（通信与信息系统专业论文）无线衰落环境下arq与tcp相互影响的理论分析.pdf

无线衰落环境下a r q 与t c p 相互影响的理论分析 摘要 在无线环境下，研究者提出了很多改善现有t c p 协议性能的算法。 其中一个比较受关注的策略就是通过链路层a r q 差错控制来减小无 线衰落信道中的差错率。但是随着a r q 重传次数的增加，在大大降低 帧差错率的同时，也增加了t c p 端到端的时延，严重时会导致t c p 超 时。因此，研究a r o 对t c p 流量的影响就成为实现链路层和传输层联 合优化，以提高下一代无线网络性能一个迫切问题。 考虑了有线和无线同时存在，且最后一跳为无线链路的典型无线 通信网络情况，采用m a r k o v 模型和m g 1 排队理论联合考虑链路层 a r q 技术和t c p 的相互影响，通过理论推导和仿真分析比较全面的分 析了a r q 和t c p 之间的关系，为实现多层联合优化无线网络奠定了基 础。 采用离散时间m a r k o v 链为链路层选择重传s r a r q 建立了模型， 同时采用连续时间m a r k o v 模型为传输层t c p 的拥塞控制机制建立了 模型，链路层模型和传输层模型通过交换三个参数完成交互，并在交 互的过程中达到稳定状态，从而可以推导出t c p 的稳态流量。这三个 参数分别为：链路层剩余差错率、无线链路时延，以及t c p 分组到达 基站的速率。其中前两个参数为链路层模型传递给传输层t c p 模型 的，最后个参数则是t c i 模型输出到链路层模型的。通过假定t c p 分组到达基站缓存服从参数为a 的指数分布，而t c p 分组在基站缓存 的排队模型假定为m g 1 排队模型，两个模型联合起来可以构造一个 定点方程，求解定点方程得至q t c p 稳态流量。 仿真结果表明，在给定目标分组丢失率的条件下，可以计算满足 要求的链路层p d u 最大重传次数，通过恰当的设置a r q 的重传次数有 效的降低分组差错率，使得t c p 流量增加。 关键词：a r q ，t c p , m a r k o v 模型，m g 1 ，稳：各流量 i m p a c to f a r qo nt h et h r o u g h p u t p e r f o r m a n c e0 ft c p i nw i r e l e s s e n v i r o n m e n t s i n t h el a s t y e a r s ，t h e i s s u e s r e g a r d i n g t h eb e h a v i o ro ft c po v e r w i r e l e s sl i n k sh a v eb e e n e x t e n s i v e l ya d d r e s s e d ，b o t h b e c a u s et c p r e p r e s e n t st h em o s tw i d e s p r e a dt r a n s p o r tp r o t o c o li nt h ec u r r e n ti n t e r a c t a n db e c a u s ei n t e r n e ta c c e s s t h r o u g h w i r e l e s s t e c h n o l o g i e s i s r a p i d l y t a k i n gu p i n t h i sc o n t e x t ，t h es p e c i f i ca i mo ft h e p r e s e n tw o r ki s t o i n v e s t i g a t et h ei m p a c to f w i r e l e s sl i n kl a y e ra r qm e c h a n i s m so nt c p p e r f o r m a n c et h r o u g h b o t h a n a l y t i c m e t h o d sa n ds i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t s u s i n g m a r k o vm o d e la n dm g 1 t h e o r y , t h i sp a p e rs t u d i e s t h e i n t e r a c i t o n sb e t w e e na r q p r o t o c o l a n dt c pi nw i r e l e s s e n v i r o n m e n t s t h er e f e r e n c en e t w o r ks c e n a r i oc o n s i d e r e di nt h i sw o r ki sa h y b r i dn e t w o r k i nt h i sw o r k ，w ef i r s td e v e l o pad i s c r e t et i m em a l k o vm o d e la b l et o r e p r o d u c eas e l e c t i v er e p e a ta r q l i n kl a y e rp r o t o c o l , w i d e l yu s e di nt h e w i r e l e s sl i n ke n v i r o n m e n t s w ea l s od e v e l o pac o n t i n u o u st i m em a r k o v m o d e lt or e p r o d u c et h e d y n a m i c s o ft c pw i n d o w t w om o d e l sa l el i n k e d b yc h a n g i n gt h r e ep a r a m e t e r s ：l i n kl a y e r r e s i d u s a l p r o b a b i l i t y , w i r e l e s s l i n kd e l a y , a n dr a t eo ft c p s e g m e n t st o r e a c ht h eb u f f e r u s i n gt h et w o m a r k o vm o d e l sw e d e v e l o pa na n a l y t i c a lm o d e l “o f t c p t h r o u g h p u t u n d e r t h ei m p a c to fl i n kl a y e ra r qr e t r a n s m i s s i o n s o u rs i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tb ys e t t i n ga p p r o p r i a t en u m b e ro f a r q r e t r a n s m i s s s i o n s ，s y s t e mq o s c a nb es a t i s f i e da n dt c p t h r o u g h p u t c a nb eo p t i m i z e d k e y w o r d 5 ：a r e ，t c p , m a r k o vm o d e l ，m g 1q u e u e ，t h r o u g h p u t 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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作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，本人承担一切相关责任。 本人签名： 葺；辜盔 日期：塑丛! ：匹 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 茁：鱼：压 导师签名： 日期：2 血亡。圭：f 日期： 笙二里! ! 皇 1 。1 研究背景 第一章前言 近年来，无线网络的技术和应用快速增长。无线广域网技术也从2 g 走向 3 g ，4 g ，通信业务由单一的话音发展到话音，短信息类数据业务并重，未来还将支 持多媒体等实时业务。无线l a n 除了支持传统的尽力而为的数据业务，还要支持 语音，视频等实时业务。业务需求的多样化为无线网络的设计提出了新的挑战， 未来的网络必须能够支持各式各样不断变化的业务类型及其服务质量要求( q o s ) 并支持网络拓扑结构的变化。 传统的t c p i p 等网络协议是针对差错率很低的有线链路提出来的，为了提 供高速移动接入业务，需要对无线通信系统的网络层、数据链路层以及物理层加 以修改使其更加适用于未来高速无线蜂窝因特网。国内外许多学者在这方面的 研究大都局限于网络体系结构的某一个层面孤立地进行。他们都没有对多个层丽 进行全面的整体性的考虑，最终很可能导致上下层协议的相互抵触，从而降低通 信系统的效率。 基于此，我们实验室综合考虑物理层、m a c 层、r l p 和t c p 层，希望提出 一个完整的基于o f d m 的高速蜂窝因特网系统体系结构的框架，这一研究课题 已获得国家自然科学基金的立项资助，研究工作正在进行之中。考虑到有线链路 和无线链路传输特性的差异，预期建立的系统框架应当突破传统开放系统互连 ( o s i ) 体系结构中各层之间的独立性，通过在物理层、数据链路层和传输层之 间传递控制信息进行联合优化，从而更好地适用于无线多媒体业务的传输，最大 限度地利用无线阿络资源。以提高系统的整体性能。本论文的工作也是在这一课 题中进行的，主要针对该体系结构中物理层之上各屡的联合优化进行研究。 1 2 移动无线网络发展概述 无线网络分为无线广域网和无线局域网。无线广域网包括全球通信系统 g s m 、通用分组无线业务g p r s q g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 、i s 9 5 、w c d m a 、 c d m 凡 0 0 0 、t d s c d m a 等。在无线广域网中，无线线路通常是连接终端用户 的最后一段。无线局域网( w l a n ) 包括由i e e e 8 0 2 1 1 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 、家 庭射频( h o m e r f ) 等技术构成的网络。目前应用在移动数据通信网络中应用最 广泛的主要有无线局域网和蜂窝通信系统。 一j ! 塞坚皇查兰堡主堂堡堡苎 1 2 1 无线局域网 通信网络随着i n t e r n e t 的飞速发展，从传统的布线网络发展到了无线网 络，作为无线网络之一的无线局域网w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) ，满 足了人们实现移动办公的梦想，为我们创造了一个丰富多彩的自由天空。 w l a n 是利用无线通信技术在一定的局部范围内建立的网络，是计算机网络 与无线通信技术相结合的产物，它以无线多址信道作为传输媒介，提供传统有线 局域网a n ( l o c a la r e an e t w o r k ) 的功能，能够使用户真正实现随时、随地、 随意的宽带网络接入。 w l a n 开始是作为有线局域网络地延伸而存在的，各团体、企事业单位广 泛地采用了w l a n 技术来构建其办公网络。但随着应用的迸一步发展，w l a n 正逐渐从传统意义上的局域网技术发展成为”公共无线局域网”，成为国际互联网 i n t e r n e t 宽带接入手段。w l a n 具有易安装、易扩展、易管理、易维护、商 移动性、保密性强、抗干扰等特点。 由于w i a n 是基于计算机网络与无线通信技术，在计算机网络结构中，逻 辑链路控制( l l c ) 层及其之上的应用层对不同的物理层的要求可以是相同的， 也可以是不同的，因此, w l a n 标准主要是针对物理层和媒质访问控制层( m a c ) ， 涉及到所使用的无线频率范围、空中接口通信协议等技术规范与技术标准。 一般地，w l a n 有两种网络类型：对等网络和基础结构网络。 对等网络：由一组有无线接口卡的计算机组成。这些计算机以相同的工作组 名、e s s i d 和密码等对等的方式相互直接连接，在w l a n 的覆盖范匿的之内， 进行点对点与点对多点之问的通信。 基础结构网络：在基础结构网络中，具有无线接口卡的无线终端以无线接入 点a p 为中心，通过无线网桥a b 、无线接入网关a g 、无线接入控锖4 器a c 和无 线接入服务器a s 等将无线局域网与有线网网络连接起来，可以组建多种复杂的 无线局域网接入网络，实现无线移动办公的接入。 作为有线网络无线延伸，w l a n 可以广泛应用在生活社区、游乐园、旅馆、 机场车站等游玩区域实现旅游休闲上网：可以应用在政府办公大楼、校园、企事 业等单位实现移动办公，方便开会及上课等：可以应用在医疗、金融证券等方面， 实现医生在路途中对病人在网上诊断，实现金融证券室外网上交易。 对于难于布线的环境，如老式建筑、沙漠区域等，对于频繁变化的环境，如 各种展览大楼；对于临时需要的宽带接入，流动工作站等，建立w l a n 是理想 的选择。 第一章前高 1 2 2 第三代移动通信系统 现有第二代移动通信技术及其使用的频谱不能满足发展需求，第三代移动通 信应是频谱利用率更高、通信容量更大、通信质量更好的移动通信系统。第一代 和第二代蜂窝移动电话以提供话音业务为主，只满足各国及部分区域性漫游：第 三代移动通信应能提供更广泛的业务，尤其是图、文、声、像的多媒体业务和接 入高速因特网业务等，并能提供全球漫游。第三代移动通信应是智能移动通信系 统，电磁辐射小，能提供2 m b i t s 甚至更高的信息传输速率，具有兼容和扩展能 力。 第三代移动通信区别于现有的第一代和第二代移动通信系统，其主要特点概 括为： 全球普及和全球无缝漫游韵系统：第二代移动通信系统一般为区域或国家标 准，而第三代移动通信系统将是一个在全球范围内覆盏和使用的系统。它将 使用共同的频段( 尽管w r c 分配给i m t - 2 0 0 0 使用豹1 8 8 5 - 2 0 z s m h z , 2 1 1 0 - 2 2 0 0 m h z ，但在美国部分频段已用于p c s 。目前的2 3 0 m h z 频段只是 i m t - 2 0 0 0 计划频谱的一部分，i t u 即将完成扩展频谱的规划) ，全球统一标 准。 具有支持多媒体业务的能力，特别是支持i n t e r n e t 业务：现有的移动通信系 统主要以提供话音业务为主，随着发展一般也仅能提供1 0 0 k b s 2 0 0 k b s 的数 据业务，g s m 演进到最高阶段的速率能力为3 8 4 k b s 。雨第三代移动通信的 业务能力将比第二代有明显的改进。它应能支持从话音割分组数据到多媒体 业务；应能根据需要，提供带宽。删规定的第三代移动通信无线传输技术 的最低要求中，必须满足在以下三个环境的三种要求。即：快速移动环境，最 高速率达1 4 4 k b s ：室外到室内或步行环境，最高速率达3 8 4 k b s 室内环境， 最高速率达2 m b s 。 便于过渡、演进：由于第三代移动通信引入时，第二代网络已具有相当规模， 所以第三代的网络一定要能在第二代网络的基础上逐渐灵活演进而成，并应 与固定网兼容。 高频谱效率。 高服务质量。 低成本。 高保密性。 第三代移动通信系统主要采用了以下关键技术： 北京邮电人学硕士学位论文 初始同步与r a k e 多径分集接收技术 c d m a 通信系统接收机的初始同步包括p n 码同步，符号同步、帧同步和扰 码同步等。c d m a 2 0 0 0 系统采用与l s 9 5 系统相类似的初始同步技术，即通过对 导频信道的捕获建立p n 码同步和符号同步，通过同步( s y n c ) 信道的接收建立帧 同步和扰码同步。w c d m a 系统的初始同步则需要通过“三步捕获法”进行，即通 过对基本同步信道的捕获建立p n 码同步和符号同步，通过对辅助同步信道的不 同扩频码的非相干接收，确定扰码组号等，最后通过对可能的扰码进行穷举搜索， 建立扰码同步。 移动通信是在复杂的电波环境下进行的，如何克服电波传播所造成的多径衰 落现象是移动通信的另一基本问题。在c d m a 移动通信系统中，由于信号带宽 较宽，因而在时间上可以分辨出比较细微的多径信号。对分辨出的多径信号分别 进行加权调整，使合成之后的信号得以增强，从而可在较大程度上降低多径衰落 信道所造成的负面影响。这种技术称为r a k e 多径分集接收技术。 为实现相干形式的r a k e 接收，需发送未经调制的导频( p i l o t ) 信号，以使接收 端能在确知已发数据的条件下估计出多径信号的相位，并在此基础上实现相干方 式的最大信噪比合并。w c d m a 系统采用用户专用的导频信号，而c d m a 2 0 0 0 下 行链路采用公用导频信号，用户专用的导频信号仅作为备选方案用于使用智能天 线的系统，上行信道则采用用户专用的导频信道。 r a k e 多径分集技术的另外一种极为重要的体现形式是宏分集及越区软切换 技术。当移动台处于越区切换状态时，参与越区切换的基站向该移动台发送相同 的信息，移动台把来自不同基站的多径信号进行分集合并，从而改善移动台处于 越区切换时的接收信号质量，并保持越区切换时的数据不丢失，这种技术称为宏 分集和越区软切换。w c d m a 系统和c d m a 2 0 0 0 系统均支持宏分集和越区软切换 功能。 高效信道编译码技术 第三代移动通信的另外一项核心技术是信道编译码技术。在第三代移动通信 系统主要提案中( 包括w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 等) ，除采用与i s 9 5c d m a 系统 相类似的卷积编码技术和交织技术之外，还建议采用t u r b o 编码技术及r s 一卷积 级联码技术。 t u r b o 编码器采用两个并行相连的系统递归卷积编码器，并辅之以一个交织 器。两个卷积编码器的输出经并串转换以及凿： l ( p u n c t u r e ) 操作后输出。相应地， t u r b o 解码器由首尾相接、中问由交织器和解交织器隔离的两个以迭代方式 一作 第章前言 的软判输出卷积解码器构成。虽然目前尚未得到严格的t u r b o 编码理论性能分析 结果，但从计算机仿真结果看，在交织器长度大于1 0 0 0 、软判输出卷积解码采 用标准的最大后验概率( m a p ) 算法的条件下，其性能比约束长度为9 的卷积码提 高1 至2 5 d b 。目前t u r b o 码用于第三代移动通信系统的主要困难体现在以下几 个方面：1 ) 由于交织长度的限制，无法用于速率较低、时延要求较高的数据( 包 括语音) 传输；2 ) 基于m a p 的软输出解码算法所需计算量和存储量较大，而 基于软输出v i t e r b i 的算法所需迭代次数往往难以保证；3 ) t u r b o 编码在衰落信 道下的性能还有待于进一步研究。 r s 编码是一种多进制编码技术，适合于存在突发错误的通信系统。r s 解码 技术相对比较成熟，但由r s 码和卷积码构成的级联码在性能上与传统的卷积码 相比较提高不多，故在未来第三代移动通信系统采用的可能性不大。 智能天线技术 从本质上来说，智能天线技术是雷达系统自适应天线阵在通信系统中的新应 用。由于其体积及计算复杂性的限制，目前仅适应于在基站系统中的应用。智能 天线包括两个重要组成部分，一是对来自移动台发射的多径电波方向进行到达角 f d o a ) 估计，并进行空间滤波，抑制其它移动台的干扰。二是对基站发送信号进 行波束形成，使基站发送信号能够沿着移动台电波的到达方向发送回移动台，从 而降低发射功率，减少对其它移动台的干扰。智能天线技术用于t d d 方式的 c d m a 系统是比较合适的，能够起到在较大程度上抑制多用户干扰，从而提高 系统容量的作用。其困难在于由于存在多径效应，每个天线均需一个r a k e 接收 机，从而使基带处理单元复杂度明显提高。 多用户检测技术 在传统的c d m a 接收机中，各个用户的接收是相互独立进行的。在多径衰 落环境下，由于各个用户之间所用的扩频码通常难以保持正交，因而造成多个用 户之间的相互干扰，并限制系统容量的提高。解决此问题的一个有效方法是使用 多用户检测技术，通过测量各个用户扩频码之间的非正交性，用矩阵求逆方法或 迭代方法消除多用户之间的相互干扰。 从理论上讲，使用多用户检测技术能够在极大程度上改善系统容量。但一个 较为困难的问题是对于基站接收端的等效干扰用户等于正在通话的移动用户数 乘以基站端可观测到的多径数。这意味着在实际系统中等效干扰用户数将多达数 百个，这样即使采用与干扰用户数成线性关系的多用户抵销算法仍使得其硬件实 北京邮电大学硕卜学位论殳 现显得过于复杂。如何把多用户干扰抵销算法的复杂度降低到可接受的程度是多 用户检测技术能否实用的关键。 功率控制技术 在c d m a 系统中，由于用户共用相同的频带，且各用户的扩频码之间存在 着非理想的相关特性，用户发射功率的大小将直接影响系统的总容量，从而使得 功率控制技术成为c d m a 系统中的最为重要的核心技术之一。 常见的c d m a 功率控制技术可分为开环功率控制、闭环功率控制和外环功 率控制三种类型。开环功率控制的基本原理是根据用户接收功率与发射功率之积 为常数的原则，先行测量接收功率的大小，并由此确定发射功率的大小。开环功 率控制用于确定用户的初始发射功率，或用户接收功率发生突变时的发射功率调 节。开环功率控制未考虑到上、下行信道电波功率的不对称性，因而其精确性难 以得到保证。闭环功率控制可以较好地解决此问题，通过对接收功率的测量值及 与信干比门限值的对比，确定功率控制比特信息，然后通过倍道把功率控制比特 信息传送到发射端，并据此调节发射功率的大小。外环功率控制技术则是通过对 接收误帧率的计算，确定闭环功率控制所需的信干比门限。外环功率控制通常需 要采用变步长方法，以加快上述信干比门限的调节速度。在w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 系统中，上行信道采用了开环、闭环和外环功率控制技术，下行信道则采用了闭 环和外环功率技术。但两者的闭环功率控制速度有所不同，前者为每秒1 6 0 0 次， 后者为每秒8 0 0 次。 1 2 3 无线t c p 与有线信道相比，无线信道的环境更加复杂，有很多独特的特性。首先，无 线传输的开放性导致信号的衰落与干扰，如多径衰落、多普勒频移、阴影效应、 远近效应等，从而导致无线信道的有效带宽不是一成不变的，而是随时阃而动态 变化的；另外，由于信道的时变特性以及发射接收功率的不同，处于小区不同 位置的用户具有不同的信道特性，无线信道还具有位变的特性。也正是由于无线 信道的低带宽及高误码特性，使得某些上层的协议如t c p 等在无线链路的环境 下效率低下，并导致吞吐量恶化。 t c p 为各主机之间提供可靠按序的传输服务，是目前i n t e r n c t 中广泛采用的 传输控制协议，而拥塞控制是其成功应用于i n t c r n c t 的重要因素。t c p 拥塞控 制的前提是网络拥塞为数据丢失的唯一原因，这对于链路质量较好的有线环境是 适宜的。 第一章前言 随着无线应用的飞跃发展，人们越来越多的把目光投向了无线网络的通信。 由于无线环境与有线环境相比，通常具有误码率高、带宽低、时延大以及频繁的 移动等特性，这样，传统的基于有线环境的t c p 技术已无法适应链路质量相对 较差的无线环境。无线网络中网络拥塞已不再是数据丢失的唯一原因，如果直接 沿用现有的t c p 技术，即便数据丢失不是由网络拥塞引起。而是由链路错误所 致，t c p 仍会启动拥塞控制，造成数据发送速率的不必要降低，导致带宽利用 率不高，系统时延加大，吞吐量下降。 无线链路的误码类型和有线的不同，主要有随机丢失、突发性丢失和与位置 相关的错。随机丢失可用贝努利分布描述单比特的丢失，用二项分布描述一个分 组内丢失( r a m ) 的比特数分布。突发性丢失将信道状态分为g o o d ( g ) 和b a d ( b ) 两 种状态，在各状态的停留时间为负指数分布，可以描述错误发生的相关性。还可 以将信道状态迸一步细分，形成多状态的m a r k o v 信道模型。理论证明，任一随 机过程，均可以用多态的m a r k o v 模型来逼近。另外，由于干扰、衰落以及多径， 一个小区在某一时刻内发生错误的链路数是一个随机值，形成的错误与位置相 关，这是无线网络中特有的性质。 目前无线t c p i p 面临的挑战包括流量控制、重传机制和定时估计3 个方面。 流量控制方面的主要问题有：在有大带宽延时积的网络中t c p 的窗口控制过于 粗糙，端对端反馈机制的响应时间过长；无线非拥塞丢失导致产生错误盼拥塞避 免动作；多连接共享缓存时对长延时连接的不公平带宽分配。重传方面的主要问 题有：端对端的分组丢失重传效率低、速度慢和累计确认对丢失分组的检测能力 有限。在定时估计方面主要是无法适应链路重传导致的端到端延时的突发变化 针对t c p 协议在移动无线网络中性能改进的研究主要集中在两个方面，一 个是解决无线链路丢包问题，一个是解决移动终端断连特别是移动切换问题。人 们在这方面作了大量的探索和研究，提出了多种t c p 改进方案，其实质是让发 送端能够有效区分拥塞丢包和误码丢包，在摁塞丢包时调用拥塞控制机制，在误 码丢包时不降低数据发送速率。根据实现机制的不同，可阻将这些改进方案分为 三类： 端到端的改进方案 端到端 2 1 1 的改进方案，一方面是改进原有的t c p 拥塞控制算法，使之能够 在高误码率的无线环境中正确及时的进行拥塞控制和差错恢复；另一方面，就是 改进报文的确认方式，使发送方能够尽早的得知报文丢失，从而快速进行报文恢 复。 改进t c p 原有的拥塞控制算法，目前主要的思路就是让t c p 发送端能够判 断报文丢失的原因，从而采取相应的拥塞控制策略。典型的改进算法有t c p 北京邮电大学顾l ：学位论文 v e n o ，t c p v e g a s 2 0 ，t c p w e s t w o o d 。v e n o 通过对往返时间( k i t ) 的计 算，估计连接所处的状态，并依据该状态信息，采取相应的窗口调整策略。 w e s t w o o d 稍有不同，它是通过可用带宽的估计值直接设置门限值。 改进报文的确认方式有两种思路，一种是采用选择性确认机制这样可使 t c p 迅速恢复一个窗口内的多个报文段丢失，而不会导致t c p 重传定时器超时。 典型的算法是t c p s a c k 。另一种思路是采用显式丢失指示【2 5 l ( e l n ) ，它能够 使t c p 区分报文丢失的真正原因，因此在误码丢包时t c p 就可不必采用拥塞控 制机制，降低发送速率。 采用端到端的改进方案有很多优点，首先，通过采用更加复杂槽确的拥塞控 制策珞，傲到正确区分误码丢包移拥塞丢包，正确估计网络状态，使t c p 能够 可靠高效的控制传输数据；第二，这种方案能够改善很多伴随无线网络的问题， 不仅包括无线链路的高误码率，对切换和移动性带来的连接中断也有一定的改 善。缺点在于需要改交目前的t c p 协议栈，而对于目前广泛应用的t c pr e n o 算法，需要考虑很多共存和过渡方案。 分裂连接的t c p 改迸方案 这种改进方案的思路是：包含无线链路的t c p 连接在中间节点( 基站) 处 分为了两段，一段是基站与远端固定主机的连接，另一段是基站与移动终端之间 的连接。基站与远端固定主机的t c p 连接采用传统的t c p 协议，而基站同移动 终端间的t c p 连接采用改进的协议，以适应于无线链路高误码率，低带宽，高 时延等露有特性。典型的代表方案有m t c p 、i - t c p 等。 该方案将不可靠的无线链路同可靠的有线链路分开来考虑，对t c p 发送方 隐藏了无线链路的特性，无线链路段短暂的连接中断不会对有线链路段的连接造 成影响。两端传输层协议参数可以独立优化，提高通信的端到端性能。但是这破 坏了t c p 端到端的语义，在使用了i p s e 圮等安全协议的环境中不能应用，因此， 这种改进方案并不可取。 链路层的解决方案 为了克服无线链路高误码率和高丢包率的缺点，许多无线接入技术都在链路 层采用了前向纠错( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ，f e c ) 和自动重传请求( a u t o m a t i c r e p e a tr e q u e s t ，a r q ) 的技术来尽可能地保证链路层的可靠传输。 a r q 主要有以下优点：首先，a r q 作为低层协议，不需要检查l p 和t c p 头 部，可以传输加密封装后的报文段；第二，a r o 有自己的链路层确认机制，不受 t c p 确认策略的影响，超时计时器使a r q 可以更快地发现报文段的丢失；第三， 不需要为每条连接维护一条报文段队列，a r q 缓存为高层所共享，而且，源端和 目的端的t c p 实现都不需要修改。 第一章前言 链路层方案也不可能完全消除无线链路上的误码和丢包，数据通信的可靠性 最终要靠传输层协议来保证。链路层和传输层的重传会相互作用，有可能使整体 性能更加恶化。 采用何种链路层策略对t c p 有很大的影响主要体现在三个方面： 第一，尝试熏传的次数研究表明当t c p 观察到报文差错率达到1 。2 时， t c p 的性能就会急剧恶化，因此，链路层协议必须能够恢复大部分的链路层差错， 使t c p 能够感知到的报文差错率低于1 第二，报文的失序。链路层的重传可能会导致t c p 收到的报文段次序混乱， 这就会使t c p 启动拥塞控制机制，因此，链路层应该有一定的缓存，将t c p 报 文段进行排序，按序送给上层t c p 处理。 第三，链路层和t c p 层的重传竞争。两者有可能同时在恢复同一个报文段 的丢失，这就会使系统性能严重下降。 因此，可以得出这样的结论：链路层协议必须保证一定的重传次数以恢复差 错，但重传次数不能太大，否则将会导致t c p 超时重传；数字蜂窝阚络t d m a 和c d m a 都采用了这种策略，但是差错恢复方面有根本的不同：t d m a 保证可 靠的、按序的数据帧重传，丽c d m a 只提供数据帧差错的部分恢复，而不能恢 复的差错则上交给t c p 层来处理。 3 g 中的主要解决方案u m t s 和c d m a 2 0 0 0 都采用了链路层重传策略，来 提供高速蜂窝数据业务。u m t s 采用基于m r a r q 多丢弃机制的r l c 协议来保 证流量控制和差错恢复；而c d m a 2 0 0 0 采孀基于s r - a r q 选择重传机制的纯 n a k 方式的无线链路协议( r i p ) 来保证帧差错的部分恢复。 针对链路层与t c p 的重传竞争问题，有人提出了根据信道状态的好坏，自 动调整重传次数的链路层重传机制，信道状态好时，采用较低的重传次数，状态 变差时，采用较高的重传次数。同时，应保持两者之间的平滑过渡，否则会使上 层t c p 观察到的r 1 r r 波动很大，r t o 调整跟不上就会导致重传计时嚣超时。 还有一点不可忽视的是，目前基于数据报协议( u d p ) 的实时多媒体应用日益 增多，但互联网中存在大量的u d p 应用会导致对t c p 的不公平性。因为t c p 会随着网络带宽的变化调节数据的发送速率，在拥塞时降低自己的带宽需求，而 u d p 则无视拥塞的存在，继续按照需要的带宽发送数据。如果不考虑网络的实 际容量而大量发送非拥塞控制的u d p 应用，很容易导致网络过载和商丢失率， 还会大量侵占t c p 应用的带宽。因此，基于u d p 的应用需要增加相应的控制机 制，做到与t c p 应用公平地分享网络资源，使网络具有较高的利用率和较低的 丢包率。这就是s a l l yf l o y d 等人提出的t c p 友好( t c p f r i e n d l y ) ：黼i j 机制的概念。 t c p 友好数据流是长期的到达速率不大于任何在同等网络条件下t c p 数据 北京邮电大学琐i 。学位论文 流速率的应用流，非t c p 友好流【2 2 2 3 】则正好相反。根据采用拥塞控制和不采 用拥塞控制还可将应用分为响应流和非响应流。非响应流一定是非t c p 友好流， 而非t c p 友好流不一定是非响应流。针对这种t c p 友好的概念，研究人员陆续 提出了许多t c p 友好控制机制，主要分成两类：基于t c p 的加性增乘性降( a i m d l 窗口机制的拥塞控制和基于建模的t c p 友好控制机制。 基于a i m d 的控制机制的优势在于它的工作原理以及稳定性、公平性等特 性已经被大家所熟识，实现非常简单。但它的缺陷在于每个丢包都引起发送速率 的减少，发送速率改变的幅度过大，应用流的突发性强、抖动大，只适用于希望 以t c p 友好方式尽快发送数据而对实时性要求不是很高的应用。该算法的另一 个问题在于，如何针对不同性能要求的应用设计合适的参数还没有通过理论分析 或实验得到理想的依据。 基于建模的友好控制机制一方面可以使实时多媒体流不再像非响应流那样 侵略性地抢占可获得的带宽，而是根据丢失事件速度的减小而平滑地增加发送速 率：另一方面，它的应用流量也不会因为单个包的丢失而将速率减半造成抖动， 只是在多个连续的丢失事件发生后才将速率减小为一半，比较适合实时媒体流的 流量控制。 随着t c p 协议在移动互联网中的改进，t c p 应用的流量特性也发生了改变， t c p 友好控制机制需要进行新的设计和改进，才能真正适合移动互联网的网络环 境。 1 2 4 网络跨层优化的概念和发展现状 在过去的通信系统中，分层的开放系统互连( o s 0 设计方法应用得很好，但演 进的无线网络正在挑战这种设计酋学。正在出现的厨络必须支持各式各样不断变 化的业务类型及其服务质量( o o s ) 要求，并支持网络拓扑结构变化。 在设计网络时，为了应对无线接入的挑战，各网络功能( 即0 s i 的各层) 必须 统一考虑。各种应用的q o s 需求变化，要求网络层在优化网络输出对考虑物理 层设计。另外，不同的应用可以从不同的优化中得到更多好处，导致了模糊层间 界限的设计方法，它试图跨过层间功能进行优化。 跨层设计将会在未来的无线通信( 3 g 超3 g ) 系统中发挥重要的作用，这种 系统具有以下几个显著的特点：全i p 的网络，不同种类的接入网以及多媒体数 据业务。从以下几个方面来考虑，可以看出层次化的网络设计已不适应于未来的 无线网络了。 第一，有线i p 网络中的假设已不适应无线网络了，一个众所周知的假设就 是t c p 协议假设所有的分组丢失都是网络拥塞造成的，然而无线网络中分组丢 失通常是由于无线链路的高误码率以及频繁的切换导致。这时如果启动拥塞避免 第一章前言 阶段只会使系统性能更糟。如果采用跨层的设计。可以从链路层传递信号指示当 前的分组丢失是由于链路故障引起而不是网络拥塞，问题就容易解决了。 第二，异质网络和不同的业务需要多个层次的协调工作，相互适应才能够有 效地利用系统资源。 第三，稀有的无线资源和受限豹发送功率也使得网络性能的优化变得十分迫 切。这种优化通过有线网络中严格的分层结构是很难达到的，举例来说，链路层 和传输层都提供了差错控制机制，为了克服不可靠的无线信道造成的差错，这些 差错机制会被频繁的调用，两者的协作将会更好的完成差错控制功能。 最后，最近涌现出的短距离网络如自组织网络更需要完整一体的设计方法， 在传统的网络中，链路层完成点到点的通信，而传输层完成各个链路上端到端的 通信，在短距离网络中，对等的通信更多的发生在点到点的层面上，通过跨层设 计，相关层的工作就可以避免。 真正的优化不仅要求跨层设计，还要求有跨层适应性。传统网络具有一定的 适应能力，例如许多通信系统使用信号处理方法来适应信道环境的变化，通过调 整路由表来适应业务负载的变化。然而，这样翦调整是隔绝在特定层中的。跨层 适应性将允许所有网络功能在不同功能之间传送信息并适应，以便满足0 0 s 需 求变化、网络负载交化和信道条件变化的要求。跨层网络设计要求网络各层的静 态优化，而适应性要求跨层动态优化。 网络跨层优化有待解决的问题：( 1 ) 全网络设计和优化极其复杂，特别是试 篷实对动态优化时；( 2 ) 优化时使用的尺度。网络各层( 功能) 传统上有各自隔离的 优化准则，例如物理层的设计基本上集中在减小误比特率，网络层的设计要求时 延或路由效率。用什么尺度能代表所有这些要求? 如何把这些要求一起优化，或 者给它们排出优先级? 动态优化的相关问题是，在动态优化时，信息在网络层问传递，设计者必须 选择要传递的信息，它不艟太复杂，以致产生很大时延或大量优化过程的计算， 但也不能太简单，以致传递的信息太少。因此这类系统的设计需要复杂的建模( 仿 真1 过程。动态网络优化的最后一个问题是网络控制，当允许适应跨屡功能时， 重要的是需要控制这个过程，问题是由谁来控制。 层间联合优化既不是废除原来所有的层重新建立一个体系架构，也不是将原 来所有的层混在一起。层闻联合优化的关键在于对无线网络有一个完整一体的认 识和理解，在此基础上协调各层的性能从而使系统性能最优化， 目前对系统联合优化的研究主要集中对协议中两个层面的联合优化上，包括 联合物理层和m a c 层动态资源分配；联合物理层和链路层的f e c a r q 技术， 联合传输层和链路层的t c p r l p 性能研究等。这些研究也主要集中在仿真和实 北京邮电大学硕士学位论文 验，理论研究较少。 1 3 研究内容 在无线环境下，多数的数据丢失是由于信道特性不理想，例如阴影衰落，多 径衰落等，或者是由于移动台的移动和切换造成的。但是标准t c p ( t c p t a h o e ： t c pr e n o ；t c ps a c k 等) 都将数据的丢失归结为由拥塞引起，并采取很多不必 要的拥塞控制措施，造成资源浪费以及产生较长的时延，从而影响了数据的快速 传输。基于此，提出了很多改善现有t c p 协议性能的算法。其中一个比较受关注 的策略就是通过链路层a r q 差错控制来减小无线衰落信道中的差错率。但是随着 a r q 重传次数的增加，尽管会大大降低误帧率，同时也增加的t c p 端到端的时延， 严重时会导致t c p 超时。因此，研究a r q 对t c p 流量的影响就成为实现链路层和 传输层联合优化，以提高下一代无线网络性能一个迫切问题。 本论文采用m a r k o v 模型和m g l 排队理论联合考虑链路层a r q 技术和t c p 的 相互影响，通过理论推导和仿真分析比较全面的分析了a r q 和t c p 之间的关系， 为实现多层联合优化无线网络奠定了基础。 第二章介绍了t c p 原理，主要是t c p 的工作原理和t c p 的拥塞控制机制，有 助于理解后面的分析。 第三章介绍了a r q _ t 作原理，主要是u m t s 系统中r l c 协议所采取的a r q 机 制，后面对a r q 的建模分析就是针对u m t s 系统中的s r - a r q 机制的。 第四章提出了a r q 与t c p 相互影响的系统模型，建立了m a r k o v 模型，从理论 上推导出了t c p 的稳态流量。 第五章为上述模型的仿真结果，对结果进行了分析。 第六章对论文进行了总结，并对未来研究进行了展望。 一笙三至婴! ：生堕墨 2 。1 传输控制协议 第二章t c p 工作原理 尽管计算机通过安装i p 软件，可以保证计算机之间发送和接收数据，但i p 协议还不能解决数据分组在传输过程中可能出现的问题。因此，若要解决可能出 现的问题，连上i n t e r n e t 的计算机还需要安装t c p 协议来保证可靠的并且无差错 的通信服务。 i n t c m e t 在传输层主要有两种协议，一个是面向连接的t c p 协议，一个是无 连接的u d p 协议。t c p 用于在互联网络上提供端到端的可靠的字节流的传送服 务。 u d p 是一个简单的面向数据报的传输层协议，它提供协议端口，使得应用 进程能够向其他进程发送数据报，进行进程问的数据通信。u d p 数据报是无连 接，不可靠的，不提供确认，消息反馈控制，与m 数据报相同。可靠性需要由 应用程序本身提供。 t c p 和u d p 都使用相同的网络层( p ) ，但t c p 向应用层提供与u d p 完全 不同的服务。t c p 提供一种面向连接的，可靠的字节流服务。应用进程间发 送的数据报被看作是字节流，而不是如同在u d p 中的那样( 个应用程序 的输出就封装为一个数据报) 。这样可以带来两方面的优势：由于传送是面 向字节流的，因而应用进程产生的数据可以被协议模块分隔成最合适的大小 来发送，或者通过缓存，组合成合适的数据块大小后发送。 字节流的方式利用t c p 协议把应用程序和网络传输相分隔，这就为流传输服 务