《電子技術(shù)應用》
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一種TD-HSUPA系統(tǒng)的TCP優(yōu)化方法
來源:電子技術(shù)應用2011年第5期
王 耀,, 李方偉, 朱 濤, 吳德操
重慶郵電大學 移動通信重點實驗室, 重慶400064
摘要: TCP在TD-HSUPA系統(tǒng)中的表現(xiàn)不理想,,需要采取一些優(yōu)化措施,在分析了TD-HSUPA系統(tǒng)的網(wǎng)絡協(xié)議結(jié)構(gòu)之后,,提出了一種適用于TD-HSUPA系統(tǒng)的TCP優(yōu)化方法——由RNC解析終端TCP連接的狀態(tài),,在終端可能出現(xiàn)超時之前,由NodeB通過調(diào)度和信道分配相結(jié)合的方法改變終端物理層網(wǎng)絡環(huán)境,。經(jīng)仿真表明,對于復雜多變的無線空口環(huán)境,,本方法能保證TD-HSUPA數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性,提高網(wǎng)絡的利用率和吞吐量,。
關鍵詞: TD-HSUPA TCP 擁塞控制
中圖分類號: TN929
文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2011)05-0104-03
A strategy for improving TCP performance based on TD-HSUPA system
Wang Yao,, Li Fangwei, Zhu Tao, Wu Decao
Key Lab of Mobile Communication Technology, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400064, China
Abstract: Due to the poor performance of TCP over TD-HSUPA system, so it needs to take some optimization measures. This paper analyzes the TD-HSUPA network structure and proposes a solution to enhance the TCP performance, the optimization measure is that RNC analyses the TCP state of UE and informs NodeB to adjust the UE′s physical channel by scheduling and DCA (dynamic channel assignment).The simulation shows that the method mentioned above can guarantee TD-HSUPA data transmission stability and improve network utilization and throughput in the complex wireless air interface environment.
Key words : TD-HSUPA; TCP; congestion control


    傳輸控制協(xié)議TCP(Transmission Control Protocol)是目前Internet中最普遍的傳輸服務協(xié)議,作為端到端的傳輸協(xié)議,TCP為互聯(lián)網(wǎng)提供了一種可靠的運輸層服務?,F(xiàn)有的TCP算法主要有Tanoe,、Reno、NewReno,、SACK,、Vegas等,其中最廣泛使用的是Reno算法,。TCP擁有一套完整的擁塞控制機制,,通過擁塞窗口TCP能控制數(shù)據(jù)包的發(fā)送,當網(wǎng)絡鏈路上有較大的時延或丟包出現(xiàn)時能自動減慢數(shù)據(jù)包的發(fā)送速率,,防止網(wǎng)絡出現(xiàn)嚴重的阻塞,。
  相比有線網(wǎng)絡鏈路上傳輸數(shù)據(jù)時極低的誤碼率,在噪聲干擾下無線網(wǎng)鏈路的誤碼率遠遠高于有線網(wǎng)絡,,而且移動通信環(huán)境還存在帶寬低,、移動性等特點,并且3 G和LTE等移動通信網(wǎng)絡普遍使用2 GHz或是更高的頻段,該頻段的電磁波穿透性能較差,,所以無線網(wǎng)絡時常因空口環(huán)境變差而發(fā)生數(shù)據(jù)包丟失或較大的時延,,而TCP運行機制會將這一類事故認定為發(fā)生網(wǎng)絡擁塞,并促使數(shù)據(jù)發(fā)送端進入“TCP慢啟動階段”,,降低數(shù)據(jù)包發(fā)送速率,。但是當無線空口環(huán)境變好以后數(shù)據(jù)包的發(fā)送速率不會很快地恢復,這會嚴重影響時分高速分組接入TD-HSPA(Time Division-High Speed Packet Access)這種高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡的帶寬利用率和數(shù)據(jù)傳輸速率,。
  本文提出了一種TD-HSUPA系統(tǒng)的TCP優(yōu)化方法:利用無線網(wǎng)絡控制器RNC(Radio Network Controller)解析TCP連接鏈路上服務器的反饋包信息,,分析當前TCP連接的狀態(tài),在上行鏈路的TCP超時發(fā)生之前,控制NodeB對終端做優(yōu)先調(diào)度并在短期內(nèi)分配更多的時隙和碼道,,有效防止無線鏈路進入“TCP慢啟動階段”而影響無線帶寬利用,。本方法的優(yōu)點在于僅在RNC內(nèi)做TCP數(shù)據(jù)包的分析處理工作,不影響整個網(wǎng)絡,,有很好的系統(tǒng)兼容性,。
1 TD-HSUPA系統(tǒng)的TCP優(yōu)化方法
     高速上行鏈路分組接入HSUPA(High Speed Uplink Packet Access)是TD-SCDMA的上行數(shù)據(jù)傳輸標準,,作為匹配HSDPA高速下行數(shù)據(jù)傳輸,HSUPA通過引入了基于NodeB的快速調(diào)度,、快速混合自動重傳請求HARQ(Hybrid Automatic Repeat Request),、高階調(diào)制和增強專用信道E-DCH(Enhance-Dedicated Channel)等關鍵技術(shù),使得TD-SCDMA理論上行最大速率為2.2 Mb/s,,為在線游戲、高清視頻通話等業(yè)務提供足夠的帶寬,豐富3G無線通信的應用,。
       HSUPA的TCP數(shù)據(jù)包傳輸流程是:終端,、RNC和遠端服務器的連接建立以后,TCP數(shù)據(jù)包由終端發(fā)送,,經(jīng)過無線空口傳輸后被基站接收,,然后基站會將數(shù)據(jù)包通過傳輸網(wǎng)發(fā)送給RNC,RNC提供一個路由的功能將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到核心網(wǎng)并最終到達遠端服務器,。TD-HSUPA系統(tǒng)的協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖1所示[1],。


    在HSUPA系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的發(fā)送端是終端,因為不是所有的終端都支持TCP SACK等較新版本的傳輸協(xié)議,,大部分終端只支持標準的TCP NewReno,,所以考慮到系統(tǒng)的兼容性問題,HSUPA系統(tǒng)只能以使用TCP NewReno為主,。
  無線網(wǎng)絡中優(yōu)化TCP的有效手段(如TCP westwood[2]等)大都是針對數(shù)據(jù)的發(fā)送方,。但是對HSUPA系統(tǒng)來說對所有的終端做改進比較困難,從圖1中所示的HSUPA系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)來看,,HSUPA的擁塞控制優(yōu)化工作可考慮由無線鏈路的接收端來做[3-4],,也就是交由RNC和基站來完成。
     本文提出了一種在RNC和NodeB優(yōu)化 HSUPA系統(tǒng)TCP的方法,,結(jié)構(gòu)如圖2所示,。

    具體方案如下:

 


 (1)數(shù)據(jù)由用戶設備UE(User Equipment)發(fā)出后經(jīng)過Node B轉(zhuǎn)交給RNC,RNC解析每個數(shù)據(jù)包的TCP包頭信息,,由式Bw′=L/tint[5]可計算出每個用戶利用的無線鏈路帶寬,,其中L為數(shù)據(jù)包大小,tint為數(shù)據(jù)包到達時間間隔。根據(jù)Bw′的計算結(jié)果由式Bw=αBw+(1-α)Bw′ [2]可計算得到帶寬估計值Bw,,其中?琢為加權(quán)系數(shù)取0.9,,帶寬的計算有90%都來源于先前的值,這也是平滑帶寬的估計值。
   (2)RNC并不知道UE的超時重傳時間RTO(Retransmission Timeout),,只能通過其他的途徑估算該值,。TCP連接的RTO是根據(jù)數(shù)據(jù)包的往返時延RTT(Round-Trip Time)計算得到的,RTT包含有線鏈路的時延,、RNC轉(zhuǎn)發(fā)的時延和無線鏈路的傳輸時延,,由步驟(1)中解析數(shù)據(jù)包可以很容易地計算有線鏈路的傳輸時延tc,,RNC轉(zhuǎn)發(fā)的時延相比RTO的值較小,可以認為是定值tr,,無線鏈路的時延可以由式tw=L/Bw計算得到,,其中L為TCP/IP數(shù)據(jù)包大小,可設為1 500 B,,Bw為步驟(1)中計算的帶寬,,所以RNC側(cè)可估算得到TCP的超時時間RTO=2×(tc+tw+tr)。
 (3)服務器收到數(shù)據(jù)包以后會發(fā)送含有反饋信息的數(shù)據(jù)包,這些含有反饋信息的數(shù)據(jù)包在到達RNC時,,RNC需要解析這些數(shù)據(jù)包的TCP/IP包頭信息,,如果檢測到這些反饋數(shù)據(jù)包含有3個重復的ACK信息,RNC將通過Iur傳達信令通知Node B在下一次調(diào)度周期中臨時提高該UE的調(diào)度優(yōu)先級并為該UE增加物理信道以擴大該UE的可用帶寬,,使UE能盡快重傳數(shù)據(jù)以免進入慢啟動階段,持續(xù)一個RTO時間后,,Node B自動還原UE的優(yōu)先級和被分配的物理信道。
 在上述方法中RNC根據(jù)對反饋數(shù)據(jù)包解析的情況分析UE出現(xiàn)擁塞的原因,。如果擁塞出現(xiàn)的次數(shù)較少,,則說明是無線空口環(huán)境的抖動引起,RNC根據(jù)步驟(1)計算出UE所需的帶寬,,并且將計算出的帶寬值發(fā)送給Node B,,讓Node B為UE在接下來的一段時間調(diào)度增加信道數(shù),來保證UE能夠盡快重傳數(shù)據(jù),。如果長時間多次出現(xiàn)擁塞,,則說明是由其他原因所致,在HSUPA系統(tǒng)中這種問題由無線資源管理RRM(Radio Resource Management)來處理,,所以只需要為本方案設定一個靜默時間,,在執(zhí)行一次本方案以后需要啟動一個定時器,靜默一段時間后再激活本方法,,靜默時間應根據(jù)網(wǎng)絡的負載情況來定,如過負載較小則可將時間設得較短,,否之則需要設置較長。
2 仿真的實現(xiàn)
 目前互聯(lián)網(wǎng)上使用最為廣泛的TCP版本是1990年HOE J C提出的TCP NewReno,。在使用C++語言編寫的TD-SCDMA系統(tǒng)仿真平臺上,,本文對所提出的方法和TCP NewReno作仿真比較。 HSUPA的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。使用離散事件時間驅(qū)動機制的方法來模擬業(yè)務發(fā)起的過程,,所有用戶均使用FTP業(yè)務來仿真測試,小區(qū)采用WrapAround 19小區(qū)的模型,,每個小區(qū)分為3個扇區(qū),,每個扇區(qū)均勻分布1個用戶。有線鏈路的仿真模型簡化為從RNC到遠端服務器的鏈路中數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐禃r延為固定值200 ms。智能天線模型和同頻干擾的計算見參考文獻[6],。
 首先仿真穩(wěn)定狀態(tài)下的TCP,,假定所有用戶靜止,通過調(diào)節(jié)背景噪音功率使所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄`幀率達到相應的值,,經(jīng)過200 s仿真得到結(jié)果如圖3和圖4所示,。

 由圖3可以看到,當誤幀率較低時,本文提出的方法對于減少超時次數(shù)有很好的效果,;由圖4對應的吞吐量也可以看出,,相比TCP NewReno,本文提出的改進方法使得HSUPA系統(tǒng)的吞吐量隨誤幀率的升高而劇烈的降低得到緩解,說明本文提出的方法能減弱無線環(huán)境中TCP慢啟動機制帶來的性能下降,。
 仿真內(nèi)容改為更一般的情形:設背景噪聲為定值,,每個用戶以3 km/h的速度運動,當用戶數(shù)增多的情況下,,比較本文提出的方法和TCP NewReno之間的性能結(jié)果如圖5所示。

    因為用戶所受的干擾主要為TD-SCDMA系統(tǒng)內(nèi)的同頻干擾,,所以當用戶數(shù)增大時,,同頻干擾增大,終端通過增大發(fā)射功率來保證通信的信噪比大于門限值,,這會加劇無線信道的惡化,,導致吞吐量的降低。從圖5中可以看到,,每個小區(qū)的用戶數(shù)為4時,,本文提出的方法能提高大約12%的系統(tǒng)吞吐量,當用戶數(shù)為5時,,因為TD-SCDMA系統(tǒng)的物理信道數(shù)有限,,所以在遇到可能發(fā)生超時之前,可能會出現(xiàn)由于物理資源的限制而使得本文提出的方法不能很好地執(zhí)行,。不過在配合更好的動態(tài)信道分配算法的條件下,,本文提出的方法將能提升更好的效果。
    本文分析了TD-HSUPA系統(tǒng)網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu),,并且提出了一種適應TD-HSUPA網(wǎng)絡的擁塞控制方法,,通過RNC解析該TCP連接中UE與服務器之間的數(shù)據(jù)包和反饋包,經(jīng)過計算能分析UE的TCP狀態(tài),,在UE可能出現(xiàn)超時之前,,及時擴大UE的傳輸帶寬和提高UE調(diào)度優(yōu)先級,使UE能更快地重傳數(shù)據(jù),,從而有效地防止因無線空口環(huán)境變差所導致的TCP慢啟動,。經(jīng)仿真表明,對于復雜多變的無線環(huán)境,,本方法能有效保證TD-HSUPA數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性,,保持良好的數(shù)據(jù)傳輸效率,。
參考文獻
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