协议

        2.1.2 典型的拥塞控制协议改进版本

    2.2 基于NS-3网络模拟器的毫米波模块简介

        2.2.1 NS-3网络模拟器

        2.2.2 毫米波模块

    2.3 本章小结

第3章 5G网络中拥塞控制协议的适应性分析

    3.1 5G网络仿真拓扑构建

    3.2 典型拥塞控制协议适应性分析

        3.2.1 场景一(静态场景)下的适应性分析

        3.2.2 场景二(遮挡场景)下的适应性分析

        3.2.3 场景三(移动场景)下的适应性分析

    3.3 本章小结

第4章 基于BBR协议的改进——New BBR

    4.1 BBR协议拥塞感知机制分析

    4.2 快速拥塞感知算法

    4.3 New BBR协议仿真实验结果

        4.3.1 场景一(静态)和场景二(遮挡)

        4.3.2 场景三(移动)

    4.4 本章小结

第5章 基于卡尔曼滤波的动态拥塞控制协议(Kalman-BR)

    5.1 卡尔曼滤波算法简介

    5.2 端到端可用带宽模型构建

    5.3 基于卡尔曼滤波的可用带宽估计算法

    5.4 Kalman-BR协议仿真实验结果

        5.4.1 场景一(静态)和场景二(遮挡)

        5.4.2 场景三(移动)

    5.5 本章小结

第6章 总结与展望

    6.1 研究总结

    6.2 研究展望

参考文献

[1]探索5G技术在住房和城乡建设领域的应用场景[J]. 于静,刘丹,王曦晨,刘刚.  城市发展研究. 2021(04)

[2]5G时代“视频+”的重要应用场景研究[J]. 喻国明,杨雅,曲慧,耿晓梦,杨嘉仪.  中国编辑. 2020(11)

[3]工信部部署推动5G加快发展明确五方面18项措施[J].   互联网天地. 2020(04)

[4]5G毫米波短距离链路雨衰减特性分析[J]. 张鑫,赵振维,林乐科,卢昌胜,侯春枝,吕兆峰,吴振森.  电波科学学报. 2017(05)

[5]5G车联网展望[J]. 王良民,刘晓龙,李春晓,杨睛,杨卫东.  网络与信息安全学报. 2016(06)

[6]5G移动通信网络关键技术综述[J]. 赵国锋,陈婧,韩远兵,徐川.  重庆邮电大学学报(自然科学版). 2015(04)