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重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a e t 摘要 t c p 是目前i n t e m e t 中最普遍的传输服务协议，作为端到端的传输协议t c p 为 互联网提供了一种可靠的运输层服务。相比有线网络链路上传输数据时极低的误码 率，在噪声干扰下无线网链路的误码率远远高于有线网络，所以无线网络时常因空 口环境变差而发生数据包丢失或较大的时延，而t c p 运行机制会将这一类事故认定 为发生网络拥塞，并触使数据发送端进入 t c p 慢启动阶段”降低数据包发送速率， 但是当无线空口环境变好以后数据包的发送速率不会很快的恢复，这会严重影响 t d h s p a 网络的带宽利用率和数据传输速率。 本文首先介绍了t d h s u p a 的网络结构，并且介绍了t c p 在t d h s u p a 网络 中的应用方式。然后通过详细分析t d h s u p a 网络中的r l c 和m a c 的工作原理 得出在t d h s u p a 网络数据传输存在不完整性和较大的时延，据此分析得出t c p 应用在t d h s u p a 系统中的必要性和其缺陷所在。 基于此在本文第四章提出了两种t d h s u p a 系统的t c p 优化方法：第一种是 利用r n c 解析t c p 连接链路上服务器的反馈包信息，分析当前t c p 连接的状态， 在上行链路的t c p 超时发生之前，控制n o d e b 对终端做优先调度并在短期内分配 更多的时隙和码道，有效防止无线链路进入 t c p 慢启动阶段”而影响无线带宽利用。 本方法的优点在于仅在r n c 做t c p 数据包的分析处理工作，不影响整个网络，有 很好的系统兼容性。第二种方法是在终端修改部分t c p 协议内容，当终端收到重传 数据包的反馈以后能够跳出慢启动，还原到拥塞避免状态。 本文在第五章对所提出的两种方案做了仿真评估，通过仿真对比了几个主要的 参数得出第一种方法能有效地解决因无线信道短期的衰落导致的无线链路速率降 低，但在干扰整体增加到一定程度时，该方法表现有些许欠缺。第二种方案在仿真 结果上有不错的表现，从深层次解决了在无线链路上t c p 频繁慢启动的问题，其优 点是对只修改部分t c p 协议，对系统影响较小，但是在协议兼容性上还需要进一步 的研究。 关键词：t d h s u p a ，t c p ，拥塞控制 重庆邮电大学硕士论文a b s t r a c t a b s t r a c t t c pi sc u r r e n t l yt h em o s tp o p u l a ri n t e r n e tt r a n s m i s s i o ns e r v i c ea g r e e m e n t , e n dt o e n dt r a n s p o r tp r o t o c o la st c pf o rt h ei n t e r a c tp r o v i d e sar e l i a b l et r a n s p o r tl a y e r s e r v i c e c o m p a r e dt ot h ew i r e dn e l w o r kt ot r a n s m i td a t al i n kb i te r r o rr a t ev e r yl o w , t h e n o i s ei n t e r f e r e n c ei nt h ew i r e l e s sn e t w o r kl i n ke r r o rr a t ei sm u c hh i g h e rt h a nw i r e d n e t w o r k s ，t h ew i r e l e s sn e t w o r ki so f t e nar e s u l to fe n v i r o n m e n t a ld e t e r i o r a t i o na n dt h e o c c u r r e n c eo fe m p t yp a c k e tl o s so rl a r g e rd e l a y , a n dt c po p e r a t i o nm e c h a n i s mo ft h i s k i n dw i l lo c c u rt h ea c c i d e n ti d e n t i f i e da sn e t w o r kc o n g e s t i o n , a n dt h ed a t as e n d e rt oe n t e r t o u c h ”t c ps l o ws t a r tp h a s e ”t or e d u c et h ep a c k e tt r a n s m i s s i o nr a t e ，b u tw h e nt h e w i r e l e s sa i ri n t e r f a c ee n v i r o n m e n tc h a n g e df o rt h eb e t t e ra f t e rd a t ap a c k e ts e n d i n gr a t ei s n o tr e s t o r e ds o o n , i tw o u l ds e r i o u s l ya f f e c tt h et d h s p an e t w o r kb a n d w i d t hu t i l i z a t i o n a n dd a t at r a n s f e rr a t e t k sp a p e ri n t r o d u c e st h et d h s u p an e t w o r ks t r u c t u r e a n di n t r o d u c e st h et c pi n t h et d - h s u p an e t w o r ko fw a y a n dt h e n t h r o u g h t h e d e t a i l e d a n a l y s i so f t h e t d h s u p an e t w o r kw o r k sr l ca n dm a co b t a i n e di nt h et d h s u p i an e t w o r kd a t a i n t e g r i t ya n dn o n - e x i s t e n c eo fl a r g ed e l a y , t h a ta n a l y s i sd e r i v e dt c pa p p l i c a t i o ni n t d h s u p as y s t e mn e c e s s i t ya n di t ss h o r t c o m i n g sl i e i nt h i sc h a p t e rb a s e do nt h i sp r o p o s e ds y s t e m , t w ot d h s u p at c po p t i m i z a t i o n m e t h o d s ：t h ef i r s ta n a l y s i so fat c pc o n n e c t i o ni st h eu s eo fr n cf e e d b a c kl i n ko nt h e p a c k a g ei n f o r m a t i o ns e r v e rt oa n a l y z et h ec u r r e n ts t a t eo ft c pc o n n e c t i o n si nt c p u p l i n kb e f o r et h et i m e o u to c c u r s ，t h ec o n t r o lo ft h et e r m i n a ln o d e bt od oi nt h es h o r t t e r mp r i o r i t ys c h e d u l i n ga n da l l o c a t i n gm o r et i m es l o t sa n dc o d ec h a n n e l st oe f f e c t i v e l y p r e v e n tt h ew i r e l e s sl i n ki n t ot h e ”t c ps l o ws t a r tp h a s e ”a n dt h e u s eo fw i r e l e s s b a n d 诮d t h n l ea d v a n t a g e so ft h i sm e t h o do n l yi nt h er n ct od ot h ea n a l y s i so ft c p p a c k e tp r o c e s s i n g d o e sn o ta f f e c tt h ee n t i r en e t w o r k , h a v eag o e d s y s t e m c o m p a t i b i l i t y t h es e c o n dm e t h o di st om o d i f yt h ep a r to ft h et c pp r o t o c o li nt h ec o n t e n t s o ft h et e r m i n a lw h e nt h et e r m i n a lr e c e i v e st h ef e e d b a c kp a c k e tr e t r a n s m i s s i o nc a nj u m p a f t e rt h es l o ws t a r t , r e v e r tt ot h ec o n g e s t i o na v o i d a n c es t a t e i nt h i sp a p e r , c h a p t e rt w oo ft h ep r o p o s e da s s e s s m e n tp l a nt od ot h es i m u l a t i o n , t h e s i m u l a t i o nc o m p a r i s o no fs e v e r a lk e yp a r a m e t e r sa n da r et h ef i r s tm e t h o dc a ne f f e c t i v e l y a d d r e s st h es h o r t - t e r m f a d i n g w i r e l e s se h a n n e ld u et ow i r e l e s sl i n kr a t e d e c r e a s e sh o w e v e r , t h eo v e r a l li n c r e a s ei ni n t e r f e r e n c et os o m ee x t e n t , t h em e t h o d i i 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t p e r f o r m a n c el a c k i n g t h e s e c o n d p r o g r a mi n t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sh a v e g o o d p e r f o r m a n c e ，d e e p e rr e s o l v et c p i nt h ew i r e l e s sl i n kt h ep r o b l e m sf r e q u e n t l ys l o ws t a r t , t h ea d v a n t a g ei st om o d i f yo n l yp a r to ft h et c pp r o t o c o l ，l e s si m p a c to nt h es y s t e m ，b u t t h ep r o t o c o lc o m p a t i b i l i t ys t i l ln e e df u r t h e rs t u d y k e yw o r d s ：t d h s u p a ，t c p ，c o n g e s t i o nc o n t r o l i i i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 中国的通信产业从1 9 9 5 年的g s m 业务开通开始就迅猛的发展，增长至今已拥 有数百万的从业人群并且每年创造数千亿利润，并且带动一大批相关行业的科技进 步和经济发展，成为我们国家经济的核心支柱产业之一。t d s c d m a 作为中国提出 的一套具备自主知识产权的通信标准从1 9 9 8 年向国际电联( i t u ) 提交以来，经过一 代人的刻苦专研和努力创新，以发展成一部被国际上广泛肯定的通信标准，在十多 个国家推广使用，这无疑是中国通信界的骄傲，对推动中国式自主创新有积极的意 义。 当今世界上主流的第三代移动通信技术主要分为t d d 阵营和f d d 阵营。其中 f d d 阵营的两大标准分别为w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 ，t d d 阵营的标准则是以我国 自主知识产权为主的t d s c d m a 。t d s c d m a 最初的版本是在1 9 9 9 年被提出的 r 4 ，而后分别在r 5 、r 6 和r 7 中分别加入了t d s c d m a 高速分组下行 ( t d h s d p a ) 、t d s c d m a 多媒体广播与多播业务( t d m b m s ) 和t d s c d m a 高速分组上行( t d h s u ) a ) ，又在r g 中引入了h s p a + 技术，朝着t d d l e t 的方 向演进【l 】。在这些技术升级中a m c 、h a r q 、快速调度等等技术发挥了重要的作用， 对提升系统网络容量、减少网络内部干扰和充分利用有限带宽起到了积极的作用。 t d s c d m a 的系统演进示意图如图1 1 所示： 3 8 4 k b i t s2 8 m b i t s7 2 t r o i t s1 0 m b i t s1 0 0 m b i t 图1 1t d s c d m a 演进不总图 t d h s p a 作为现阶段升级t d s c d m a 的主要手段，较好的应对了数据业务突 发性的增长带来的高速上网需求。目前t d h s d p a 最高能提供2 8m b i t s 的传输速 率，与此相对应的高速上行传输t d h s u p a 最高能提供2 2m b i t s 的传输速率。若 终端通过技术升级能同时接受多个载波的信号则这一传输速率还能够相应的提高。 t d s c d m a 的系统网络结构如下图1 2 所示 2 1 ： 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 铋黎 心j 骶、 恸 j j 八 n o d e b ： 、fs g s n _g g s n 彳7 t 、u n o d e b 荔 繇。 褂屺 卜o ， n o d e b s r n c c n 图1 2t d - s c d m a 网络结构图 在t d s c d m a 升级到h s p a 的过程中网络结构不需要改变，仅仅需要终端和基 站的硬件和软件升级，升级成本相对较低，效果较为理想。 1 2课题背景与意义 第三代移动通信的目的就是实现多种业务的传输，用于承载各种电信业务。传 统的通信系统在业务层面上定义了一系列标准来规范整个业务流程，使得网络结构 受制子电信业务，很难实现对新业务的导入和扩充，制约了多样化业务的产生。在 新的3 g 网络中，其业务的开放性大大增加，网络结构也不再受制于电信业务的性 质。根据提供服务的不同，现在主流的分类方法主要将业务分为下面四个大类：会 话类( c o n v e r s a t i o nc l a s s ) 、流类( s t r e a m i n gc l a s s ) 、交互类( i n t e r a c t i v ec l a s s ) 和后 台类( b a c k g r o u n dc l a s s ) 。这四种业务类主要的区别就在与传输时延的要求不同。 其中会话类要求时延很低，因为会话类的业务主要是音频业务，而人耳对语音很敏 感，所以用较大的时延传递此类业务肯定得不到用户的赞同。其余的流类、交互类 业务主要是按照数据传输的方向来区别，流类指的是单向传输的业务，而交互类指 的是双向传输的业务，后台类业务主要是对响应时间要求不大的业务，比如电子邮 件，或者是数据下载等业务。 由于h s p a 主要应用的是p s 域业务，p s 域业务的传输特点是数据被封装成i p 包在网络中传输，使用的传输标准是t c p i p 。t c p f l p 本起源于有线网络，最初是被 美国国防部资助的一个项目，后来经过不断的发展，演变成计算机和计算机之间连 接所普遍采用的传输协议。特别是在当今使用最广泛的英特网上，t c p i p 已经成为 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 其协议族的核心部分。 使用t c p l 3 。j 传输数据有两个重要的原因，首先t c p 能保证数据传输的完整性， 如果网络中出现了丢包，数据的接收端会依据已经收到的数据包发送一个携带反馈 的数据包，所以当网络中有数据包丢失的时候，接收端能够得知哪些数据包出现了 丢失，并在下一个发送时刻重传丢失的数据包。其次t c p 的发送端能依据接收端发 送的反馈信息分析网络中是否出现了拥塞，即网络中的数据包发生了阻塞。如果出 现了拥塞，则数据包的发送端会自动降低数据的发送速率，以降低网络的负载量。 基于t c p 的这两个特性，在数据业务的传输网络中，t c p 扮演着不可或缺的角色。 但是t c p 的设计有其历史的局限性，因为早期的网络都是有线网络，而有线网 络传输数据其可靠性非常强，在通常条件下传输误码率极低，所以针对这个网络设 计的t c p 具有良好的适应性，但是在无线通信环境中，随着误码率的提高、传输时 延的不确定性和经常性的丢包等等因素使得t c p 的拥塞控制机制时常对传输环境 作出误判，误判的结果就是t c p 主动降低发送端的数据发送速率，使得无线链路上 数据发送速率很低或者无数据可发，这将严重的浪费无线带宽协叫训。 和其它无线传输网络一样，t d h s p a 网络同样面临t c p 的“水土不服”，现网中 表现出来的问题是当无线传输环境发生比较剧烈的变化时，即使无线空口的传输环 境很好，但是数据传输速率依然很低。 在下行方向，当空口无线环境变差时，可能发生连续丢包而引起超时，这种情 况下，t c p 即会进入“慢启动阶段”而降低服务器的发送速率，从而自适应的“适配” 网络环境的变化。而当空口环境再次变好的时候，服务器的发送速度不能很快的恢 复到先前的状态，这就会出现r n c 缓存排空，无线空口无数据可发的情况，以致 在无线空口环境较好的情况下端到端的传输速率得不到提升。并且无线空口各u e 之间数据包快速的调度也会导致部分低优先级用户的调度速率降低，而当高优先级 用户数据发送完毕，低优先级用户得到更多无线资源时，也可能发生缓存排空现象。 在用户体验上，如果t c p 进入“慢启动阶段”用户访问因特网站点时，会发现上 网速率较低，分析其原因主要是因特网的服务器普遍不在中国移动的骨干网上，所 以r n c 到服务器的往返时间比较大，t c p 一旦进入“慢启动”，传输速率要恢复起 来就会很慢，所以r n c 出现缓存排空在所难免。 在上行传输方向也面临则和下行相似的问题，只是数据的发送端变成了终端， 数据的接收端是服务器，终端和服务器之间的往返时间( r t t ) 很大，终端如果要 增大发送速率就必须收到来自远端服务器的反馈数据包，当t c p 进入“慢启动”以后， 如果来自远端服务器的反馈数据包不能很快的传递给终端，则终端只能缓慢的增加 发送速率。 在现网中用户会发现上传文件时，一旦遇到干扰造成数据发送速率下降，则其 3 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 数据传输很难恢复到较快的水平，即使是在某些信道条件较好的环境中，依然有上 传较慢的感觉。并且遇到用户上传文件的服务器不在中国移动的骨干网上，则上传 的速度会更慢。 针对出现的这些问题，在h s p a 中优化t c p 成为一件必不可少的事情。现网中 有关h s d p a 的t c p 优化主要采用t c p 分段这一技术1 2 1 ，即将3 g 数据传输中有线 传输和无线传输的t c p 链路分割开来，这是一种较为成熟的技术，在现网中测试效 果较好。h s u p a 的t c p 优化还处于理论研究阶段，现网中还没有较为有效的方法， 这主要源于t c p 的特性，h s d p a 中改进t c p 的原理是将t c p 分段并修改无线链路 发送端的t c p 协议，而分段后的t c p 连接在无线链路部分r n c 变成数据发送端， 而r n c 能实现全网统一升级这一功能，所以能得到较广的应用。但是在h s u p a 中 数据的发送端是终端，而终端由于其品种繁多、规格参差不齐，不可能像r n c 一 样统一升级并修改t c p 协议。 本文主要参考了跨层优化t c p 的方法，并借鉴了部分f d d 网络优化t c p 的经 验，再结合t d d 的特殊之处，提出在h s 切) a 系统中将无线资源管理( 删) 和 t c p 相结合，依托r r m 的快速调度和动态信道分配技术来避免t c p 进入“慢启动”。 1 3本文内容和工作 本课题来源于国家科技重大专项t d s c d m ah s u p a 系列化商用无线系统设 备研发与产业化，本文所研究的t d h s u p a 系统中t c p 优化算法是本人在北京大 唐移动公司实习的主要内容之一，本文所述的t c p 缺陷等材料均为系统测试时所表 现出的问题。 本文研究了t d h s u p a 的系统结构，在此基础上分析t c p 在t d h s u p a 网络 系统上应用的缺陷，通过分析缺陷产生的原因提出了两种优化t c p 的方法，最后通 过仿真分析了两种优化方法的优缺点。本文一共分为六个章节，各章的内容安排具 体如下： 第一章是绪论，介绍了本文的研究背景和现状，提出本文的研究内容、意义及 课题来源，在第一张的最后简述了本文的结构安排。 第二章介绍了本文的理论基础，其中包括t d h s u p a 的系统结构。 第三章介绍了t d h s u p a 系统的仿真原理，所包含的模块包括用户模块、n o d e b 模块和r n c 模块，在建立了基本的布局之后，按照第二节中的仿真流程进行业务 产生、数据封装等步骤，最后在仿真结束时统计仿真的数据。 第四章提出了两种t d h s u p a 系统的t c p 优化方法：第一种是利用r n c 解析 t c p 链路上的反馈包信息，分析当前t c p 连接的状态，在上行链路的t c p 超时发 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 生之前，控制n o d e b 对终端做优先调度并在短期内分配更多的时隙和码道，有效防 止无线链路进入“t c p 慢启动阶段”而影响无线带宽利用。第二种方法是在终端修改 部分t c p 协议内容，当终端收到重传数据包的反馈以后能够跳出慢启动，还原到拥 塞避免状态。 第五章对所提出的两种方案做了仿真评估，通过仿真对比了几个主要的因素得 出第一种方法能有效地解决因无线信道短期的衰落导致的无线链路速率降低，但在 干扰整体增加到一定程度时，该方法表现欠缺。第二种方案在仿真结果上有不错的 表现，从深层次解决了在无线链路上t c p 慢启动的问题。其缺点是修改了t c p 协 议以后其兼容性不是很好，需要进一步研究其协议的兼容性。 第六章对全文进行总结，并分析了本文需要进一步研究的问题。 5 重庆邮电大学硕士论文 第二章理论基础 第二章理论基础 2 1t d h s u p a 系统简介 r 4 作为t d s c d m a 最初始的版本，其最主要的目的是满足3 g 语音业务的需 求，其在数据业务上表现的速率确是差强人意，在最原始的版本- r 4 里面所提供 的上行速率仅为1 2 8 k b p s ，下行速率也仅为3 8 7 k b p s ，面对日益增长的数据量以及 移动通信用户对移动通信中高速率的需求，r 4 所支持的低速率数据传输就变得相形 见拙了。所以需要在3 g 网络中引入高速数据传输的标准以提高移动通信传输速率。 h s p a 就是在这样的形势下应运而生，其中h s d p a 是支持高速下行数据传输的标 准，在r 5 中提出。h s u p a 是高速上行传输的标准，在r 7 中提出。h s u p a 和h s d p a 共同组成了h s p a 标准。 根据用户的需求，现有3 g 用户通常需要同时传输语音业务和数据业务，所以 中国移动在大部分地区都是采用r 4 和h s p a 混合的方式组网，以同时满足两种需 求，其中语音传输需要保证其较高的实时性，属于c s 域业务，普遍承载在r 4 上， 而数据业务需要较高的传输准确率和较大的带宽并且对时延的要求较低，归属于p s 业务，普遍承载在h s p a 上。r 4 和h s p a 使用不同的时隙和码道资源，可以同时被 用户使用。 h s u p a 采用了自适应调制编码、高阶调制、混合自适应重传和快速调度等新技 术来保证数据传输的准确性和稳定性l l 。 自适应调制编码( a m c ) 的思想就是终端根据对移动信道的测量结果来选择何 种调制编码方式，即把无线信道的质量和调制方式作一个映射关系，当信道条件较 好的时候使用1 6 q a m 的调制方式并选择较大的传输块传输数据，当信道条件较差 的时候选择q p s k 的调制方式和较小的传输块传输数据。a m c 为移动通信带来的 好处是：提高了系统带宽的利用率，增加了信道容量，优化了小区的功率利用率， 降低了系统干扰。 高阶调制即采用1 6 q a m 的调制方式对基带数据进行调制，相比q p s k 在峰值 速率上提高了一倍。高阶调制和自适应调整编码一同使用，更好的提高了带宽利用 率。 混合自适应重传( h a r q ) 是一种将自适应重传( a r q ) 和前向纠错( f e c ) 相结合来应用的技术，在编码时增加一定的冗余度发送有效纠错的码，将两者的优 势互补，即是h a r q 的基本思路。 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章理论基础 快速调度是h s p a 中特有的将原本由r n c 管理的一部分调度权限下放到n o d e b 中执行，由于r n c 和终端之间的传输延时较大，r n c 无法及时了解当前用户数据 的发送请求情况，而n o d e b 却能及时的根据用户上报的信息调度用户占用资源，提 高系统的效率和公平性，所以使用n o d c b 的快速调度缩短了调度周期，更快的适应 变化的小区话务负荷，使有限的带宽得到了充分的利用。 2 2t d h s u p a 动态信道分配 工业与信息产业部分配给t d s c d m a 网络系统的频带是2 0 1 0 姗z 2 0 2 5 m h z ， 按照t d s c d m a 系统的码片速率为1 2 8 m h z ，并且又采用0 2 2 的滚降系数，所以 其每个频点占用的带宽大概为1 6 m h z ，所以在现有可用的1 5 m h z 频带上，总共可 以分配9 个频段。t d s c d m a 系统同时拥有时分和码分的复用方式，在升级到 t d h s p a 系统以后又按照5 m s 的时间间隔定义一帧的时间长度，所以每秒实际拥 有2 0 0 个- m ，每个1 1 1 再细分为7 个时隙和1 6 个码道。其结构示意图如下： d w p t su p p t s 图2 1t d 系统的时隙帧结构 其中t s 0 时隙固定作为下行时隙用作广播通信信道，用于与终端同步和呼叫终 端。t s l t s 6 用作传输语音和数据业务，并且t s l t s 6 的时隙可以调整其上下行 方向，以适应当前热点区域的上下行业务量，其中比较常见的比例是2 ：4 和3 ：3 。 t d s c d m a 系统的帧结构如下图2 2 所示，图中描述的是一个5 m s 的子帧结构， 7 重庆邮电大学硕士论文第二章理论基础 t s l 一t s 6 按照上下行比例为3 ：3 的方式分配，图中还可以看到3 个特殊时隙：下行 导频时隙( d w p t s ) 保护间隔( g p ) 和上行导频时隙( u p p t s ) 。 下行时隙 ( 9 6 c h i p s ) ( 9 6 c h i p s ) ( 1 6 0 c h i p s ) 图2 2t d 系统的时隙帧结构 在无线通信系统中，通常情况下存在的最大的干扰就是同频干扰【1 2 1 ，从现网中 测试的数据可以看出当存在较为严重的同频干扰时，用户体验度会急剧下降，所以 应该有效的利用动态信道分配技术来减少干扰。 2 2 1 慢速动态信道分配技术 慢速动态信道分配技术的特点就是在总体上将小区的信道进行分配，通常来说 其目的就是满足不同地区的业务需求情况，其分配的对象就是图2 2 所示的 t d s c d m a 时隙结构中的上下行时隙切换点( s w i t c h i n gp o i n t ) ，因为每个区域的 业务类别不同，所以其上下行的时隙比例的要求也不尽相同【l 引，比如在室外的下行 业务数要普遍多余上行业务量，所以在设置上下行时隙切换点的时候在室内就要设 置为3 ：3 ，在室外通常设置为2 ：4 l l 引。虽然在一定程度上存在了交叉时隙干扰，但是 考虑到大多数情况下，室内室外存在天然的隔离，所以干扰还是可以尽量避免的。 并且未来t d h s u p a 网络升级的内容包括多频点组网，即在一个基站上配置多个频 点，其中一个作为主频点，在配置2 到3 个频点作为辅频点，所以一个基站被配置 的频点数可能为3 到4 个，在这样的情况下，如果有效地利用多个频点为小区内的 用户服务成为一个很有意义的研究课题。 除此以外在慢速动态信道分配技术的基础上，还可以将智能天线的特性考虑在 内，因为智能天线波束赋形的特性可以协助消除在相邻小区使用交叉时隙的时候， 如果出现使用同频的情况，智能天线能有效的减小干扰，提高用户的体验满意度， 特别是对小区边缘的用户有较好的效果。 8 重庆邮电大学硕士论文第二章理论基础 2 2 2 快速动态信道分配技术 快速动态信道分配算法就是将时隙、扩频码和载频资源分配给小区用户使用， 对用户作时接纳控制( c a c ) ，并实时监测通信质量的好坏，如果用户受到的干扰 过大的时候，基站即对用户所占用的资源进行调整，一方面减小该用户受到的干扰， 一方面也提高小区频谱资源的利用率。相比慢速动态信道分配算法，快速动态信道 分配算法其主要的方法有时隙优先级法【1 5 】和变边界法【1 6 】。时隙优先级法就是按照每 个时隙受干扰的程度，将小区所有载波的时隙分类，对于受到干扰较小并且对邻小 区干扰小的时隙设定较高的优先级，于此相反的时隙设定较低的优先级，例如在相 邻小区使用同频载频的时候，如果又使用交叉时隙则交叉时隙的优先级就会很低， 而非交叉时隙的优先级就要高一些，所以在用户接入时，优先让用户接入高优先级 的时隙，特别是小区边缘用户更是优先的被调整接入到优先级高的时隙。当小区负 荷较重的时候，为了控制小区内的干扰，所以可以将基站附近的用户接入低优先级 时隙，而将高优先级时隙分配给小区边缘用户使用。变边界法的特点就是在确定了 上下行时隙比例以后，在具体分配时隙码道给具体业务的时候，不会出现将某一信 道分配给某业务就固定不变了，而是根据当前的时隙和码道被占用的情况改变分配 的比例，比如在语音数据较少的时候，临时将部分信道释放出来用于传递数据业务， 待语音数据增长的时候，再将这部分信道归还给语音业务使用，这就提高了信道的 利用率，改善了系统的性能。 在动态信道分配中扮演重要角色的还包括t d s c d m a 所使用的智能天线，智 能天线技术是t d d 系统中的一项关键技术【l 丌。智能天线通过一组带有可编程电子 相位关系的固定天线单元获取以接入用户的方向性，并将信号发送和接收限定在朝 用户的方向，将方向增益最大的主波束信号对准用户，而在其他方向上增益却很小。 由于t d d 技术的上下行链路使用同一载频，因此能更好的使用智能天线技术。智 能天线的波束赋形增益可以表示为i j 列： 枷垒隆匦二二兰：尘蔓趔枷 如果是计算上行干扰，则a 是用户到基站方向的夹角，当用户位置固定时为一 定值，屯为第七个用户发射的干扰信号到基站的夹角，取值范围为0 到2 刀，肘是 天线阵元数，由于t d s c d m a 的智能天线一般为8 根，所以m 取8 ，a 为无线波 长，r = 0 6 5 2 2 , , 1 , 。 在避免干扰为目的的动态信道分配技术中，智能天线扮演着重要的角色，其波 束赋形在对指定的用户作覆盖的情况下，对周边其他用户的干扰功率降低1 0 d b 以 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章理论基础 上，所以在研究动态信道分配的时候，智能天线成为必不可少的参考因素。 2 3t d h s u p a 分组调度原理 t d h s u p a 系统的一个特点就是r n c 将对用户调度的权限下放到了n o d e b 上， 并且申请调度的用户会向n o d e b 上报当前缓存中的待发数据量以及可用功率。 n o d e b 会根据当前小区的负载情况和信噪比情况，再加上用户上报的信息内容综合 分析以确定调度方案，最后通过e - a g c h 通知l i e 的发送功率以及在哪个时隙使用 哪些码道。由n o d e b 的调度省去了r n c 对l i e 调度时r n c 与n o d e b 之间的信令 传输时间，所以n o d e b 能够更加快速，更加精确，更加有效的对u e 作调度【1 9 1 。 t d h s u p a 系统在m a c 中新增了许多东西。例如在u e 的m a c 中增加了 m a c - e e s 实体，在n o d e b 中增加了m a c e 实体，在r n c 中增加了m a c - e s 实体， 也正是这些实体才有了t d 。h s u p a 中这些新的特性1 2 0 。 t d h s u p a 的调度流程为：u e 有上行数据要发送的时候，l i e 首先要通过 e r u c c h 信道向n o d e b 发送调度请求，n o d e b 在收集了u e 的调度请求信息之后 综合小区当前信道占用情况和系统干扰情况，再决定为l i e 分配何种信道资源以及 确定用户的初始发射功率，其中信道资源指的是载波频点、时隙和码道资源。n o d e b 会在e a g c h 信道将这一信息传递给终端。终端在e - a g c h 信道收到该信息之后 会根据自身的功率条件决定数据传快格式( e t f c ) 和物理层的调整方式。u e 上传 数据使用的信道是e p u c h ，传递信令使用的信道为e u c c h 。n o d e b 通过解析 e u c c h 的信道信息就能够知道u e 是以何种数据传送格式在e - p u c h 上传输数据。 n o d e b 在收到数据以后将在e h i c h 信道将确认信息传递给l i e ，也在e h i c h 信道 上指示u e 重传哪些数据1 2 。 图2 3 所示为t d - h s u p a 的数据传输过程： 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章理论基础 e毒二一rhe0一j：珊 曰 图2 3t d - h s u p a 的数据传输过程 如图2 3 中所示，u e 首先要通过b r u c c h 信道向n o d e b 发送调度请求，其中 调度信息所包含的内容如表2 1 所示。 表2 1e r u c c h 承载的s i 信息 成员内容 s n p l ( 5 b i o 服务小区和邻小区的路损信息 u p h ( 5 b i t ) 最大发射功率与参考一妇。和服务小区路损码字功率之和的比值 t e b s ( 5 b i t )所有逻辑信道上待传的数据总量 h l b s ( 4 b i t ) 最高优先级的逻辑信道的数据量所占总数据的比值 h l i d ( 4 b i t ) 最高优先级逻辑信道的信道号 e r n t i ( i6 b i t ) 无线网络临时标识 n o d e b 在接收了u e 的上行调度请求以后并根据u e 的发送的上行调度信息 ( s i ) 以及当前小区的信道资源情况，对l i e 发送上行资源调度的指示信息。u e 在 e d c h 接收到调度许可信息之后，根据要发送的数据量、功率信息等做传输格式选 择( e t f c ) ，最后在e p u c h 上发送数据。 传统的调度算法有轮循限r ) 、吞吐量公平( f d 、最大载干比( m a xc i ) 及等比公 平( p f ) 调度算法。轮循( r r ) 调度算法是以循环的方式轮流调度用户，不考虑用户 的信道状况。其优点是算法简单，用户的公平性较好，所有用户都有相同的传输时 间，其缺点也很明显即算法对系统资源的利用率较低。吞吐量公平( f r ) 算法的优 点是所有用户都有相等的上行吞吐量，小吞吐量的用户自然就有较高的优先级，该 重庆邮电大学硕士论文 第二章理论基础 算法的公平性最好，缺点依然是系统资源利用率极低。最大载干比( m a xc i ) 调度算 法是将用户当前信道质量的好坏作为排序准则，对信道条件较好的优先用户服务， 对信道条件较差的用户最后服务。该算法可以使得系统吞吐量达到最大，但公平性 较差，边缘用户体验度较差，该算法的流程图如图2 4 所示： 图2 4 最大载干比( m a xc 算法流程图 等比公平( p f ) 调度算法把吞吐量和公平性这两个性能指标考虑在内，是吞吐量公平 ( f d 调度算法和最大载干比( m a xc i ) 调度算法的折中之选，其流程图如图2 5 所示： 1 2 重庆邮电大学硕士论文 第二章理论基础 空闲 。 尤 无分组等待 等待下一帧 读取等待用户的c i 信息，计算优先级 选择优先级最大的 用户进行传输 平均速率计 算流程 图2 5 等比公平( p f ) 调度算法流程图 2 4t c p 理论基础 2 4 1t c p 可靠传输协议 按照t d h s u p a 网络系统的结构层次，t c p i p 工作在a p l 和c 层之间，因 为t c p 是端到端的协议，所以只在数据的发送端和接收端需要封装和解析t c p 数 据包，在t d h s u p a 网络中只有终端参与t c p 的解包和封装过程，核心网和r n c 等可不必具备该功能。 t c p 在o s i 模型中属于传输层，而传输层是通信网中比较重要的一个组成部分， 传输层的意义在于能够为上层数据提供一个端对端的传输服务，并且能保证其传输 的完整性，而传输层以下的网络层、数据链路层和物理层都只能提供点对点的传输 服务。所以端对端的传输服务成为传输层一个重要的特性，端对端的传输服务能够 1 3 重庆邮电大学硕士论文 第二章理论基础 屏蔽通信子网的细节，为应用层提供可靠的通信传输服务。正因为如此，t c p 成为 互联网上最为重要的传输协议，并且被广泛的应用在个各种传输网络中。 传输层通常使用的性能指标包括传输往返时延和吞吐量等等，并且为了保证数 据传输的可靠性，提高传输质量，t c p 采用包括连接管理、拥塞控制、流量控制和 差错控制等机制。 2 4 2t c p 流量控制 t c p 流量控制的目的是为了防止接收端缓存溢出，因为t c p 数据包通常较大为 1 k b 左右，当窗口开得较大时会导致接收端缓存器中有需要亟待向上层递交的数 据，如果向上层递交的数据由于不完整而被搁置在缓存器中，则会导致数据溢出丢 失，所以t c p 会在接收端发送反馈的数据包中包含接收端窗口的大小。这样在发送 端就知道接收端的缓存状态而减慢发送速率。 面向连接的t c p 协议其流量控制策略包括如下两种 1 ) 简单停等协议 发送端在发送一个t c p 数据包以后必须等待该数据包确认收到的反馈到来，然 后才能发送下一个t c p 数据包。不过可以看出这种方法的效率还是非常低的，特别 是在无线网络中，非常浪费无线带宽。 2 ) 滑动窗口的流量控制 数据发送端不必等待一个或多个数据包的确认而同时发送多个t c p 数据包。控 制发送t c p 数据包个数的量称为滑动窗口，t c p 传输链路上的t c p 包个数不能超 过该窗口大小。如图2 6 和图2 7 中所示，在窗口的左边部分是已经发送成功并被确 认的t c p 数据包，窗口中间表示的是当前允许发送的t c p 数据包，窗口右边表示 的是尚未被许可发送的t c p 数据包。 1 2 三圃8 9l o 11 图2 6 窗口未滑动 1 4 重庆邮电大学硕士论文第二章理论基础 从图2 6 中可以看出数据包l 和数据包2 已经成功被传输，数据包3 到数据包7 已经发送，但是发送端尚未收到其对应的反馈，数据包8 及之后的数据包均未被发 送。 从图2 7 中可以看出滑动窗口已经向右滑动了一个数字，这是因为数据包3 的 反馈已经被发送端接收，所以发送端再下一次数据发送时发送数据包8 12 3 ! 圈9 l ol1 图2 7 窗口滑动 通过对上述对滑动窗口的描述可以