改善TCP性能的CDMA2000鏈路層RLP重傳

2019-11-04 20:45:39

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供稿：網(wǎng)友

　　一、引言
　　目前，第三代移動通信（3G）系統(tǒng)各種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范已達(dá)成協(xié)議，并已開始逐步進(jìn)入商用化。基于第三代移動通信系統(tǒng)的各種無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求也會隨著3G商用化的推進(jìn)而不斷增長，非凡是無線互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。傳輸控制協(xié)議（TCP）是廣泛應(yīng)用于各種互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的端到端可靠傳輸控制協(xié)議，它的流量控制機(jī)制是基于有線網(wǎng)絡(luò)（比如光纖網(wǎng)絡(luò)）的低誤碼率的，TCP數(shù)據(jù)包的丟失及重傳主要是由于網(wǎng)絡(luò)擁塞引起的。但高誤碼率是無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的一個主要特征，假如在無線網(wǎng)絡(luò)中傳輸TCP數(shù)據(jù)，則需要在無線鏈路層采取相應(yīng)的重傳措施，才能保證TCP數(shù)據(jù)的傳輸性能。
　　
　　cdma2000、WCDMA和TD-SCDMA 是3G無線系統(tǒng)的3個主要標(biāo)準(zhǔn)。cdma2000在無線鏈路層（MAC子層［1］）采用第3類無線鏈路協(xié)議［2］（以下簡稱RLP）來改善無線鏈路高幀差錯率（FER）對TCP數(shù)據(jù)傳輸性能的影響。cdma2000無線系統(tǒng)中有關(guān)TCP數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議體系結(jié)構(gòu)如圖1所示［3］。其中RN是指無線網(wǎng)絡(luò)，包括基站收發(fā)信系統(tǒng)（BTS）、基站控制器（BSC）和分組控制功能（PCF）；PDSN是指分組數(shù)據(jù)服務(wù)節(jié)點(diǎn)，也可以說是一個增強(qiáng)的路由器；終端主機(jī)可以是互聯(lián)網(wǎng)上的一個服務(wù)器，向用戶提供特定的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。
　　　改善TCP性能的CDMA2000鏈路層RLP重傳（圖一）

　　RLP采用一種基于否定重傳的ARQ機(jī)制，它的重傳方案對TCP數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝坑绊戄^大。一般情況下，在一次呼叫發(fā)起時，由發(fā)送端和接收端通過協(xié)商確定RLP的重傳方案。RLP的重傳次數(shù)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(xié)議處理。
　　
　　本文主要研究cdma2000 無線網(wǎng)絡(luò)中鏈路層RLP重傳方案對TCP數(shù)據(jù)傳輸性能的影響，并結(jié)合TCP協(xié)議的一些特性，提出一種能改善TCP傳輸性能的增強(qiáng)ACK可靠傳輸?shù)腞LP重傳方案。通過OPNET仿真技術(shù)對該重傳方案進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了該重傳方案在一定程度上確實(shí)能改善TCP數(shù)據(jù)在cdma2000 無線網(wǎng)絡(luò)中的傳輸性能。
　　
　　二、 RLP重傳參數(shù)對TCP性能的影響
　　TCP是面向連接的端到端傳輸控制協(xié)議，使用一種基于滑動窗口技術(shù)的流量控制機(jī)制，其差錯控制方案采用肯定應(yīng)答方式，即當(dāng)某一幀的成功傳輸確認(rèn)在給定的一個超時時間段中沒有到達(dá)時，發(fā)送端就重傳該幀。與上述兩種機(jī)制有關(guān)的兩個重要參數(shù)是滑動窗口大小及重傳定時器，這兩個參數(shù)對TCP的吞吐量有很大的影響。另外，網(wǎng)絡(luò)擁塞是造成TCP數(shù)據(jù)包丟失的主要原因，TCP中與網(wǎng)絡(luò)擁塞有關(guān)的機(jī)制只有滑動窗口流量控制和差錯控制機(jī)制，因此，從這兩種機(jī)制衍生出如下4種主要的擁塞控制技術(shù)，分別為：慢啟動、擁塞避免、快速重傳及快速恢復(fù)。
　　
　　如上所述，cdma2000無線鏈路層的RLP采用基于否定重傳的ARQ技術(shù)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(tǒng)性能有著重大影響的重傳參數(shù)。在數(shù)據(jù)傳送的過程中，當(dāng)RLP接收端檢測到一個幀丟失時，會根據(jù)預(yù)定的重傳方案發(fā)送相應(yīng)個數(shù)的NAK控制幀給RLP發(fā)送端，每個NAK控制幀包含丟失幀的幀序號；發(fā)送端依據(jù)所收到的NAK控制幀所指定的幀序號重發(fā)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(fā)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(fā)定時器，假如定時器超時前收到重傳的丟失幀，則結(jié)束該丟失幀的重傳過程；假如定時器超時還沒收到，則在第二輪發(fā)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(fā)定時器，假如定時器超時前收到重傳的丟失幀，則結(jié)束該丟失幀的重傳過程；假如定時器超時還沒收到，結(jié)束該丟失幀的重傳過程。不同的重傳方案對系統(tǒng)性能有不同的影響，輪回次數(shù)越多，每輪發(fā)送的NAK控制幀數(shù)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(jù)具體情況在初始化時協(xié)商確定。針對不同重傳方案下的TCP數(shù)據(jù)傳輸性能的研究已有很多，如文獻(xiàn)［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，無線鏈路層在條件答應(yīng)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(jié)合TCP傳輸?shù)囊恍┨匦裕岢鲆环N能改善TCP傳輸性能的RLP重傳方案。
　　
　　三、一種增強(qiáng)ACK可靠傳輸?shù)腞LP重傳方案
　　TCP規(guī)約規(guī)定假如TCP發(fā)送實(shí)體在給定的一個超時時段內(nèi)沒有收到數(shù)據(jù)報文段的確認(rèn)ACK，TCP發(fā)送端就對相應(yīng)報文段進(jìn)行重傳。通過對TCP的四種主要擁塞控制技術(shù)進(jìn)行分析可知，ACK的及時準(zhǔn)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，假如收不到ACK而發(fā)生超時，擁塞窗口會減到1，然后再執(zhí)行慢啟動過程。同樣，ACK在快速重傳及快速恢復(fù)技術(shù)中的作用也很大。因此，在RLP的重傳過程中，對與ACK相關(guān)的RLP幀進(jìn)行增強(qiáng)重傳，增加ACK傳輸?shù)目煽啃裕苊庖驘o線鏈路的誤碼而發(fā)生不必要的TCP數(shù)據(jù)包重傳和擁塞窗口的減小，應(yīng)該能改善TCP的傳輸性能。
　　
　　另外，在基于cdma2000的無線數(shù)據(jù)應(yīng)用業(yè)務(wù)中，諸如HTTP、FTP、WAP等常用業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)流量是非對稱的，一般是服務(wù)器到客戶端的前向鏈路數(shù)據(jù)流量很大，主要是大量成塊數(shù)據(jù)的傳輸，而客戶端到服務(wù)器的反向鏈路數(shù)據(jù)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(jié)左右。因此，在反向鏈路方向增強(qiáng)對ACK報文的重傳處理，不會因增加額外開銷而影響數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸。
　　
　　基于上述思想，我們提出一種增強(qiáng)ACK可靠傳輸?shù)腞LP重傳方案。該方案描述如下：
　　
　　（1）在客戶端到服務(wù)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(biāo)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(biāo)志位為確認(rèn)序號有效位），識別出ACK報文段，將相關(guān)的RLP幀進(jìn)行標(biāo)識。
　　
　　（2）相關(guān)理論研究、仿真和測試表明，假如考慮到差錯恢復(fù)、幀差錯率的統(tǒng)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(dāng)檢測到與ACK相關(guān)的RLP幀發(fā)生丟失時，根據(jù)傳送ACK報文段的無線鏈路的流量特性，為了提高差錯恢復(fù)率，增加ACK傳輸?shù)目煽啃裕瑢ο鄳?yīng)的RLP丟失幀采用（1,4,7）的重傳方案。
　　　改善TCP性能的CDMA2000鏈路層RLP重傳（圖二）

　　四、仿真模型與仿真結(jié)果
　　我們使用OPNET（8.0版本）仿真平臺對上述重傳方案進(jìn)行仿真。OPNET是一種對通信網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、協(xié)議進(jìn)行建模和仿真的出色網(wǎng)絡(luò)仿真工具。我們將圖1所示的協(xié)議結(jié)構(gòu)簡化成OPNET的客戶機(jī)-服務(wù)器模式進(jìn)行仿真，移動臺作為客戶機(jī)，基站作為服務(wù)器。仿真模型中的應(yīng)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(shí)現(xiàn)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(tài)轉(zhuǎn)換圖。無線鏈路由2個參數(shù)表征：無線鏈路數(shù)據(jù)率和幀差錯率，差錯模式為統(tǒng)計獨(dú)立同等分布。仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。
　　　改善TCP性能的CDMA2000鏈路層RLP重傳（圖三）

　　仿真結(jié)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(jié)果可以看出，在FER為7%~18%的這個范圍內(nèi), 對于TCP吞吐量來說，增強(qiáng)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(qū)別不大。因此，通過對ACK的重傳過程進(jìn)行增強(qiáng)處理，提高ACK報文段傳輸?shù)牟铄e恢復(fù)率，在FER大于5%的條件下，可以改善TCP數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝俊?br />　　　改善TCP性能的CDMA2000鏈路層RLP重傳（圖六）

　　五、結(jié)論
　　本文主要研究cdma2000 無線網(wǎng)絡(luò)中鏈路層重傳技術(shù)對無線TCP數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懀岢鲆环N增強(qiáng)ACK可靠傳輸?shù)腞LP重傳方案。通過OPNET仿真工具對所提重傳方案進(jìn)行仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析比較，我們發(fā)現(xiàn)該方案對于FTP、HTTP等無線TCP成塊數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用業(yè)務(wù)，確實(shí)能改善TCP數(shù)據(jù)包在cdma2000 無線網(wǎng)絡(luò)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(dá)到10%左右。

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