專利名稱:一種優(yōu)化無線環(huán)境下tcp協(xié)議的方法
技術領域:
本發(fā)明涉及無線通信領域技術領域,尤其涉及一種基于跨層架構優(yōu)化無線環(huán)境下TCP協(xié)議的方法。
背景技術:
傳輸控制協(xié)議(TransmissionControl Protocol, TCP)原本是為小于 10-8 誤比特率的有線網絡設計的,TCP協(xié)議假定報文丟失的主要原因是網絡擁塞,因為鏈路出錯而導致的報文丟失對于有線網絡是極為罕見的。上述假設對于有線網絡來說是合理的,但是在無線網絡中,上述假設很難成立。因為在無線網絡中,能夠提供誤比特率在10-6的無線信道有時都比較困難,更何況小于10-8誤比特率。下面,從TCP擁塞控制和流量控制中的三個算法分析在高速無線信道環(huán)境下,TCP擁塞控制運用與長期演進(Long Term Evolution,LTE)系統(tǒng)之間存在的問題 首先來看TCP擁塞控制中慢啟動算法。在TCP連接初期,TCP處于慢啟動階段,擁塞窗ロ(Congestion Window, cwnd)初始化為一個報文大小。發(fā)送端按cwnd的大小發(fā)送數據,姆收到ー個ACK確認,cwnd就增加ー個報文發(fā)送量,這樣,cwnd就將隨著回環(huán)響應時間(Round Trip Time,RTT)呈指數增長。但是,為了優(yōu)化系統(tǒng)的吞吐量,在LTE無線鏈路控制層(Radio Link Control, RLC)的發(fā)送端應該有足夠多的數據包填滿發(fā)送端和接收端之間的邏輯信道,即TCP連接的初期階段極有可能未能充分利用無線信道,這對于用戶來說,就是ー種等待狀態(tài)或近似等待狀態(tài)。其次來看TCP擁塞控制中擁塞避免算法。當發(fā)送端在預先設定的重傳超時時間RTO (Retransmission Timeout)內沒有收到接收端對該數據包的正確應答,就認為該數據包已經在網絡中丟失,而TCP協(xié)議假定報文丟失的主要原因是網絡擁塞,因而啟動快速重傳算法。由于RTO是根據已經傳輸的數據包的RTT來估計的,但是在LTE系統(tǒng)中,無線承載的速率是動態(tài)變化的,速率的變化主要是由于無線信道環(huán)境的變化,小區(qū)負載的變化以及用戶的移動性等原因造成的,這些情況都會導致RTT的抖動,從而極大的影響TCP協(xié)議對RTO的估算。因此,如果估算的RTO時間太小,則會引起頻繁的不必要的cwnd窗ロ縮小,浪費系統(tǒng)帶寬;反之,如果估算的太大,則會造成發(fā)送端等待時延太大,影響用戶的發(fā)送速率。最后來看TCP擁塞控制中快速重傳算法。快速重傳是當TCP發(fā)送端收到三個相同的ACK確認吋,也認為有數據包丟失,則發(fā)送端不必等待RTO超時即啟動快速重傳算法。由于LTE在鏈路層設計方面采用了雙ARQ的協(xié)議架構,即自動請求重傳(ARQ, AutomaticRepeat reQuest)協(xié)議和混合自動請求重傳(Hybrid AutomaticR印eatreQuest)協(xié)議,如圖I所示。而此時LTE RLC層ARQ協(xié)議或HARQ協(xié)議也可能針對相同的數據包進行重傳,即兩者有可能同時在恢復同一個丟失的報文段。因此,TCP快速重傳機制有可能導致TCP協(xié)議和ARQ/HARQ協(xié)議之間多ARQ重傳競爭,致使網絡中存在大量的冗余數據,降低了系統(tǒng)的有效吞吐量。已有的改善無線TCP協(xié)議性能的方法中,端到端的改進方法和分割連接的方法,實質是讓TCP發(fā)送端能夠有效區(qū)分擁塞報文丟失和誤碼報文丟失,使其僅在擁塞報文丟失時調用擁塞控制機制,在誤碼報文丟失時不調用該機制,從而不會降低數據發(fā)送的速率,但是端到端的改進方法需要改進現有的TCP協(xié)議棧,分裂連接的方法破壞了端到端的語義;基于鏈路層ARQ的解決方案的實質是通過ARQ協(xié)議恢復大部分的鏈路層差錯,降低TCP能夠感知到的報文差錯,但是該方法在大大降低誤碼率的同吋,也會増加TCP端到端的時延,嚴重時可能會導致TCP超時,影響系統(tǒng)性能。此外,這些解決方案都未能解決HARQ/ARQ和TCP層的重傳競爭,這就會使系統(tǒng)性能嚴重下降。因此,TCP、ARQ以及HARQ協(xié)議的相互作用影響了 TCP協(xié)議在LTE系統(tǒng)上數據傳輸的最終性能。
發(fā)明內容
(一)要解決的技術問題
本發(fā)明要解決的技術問題是如何優(yōu)化無線環(huán)境下TCP協(xié)議的性能。(ニ)技術方案為了解決上述技術問題,本發(fā)明提供一種優(yōu)化無線環(huán)境下TCP協(xié)議的方法,包括以下步驟SI、當TCP剛開始發(fā)數據,處于慢啟動階段時,設定擁塞窗ロ的初始大小;S2、當擁塞窗ロ大于預設的慢啟動門限時,則TCP轉入擁塞避免階段;S3、當TCP處于擁塞避免階段時,根據無線承載的速率實時預估RTO定時器的值;S4、當TCP處于擁塞避免階段,且TCP發(fā)送端在RTO定時器超時后仍沒有收到接收端對該數據包的正確應答或TCP發(fā)送端在RTO定時器超時的時間之內檢測到三個相同的ACK確認吋,則區(qū)分是發(fā)生無線鏈路丟包還是擁塞,如果是無線鏈路側丟包,則確認是因物理層信道質量發(fā)生丟包還是因用戶移動發(fā)生丟包;如果是擁塞,則確認是核心網側路由器發(fā)生擁塞還是因發(fā)送側MAC層調度不及時導致rocp隊列擁塞;S5、如果是因物理層信道質量發(fā)生丟包,則進行TCP、ARQ、HARQ的多ARQ聯合優(yōu)化,以避免多ARQ重傳競爭;S6、如果是因為用戶移動發(fā)生丟包,則TCP停留在擁塞避免狀態(tài),進行TCP、PDCP的聯合優(yōu)化。S7、如果是核心網側路由器發(fā)生擁塞,則TCP重新返回慢啟動階段;S8、如果是因發(fā)送側MAC層調度不及時導致HXP隊列擁塞,則MAC層調度器提高包含TCP報文的rocp PDU的邏輯信道調度優(yōu)先級,TCP停留在擁塞避免狀態(tài)。優(yōu)選地,步驟SI中設定擁塞窗ロ的初始大小具體為獲取物理層信道質量測量信息確定TCP發(fā)送端可以發(fā)送的報文大小,將所述擁塞窗ロ的初始大小設定為所述TCP發(fā)送端可以發(fā)送的報文大小。優(yōu)選地,步驟S3中預估RTO定時器的值具體為對于承載在保證比特率承載上的TCP連接,通過RRC層獲取經業(yè)務流模板映射之后承載的保證比特率值以確定RTO定時器的值;對于承載在非保證比特率承載上的TCP連接,實時地通過RRC層獲取經業(yè)務流模板映射之后承載的實時速率值確定RTO的值。優(yōu)選地,步驟S5中進行TCP、ARQ、HARQ的多ARQ聯合優(yōu)化,以避免多ARQ重傳競爭具體為如果HARQ實體正在執(zhí)行重傳,或者如果RLC實體正在重傳包含TCP報文的RLCPDU,則TCP停留在擁塞避免狀態(tài);如果ARQ實體超過最大重傳次數仍未被正確接收導致觸發(fā)連接重建過程,則等待鏈路層完成無線鏈路重建后TCP再進入重傳階段。優(yōu)選地,步驟S6中進行TCP、PDCP的聯合優(yōu)化具體為H)CP實體將包含TCP報文的rocp PDU通過X2接ロ傳到目的基站相應的rocp實體。(三)有益效果上述技術方案具有如下優(yōu)點本發(fā)明在有效保留了 LTE協(xié)議棧各層功能獨立性的基礎上,通過跨層信息綜合分析PHY層信道狀態(tài)信息和HARQ信息,MAC層調度信息,RLC層ARQ信息以及HXP切換信息,判斷TCP層報文丟失的原因是核心網側路由器擁塞還是因為無線鏈路側數據報文丟失,避免誤導TCP層啟動擁塞避免算法影響用戶發(fā)送速率,同時避免誤導TCP啟動快速重傳算法導致TCP和ARQ/HARQ之間重傳競爭,優(yōu)化了無線環(huán)境下TCP協(xié)議的性能。本發(fā)明所提出的跨層架構,保持LTE分層協(xié)議架構中層間的界面和接ロ不變,在保持與原有網絡互聯互通的基礎之上提高了無線環(huán)境下TCP協(xié)議的運行效率。
圖I是在現有技術下,基于分層架構的LTE系統(tǒng)協(xié)議棧;圖2是本發(fā)明所提出的基于跨層架構的LTE系統(tǒng)協(xié)議棧;圖3是本發(fā)明所提出基于跨層架構的無線TCP協(xié)議優(yōu)化流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例,對本發(fā)明的具體實施方式
作進ー步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明,但不用來限制本發(fā)明的范圍。在無線環(huán)境下,TCP協(xié)議會受到無線信道條件和分層協(xié)議棧獨立底層協(xié)議的影響,本發(fā)明基于協(xié)議跨層設計思想,聯合TCP層、分組數據匯聚協(xié)議(Packet Data ConvergenceProtocol, PDCP)層、RLC 層、媒體接入控制(Media Access Control, MAC)層以及物理層(Physical Layer, PHY)進行跨層協(xié)議設計,以優(yōu)化TCP擁塞控制中慢啟動算法、擁塞避免算法以及快速重傳算法在無線環(huán)境下的效率??紤]到網絡間互連協(xié)議(Internet Protocol, IP)對于TCP層的報文的處理僅包括添加IP頭,因此,下面的描述過程均忽略IP層的處理過程。如圖2、圖3所示,本發(fā)明的方法包括如下步驟步驟301,當TCP剛開始發(fā)數據,處于慢啟動階段吋,由跨層信息交互實體設定擁塞窗ロ初始大小cwndint :跨層信息交互實體獲取物理層信道質量測量(CQI,ChannelQuality Indication)信息確定TCP發(fā)送端可以發(fā)送的報文大小,初始化cwndint,。步驟302,當擁塞窗ロ大于慢啟動門限,則TCP轉入擁塞避免階段。步驟303,當TCP處于擁塞避免階段,由跨層信息交互實體根據無線承載的速率實時預估RTO定時器值對于承載在保證比特率(Guaranteed Bit Rate, GBR)承載上的TCP連接,如語音、視頻和實時游戲等,其無線承載的速率是基本恒定的,因而,跨層信息交互實體通過RRC層獲取經業(yè)務流模板(TFT)映射之后的承載的保證比特率值以確定RTO的值;對于承載在非保證比特率(non Guaranteed BitRate, non-GBR)承載上的TCP連接,如后臺背景類業(yè)務等,其無線承載的速率是動態(tài)變化的,因而,跨層信息交互實體需要實時地通過RRC層獲取經業(yè)務流模板映射之后的承載實時速率值確定RTO的值。所述跨層信息交互實體用于收集PHY層、MAC層、RLC層、HXP層以及TCP層匯報的實時信息,井根據所收集的信息做出全局最優(yōu)判決,再將判決信息反饋給各層,從而實現無線TCP協(xié)議的整體優(yōu)化。步驟304,當TCP處于擁塞避免階段,TCP發(fā)送端在重傳定時器超時后仍沒有收到接收端對該數據包的正確應答或TCP發(fā)送端在重傳定時器超時之內檢測到三個相同的ACK確認時,則由跨層信息交互實體區(qū)分是發(fā)生無線鏈路丟包還是擁塞。更進一歩,如果是無線鏈路側丟包,則需要確認是因物理層信道質量較差(如用戶處于建筑物陰影區(qū)遮擋)發(fā)生丟包還是因用戶移動(如切換)發(fā)生丟包;如果是擁塞,則還需確認是核心網側路由器發(fā)生擁塞還是發(fā)送側MAC層調度不及時導致rocp隊列擁塞。步驟305,如果是因物理層信道質量較差而導致丟包,則進行TCP、ARQ、HARQ多ARQ聯合優(yōu)化,避免多ARQ重傳競爭。具體地,如果HARQ實體正在執(zhí)行重傳,則TCP仍然停留在擁塞避免狀態(tài)。對于下行傳輸,由于HARQ采用的是異步HARQ,因此,跨層信息交互實體指示下行HARQ實體提高包含該TCP報文的MAC分組數據單元(Packet Data Unit,H)U)的重傳優(yōu)先級,對于上行傳輸,由于HARQ采用的是同步HARQ,則無法提高重傳優(yōu)先級;或是如果RLC實體正在重傳包含該TCP報文的RLC PDU,則TCP仍然停留在擁塞避免狀態(tài);或是如果ARQ實體超過最大重 傳次數仍然未能被正確接收導致觸發(fā)連接重建過程,表示發(fā)生了無線鏈路失敗(RLF,RadioLink Failure),則TCP重傳該TCP報文此時已無意義,跨層信息交互實體等待鏈路層完成無線鏈路重建后再指示TCP進入快速重傳階段;步驟306,如果是因為用戶移動性(如切換)而導致丟包,則TCP仍然停留在擁塞避免狀態(tài),進行TCP、PDCP聯合優(yōu)化。由于此時用戶處于切換過程,因此在源基站再次重傳該TCP報文已經沒有意義,跨層信息交互實體指示rocp實體將包含該TCP報文的rocp pdu通過X2接口前傳到目的基站相應的rocp實體。步驟307,如果是因為核心網側路由器發(fā)生擁塞,則跨層信息交互實體指示TCP重新返回慢啟動階段;步驟308,如果是因為發(fā)送側MAC層調度不及時導致HXP隊列擁塞,則跨層信息交互實體指示MAC層調度器提高包含該TCP報文的rocp PDU的邏輯信道調度優(yōu)先級,TCP仍然停留在擁塞避免狀態(tài)。由以上實施例可以看出,本發(fā)明在有效保留了 LTE協(xié)議棧各層功能獨立性的基礎上,通過跨層信息綜合分析PHY層信道狀態(tài)信息和HARQ信息,MAC層調度信息,RLC層ARQ信息以及HXP切換信息,判斷TCP層報文丟失的原因是核心網側路由器擁塞還是因為無線鏈路側數據報文丟失,避免誤導TCP層啟動擁塞避免算法影響用戶發(fā)送速率,同時避免誤導TCP啟動快速重傳算法導致TCP和ARQ/HARQ之間重傳競爭,優(yōu)化了無線環(huán)境下TCP協(xié)議的性能。本發(fā)明所提出的跨層架構,保持LTE分層協(xié)議架構中層間的界面和接ロ不變,在保持與原有網絡互聯互通的基礎之上提高了無線環(huán)境下TCP協(xié)議的運行效率。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式,應當指出,對于本技術領域的普通技術人員來說,在不脫離本發(fā)明技術原理的前提下,還可以做出若干改進和替換,這些改進和替換也應視為本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種優(yōu)化無線環(huán)境下TCP協(xié)議的方法,其特征在于,包括以下步驟 51、當TCP剛開始發(fā)數據,處于慢啟動階段時,設定擁塞窗ロ的初始大??; 52、當擁塞窗ロ大于預設的慢啟動門限時,則TCP轉入擁塞避免階段; 53、當TCP處于擁塞避免階段時,根據無線承載的速率實時預估RTO定時器的值; 54、當TCP處于擁塞避免階段,且TCP發(fā)送端在RTO定時器超時后仍沒有收到接收端對該數據包的正確應答或TCP發(fā)送端在RTO定時器超時的時間之內檢測到三個相同的ACK確認時,則區(qū)分是發(fā)生無線鏈路丟包還是擁塞,如果是無線鏈路側丟包,則確認是因物理層信道質量發(fā)生丟包還是因用戶移動發(fā)生丟包;如果是擁塞,則確認是核心網側路由器發(fā)生擁塞還是因發(fā)送側MAC層調度不及時導致rocp隊列擁塞; 55、如果是因物理層信道質量發(fā)生丟包,則進行TCP、ARQ、HARQ的多ARQ聯合優(yōu)化,以避免多ARQ重傳競爭; 56、如果是因為用戶移動發(fā)生丟包,則TCP停留在擁塞避免狀態(tài),進行TCP、PDCP的聯合優(yōu)化; 57、如果是核心網側路由器發(fā)生擁塞,則TCP重新返回慢啟動階段; 58、如果是因發(fā)送側MAC層調度不及時導致HXP隊列擁塞,則MAC層調度器提高包含TCP報文的rocp PDU的邏輯信道調度優(yōu)先級,TCP停留在擁塞避免狀態(tài)。
2.如權利要求I所述的方法,其特征在于,步驟SI中設定擁塞窗ロ的初始大小具體為獲取物理層信道質量測量信息確定TCP發(fā)送端可以發(fā)送的報文大小,將所述擁塞窗ロ的初始大小設定為所述TCP發(fā)送端可以發(fā)送的報文大小。
3.如權利要求I所述的方法,其特征在于,步驟S3中預估RTO定時器的值具體為對于承載在保證比特率承載上的TCP連接,通過RRC層獲取經業(yè)務流模板映射之后承載的保證比特率值以確定RTO定時器的值;對于承載在非保證比特率承載上的TCP連接,實時地通過RRC層獲取經業(yè)務流模板映射之后承載的實時速率值確定RTO的值。
4.如權利要求I所述的方法,其特征在于,步驟S5中進行TCP、ARQ、HARQ的多ARQ聯合優(yōu)化,以避免多ARQ重傳競爭具體為如果HARQ實體正在執(zhí)行重傳,或者如果RLC實體正在重傳包含TCP報文的RLC PDU,則TCP停留在擁塞避免狀態(tài);如果ARQ實體超過最大重傳次數仍未被正確接收導致觸發(fā)連接重建過程,則等待鏈路層完成無線鏈路重建后TCP再進入重傳階段。
5.如權利要求Γ4中任一項所述的方法,其特征在于,步驟S6中進行TCP、PDCP的聯合優(yōu)化具體為rocp實體將包含TCP報文的rocp pdu通過X2接ロ傳到目的基站相應的rocp實體。
全文摘要
本發(fā)明涉及無線通信領域技術領域,公開了一種優(yōu)化無線環(huán)境下TCP協(xié)議的方法,本發(fā)明通過跨層信息綜合分析PHY層信道狀態(tài)信息和HARQ信息,MAC層調度信息,RLC層ARQ信息以及PDCP切換信息,判斷TCP層報文丟失的原因是核心網側路由器擁塞還是因為無線鏈路側數據報文丟失,避免誤導TCP層啟動擁塞避免算法影響用戶發(fā)送速率,同時避免誤導TCP啟動快速重傳算法導致TCP和ARQ/HARQ之間重傳競爭,優(yōu)化了無線環(huán)境下TCP協(xié)議的性能。本發(fā)明所提出的跨層架構,保持LTE分層協(xié)議架構中層間的界面和接口不變,在保持與原有網絡互聯互通的基礎之上提高了無線環(huán)境下TCP協(xié)議的運行效率。
文檔編號H04W28/06GK102833783SQ20121022851
公開日2012年12月19日 申請日期2012年7月2日 優(yōu)先權日2012年7月2日
發(fā)明者田輝, 張平, 林尚靜, 王斌 申請人:北京郵電大學