一種改善TCP性能的cdma2000鏈路層RLP重傳方案

2019-11-03 08:59:47

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供稿：網友

伍繼雄1, 葉　梧1, 邱宏燕2

1.華南理工大學電信學院，廣東廣州 510641

2. 廣州通信研究所,廣東廣州 510310

　　摘　要：在無線數據傳輸網絡中，物理層幀差錯率（FER）是影響網絡性能的一個主要因素。無線鏈路層重傳技術是改善網絡性能因無線信道誤碼率較高而下降的一項重要措施。本文主要研究cdma2000 無線網絡中鏈路層重傳技術對無線TCP數據傳輸的影響，提出一種cdma2000 鏈路層重傳方案，并通過OPNET仿真技術對該重傳方案進行仿真，驗證了該方案能改善TCP數據在cdma2000 無線網絡中的傳輸性能。　　

　　關鍵詞：數據傳輸網；cdma2000；鏈路層重傳；TCP/RLP； OPNET仿真；幀差錯率

　　An RLP Retransmission Scheme over cdma2000 Wireless　

　　Link Layer for ImPRoving TCP Performance

　　WU Ji－xiong1, YE Wu1, QIU Hong－yan2

　　(1.College of Electronic & Information Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641，China;

　　2.Guangzhou Communication Institute, Gangzhou 510310，China)

　　Abstract: Frame error rate of physical layer is a key factor that affects the network performance in the wireless data network, and the retransmission technology of wireless link layer is an important measure to improve the degraded network performance in wireless circumstance. In this paper, the authors study the effect of the link layer retransmission schemes of cdma2000 on TCP performance, and an RLP retransmission scheme over cdma2000 wireless link is proposed. The simulation of this scheme using OPNET shows the improvement of the normallized TCP throughput.

　　KeyWords: Data transmission network;cdma2000； Link Layer Retransmission；TCP/RLP；OPNET Simulation；Frame error rate

　　一、引言　　

　　目前，第三代移動通信（3G）系統各種標準和規范已達成協議，并已開始逐步進入商用化。基于第三代移動通信系統的各種無線數據業務的需求也會隨著3G商用化的推進而不斷增長，特別是無線互聯網業務。傳輸控制協議（TCP）是廣泛應用于各種互聯網應用的端到端可靠傳輸控制協議，它的流量控制機制是基于有線網絡（比如光纖網絡）的低誤碼率的，TCP數據包的丟失及重傳主要是由于網絡擁塞引起的。但高誤碼率是無線傳輸網絡的一個主要特征，如果在無線網絡中傳輸TCP數據，則需要在無線鏈路層采取相應的重傳措施，才能保證TCP數據的傳輸性能。

　　cdma2000、WCDMA和TD-SCDMA 是3G無線系統的3個主要標準。cdma2000在無線鏈路層（MAC子層［1］）采用第3類無線鏈路協議［2］（以下簡稱RLP）來改善無線鏈路高幀差錯率（FER）對TCP數據傳輸性能的影響。cdma2000無線系統中有關TCP數據傳輸的協議體系結構如圖1所示［3］。其中RN是指無線網絡，包括基站收發信系統（BTS）、基站控制器（BSC）和分組控制功能（PCF）；PDSN是指分組數據服務節點，也可以說是一個增強的路由器；終端主機可以是互聯網上的一個服務器，向用戶提供特定的數據業務。

　　

　　RLP采用一種基于否定重傳的ARQ機制，它的重傳方案對TCP數據傳輸的吞吐量影響較大。一般情況下，在一次呼叫發起時，由發送端和接收端通過協商確定RLP的重傳方案。RLP的重傳次數有限，所以只能盡力改善幀差錯率，不會完全糾正所有的幀差錯，剩余的差錯由上層協議處理。

　　本文主要研究cdma2000 無線網絡中鏈路層RLP重傳方案對TCP數據傳輸性能的影響，并結合TCP協議的一些特性，提出一種能改善TCP傳輸性能的增強ACK可靠傳輸的RLP重傳方案。通過OPNET仿真技術對該重傳方案進行仿真，驗證了該重傳方案在一定程度上確實能改善TCP數據在cdma2000 無線網絡中的傳輸性能。

　　二、 RLP重傳參數對TCP性能的影響　　

　　TCP是面向連接的端到端傳輸控制協議，使用一種基于滑動窗口技術的流量控制機制，其差錯控制方案采用肯定應答方式，即當某一幀的成功傳輸確認在給定的一個超時時間段中沒有到達時，發送端就重傳該幀。與上述兩種機制有關的兩個重要參數是滑動窗口大小及重傳定時器，這兩個參數對TCP的吞吐量有很大的影響。另外，網絡擁塞是造成TCP數據包丟失的主要原因，TCP中與網絡擁塞有關的機制只有滑動窗口流量控制和差錯控制機制，因此，從這兩種機制衍生出如下4種主要的擁塞控制技術，分別為：慢啟動、擁塞避免、快速重傳及快速恢復。

　　如上所述，cdma2000無線鏈路層的RLP采用基于否定重傳的ARQ技術來盡力降低無線鏈路的幀差錯率，其中重傳方案是一個對系統性能有著重大影響的重傳參數。在數據傳送的過程中，當RLP接收端檢測到一個幀丟失時，會根據預定的重傳方案發送相應個數的NAK控制幀給RLP發送端，每個NAK控制幀包含丟失幀的幀序號；發送端依據所收到的NAK控制幀所指定的幀序號重發丟失的RLP幀。常見的重傳方案有（1,1,1,1,1）、(1,2,3)、(1,4,7)、(1,1,1)、(2,3)等。以(2,3)方案為例，接收端檢測到一個RLP幀丟失后，第一輪先發送2個包含相同丟失幀幀序號的NAK控制幀，并啟動一個重發定時器，如果定時器超時前收到重傳的丟失幀，則結束該丟失幀的重傳過程；如果定時器超時還沒收到，則在第二輪發送3個包含相同丟失幀幀序號的NAK控制幀，并重新啟動重發定時器，如果定時器超時前收到重傳的丟失幀，則結束該丟失幀的重傳過程；如果定時器超時還沒收到，結束該丟失幀的重傳過程。不同的重傳方案對系統性能有不同的影響，輪回次數越多，每輪發送的NAK控制幀數越多，丟失幀的重傳成功概率越大，但由此帶來的傳輸延遲和額外開銷也越大。cdma2000中采用的RLP對重傳方案并沒有明確限定，可根據具體情況在初始化時協商確定。針對不同重傳方案下的TCP數據傳輸性能的研究已有很多，如文獻［4］、［5］等。

　　考慮到TCP ACK報文段在流量及擁塞控制中的重要作用，它的可靠傳輸對TCP的吞吐量有著直接的影響，因此，無線鏈路層在條件允許的情況下，有必要對ACK報文段提供更可靠的傳輸。下面我們結合TCP傳輸的一些特性，提出一種能改善TCP傳輸性能的RLP重傳方案。

　　三、一種增強ACK可靠傳輸的RLP重傳方案

　　TCP規約規定如果TCP發送實體在給定的一個超時時段內沒有收到數據報文段的確認ACK，TCP發送端就對相應報文段進行重傳。通過對TCP的四種主要擁塞控制技術進行分析可知，ACK的及時準確接收對TCP的流量和擁塞控制有著重要影響，例如，在慢啟動和擁塞避免過程中，如果收不到ACK而發生超時，擁塞窗口會減到1，然后再執行慢啟動過程。同樣，ACK在快速重傳及快速恢復技術中的作用也很大。因此，在RLP的重傳過程中，對與ACK相關的RLP幀進行增強重傳，增加ACK傳輸的可靠性，避免因無線鏈路的誤碼而發生不必要的TCP數據包重傳和擁塞窗口的減小，應該能改善TCP的傳輸性能。

　　另外，在基于cdma2000的無線數據應用業務中，諸如HTTP、FTP、WAP等常用業務的數據流量是非對稱的，一般是服務器到客戶端的前向鏈路數據流量很大，主要是大量成塊數據的傳輸，而客戶端到服務器的反向鏈路數據流量比較小，主要是只包含一個ip首部和一個TCP首部的TCP ACK報文段的傳輸和少量的請求信息包，ACK報文段的長度一般為40字節左右。因此，在反向鏈路方向增強對ACK報文的重傳處理，不會因增加額外開銷而影響數據業務的傳輸。

　　基于上述思想，我們提出一種增強ACK可靠傳輸的RLP重傳方案。該方案描述如下：　　

　　（1）在客戶端到服務器的反向鏈路層組裝RLP幀時，利用TCP報文段首部（如圖2所示）保留字段和標志位的比特模式（傳送ACK時為：000000010000，保留字段長度為6比特，第二個標志位為確認序號有效位），識別出ACK報文段，將相關的RLP幀進行標識。　　

　　（2）相關理論研究、仿真和測試表明，如果考慮到差錯恢復、幀差錯率的統計分布和延時等因素，方案（1,2,3）比其它方案的性能相對要好，所以普通RLP幀采用（1,2,3）的重傳方案。　　

　　（3）當檢測到與ACK相關的RLP幀發生丟失時，根據傳送ACK報文段的無線鏈路的流量特性，為了提高差錯恢復率，增加ACK傳輸的可靠性，對相應的RLP丟失幀采用（1,4,7）的重傳方案。

　　四、仿真模型與仿真結果

　　我們使用OPNET（8.0版本）仿真平臺對上述重傳方案進行仿真。OPNET是一種對通信網絡、設備、協議進行建模和仿真的出色網絡仿真工具。我們將圖1所示的協議結構簡化成OPNET的客戶機-服務器模式進行仿真，移動臺作為客戶機，基站作為服務器。仿真模型中的應用層、TCP層和IP層模塊由OPNET提供，我們利用OPNET的包庫和C語言實現RLP模塊。基于OPNET仿真平臺的仿真模型如圖3所示，圖4是RLP模塊的OPNET狀態轉換圖。無線鏈路由2個參數表征：無線鏈路數據率和幀差錯率，差錯模式為統計獨立同等分布。仿真參數設置如表1所示。

　　

　　仿真結果如圖5、圖6所示，其中TCP的吞吐量采用歸一化表示。從仿真結果可以看出，在FER為7%~18%的這個范圍內, 對于TCP吞吐量來說，增強ACK重傳方案比(1,2,3)方案有明顯的提高，而在FER小于5%時，兩者的區別不大。因此，通過對ACK的重傳過程進行增強處理，提高ACK報文段傳輸的差錯恢復率，在FER大于5%的條件下，可以改善TCP數據傳輸的吞吐量。

　　五、結論　　

　　本文主要研究cdma2000 無線網絡中鏈路層重傳技術對無線TCP數據傳輸的影響，提出一種增強ACK可靠傳輸的RLP重傳方案。通過OPNET仿真工具對所提重傳方案進行仿真，并對仿真結果進行分析比較，我們發現該方案對于FTP、HTTP等無線TCP成塊數據傳輸應用業務，確實能改善TCP數據包在cdma2000 無線網絡中的傳輸性能，在物理層幀差錯率為10%時，性能的改善可以達到10%左右。

　　參考文獻

　　［1］TIA/EIA/IS-2000.3-C, Medium access Control (MAC) Standard for cdma2000 Spread Spectrum Systems［S］.

　　［2］TIA/EIA/IS-707-A-1.10, Data Service Options for Spread Spectrum Systems: Radio Link Protocol Type3［S］.

　　［3］楊大成，等. cdma2000 1x 移動通信系統［M］. 北京: 機械工業出版社, 2003.

　　［4］S Kandukuri, E Chaponniere, W HamdyImpact of TCP and RLP parameters on CDMA2000 performance［A］.VTC 2003(Vol. 1)［C］. 2003.626～631

　　［5］F Khafizov, M YavuzRunning TCP over IS-2000［Ａ］ ICC 2002　(Vol. 5)［C］2002.3444～3448.

　　
摘自　電訊技術

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