一種TD-HSUPA系統的TCP優(yōu)化方法

傳輸控制協(xié)議TCP(Transmission Control Protocol)是目前Internet中最普遍的傳輸服務(wù)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(wù)?，F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(guò)擁塞窗口TCP能控制數據包的發(fā)送，當網(wǎng)絡(luò )鏈路上有較大的時(shí)延或丟包出現時(shí)能自動(dòng)減慢數據包的發(fā)送速率，防止網(wǎng)絡(luò )出現嚴重的阻塞。
　　相比有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )鏈路上傳輸數據時(shí)極低的誤碼率，在噪聲干擾下無(wú)線(xiàn)網(wǎng)鏈路的誤碼率遠遠高于有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，而且移動(dòng)通信環(huán)境還存在帶寬低、移動(dòng)性等特點(diǎn),并且3 G和LTE等移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )時(shí)常因空口環(huán)境變差而發(fā)生數據包丟失或較大的時(shí)延，而TCP運行機制會(huì )將這一類(lèi)事故認定為發(fā)生網(wǎng)絡(luò )擁塞，并促使數據發(fā)送端進(jìn)入“TCP慢啟動(dòng)階段”，降低數據包發(fā)送速率。但是當無(wú)線(xiàn)空口環(huán)境變好以后數據包的發(fā)送速率不會(huì )很快地恢復，這會(huì )嚴重影響時(shí)分高速分組接入TD-HSPA（Time Division-High Speed Packet Access）這種高速數據傳輸網(wǎng)絡(luò )的帶寬利用率和數據傳輸速率。
　　本文提出了一種TD-HSUPA系統的TCP優(yōu)化方法：利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制器RNC(Radio Network Controller)解析TCP連接鏈路上服務(wù)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(shí)發(fā)生之前,控制NodeB對終端做優(yōu)先調度并在短期內分配更多的時(shí)隙和碼道，有效防止無(wú)線(xiàn)鏈路進(jìn)入“TCP慢啟動(dòng)階段”而影響無(wú)線(xiàn)帶寬利用。本方法的優(yōu)點(diǎn)在于僅在RNC內做TCP數據包的分析處理工作，不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò )，有很好的系統兼容性。
1 TD-HSUPA系統的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的上行數據傳輸標準，作為匹配HSDPA高速下行數據傳輸，HSUPA通過(guò)引入了基于NodeB的快速調度、快速混合自動(dòng)重傳請求HARQ(Hybrid Automatic Repeat Request)、高階調制和增強專(zhuān)用信道E-DCH(Enhance-Dedicated Channel)等關(guān)鍵技術(shù)，使得TD-SCDMA理論上行最大速率為2.2 Mb/s，為在線(xiàn)游戲、高清視頻通話(huà)等業(yè)務(wù)提供足夠的帶寬,豐富3G無(wú)線(xiàn)通信的應用。
HSUPA的TCP數據包傳輸流程是：終端、RNC和遠端服務(wù)器的連接建立以后，TCP數據包由終端發(fā)送，經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)空口傳輸后被基站接收，然后基站會(huì )將數據包通過(guò)傳輸網(wǎng)發(fā)送給RNC，RNC提供一個(gè)路由的功能將數據包轉發(fā)到核心網(wǎng)并最終到達遠端服務(wù)器。TD-HSUPA系統的協(xié)議結構如圖1所示[1]。

在HSUPA系統中數據的發(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，所以考慮到系統的兼容性問(wèn)題，HSUPA系統只能以使用TCP NewReno為主。
　　無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中優(yōu)化TCP的有效手段(如TCP westwood[2]等）大都是針對數據的發(fā)送方。但是對HSUPA系統來(lái)說(shuō)對所有的終端做改進(jìn)比較困難，從圖1中所示的HSUPA系統網(wǎng)絡(luò )結構來(lái)看，HSUPA的擁塞控制優(yōu)化工作可考慮由無(wú)線(xiàn)鏈路的接收端來(lái)做[3-4]，也就是交由RNC和基站來(lái)完成。
　 本文提出了一種在RNC和NodeB優(yōu)化 HSUPA系統TCP的方法，結構如圖2所示。

具體方案如下：

　(1)數據由用戶(hù)設備UE(User Equipment)發(fā)出后經(jīng)過(guò)Node B轉交給RNC，RNC解析每個(gè)數據包的TCP包頭信息，由式Bw′=L/tint[5]可計算出每個(gè)用戶(hù)利用的無(wú)線(xiàn)鏈路帶寬，其中L為數據包大小,tint為數據包到達時(shí)間間隔。根據Bw′的計算結果由式Bw=αBw+(1-α)Bw′ [2]可計算得到帶寬估計值Bw，其中?琢為加權系數取0.9，帶寬的計算有90%都來(lái)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(shí)重傳時(shí)間RTO(Retransmission Timeout)，只能通過(guò)其他的途徑估算該值。TCP連接的RTO是根據數據包的往返時(shí)延RTT(Round-Trip Time)計算得到的，RTT包含有線(xiàn)鏈路的時(shí)延、RNC轉發(fā)的時(shí)延和無(wú)線(xiàn)鏈路的傳輸時(shí)延，由步驟(1)中解析數據包可以很容易地計算有線(xiàn)鏈路的傳輸時(shí)延tc，RNC轉發(fā)的時(shí)延相比RTO的值較小，可以認為是定值tr，無(wú)線(xiàn)鏈路的時(shí)延可以由式tw=L/Bw計算得到，其中L為T(mén)CP/IP數據包大小，可設為1 500 B，Bw為步驟(1)中計算的帶寬，所以RNC側可估算得到TCP的超時(shí)時(shí)間RTO=2×(tc+tw+tr)。
　(3)服務(wù)器收到數據包以后會(huì )發(fā)送含有反饋信息的數據包,這些含有反饋信息的數據包在到達RNC時(shí)，RNC需要解析這些數據包的TCP/IP包頭信息，如果檢測到這些反饋數據包含有3個(gè)重復的ACK信息，RNC將通過(guò)Iur傳達信令通知Node B在下一次調度周期中臨時(shí)提高該UE的調度優(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能盡快重傳數據以免進(jìn)入慢啟動(dòng)階段,持續一個(gè)RTO時(shí)間后，Node B自動(dòng)還原UE的優(yōu)先級和被分配的物理信道。
　在上述方法中RNC根據對反饋數據包解析的情況分析UE出現擁塞的原因。如果擁塞出現的次數較少，則說(shuō)明是無(wú)線(xiàn)空口環(huán)境的抖動(dòng)引起，RNC根據步驟(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(lái)的一段時(shí)間調度增加信道數，來(lái)保證UE能夠盡快重傳數據。如果長(cháng)時(shí)間多次出現擁塞，則說(shuō)明是由其他原因所致，在HSUPA系統中這種問(wèn)題由無(wú)線(xiàn)資源管理RRM(Radio Resource Management)來(lái)處理，所以只需要為本方案設定一個(gè)靜默時(shí)間，在執行一次本方案以后需要啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，靜默一段時(shí)間后再激活本方法，靜默時(shí)間應根據網(wǎng)絡(luò )的負載情況來(lái)定,如過(guò)負載較小則可將時(shí)間設得較短，否之則需要設置較長(cháng)。
2 仿真的實(shí)現
　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(yǔ)言編寫(xiě)的TD-SCDMA系統仿真平臺上，本文對所提出的方法和TCP NewReno作仿真比較。 HSUPA的仿真系統結構如圖1所示。使用離散事件時(shí)間驅動(dòng)機制的方法來(lái)模擬業(yè)務(wù)發(fā)起的過(guò)程，所有用戶(hù)均使用FTP業(yè)務(wù)來(lái)仿真測試，小區采用WrapAround 19小區的模型，每個(gè)小區分為3個(gè)扇區，每個(gè)扇區均勻分布1個(gè)用戶(hù)。有線(xiàn)鏈路的仿真模型簡(jiǎn)化為從RNC到遠端服務(wù)器的鏈路中數據傳輸的往返時(shí)延為固定值200 ms。智能天線(xiàn)模型和同頻干擾的計算見(jiàn)參考文獻[6]。
　首先仿真穩定狀態(tài)下的TCP，假定所有用戶(hù)靜止，通過(guò)調節背景噪音功率使所有數據傳輸的平均誤幀率達到相應的值，經(jīng)過(guò)200 s仿真得到結果如圖3和圖4所示。