改善TCP性能的CDMA2000链路层RLP重传

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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。