低时延传输的ERDQN数据调度算法

常梦磊，罗述翔，李幸睿，李鲁群

(上海师范大学 信息与机电工程学院，上海 201418)

车载网络、远程医疗、工业控制等领域需要低时延、高可靠性的网络传输。网络时延包括传输时延、传播时延、处理时延和排队时延。传播时延与传输介质物理特性有关，该部分时延很难减少。所以降低网络时延的方法，主要从处理时延、传输时延和排队时延方面考虑。

目前，降低网络时延的方法主要是优化排队策略和优化拥塞控制。如刘正飞等[1]使用自动队列管理算法(active queue management，AQM)管理数据等待队列长度，提高了网络链路利用率，但可能导致重要数据无法及时到达的问题。秦唯特[2]使用数据中心网络算法(data center TCP，DCTCP)和显式拥塞指示标记方法(explicit congestion notification，ECN)优化排队队列过长问题，但存在吞吐量抖动的问题。刘岩[3]采用随机流量预测算法(random early detection，RED)解决拥塞问题，但会出现网络链路参数调整不及时、拥塞控制有延迟的问题。邓仕军[4]提出了基于Q-learning算法的拥塞控制算法，但算法易出现因为样本不均衡导致的过拟合现象。

清华大学在2019年提出了基于快速用户数据报协议(user datagram protocol，UDP)互联网连接协议(quick UDP internet connections protocol，QUIC)的最后期限感知的传输协议[5](deadline-aware transport protocol，DTP)，该协议继承了QUIC协议的多流支持并且具有数据块传输、Deadline、优先级等多个特性，明确指出在DTP中实现低时延需要满足数据包的Deadline。本文在DTP协议基础上提出了ERDQN算法，该算法充分考虑了数据发送端数据块的优先级和Deadline，优化了排队策略，降低了排队时延。利用强化学习网络，自主学习调整传输参数，降低了传输时延。实验表明本文提出的ERDQN算法相比于传统拥塞控制算法收敛速度更快，排队时延和传输时延更低，QoE更高。

1 传统拥塞控制算法存在的问题

1.1 数据块排队丢失Deadline

传统的拥塞控制算法采用排队等待策略是先进先出策略(first input first output，FIFO)，该策略的弊端是当数据块中包含不同的数据类型(即包含具有不同的Deadline)，无法满足每种数据类型的Deadline。例如发送数据块是视频，详细信息见图1。

图1 数据块发送过程Fig.1 Data block sending process

视频数据块包括音频(Audio)、图像(Video)、控制(Coutrol)信号3种数据类型。其中Deadline的关系是

Cddl

(1)

式中Cddl、Addl、Vddl分别是Control信号、Audio信号、Video信号的Deadline。如果链路中发生拥塞，容易造成控制信号数据等待时间过长超出Deadline问题，进而导致数据重传，增加了网络负载。

1.2 网络传输过程中不稳定且传输速率低

传统的Reno算法，发送速率在慢启动阶段缓慢增加，当出现超时重传或者丢包现象时，将慢启动阈值(ssthresh)值设置为当前拥塞窗口(cwnd)的一半，重新传输丢失的数据包，并设置cwnd的值为ssthresh加上3个报文段(MSS)的长度，计算公式为

W=S+3×M

(2)

式中：W为拥塞窗口大小，S为慢启动阈值，M为报文段长度。网络传输链路中出现丢包或者超时现象时，发送数据窗口减半，传输速率出现不规则波动，导致网络链路平均传输速率降低。

2 ERDQN算法

针对以上问题，本文提出了ERDQN算法，该算法相比于传统的拥塞控制算法在排队策略中考虑了数据块的Deadline和优先级，以及利用强化学习网络自主学习调整网络传输参数，实现了低时延、高可靠性的网络传输。

2.1 ERDQN算法架构

本文提出的ERDQN算法根据当前时刻的网络状态预估下一个时刻网络状态，自动调整网络传输的相关参数，从而降低了网络传输的时延，保证数据高速稳定的传输。

ERDQN算法中的基于经验回放的DQN[6-7]网络包括两大模块(见图2)，分别是Net模块[8]和Memory模块[9]，Net模块的作用是计算和预估网络参数调整带来的收益值，Memory模块的作用是存储Net模块的训练记忆和记忆的优先级。

图2 Experience replay DQN流程Fig.2 Flow of experience replay DQN

Net模块包括MainNet和TargetNet两个神经网络，网络由全连接层、DropOut层、全连接层构成。隐藏层的单元数是30，DropOut层的权重设置为0.5。两个神经网络结构相同但是参数更新频率却不相同，其中MainNet是用于预测当前网络状态值，参数是实时更新的，当其参数更新100次后，将当前网络参数传递给TargetNet网络，TargetNet是用来预测目标网络状态值。在经过两大模块的运算，输出网络链路的预估状态。在重采样学习中，Memory模块根据优先级抽取学习记忆以供Net重复训练。

2.2 ERDQN算法描述

ERDQN算法针对传统的FIFO排队策略不能够满足不同数据类型的Deadline问题，在优化后的排队策略中考虑了数据类型的Deadline和优先级。首先计算当前数据块存活的时间，计算公式是

Tb=bcur-bcre

(3)

式中：Tb为数据块的存活时间，bcur为当前时间，bcre为数据块创建时间。计算数据块紧急程度的公式为

u=-1×Tb×D

(4)

式中：u为数据块紧急程度，Tb为数据块存活时间，D为数据块的截止日期。再根据不同数据类型的优先级，决定进入排队等待队列的顺序。如在游戏视频传输过程中，包含以下3种数据类型，每种不同的数据类型包括不同的Deadline和优先级，具体见表1。

表1 数据类型及相关属性Tab.1 Data types and related attributes

优先级代表不同的增益，h为0.5，m为0.3，l为0.1，通过下式计算出进入排队等待队列的顺序。

O=u×p

(5)

式中：O为进入等待队列顺序的衡量值，u为紧急程度，p为优先级。O的数值越大，越早进入数据等待队列。在强化学习网络中，为了避免过拟合现象，改进了Memory模块采样的过程，在采样时按一定比例抽取，即抽取每个优先级一定比例样本。训练记忆的优先级的划分依据F，F是Qeval与Qtarget之间的距离，其计算公式为

F=|Qtarget-Qeval|

(6)

式中：Qeval为当前网络状态值，Qtarget为目标网络状态值。F转换成优先级的具体的公式为

R=(F+ε)η

(7)

式中：R为训练记忆的优先级，ε为一个很小的常数，该参数的设置是为了避免记忆的优先级出现零，而η是控制高低误差之间的差异，其取值范围是[0,1]。η可以控制优先级在具体的计算中的权重。式(8)用来计算不同优先级记忆被采样的概率

(8)

式中Pi为训练记忆样本i被采样的概率，Rk为训练记忆样本k的优先级。Net网络重采样学习时，首先选择采样数据的优先级，再将优先级与根节点、左子树、右子树相互比较，选择相应优先级区间，重复上述过程直至叶子节点。不同优先级的采样的比例为

H=HRi×Pi+…+HRk×Pk

(9)

式中H为采样样本数量,HRi为样本优先级Ri的样本总量。该抽样方法既保证样本的学习效率，又避免了因为样本不均衡可能出现的过拟合现象。

3 实 验

3.1 数据集及实验环境

本实验中使用的数据集和仿真环境来源于AItrans智能网络挑战赛，数据集包括数据块(B)和日志。每一个B是时间长度为20 s的数据，其内容是日常使用中部分的blocks数据(bi)，B中包括Video类型和Audio类型，其属性包括时间戳(Ts)、帧大小(Fs)和是否为关键帧(Y)，详细信息见表2。

表2 Video和Audio的trace格式Tab.2 Trace format of Video and Audio

在数据集中，B数据中的Video类型和Audio类型拥有不同的优先级。相对于视频来说，Audio的优先级高于Video的优先级，这样的设计可以更好地满足使用者的需求。

实验的仿真环境是由清华大学构建的DTP模拟器(DTP-Emulator)，该系统使用DTP作为传输协议，模拟了在不同网络类型下数据传输的过程。在DTP-Emulator中可以使用自行设计的数据传输调度算法，并可以输出数据传输过程中的排队时延、传输时延等相关日志数据。官方给出了相关的质量系数评价模型

(1-α)×(1-Md)

(10)

式中：QQoE为相关模型的质量系数，P为指数据块的优先级，Md代表数据块是否超过Deadline，α为数据块在Deadline内到达接收端的增益值。

3.2 实验结果分析

Reno算法是最常用的拥塞控制的算法，在拥塞控制方面有着良好的效果，所以本实验在DTP-Emulator仿真环境中测试在仿真数据集和传输数据集中Reno算法、DQN算法和本文设计的ERDQN算法的性能，并输出相关的传输日志。

实验结果见表3、4,本文提出的ERDQN算法在排队时延(Qt)、最大排队延迟(Qmt)、平均传输速率(Vt)、QoE(QQoE)方面明显优于Reno算法和DQN算法。实验结果说明在不同的数据集中本文提出的ERDQN算法可以更好地满足数据块的优先级、Deadline的需求，能够实现低时延、高可靠性的传输目标。

表3 仿真数据集结果Tab.3 Results on simulation dataset

表4 传输数据集结果Tab.4 Results on transmission dataset

实际网络传输过程中ERDQN算法、DQN算法和Reno算法的时延(L)随着时间(T)变化曲线见图3，L包括排队时延和传播时延，它反映了拥塞控制算法在网络传输中的实际效果。

图3 L随时间的变化Fig.3 Variation of L with time

在实际传输过程中，ERDQN算法的平均时延

4 结 论

针对传统拥塞控制算法中不能满足不同数据类型数据的Deadline，网络传输不稳定且平均传输速率低的问题，本文提出了ERDQN算法，优化排队策略，满足了数据块的Deadline和优先级，降低了排队时延；且对网络参数调整过程不断学习，找到适宜当前网络传输的最优参数，降低了传输时延。实验证明本文所提出的ERDQN算法相比于Reno算法和DQN算法，具有时延低、平均传输速率高、QoE高等优点，且本文提出的算法收敛速度快，传输更加稳定，能够满足车载互联网、远程医疗、工业控制等领域的低时延、高可靠性的传输要求。