（通信与信息系统专业论文）wcdma+hspa流控算法研究.pdf

摘要 摘要 随着多媒体技术的迅猛发展，w c d m ar 9 9 系统所能提供的接入速率已经远 远不能满足人们对更大带宽、更多业务种类服务的需求。w c d m a 系统通过引入 h s p a + 技术大大提升了用户的接入速率。随着空口速率的提高，如何有效的保障 n o d eb 调度、充分发挥空口优势、避免i u b 口发生拥塞成为h s p 斛亟需解决的关 键技术问题。h s p a 系统中流控算法的一些不足和h s r 廿新特性的增加，使得原 有的h s p a 流控算法不能满足h s p a 十系统对流控的需求。这就需要我们寻找一个 更加有效、更加适合h s p a 十系统的流控算法，来支持h sp ：a 十系统的高效运行。本 文首先对h s b 针系统和流控基础理论进行了深入的研究，在此基础上分析了现有 h s p a 流控算法的现状和一些不足之处。针对这些不足之处，并结合h s p ! a + 特点， 本文提出了基于q o s 的h s p a + 流控算法，并实现了该算法。经在h s p a + 系统中测 试表明，基于q o s 的h s p a + 流控算法在性能上较原有流控算法有了很大提升，很 好的支持了h s p a + 新特性，满足了h s p a + 系统对流控的需求。 关键词：w c d m ah s p a + h s d p ai u b 流控 a b s t r a c t a bs t r a c t w i mm er a p i dd e v e l o p m 衄to fm u l t h e d i at e c l l l l 0 1 0 戥舭a c c e s sm t eo 低r e db y w c d m ar 9 9s y s t e mc a l ln o tc a t c hu pw i t ht h ep r a c t i c a ld 锨a 1 1 do fg r e a t 砷a i l d w i d t h a n dm o r et y p e so f b u s i n e s ss e n ，i c e s 舔i tu s e dt ob e t l l r o u 曲t l l ei i l 仃o d u c t i o no fh s p a + t e c l l i l 0 1 0 9 y ，w c d l 雌s y s t e m 伊e a t l ye n l l 孤c e st 1 1 eu s e r sa c c e s sr a t e h o w e v a st h e a c c e s sr a t ei n c r e 觞e s ，h o wt og u a r a n t e e 也es c h e d u l i l l go f n o d eb ，t 0 酉v e 血up l a yt 0t h e a d v a m a g e so fa c c e s sr a t ea n dt 0a v o i dc o n g e s t i o ni i li u bi n t e r f a c e ，b e c 锄ef a _ t a lf o r h s r 廿s y s t e m n l ei n a d e q u a c i e si nt h ee x i s t h l gh s p an o wc o n 缸d la l g 耐t h ：i l s ， c o m b i n e d 研mn e wf e a t l 鹏sb r o u g h tb yh s p a + m a l 【em e p r e s e n th s p an o w c o n _ t i 0 1 a l g o m 皿n 0l o n g e rs u i t a b l ef o rh sp ：a + s y s t e m 1 1 1 u s ，am o r ee 疏c t i v ef 1 0 wc o n t 0 l a l g 耐t 1 1 n l si sn e e d e df o rh s r 针s y s t e m ，p r o v i 曲略l l i g h l ye 伍c i e n t0 p e r a t i o n h 1t l l i s p a p h s r 抖s y s t e m sa n dn o w c 伽【_ 虹d 1m d ，a r er e s e a r c h e d t h ee x i s t i n gn o wc o n 仃o l m e m o df o rh s p as y s t e i n 黜a n a l y z e 也觞w e l la sm ed e f i c i e i l c i e so ft l l e s ea l g o r i t m s hr e s p o n s et 0m e s es h o r t c o m i n g s ，c o n 曲i i l e d 州协m ec h a r a c t 耐s t i c so fh s p a 十，a q o s - b 勰e dn o w c o n 仃o la l g o r i t h lf o rh s p a + s y s t 锄i sp r e s e n t e d 锄dr e a l i z e di i lt l l i s p 印既e x p e 血印t a lr e s u l t ss h o wt l l a tq o s - b 嬲e dh s p a + n o wc o n _ 臼d la l g o r i 1 i nl 琊 p e r f l o m a n c es u p 耐o r i t yo v e r 仃a m t i o n a lf l o wc o n 缸0 1a l g o r i t l l 】n s t h ea l g o r i m mi sf i tf o r h s n 针a i l dm e e t sm en o wc o n t r o lr e q u i r e m e i l t so fh s p 艮+ - s y s t e m k e y w o r d s ： w c d m l ah s 卫l a +h s d p ai u bl i i o wc o n t m l 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得诬安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：日期丛12 ：乡 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 ，本人签名：兰魍 导师签名 日期2 竺2 ：三： 醐刁哆舛 第一章绪论 第一章绪论 当今社会已经进入了一个信息化的社会，没有信息的交流和传递，人们就无 法适应快节奏的、现代化的生活和工作。人类通信的最高目标是实现任何用户在 任何时刻、任何地点能够同其他任何用户实现自己预定的任何电信业务组合服务 的通信。显然，没有移动通信，这种愿望是无法实现的。因此，移动通信也就成 为了现代通信领域中至关重要的一部分。近些年来，移动通信取得了巨大的发展， 同时，也遇到了很多新的问题，期待着我们去研究解决。 移动通信发展简介 移动通信是当今通信领域内最为活跃、发展最为迅速的领域之一，也是新世 纪对人类生活和社会发展有重大影响的科学技术领域之一。众所周知，移动通信 技术经历了第一代模拟系统和第二代数字系统的变迁。总体来说，由于第一代系 统存在一些重要的缺陷，导致了第二代系统的产生。第二代系统很好的解决了这 些问题并且表现得极为出色。然而，第二代系统是针对语音通信业务设计的，不 太适合数据业务。随着i n t e m e t 、电子商务、多媒体通信的飞速发展，不能为数据 通信提供有力支持已经成为第二代系统发展的障碍。为了提供更高的数据业务速 率和更丰富的业务，人们对第二代数字移动通信系统进行了增强，这些增强的系 统称为2 5 代移动通信系统，包括g p r s ( g e r a lp 础e tn d i os e r v i c e ，通用分组 无线业务) 、e d g e ( e n h 粕c e dd a t ar a t ef o rg s me v o l 砸0 n ，增强型数据速率g s m 演进技术) 和c d m a 2 0 0 0 1 x ( c d m a 2 0 0 0 的第一阶段) 等系统。这些系统增强了 分组数据业务的传输能力，将最大传输速率分别提高到1 6 0 k b p s 、3 8 4 k b p s 和 3 0 8 l 【b p s ，使移动用户能够获得除话音以外的更多的无线数据服务。 除了增强第二代移动通信系统支持数据业务的能力外，以r r u ( h l t e m a t i o n a l t e l e c 0 玎删c 撕o n 眦o n ，国际电信联盟) 为首的许多国际组织和机构，致力于第 三代移动通信系统( 3 g ) 的研究开发及相关标准的制定【5 】。 第三代移动通信系统的目标可以概括为： 能实现全球漫游。用户可以在整个系统甚至全球范围内漫游，且可以在 不同的速率、不同的运动状态下获得有服务质量的保证； 能提供多种业务。可提供话音业务、可变速率的数据业务、活动视频会 话业务，特别是多媒体业务； 、 能适应多种环境。可以综合现有的公共交换电话网、综合业务数字网、 无绳系统、地面移动通信系统、卫星通信系统、提供无缝隙的覆盖； 2w c d m ah s p a + 流控算法研究 足够的系统容量，强大的多种用户管理能力，高保密性能和服务质量。 为实现上述目标，要求无线传输技术满足以下要求【5 】： 高速传输以支持多媒体业务。室内环境至少2 m p s ，室内外步行环境至 少3 8 4 k b p s ，室外车辆运动中至少1 4 4 k b p s ，卫星移动环境至少9 6 k b p s ； 传输速率能够按需分配； 令上下行链路能适应不对称需求。 综合各方面考虑，国际电信联盟对满足上述前提要求的无线传输技术进行评 选，在2 0 0 0 年5 月确定w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 三大主流无线接口 标准，写入3 g 技术指导性文件i n t 锄a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u i l i c a t i o nf o rh ey e a r 2 0 0 0 ，简称珊t - 2 0 0 0 【5 1 。第三代移动通信系统的特点是宽带化、智能化、个人化， 具有大容量、高速率、多业务、多码率以及变码率的特点，支持移动多媒体业务， 可以为一个用户同时提供多种业务，而不同业务具有不同的服务质量要求。 其中，w c d m a 技术标准( 又称为切t s ) 由欧洲标准化组织3 g p p 所定制， 其制定目标之一就是与g s m g p r s 相兼容。因此，该标准受到了全球标准化组织、 设备制造商、器件供应商、运营商的广泛支持，使其在标准成熟度和商用范围上 大大领先于其他两个标准，已经成为3 g 事实上的最为主流、应用范围最广的标准。 目前，世界上已建成的3 g 网络中，8 0 为w c d m a 网络。 1 2 从w c d m a 到h s p a + 的演进 移动通信技术的发展过程中，提升系统容量、丰富业务承载和降低运营成本 一直是新生技术衍生和发展的核心动力。w c d m ar 9 9 版本可以提供3 8 4 k b p s 的 数据速率，这个速率能够满足大部分现有分组业务的需求。对高速移动分组数据 业务的支持能力是w c d m a 系统最重要的特点之一。然而，随着全球范围的i n t e n l e t 用户数爆炸式的增长，宽带数据和多媒体业务迅猛发展，移动数据业务的上升势 头也非常迅猛，人们越来越渴望随时随地的大带宽服务，这就需要系统提供更高 的传输速率和更短的时延。对于许多对流量和迟延要求较高的数据业务，如视频、 流媒体和下载等业务，w c d m a 系统所能提供的速率已经远远不能满足人们的需 求。同时，移动w i m a x 技术的崛起打破了w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 三足鼎立的格局，c d m a 2 0 0 0 增强技术e v d o 的引进和w i f i 的广泛使用更加促 使竞争进一步升级，并加快了技术演进的步伐。为了提升w c d m a 标准的竞争力， 迫使3 g p p 开始对w c d m a 系统的空中接口进行改进，以更好的发展数据业务。 3 g p p 首先在r 5 版本中引入了频谱利用率更高的接入技术h s d p a 技术 ( h i 曲s p e e dd o 、砌i i l l 【p a c k e ta c c e s s ，高速下行分组接入) 【1 7 】。在r 9 9 版本的空 中接口中，采用扩频因子可变的方式去满足多业务数据速率的需求，同时采取功 第一章绪论 率控制技术克服w c d m a 的远近效应。而在h s d p a 系统中，通过在新增的业务 信道上采取扩频因子固定、多码并行传输的方式提供不同等级的数据速率，同时 采用自适应调节速度更快的a m c ( a d 印t i v em o d u l a t i o nc o d i n g ，自适应编码调制) 、 h 6 则( h y 研da u t o m a t i cr e 舡a n s m i s s i o nq u e s t ，混合自动重传) 和快速资源调度 算法代替功控技术，并将重传与资源调度从r n c ( r a d i on e t 、7 l ，o r kc o n 仃0 l l e r ，无线 网络控制器) 移植到n o d eb ( 基站) 中新增的m a c 1 l s 功能实体上，从而达到尽 可能提高下行分组数据速率和减少处理时延的目的1 2 1 。理论上，h s d p a 在移动和 漫游情况下能够提供下行1 4 4 m b p s 的峰值速率。 在引入h s d p i a 后，下行链路的传输速率和吞吐量得到了很大提高。相比而言， 上行链路速率和吞吐量偏低，不能很好地支持可视电话、高质量语音等上下行数 据量较平衡的业务，不能满足更高要求的上行速率业务发展需要。因此，3 g p p 在 r 6 版本中引入了h s u 】) a ( 碰曲s p e e du p l 址p a u c k e ta c c e s s ，高速上行分组接入技 术) 来增强3 g 系统的上行链路能力【1 8 】。h s 切) a 通过舍弃旧版标准中的r n c 控制 调度，而采用将调度放置在n o d e b 中的策略，大大缩短了调度控制信令和用户设 备响应的时延，从而可更快速、精确、有效地控制小区负载。软合并的h a r q 协 议、更短的传输时间间隔( 聊) 等关键技术的引入，使u e 能以尽可能大的功率 传输h s 切) a 上行分组数据，从而提供了更大的吞吐量，理论上能够为用户提供最 大5 7 6 m b p s 的上行数据接入服务。 h s d p 久和h s u p a 统称为“h s p a ( h i 出s p e e dp a c _ k e ta c c e s s ) ”。h s p a 技术 能全面提升网络的业务能力、系统容量，提供更高的传输速率和更低的延迟，在 传输速率和系统容量上提升了w c d m a 标准的竞争力。它为w c d m a 实现更高数 据传输速率和更大容量提供了一条平稳的演进途径。同时，h s p a 技术还能使运营 商投入成本最小化，被誉为后3 g 时代的主要解决方案之一，为i 湖向更高数 据传输速率和更高容量演进提供了一条平稳途径。 然而，尽管h s p a 具有很强的竞争力，却面临来自w i m a x 等技术的挑战， 为了应对竞争，3 g p p 又在h s p a 和l 1 陋( l o n gt e 吼e v 0 1 u t i o n ，长期演进计划) 之间引入了h s p a 的演进方案h s p a 十。h sp ：a 十是h s p a 的增强技术，为h s p a 运 营商提供从h s p a 向l 1 飞平滑演进的低复杂度、低成本的途径。它在保留了h s p a 的关键技术的基础上，通过增加多输入多输出( m 蹦o ) 、高阶调制、多载波运行、 层2 增强特性、连续性分组连接( c p c ) 、增强型c e l lf a c h ( ef a c h ) 等技 术，理论上可以提供下行4 3 2 m b p s 、上行1 1 5 m b p s 的高速传输。 3 g p p 的总体演进策略如图1 1 所示。当前w c d m a 系统的研发正处于h s p a + p h 2 u s e l ( 第一阶段) ，即通过使用m 订o 或6 4 q a m 技术使下行速率达到2 8 8 m b p s 或2 1 6 m b p s ，支持层2 增强、e f a c h 和c p c 特性，本文所做的研究就是基于这 一阶段。 w c d m a i l s p a 流控算法研究 上行 速率 下行 协议 演进 图l13 0 p p 的总体演进萧略 目前，h s d 队已于2 0 0 5 年底开始商用，h s u p 网络于2 0 0 7 年开始商用，预 计h s p a _ 将于2 0 0 9 年初开始商用。所有这些技术正在逐渐改变若世界，它们将影 响我们每一个人，需要我们投以更多的关注。 l3h s p a + 流控算法的研究意义 更大的带宽和更短的时延越来越成为移动通信不断追求的目标，也成为判断 技术是否进步的准则。h s p 高速率接入的能力是通过高阶调制、自适应调制编 码( a m c ) 、混台自动重传( h a r o ) 、快速调度等一系列关键技术的引入获得的。 其中，快速调度是通过尽量把调度资源分配给信道质量更好的用户，发送更多的 数据，以提高空口利用率。快速调度算法能够有效的运行的前提是被调度到的用 户已经有数据存储在基站等待被调度。这就需要一种机制提供这种保障流量 控制。3 g p p 在引入h s d p a 技术时就引入了容量控制帧用于流量控制可见流控 对于h s d 队的重要性。为了更好的配合快速调度，提高空口利用率，人们一直在 对流量控制机制进行着改进。 从w c d m a 到h s p a + ，系统可提供带宽已由原来的3 8 4 k b p s 提高到4 32 m b p s 。 由于空口速率的太幅度提高和当前基站对多小区的支持( 一般支持6 个小区) 就 需要有大量的数据通过h m 传输网络从r n c 传输到n o d e b 。另外，h s p a + 技术的 引入对w c d m a 系统中的各个接口都带来了额外的信令传输，尤其是在r n c 和 n o d eb 之间的i u b 接口，这进一步加重了i u b 传输网络的负荷。考虑到r n c 和 n o d e b 之间的传输网络一般都使用传统传输方式，底层通过e 1 连接，而e 1 线路 的租用费用很高，使i u b 传输网络资源变得非常稀缺，甚至受限。例如：欧洲一条 e 1 的年租赁价格大约5 0 0 0 欧元，提供2 m 带宽口。一个基站就需要租用几十条 e 1 ，一年的租赁费用就相当可观。 i u b 传输网络作为负责整个n o d eb 数据传输的链路，有着非常沉重的链路负 荷，它是否能够有效运行直接决定了h s p a + 空口优势能否发挥。所以，r n c 与 第一章绪论 n o d eb 之间的i u b 传输网络逐渐成为向更高吞吐量发展的障碍，成为链路更高速 率传输的瓶颈，越来越受到人们的重视。在w c d m a r 9 9 瓜4 系统中，用户带宽固 定且速率稳定，r n c 可以通过带宽预留和准入控制保证i u b 口不会发生拥塞。而 在r 5 协议引入h s d p a 后，高速下行共享信道( h s d s c h ) 的带宽具有突发性和 很大的波动性，通过准入控制防止拥塞的发生已经不现实。所以，为了防止i 曲 传输网络拥塞的发生，提高传输效率，需要更好的拥塞控制机制加入到h s p a + 系 统中。由于在r 5 协议中，3 g p p 并没有定义可以引入拥塞控制机制的接口口列，多 数公司都通过效率不高的带宽预留解决拥塞问题。3 g p p 逐渐认识到这个问题，并 在r 6 协议中增加拥塞检测信剧2 3 】，使设计更加灵活、更加完善的拥塞控制机制成 为可能。 h s 雕汁系统中的流量控制机制和拥塞控制机制构成了h s p a + 流控算法。 h s p a 寸流控算法主要在n o d eb 的m a c h s 和m a c e 实体中进行处理，它的好坏 决定着h s p a + 系统的运行效率。随着空口速率的提高，流控正变得越来越重要。 而当前h s p l a 流控算法的一些不足和h s p a + 增加的一些新特性，使得原有的h s p i a 流控算法不能满足h s p a 十系统对流控的需求。这就需要我们寻找一个更加有效、 更加适合h s p a + 系统的流控算法，来支持h s p a 十系统的高效运行。 当前，世界范围内都在紧张的进行h s p a 十系统设备的开发，h s p a + 系统正在 经历着从无到有的过程。h s p a + 系统的面世需要h s p a 十流控处理的有力支持。所 以，无论是从理论的技术进步角度，还是从现实的商业应用角度来看，对h s p a + 流控算法的研究都有着重要的意义。 1 4 本文的主要工作和内容安排 本文研究来源于华为h s p ! a 十系统开发，负责设计开发h s p a + 下行流控处理模 块。为了完成上述任务，本文认真研究了流控基本理论、h s h 针系统知识和当前 h s p a 流控算法。针对当前流控算法的不足和h s p a + 增加的一些新特性，本文分 析提出了基于q o s 的h s p a + 流控算法。随后，本文设计实现了该算法，并加载到 h s p a + 系统中进行测试验证。经在h s n 抖系统中测试表明，基于q o s 的h s p a 十 流控算法在性能上较原有流控算法有了很大提升，很好的支持了h s p a + 新特性， 满足了h s p ：a + 系统对流控的需求。 本文后续内容安排如下： 第二章首先进行了流控基础理论研究。在认真分析了w c d m a h s p a + 系统结 构，详细研究了流控相关的h s p a + 运行处理后，阐述了本文对h s p a + 流控目标和 h s p a + 流控涉及因素的理解。 第三章首先对现有h s p a 流控算法研究现状进行了分析，随后从现有系统中 6w c d m ah s p a + 流控算法研究 的h s p a 流控算法和理论研究中的h s p a 流控算法两方面认真研究了现有流控算法 的特点和存在的一些不足。针对提供保障q o s 的服务对于h s p a + 系统越来越重要， 而当前h s p a 流控算法并不能提供保障q o s 服务，本章重点研究了提供q o s 保障 的流控处理，提出了基于q o s 的h s p a + 流控算法， 。 第四章设计实现了基于q o s 的h s p a + 流控算法，并进行了测试验证。通过测 试结果，验证了基于q o s 的h s r 针流控算法设计的合理性和有效性，完成了开发 任务。 第五章总结了全文的核心内容，分析了本文存在的一些问题，并对今后的工 作做了展望。 第二章h s p a + 流控基础分析 第二章h s p a + 流控基础分析 h s w 汁流控算法，是为了充分发挥h s p a + 空口能力，防止i u b 接口拥塞，保 证h s n 抖系统高效稳定的运行而引入的具有h s p i a + 系统特点的流量控制算法。为 了更好的描述h s n 廿流控算法，本章从流控基础理论、w c d m a h s p a + 系统结构、 h s p a + 运行和h s p a + 流控四个方面进行分析。 2 1 流控基础理论 流控包括流量控制和拥塞控制两部分，流量控制和拥塞控制的目的在于通过 对业务注入速率和网络拥塞状况的控制达到网络资源的有效利用。本节首先通过 流控基本概念介绍弄清他们之间的关系；然后分析流控所要面临的问题；随后叙 述流控算法的分类，并简单介绍一下常用的流控算法。 2 1 1 流控基本概念 流量是网络中的通信量，也就是指网络中的报文流或分组流。狭义的流量控 制即控制发送端发送的数据量及数据发送速率，使其不超过接收端的承受能力， 这个能力主要指接收端的缓存和数据处理速度。 拥塞是一种持续过载的网络状态，此时用户对网络资源( 包括链路容量、交 换节点的缓存空间、内部总线，c p u 处理能力等) 的需求超过了其固有的容量。 早在八十年代初，拥塞就已经出现，并被称为“拥塞崩溃 。因此需要控制流量， 避免拥塞的产生。拥塞控制就是网络节点采取措施来避免拥塞的发生或者对拥塞 的发生做出反应。 、拥塞控制需要确保通信子网能够承载用户提交的通信量，是针对中间节点资 源受限而设置的，是一个全局性问题，涉及主机、路由器等很多因素；流量控制 是与点到点的通信量有关的，是针对端系统中资源受限而设置的，主要解决快速 发送方和慢速接收方的问题，是局部问题，一般都是基于反馈进行控制的。拥塞 控制和流量控制都是限制进入网络的通信量的机制，两者是不可分离的。从广义 上看，拥塞控制本质上也属流量控制的范畴【。因此，广义的流量控制是对网络数 据流的控制，是限制进入网络的通信量的机制，是为了避免拥塞而采取的一系列 措施。一般讲流量控制都是指宏观定义，本文也是基于这种认识。但为了区分， 对于广义的流量控制本文简称为流控，对于狭义的流量控制依旧称为流量控制。 本文所有对流控的描述都是基于拥塞控制和流量控制两方面来讨论的。 w c d m ah s p a + 流控算法研究 2 1 2 流控的基本要素 为了更好的解决流控问题，我们需要对流控的原因、对象、目的和评价准则 有清晰的认识。 拥塞发生的主要原因在于网络能够提供的资源不足以满足用户的需求，这些 资源包括缓存空间、链路带宽容量和中间节点的处理能力。拥塞虽然是由于网络 资源的稀缺引起的，但单纯增加资源并不能避免拥塞的发生。缓存不足导致的丢 包更多的是拥塞的“症状”而非原因。因此，引发拥塞的根本原因是资源的相对 不足【l 】。产生资源相对不足的原因是对资源的不合理利用和拥塞避免机制的缺失。 需要进行流量控制的根本原因是发送端发送的数据过多或者数据发送速率过 快，致使接收端来不及处理，则会造成数据在接收端的丢弃，降低传输效率。 拥塞控制的对象是网络环境，目的是使负载不超过网络的传送能力，在有限 的网络资源情况下，通过通信量的约束与调配减少数据丢失，提高网络吞吐量， 充分利用已有网络资源；流量控制的对象是接收端，目的是使发送端的发送速率 不超过接收端的接收能力，在有限的接收端承受能力情况下，通过流量约束，减 少接收端处的数据丢失，提高数据发送效率，充分利用接收端资源。 对于流控算法的评价准则，由于流控没有绝对的好与坏，只能从比较中得出 哪一个相对更好。我们可以从用户角度出发，比较对端系统的吞吐率、丢失率和 延迟，也可以从整个系统角度出发，比较资源分配的效率和资源分配的公平性来 判断一个流控算法的好坏。 2 1 3 流控算法的分类 在流量控制算法方面，主要有两种流量控制算法：第一种是基于反馈的流量 控制，接收方给发送方送回信息，允许它发送更多的数据，或者至少也要告诉发 送方它的情况怎么样；第二种方法是基于速率的流量控制，使用这种方法需要协 议有一种内置的机制，它限制了发送方传输数据的速率，无需利用接收方的反馈 信息。 i n t e m e t 中使用的基于反馈的流量控制主要有端到端的流量控制和链路级流量 控制。端到端流量控制是基于数据最终接收端的承受能力控制数据源端的数据流 量；链路级流量控制则是基于接收节点的承受能力控制上游节点的数据流量。 目前，主流的流量控制技术和协议有：停等协议、滑动窗口协议、漏桶算法 和令牌桶算法。 在拥塞控制算法方面，根据算法的实现位置，可以将拥塞算法分为两大类： 第二章h s p a + 流控基础分析 链路算法和源算法。链路算法在网络设备( 如路由器和交换机) 中使用，源算法 在主机和网络边缘设备中使用。 拥塞控制的源算法方面，大量工作集中在对t c p 协议的研究上。t c p 拥塞控 制算法主要涉及慢启动、拥塞避免、快速重传、快速恢复等处理；链路算法的研 究集中在队列管理和队列调度方面，其中主动管理技术是研究热点。 从控制论角度，又可将拥塞控制算法分为开环控制和闭环控制两大类。当流 量特征可以准确规定、性能要求可以事先获得时，适合使用开环控制；当流量特 征不能准确描述或者当系统不提供资源预留时，适合使用闭环控制【l 】。开环控制运 行于网络端系统，其目标是防止拥塞的发生：它通过调节某个信源流量以使网络 中拥塞发生的可能性最小化，这是一种预防式的控制方法，其主要缺点是需要一 个精确模型且网络资源利用率低。相反闭环控制不管模型是否精确，都是有效的， 并且能补偿干扰；它是根据网络负载状态的反馈信息调节信源的发送速率。i n t e m e t 中主要采用闭环控制。 闭环的拥塞控制分为以下三个阶段：监测网络拥塞的发生；将拥塞信息报告 到拥塞控制点：拥塞控制点根据拥塞信息采取相应措施以消除拥塞。闭环控制可 以动态适应网络的变化，但其性能受到反馈延迟的影响较大。 2 2w c d ma h s p a + 系统介绍 2 2 1w c m d a i m t s 体系结构 w c d m a 通信系统是采用w c d m a 空中接口技术的第三代移动通信系统，通 常称其为切t s ( u z l i v e f s a lm o b i l et e l e c o 舳 i l u n i c a t i o ns y s t e m ，通用移动通信系统) 系统。w c d m a 通信系统由核心网( c n ) 、咖s 陆地无线接入网( u r r a n ) 和 用户设备( u e ) 三部分组成【5 1 。如图2 1 所示。 u ul u 图2 1w c d m a 通信系统结构 其中，核心网负责对语音及数据业务进行交换和路由查找，以便将业务连接 至外部网络；无线接入网负责处理所有与无线通信相关的功能；用户设备( u e ) 为用户和无线接口之间的连接设备。c n 与u t r a n 的接口定义为i u 接口，u t r a n 与u e 的接口定义为u u 口。 w c d m ah s p a + 流控算法研究 w c d m a 通信系统中的核心网承袭了g s m 通信系统技术，可以与g s m 系统 共用核心网。u e 和u t 鼬蝌则都是全新的协议，它们是基于对w c d m a 新无线 技术的需求而制定的。u t 心包含所有h s r 什流控相关内容，是主要关注对象。 黜埘由一个或多个通过i u 接口连接到c n 的无线网络子系统( r n s ) 组成， 每个r n s 都是i 瓜a n 内的一个子网。r n s 包括一个i 矾c 和一个或多个n o d eb 。 在【凰a n 内部，i 玳c 通过i u r 接口彼此互联，r n c 和n o d e b 通过i b 接口相连。 n o d eb 包括一个或多个小区，通过无线链路与u e 相连【5 】oi 瓜a n 的具体结构如 图2 2 所示。 图2 2u ，r r a n 结构图 u 职a n 的能力包括无线接入承载能力和无线接入承载控制，支持具有不同业 务特性的无线资源连接的建立、重新协商和释放，q o s 属性与承载属性的重新协 商可能由下层请求或无线条件( 切换、蜂窝负载的改动等) 引起，也可由移动站 或网络发起。i 瓜a n 将允许一个移动终端同时处理多个无线接入承载业务，每个 无线接入承载业务可能有各自的速率和性能要求，但同时处理无线接入承载业务 的数量将受到终端和网络能力的限制，u r 鼬埘还将支持广播和组播应用的无线接 入承载。新业务的承载都意味着对不同流量和q o s 的需求。 下面介绍i 玎r a n 的3 个组成部分无线网络控制器、基站和i u b 接口： 1 ) 无线网络控制器( r n c ) ：无线网络控制器是负责控制u t 黜埘无线资源 的网元，它与c n 接口，并且终止无线资源控制( r r c ) 协议，r r c 协议定义了 移动台和u r 砒试间的消息和进程。主要完成连接建立和断开、切换、宏分集合 并，无线资源管理控制等功能。 2 ) 基站( n o d eb ) ：n o d eb 是w c d m a 系统的基站( 即无线收发信机) ，对 应于g s m 的基站，它是当初在制定标准过程中临时采用的一种称谓，但一直沿用 至今未更改1 5 】。n o d eb 包括无线收发信机和基带处理部件，通过标准的l u b 接口和 r n c 相连，主要功能是进行空中接口l 1 层处理( 如扩频、调制、信道编码及解扩、 解调、信道解码，还包括基带信号和射频信号的相互转化等) ；它也执行一些基本 第二章h s p a + 流控基础分析 的无线资源管理工作，例如内环功率控制。但在引入h s d p a 以后，n o d eb 开始 负责越来越多的调度和资源管理功能。本文所做的h s p a + 流控算法主要在n o d eb 进行。 3 ) i u b 接口：i u b 接口连接n o d eb 和r n c ，负责r n c 与n o d eb 之间的信息 传输。在i u b 接口上传送的信息包括：无线应用( n b a p ) 有关的信令、i u bd c h 数据流、i u br a c h 数据流、i u bf a c h 数据流、h l bd s c h 数据流、i l l bp c h 数据 流、i u bc p c h 数据流。随着空口速率的大幅度提升，i u b 口成为制约高速传输的 瓶颈。i u b 传输网络带宽的有效利用是h s p a 年流控主要解决的为题之一。 2 2 2h s p a 十对于w c d m au t r a n 的影响 在u m t si 鹕9 的空中接口体系中，绝大部分功能都由位于n o d eb 以上的r n c 来进行，例如重传、资源调度等，n o d eb 仅仅起到一个根据r n c 的指令完成物理 层编码、传输的功能，其本身基本不具有对物理资源的控制和调度能力。而在 w c d m a r 9 9 向r 7h s p a + 演变过程中，为了在空中接口上实现更大的吞吐能力， 对n o d eb 的功能进行了增强，在n o d eb 的层面引入了物理层重传和快速资源调 度的概念。通过在更靠近空中接口的n o d eb 上引入这些原本只有i 斟c 才具有的 功能，提高了重传以及对空口资源调度的效率。在这样的网络机制下，同时使用 了更短的n i ( t r a i l s m i t ei n t e a 1 ) 长度( 2 m s ) 、固定的发射功率、固定扩频 因子的多码道传输，这样，通过整体的有效结合，在上下行方向上实现了大大高 于r 9 9 的高速分组数据传输能力。 由于h s p a 十是h s p a 的演进版本，它本身包括h s p a 的技术。同事h s p a + 又 是后向兼容的，所以h s p a 的技术细节也将会影响到h s p a + 系统的运行。为了完 整的了解h s 汁系统，h sp ! a + 对于系统的改变将从h s p a 技术开始讲起。 h s d p a 技术的基本原理【2 】是： 1 ) 共享信道传输。在3 g p p r 5 规范中，引入了新的传输信道，即高速下行共 享信道( h s - d s c h ) ，用于支持增强的交互类、后台类及流媒体类接入承载服务。 2 ) 高阶调制。3 g p pi 圆9 r 4 规范中下行传输只规定了q p s k 调制方式。在3 g p p r 5 规范中，除了q p s k ，h s d s c h 信道还可以使用1 6 q a m 调制方式来提供更高 的速率。与q p s k 相比，1 6 删调制可以使空中接口速率提高一倍。 3 ) 更短的时间间隔( t t i ) 。h s d p a 无线帧长为2 m s ( 即t t i ) 。即一个1 0 m s w c d m a 无线帧中有5 个h s d p a 子帧，用户数据传输可以在更短的时长内分配给 一条或多条物理信道，从而允许网络在时域、码域中重新调节其资源配置。共享 码资源中的信道码每2 m s 进行一次动态分配。如此短的时间间隔减少了环路时间 ( r 1 r t ) ，极大地提高了链路适配性能。 w c d m ah s p a + 流控算法研究 4 ) 自适应调制和编码( a m c ) 。自适应调制和编码( a m c ) 技术使得n o d eb 能够根据u e 反馈的当前无线信道状况及时地调整调制方式( q p s k 或1 6 q 蝴) 和编码效率，从而使数据传输速率与信道状况相匹配，从而获得高的小区吞吐量 和频谱利用率。快速链路适配性能体现在系统根据瞬间变化的无线环境调整传输 参数，并在信道条件允许的情况下采用高阶调制方式。 5 ) 快速调度。在w c d m a r 9 9 r 4 中，分组调度由r n c 负责。在h s d p a 中， 部分分组调度转由基站负责，因此能够大幅度减小以往需要l 矾c 处理当前信道条 件改变而带来的延迟。同时，2 m s 的短时间间隔又增加了调度进程的精确度。为了 得到调度数据分组传输的最大效率，h s d p a 使用和考虑了信道质量信息、移动终 端能力、q o s 和可用的功率信道化码数等多方面因素。快速调度性能决定了在给 定时间内共享信道给哪个用户使用，也决定了用户吞吐量与小区吞吐量的大小。 6 ) 快速混合自动重传请求。利用快速混合自动重传请求( f a s 忸y b r i da r q ) 性能，n o d eb 可以自动根据瞬时信道条件，灵活调整每次传输的有效编码效率以 及调制方式，用户u e 可以将每次传来的数据进行信息合并( 软合并方式) ，大大 提高了容错能力。由于h a r q 功能由n o d eb 负责，不存在i u b 接口的数据重发， 从而达到减小重传时延的目的。 7 ) 引入m a c 层新实体m a c 缸。h s d p a 在u e 和n o d eb 的m a c 层引入了 m a c 1 1 s 实体，如图2 3 所示，完成相关调度、反馈、重传等功能。在网络侧重传 直接在n o d eb 进行控制，可以显著地提高重传的速度，减少数据传输的时延。 m a c 1 1 s 的功能和特点包括i u b 接口中数据流控制( h s d p a 流控) ；优先队列中的 分组数据( m a c dp d u ) 的缓存；分组调度和优先权处理；快速分组调度机制等。 n o d ebl u bc r n c ，s r n c 图2 3 协议结构1 7 】 为了实现h s d p a 的功能特性，3 g p p 在r 9 9 系统的物理层增加了3 个物理共 享信道进行下行高速数据传输： ( 1 ) 高速下行链路共享信道( h s d s c h ，h i 曲s p e e d _ d e d i c a t e ds h a r ec h a n n e l ) ， h s _ d s c h 信道是在r 9 9 版本上对d s c h 信道的改进。该信道在下行链路方向承载 第二章h s p a + 流控基础分析 用户数据，采用1 6 q a m 时，其峰值数据速率可以达到1 0 m i t s 。 ( 2 ) 高速共享控制信道( h s s c c h ，h i 曲s p e e d s h a r ec o n 仃0 1c h 啪e 1 ) ，该信 道承载必须的物理层控制信息，以确保能够对h s s c c h 上的数据进行解码。如果 发生认为是错误的数据包而需要重传时，还要可能要对h s d s c h 上发送的数据进 行物理层合并。 ( 3 ) 上行链路高速专用物理控制信道( h s d p c c h ，h i 曲s p e e d d e d i c a t e d p h y s i c a lc o n 仃0 1c 1 1 a n ! l e l ) ，该信道用于承载上行链路中必要的控制信令，即a r q 确认( a c k n a c k ) 和下行链路质量反馈信息( c q i ，c h 猢e 1 删t yh d i c a t o r ) 。 h s 切) a 技术的基本原理是：h s 切) a 通过舍弃旧版标准中的i 矾c 控制调度， 改而采用将调度器放置在n o d eb ，大大缩短了调度控制信令和u e 响应的时延， 从而可以更快速有效地控制小区负载，使得小区负载总是处于十分接近预设负载 门限的水平。软合并的混合自动重传请求( h a r q ) 协议，更短的传输时间间隔( t t i ) 等关键技术的引入，使u e 能以尽可能大的功率传输h s 切)