一种改善TCP性能的cdma2000链路层RLP重传方案

2019-11-03 08:59:47

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供稿：网友

伍继雄1, 叶　梧1, 邱宏燕2

1.华南理工大学电信学院，广东广州 510641

2. 广州通信研究所,广东广州 510310

　　摘　要：在无线数据传输网络中，物理层帧差错率（FER）是影响网络性能的一个主要因素。无线链路层重传技术是改善网络性能因无线信道误码率较高而下降的一项重要措施。本文主要研究cdma2000 无线网络中链路层重传技术对无线TCP数据传输的影响，提出一种cdma2000 链路层重传方案，并通过OPNET仿真技术对该重传方案进行仿真，验证了该方案能改善TCP数据在cdma2000 无线网络中的传输性能。　　

　　关键词：数据传输网；cdma2000；链路层重传；TCP/RLP； OPNET仿真；帧差错率

　　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，第三代移动通信（3G）系统各种标准和规范已达成协议，并已开始逐步进入商用化。基于第三代移动通信系统的各种无线数据业务的需求也会随着3G商用化的推进而不断增长，特别是无线互联网业务。传输控制协议（TCP）是广泛应用于各种互联网应用的端到端可靠传输控制协议，它的流量控制机制是基于有线网络（比如光纤网络）的低误码率的，TCP数据包的丢失及重传主要是由于网络拥塞引起的。但高误码率是无线传输网络的一个主要特征，如果在无线网络中传输TCP数据，则需要在无线链路层采取相应的重传措施，才能保证TCP数据的传输性能。

　　cdma2000、WCDMA和TD-SCDMA 是3G无线系统的3个主要标准。cdma2000在无线链路层（MAC子层［1］）采用第3类无线链路协议［2］（以下简称RLP）来改善无线链路高帧差错率（FER）对TCP数据传输性能的影响。cdma2000无线系统中有关TCP数据传输的协议体系结构如图1所示［3］。其中RN是指无线网络，包括基站收发信系统（BTS）、基站控制器（BSC）和分组控制功能（PCF）；PDSN是指分组数据服务节点，也可以说是一个增强的路由器；终端主机可以是互联网上的一个服务器，向用户提供特定的数据业务。

　　

　　RLP采用一种基于否定重传的ARQ机制，它的重传方案对TCP数据传输的吞吐量影响较大。一般情况下，在一次呼叫发起时，由发送端和接收端通过协商确定RLP的重传方案。RLP的重传次数有限，所以只能尽力改善帧差错率，不会完全纠正所有的帧差错，剩余的差错由上层协议处理。

　　本文主要研究cdma2000 无线网络中链路层RLP重传方案对TCP数据传输性能的影响，并结合TCP协议的一些特性，提出一种能改善TCP传输性能的增强ACK可靠传输的RLP重传方案。通过OPNET仿真技术对该重传方案进行仿真，验证了该重传方案在一定程度上确实能改善TCP数据在cdma2000 无线网络中的传输性能。

　　二、 RLP重传参数对TCP性能的影响　　

　　TCP是面向连接的端到端传输控制协议，使用一种基于滑动窗口技术的流量控制机制，其差错控制方案采用肯定应答方式，即当某一帧的成功传输确认在给定的一个超时时间段中没有到达时，发送端就重传该帧。与上述两种机制有关的两个重要参数是滑动窗口大小及重传定时器，这两个参数对TCP的吞吐量有很大的影响。另外，网络拥塞是造成TCP数据包丢失的主要原因，TCP中与网络拥塞有关的机制只有滑动窗口流量控制和差错控制机制，因此，从这两种机制衍生出如下4种主要的拥塞控制技术，分别为：慢启动、拥塞避免、快速重传及快速恢复。

　　如上所述，cdma2000无线链路层的RLP采用基于否定重传的ARQ技术来尽力降低无线链路的帧差错率，其中重传方案是一个对系统性能有着重大影响的重传参数。在数据传送的过程中，当RLP接收端检测到一个帧丢失时，会根据预定的重传方案发送相应个数的NAK控制帧给RLP发送端，每个NAK控制帧包含丢失帧的帧序号；发送端依据所收到的NAK控制帧所指定的帧序号重发丢失的RLP帧。常见的重传方案有（1,1,1,1,1）、(1,2,3)、(1,4,7)、(1,1,1)、(2,3)等。以(2,3)方案为例，接收端检测到一个RLP帧丢失后，第一轮先发送2个包含相同丢失帧帧序号的NAK控制帧，并启动一个重发定时器，如果定时器超时前收到重传的丢失帧，则结束该丢失帧的重传过程；如果定时器超时还没收到，则在第二轮发送3个包含相同丢失帧帧序号的NAK控制帧，并重新启动重发定时器，如果定时器超时前收到重传的丢失帧，则结束该丢失帧的重传过程；如果定时器超时还没收到，结束该丢失帧的重传过程。不同的重传方案对系统性能有不同的影响，轮回次数越多，每轮发送的NAK控制帧数越多，丢失帧的重传成功概率越大，但由此带来的传输延迟和额外开销也越大。cdma2000中采用的RLP对重传方案并没有明确限定，可根据具体情况在初始化时协商确定。针对不同重传方案下的TCP数据传输性能的研究已有很多，如文献［4］、［5］等。

　　考虑到TCP ACK报文段在流量及拥塞控制中的重要作用，它的可靠传输对TCP的吞吐量有着直接的影响，因此，无线链路层在条件允许的情况下，有必要对ACK报文段提供更可靠的传输。下面我们结合TCP传输的一些特性，提出一种能改善TCP传输性能的RLP重传方案。

　　三、一种增强ACK可靠传输的RLP重传方案

　　TCP规约规定如果TCP发送实体在给定的一个超时时段内没有收到数据报文段的确认ACK，TCP发送端就对相应报文段进行重传。通过对TCP的四种主要拥塞控制技术进行分析可知，ACK的及时准确接收对TCP的流量和拥塞控制有着重要影响，例如，在慢启动和拥塞避免过程中，如果收不到ACK而发生超时，拥塞窗口会减到1，然后再执行慢启动过程。同样，ACK在快速重传及快速恢复技术中的作用也很大。因此，在RLP的重传过程中，对与ACK相关的RLP帧进行增强重传，增加ACK传输的可靠性，避免因无线链路的误码而发生不必要的TCP数据包重传和拥塞窗口的减小，应该能改善TCP的传输性能。

　　另外，在基于cdma2000的无线数据应用业务中，诸如HTTP、FTP、WAP等常用业务的数据流量是非对称的，一般是服务器到客户端的前向链路数据流量很大，主要是大量成块数据的传输，而客户端到服务器的反向链路数据流量比较小，主要是只包含一个ip首部和一个TCP首部的TCP ACK报文段的传输和少量的请求信息包，ACK报文段的长度一般为40字节左右。因此，在反向链路方向增强对ACK报文的重传处理，不会因增加额外开销而影响数据业务的传输。

　　基于上述思想，我们提出一种增强ACK可靠传输的RLP重传方案。该方案描述如下：　　

　　（1）在客户端到服务器的反向链路层组装RLP帧时，利用TCP报文段首部（如图2所示）保留字段和标志位的比特模式（传送ACK时为：000000010000，保留字段长度为6比特，第二个标志位为确认序号有效位），识别出ACK报文段，将相关的RLP帧进行标识。　　

　　（2）相关理论研究、仿真和测试表明，如果考虑到差错恢复、帧差错率的统计分布和延时等因素，方案（1,2,3）比其它方案的性能相对要好，所以普通RLP帧采用（1,2,3）的重传方案。　　

　　（3）当检测到与ACK相关的RLP帧发生丢失时，根据传送ACK报文段的无线链路的流量特性，为了提高差错恢复率，增加ACK传输的可靠性，对相应的RLP丢失帧采用（1,4,7）的重传方案。

　　四、仿真模型与仿真结果

　　我们使用OPNET（8.0版本）仿真平台对上述重传方案进行仿真。OPNET是一种对通信网络、设备、协议进行建模和仿真的出色网络仿真工具。我们将图1所示的协议结构简化成OPNET的客户机-服务器模式进行仿真，移动台作为客户机，基站作为服务器。仿真模型中的应用层、TCP层和IP层模块由OPNET提供，我们利用OPNET的包库和C语言实现RLP模块。基于OPNET仿真平台的仿真模型如图3所示，图4是RLP模块的OPNET状态转换图。无线链路由2个参数表征：无线链路数据率和帧差错率，差错模式为统计独立同等分布。仿真参数设置如表1所示。

　　

　　仿真结果如图5、图6所示，其中TCP的吞吐量采用归一化表示。从仿真结果可以看出，在FER为7%~18%的这个范围内, 对于TCP吞吐量来说，增强ACK重传方案比(1,2,3)方案有明显的提高，而在FER小于5%时，两者的区别不大。因此，通过对ACK的重传过程进行增强处理，提高ACK报文段传输的差错恢复率，在FER大于5%的条件下，可以改善TCP数据传输的吞吐量。

　　五、结论　　

　　本文主要研究cdma2000 无线网络中链路层重传技术对无线TCP数据传输的影响，提出一种增强ACK可靠传输的RLP重传方案。通过OPNET仿真工具对所提重传方案进行仿真，并对仿真结果进行分析比较，我们发现该方案对于FTP、HTTP等无线TCP成块数据传输应用业务，确实能改善TCP数据包在cdma2000 无线网络中的传输性能，在物理层帧差错率为10%时，性能的改善可以达到10%左右。

　　参考文献

　　［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］杨大成，等. cdma2000 1x 移动通信系统［M］. 北京: 机械工业出版社, 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　电讯技术

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