（计算机应用技术专业论文）无线相关信道下tcparq协议栈的改进与性能分析.pdf

摘要 摘要 随着无线网络的飞速发展，受限的信道资源与膨胀的用户需求之间的 矛盾越来越突出。无线网络协议的性能分析成为当今无线网络研究的热点。 通过性能分析能够找出协议中存在的不足，从而提出协议的改进方案，达 到提高网络性能的目的。 本文根据无线信道的特性，以对无线网络协议的研究为基础，提出了 基于三个状态的g m b 无线相关信道模型，根据此模型对无线链路层a r q 协议进行了改进，建立了t c p a r q 协议栈。综合运用理论分析和仿真实 验的方法对改进前后协议栈的性能指标进行了分析，研究成果为今后无线 网络性能的研究提供了理论依据和仿真实验平台。 首先，分析了传统的基于两个状态的无线相关信道模型的不足，提出 了新的基于三个状态的g m b 无线相关信道模型。导出了系统误码率的表达 式，通过数值例子和仿真实验说明了g m b 模型建立的正确性。 其次，在g m b 模型建立的基础上，分析了无线网络中常用的基于n a k 的选择重传a r q 协议，导出了链路层剩余错误率与吞吐量的表达式。通过 数值例子和仿真实验，说明了n a k 超时定时器长度的设定对链路层系统吞 吐量的影响。提出了根据信道的不同状态设定不同的n a k 超时定时器长度 的a r q 协议的改进方案。 最后，将改进后的链路层a r q 协议应用到所建立的t c p a r q 协议栈 中，推导出了系统稳态吞吐量的解析表达式。通过仿真实验说明了协议改 进后系统的吞吐量比改进前有所提高。 关键词t c p a r q ；相关信道；选择重传；吞吐量；性能指标 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e s ，t h e c o n f l i c tb e t w e e nc h a n n e lr e s o u r c e sa n dc u s t o m e r s d e m a n dg r o w sm o r ea n d m o r ea c u t e l y n o w a d a y s ，t h er e s e a r c ho fw i r e l e s sn e t w o r ki sf o c u s e do nt h e p e r f o r m a n c ea n a l y s i so fw i r e l e s sn e t w o r kp r o t o c 0 1 w i t l lt h ea n a l y s i so f p e r f o r m a n c e ，i tc a nf i n do u tt h es h o r t a g eo ft h ep r o t o c 0 1 t h e nt h ei m p r o v e d s c h e m ew o u l db eg i v e no u tt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f n e t w o r k r e s e a r c h i n gt h ec h a r a c t e r so fw i r e l e s sc h a n n e l ，b a s e do nt h er e s e a r c ho f w i r e l e s sn e t w o r kp r o t o c o l ，ag m bw i r e l e s sc o r r e l a t e dc h a n n e lm o d e lb a s e do n t h r e es t a t e si sg i v e no u t t h e nt h i sp a p e rp r o v i d e sa ni m p r o v e ds c h e m eo fa r q p r o t o c o lb a s e do ng m bc h a n n e lm o d e la n db u i l d su pat c p a r qp r o t o c o l s t a c k w i t h c a l c u l a t i n g a n ds i m u l a t i o n , i ta n a l y z e st h e p e r f o r m a n c e m e a s u r e m e n to fo r i g i n a la n di m p r o v e ds t a c k 1 1 1 ea c h i e v e m e n t sp r o p o s et h e t h e o r e t i c a la n ds i m u l a t i v eb a s i sf o rt h er e s e a r c ho f w i r e l e s sp e r f o r m a n c e f i r s t l y , i ta n a l y z e st h ew i r e l e s sc o r r e l a t e dc h a n n e lm o d e lb a s e do nt w o s t a t e s a n dag m bw i r e l e s sc o r r e l a t e dc h a r m e lm o d e lb a s e do nt h r e es t a t e si s g i v e no u t t h e ni td e r i v e dt h em e a s u r e m e n to ft h es y s t e ml o s sr a t e n u m e r i c a l r e s u l t sa n ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa r ep r e s e n t e dt os h o wt h ea c c u r a t e n e s so f t h eb u i l d i n go f g m bm o d e l s e c o n d l y , i ta n a l y z e st h en a k - b a s e ds ra r qp r o t o c o lt h a t 晰d e l yu s e di n w i r e l e s sn e t w o r kb a s e do ng m bm o d e la n dd e r i v e st h em e a s u r e m e n t so fl o s s f l a m er a t ea n dt h r o u g h o u t n u m e r i c a lr e s u l t sa n ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa r e p r e s e n t e dt os h o wt h ei n f l u e n c eo f r e t r a n s m i s s i o nt i m e o u ti n t e r v a lo nt h r o u g h o u t p e r f o r m a n c e t h e nt h ei m p r o v e ds c h e m ei sg i v e no u t i tc a nm a k ed i f f e r e n tn a k r e t r a n s m i s s i o nt i m e o u ti n t e r v a lb a s e do nd i f f e r e n tc h a n n e ls t a t e s f i n a l l y ，t h ep r o p o s e di m p r o v e ds c h e m eo fa r qi su s e di nt h eb u i l d i n go f a b s t r a e t t c p a r qp r o t o c o ls t a c k m e a s u r e m e n to fs y s t e mt h r o u g h o u ti sd e r i v e d t h e n i tp r e s e n t ss i m u l a t i o ne x p e r i m e n t st os h o wt h ei m p r o v e m e n to ft h r o u g h o u t b e t w e e no r l 百i l a la n di m p r o v e dp r o t o c 0 1 k e y w o r d st c p a r q ；c o r r e l a t e dc h a n n e l ；s e l e c t i v er e p e a t ；t h r o u g h o u t ； p e r f o r m a n c em e a s u r e m e n t i i i 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文无线相关信道下t c p a r q 协议栈的改进与性能分析，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学 位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部 分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完 全由本人承担。 作者签字 ；u 缸叼他 日期：护7 年垆月，口日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 无线相关信道下t c p a r q 协议栈的改进与性能分析系本人在燕 山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研 究成果归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及 相关人员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和 借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文， 可以公布论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密邑 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：列聊日幸纱日期：参旷，7 年尸月，日 导师签名：仓川受i 移 日期：小刀年明r 日 第1 章绪论 1 1 问题的引入 第1 章绪论 无线通信是当今通信领域内最为活跃和发展最为迅速的领域之一，也 是在2 1 世纪对人类的生活和社会发展具有重大影响的科学技术领域之一。 随着无线通信技术的迅速发展和i n t e r n e t 的广泛应用，在无线信道上承载 电子邮件、w e b 浏览等数据业务的应用逐渐得到了人们的重视i l j 。无线环 境与有线环境相比，通常具有误码率高、带宽低、时延大以及移动频繁等 特性，对于提高无线信道传输性能的研究成为当今研究的重点和热点【2 】。 在通信协议的各个层次中，传输层是连接上层应用和下层通信子网的 枢纽。对传输层协议进行性能分析，一方面可以在现有的通信子网和上层 应用环境中，通过修改传输层协议来改进网络的性能：另一方面，可以对 下层通信子网协议和上层应用协议提出修改方案，使之更适合未来的网络 环境。由于无线信道具有低质量、低带宽的特性，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 3 1 。在无线网络中，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，这样将会降低数据发送的速率，造成带宽利用率不高、系统时延 加大、吞吐量下降的后果。 对无线网络中t c p 协议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；另一个是解决移动终端断连，特别是移动切换问 题。人们对此作了大量的探索和研究，提出了多种t c p 协议的改进方案， 其实质是让发送端能够有效区分拥塞丢包和误码丢包，使其仅在拥塞丢包 时调用拥塞控制机制，在误码丢包时不调用该机制，从而不会降低数据发 送的速率。 根据协议改进实现机制的不同，将这些方案分为三类。 燕山大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 端到端的改进方案此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1 4 j 。 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 pv e n o 【”、t c pw e s t w o o d l 6 j 。t c pv e n o 是通过对往返时间 r t t ( r o u n dt r i pt i m e ) 值的计算，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。t c p w e s t w o o d 则与其稍有不同，它是通 过可用带宽的估计值直接设置拥塞窗口的门限值。 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，其可 以使t c p 能够迅速的恢复一个窗口内多个报文段的丢失，而并不导致t c p 重传定时器的超时，典型的算法是t c ps a c k l 7 1 ；另一种思路是采用显式 丢失指示e l n ( e x p l i c i tl o s sn o t i f i c a t i o n ) 的方法，它能够使t c p 区分报文 丢失的真正原因，由此在误码丢包时t c p 就不会采用不必要的拥塞控制机 制【8 】，从而提高系统的性能。 采用端到端的改进方案有很多优点。这种方案通过采用更加精确的拥 塞控制策略，可以做到正确的区分误码丢包和拥塞丢包，从而正确估计网 络状态，使t c p 能够可靠高效的传输数据1 9 l 。并且，这种方案还能够改善 很多由无线网络的特性而带来的问题【l o 】。此方案的缺点在于其往往需要改 变目前的t c p 协议栈，而对于目前广泛应用的t c pr e n o 算法，还需要 考虑很多与其共存和过渡方案【1 1 1 。 ( 2 ) 分裂连接的t c p 改进方案这种改进方案的思路是将包含无线链 路的t c p 连接，在中间节点，也就是基站处分为两段，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1 1 2 。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，以适应无线链路高误码率、低带宽、高时延等固有的 特性f ”1 。 该改进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 第l 章绪论 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【1 4 1 。两端传输层协议参数可以独立优化，提高了 通信的端到端性能。但是这破坏了t c p 协议端到端的语义，在使用了i p s e c 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【1 5 l 。 ( 3 ) 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网络链路层采用自动重传请求a r q ( a u t o m a t i c r e p e a tr c q u e s t ) 的技术来保证链路层的可靠传输【1 6 1 。 a r q 有很多优点。a r q 作为低层协议，不需要检查口和t c p 头部， 可以传输加密封装后的报文段【1 1 7 】；a r q 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丢失【1 8 1 ； a r q 不需要为每条连接都维护报文段队列，其缓存为高层协议所共享，而 且，源端和目的端的t c p 协议都不需要修改【1 9 1 。 链路层方案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。链路层和传输层重传的相互作用有可能 使整体性能更加恶化【2 0 1 。 链路层策略对t c p 性能的影响主要体现在三个方面。 第一，尝试重传的次数和重传超时定时器的设定。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【2 1 】。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 收到报文段次序的 混乱，这会使t c p 启动不必要的拥塞控制机制瞄l 。因此，链路层应该有一 定的缓存，将t c p 报文段进行排序，按序提交给上层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，可以得出以下结论，链路层协议必须保证一定的重传次数以恢 复链路上发生的数据差错，但重传次数不能太大，否则将会导致t c p 的超 时重传【2 ”。 在前人所提出的改善t c p 协议性能的改进方法中，端到端的改进方法 3 燕山大学工学硕士学位论文 需要改进现有的t c p 协议栈，分裂连接的方法破坏了t c p 端到端的语义。 所以目前比较受人们关注的改进策略是通过链路层a r q 的差错控制来减 小无线衰落信道的差错率i 冽。其既不会破坏t c p 端到端的语义，也不会影 响现有的t c p 协议栈。但是随着a r q 重传次数的增加，这种改进方法在 大大降低误帧率的同时，也会增加t c p 端到端的时延，严重时可能会导致 t c p 超时，影响系统性能。因此，t c p 和a r q 协议的相互作用影响了无 线信道上数据传输的最终性能，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的一个迫切问题， 对t c p a r q 协议栈的性能分析与改进变得更具有实际意义【2 ”。 1 2 国内外研究现状 本节从a r 0 协议的性能分析和t c p a r q 协议栈的研究两个方面介绍 国内外当前的研究现状。 1 2 1 a r q 协议性能分析的研究 在无线的信道上，由于误码的产生和前向差错控制f e c ( f o r w a r d e r r o r c o r r e e t i o n ) g q 错能力的局限性，不可避免的要在数据链路层采用无线链路 协议以实现数据帧的正确传输。t i a e i a i s 7 0 7 a 2 t 2 6 】给出了无线链路协 议r l p ( r a d i ol i n kp r o t o c 0 1 ) 的基础模型，r l p 的功能主要是通过自动重传 请求a r q 实现的。在2 0 世纪7 0 年代，e c f u j i w a r a l 2 7 】等人就对独立同分 布i i d ( i n d e p e n d e ma n di d e n t i c a l l yd i s t r i b u t e d ) 信道( 即随机差错信道) 条件下 a r q 中的停止等待s w ( s t o pa n dw a i t ) 、后退n 步g b n ( g ob a c kn ) 和选择 性重传s r ( s e l e c t i v er e p e a t ) 这三种方式的最大吞吐率性能进行了分析研究 并提出了一些改进措施。早期的关于a r q 的分析研究中，通常假设信道 是独立同分布的，即认为信道上分组包的错误发生是相互独立的。 无线通信的传输媒体是空中传播的电磁波，它的特性决定于它的传播 环境。由于移动终端的移动性以及周围物体的变化，电磁波的传播环境是 随机变化的，因而无线通信的传输信道是时变的随机过程。分组数据在无 第1 章绪论 线信道上是以“包”为单位进行传送，包中一定量比特的误码将引起整个 包的重传，而整个包的重传则可能会导致上层协议更大数据单位的重传， 甚至整个通信连接的复位。因此，采用独立同分布无线信道模型对多媒体 数据业务在无线信道上传送的情况进行分析将不再有效，必须采用更为精 确的能反映信道误码相关统计特性的信道模型。 针对信道的相关性而提出的对a r q 协议的改进是相关信道上a r q 研 究的一个重要方面。m z o r z i 和r r r a o 2 8 1 针对无线信道的相关特性提出了 改进时间分集的g b n 方法，时间分集可以对信道情况进行事先的评估或 测量，使协议针对信道的变化做出自适应调整。s h a r a l 2 9 垮人针对s w 采 用根据接收端反馈确认对无线信道的状态进行估计的方法，使数据帧的长 度根据信道状态做出相应的调整。以上所提出的方法都是链路层上协议的 改进，它们所关注的都是链路层的吞吐量、可用带宽利用率以及误码率等 性能指标。 由于实现由信源到信宿端到端的传输功能是由传输层提供的，因此链 路层协议的改进主要是为了提高上层协议的性能。为了给无线用户端提供 更高的性能，目前的研究工作开始关注于网络各层协议的协调工作，这就 需要采用跨层设计的方法对整个网络的各层协议进行分析，最终达到提高 网络整体性能的目的。 1 2 2 t c p a r q 跨层协议栈的研究 在过去通信系统的研究中，网络分层的开放系统互连o s i ( o p e ns y s t e m i n t e r c o n n e c t i o n ) 设计方法应用得很好，但演进的无线网络正在挑战这种设 计哲学。当前的网络必须支持各式各样不断变化的业务类型、服务质量的 要求，以及网络拓扑结构的变化。在设计网络时，为了应对无线接入的挑 战，网络各层功能( 即o s i 的各层) 必须统一考虑。 罗明胜、姚彦1 3 0 等人针对无线网络的特点，对跨层设计的方法进行了 深入的研究。其研究结果表明有线m 网络中的假设已不适应无线网络，稀 有的无线资源和受限的发送功率使得无线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。 燕山大学工学硕士学位论文 张鲲【3 l l 等人采用跨层分析的方法对无线网络链路层与传输层协议性 能的相互影响进行了分析。研究结果表明如果采用跨层设计的方法，可以 从链路层传递信号指示当前的分组丢失是由于链路的故障而不是网络拥塞 引起的，跨层协议栈的建立将会使其更好的完成差错控制功能。 近年来有很多基于独立同分布信道下t c p a r q 协议栈相互作用、影 响方面的研究成果。f k h a f i z o v 3 2 1 、y b a i l 3 3 1 等采用计算机仿真的方法研究 了在i s 2 0 0 0 标准下r l p 对t c p 性能的影响。仿真结果表明在链路层采用 基于n a k ( n e g a t i v ea c k n o w l e d g e m e m ) 的选择重传a r q 恢复机制，不但降 低了t c p i p 系统在无线链路上的不兼容性，而且在很大程度上提高了t c p 的性能。e k h a f i z o v 和m y a v u z 3 4 l 建立了一个基于n a k 的多副本s r a r q 分析模型，研究了r l p 在c d m a 2 0 0 0 标准下的t c p 性能。e v a c i r e a t 3 5 】等 在分析了无线网络中a r q 机制和t c p 协议相互作用与影响的基础上，对 t c p r l p 在不同a r q 机制和r l p 标准下的协议栈主要性能指标进行了研 究。a f c a n t o n 3 6 1 、t c h a h e d 3 7 j 等对传输层和无线链路层做了详细的跨层 联合分析研究，给出了t c p a r q 分析模型，并在采用g b n 机制和无线链 路层能够完全实现误帧纠错的假设下推导出了系统性能的解析表达式。 在传统的无线通信研究中，研究对象主要针对语音通信，信道中传送 的是表示语音的数字码流。在具有衰落特性的无线信道中，无线信道的误 码具有明显的突发性，使得所传输的数字码流中各比特的误码具有很强的 相关性【3 引。但是，对于语音通信，相关信道的突发性误码只是引起话音质 量的起伏，既不会引起话路的阻塞，也不会使通话中断，因而在语音通信 系统的分析设计中( 如容量分析) 采用独立同分布无线信道模型是合理的。 事实上，在有着衰变特性的无线移动网络环境中，传输中错误发生之 间的相互依赖关系决定性的影响了系统的性能。如果不考虑无线信道的相 关特性对系统性能的影响，会影响其分析验证的准确性。z o r z i 3 9 j 分析了在 t c p 不与r l p 合作的情况下，无线信道错误的突发性对t c p 吞吐量的影 响。通过分析指出了t c p 性能对信道错误的相关性有着很强的依赖性，并 且提出了无线网络链路层的设计对整个网络系统的性能有着很重要的作 用。a c h o c k a l i n g a m 和g a n gb a o e 4 0 1 分别在独立同分布信道上和相关信道上 6 第1 章绪论 就基于c d m a 2 0 0 0 标准的不同a r q 重传算法对t c p r l p 协议栈性能的 影响进行了比较研究，但其对链路层协议的性能影响并没有作较为深入的 分析。f k h a n | 4 1 】等也对相关信道上t c p r l p 协议的性能指标做了分析，但 其研究侧重于r l p 不同重传次数对系统吞吐量性能的影响。 在分析总结前人研究的基础上，国内的牛志升【4 2 娟】等人做了大量的工 作。从协议分析的角度对无线链路a r q 协议进行了详细的分析和有效的改 进，深入的研究了这些改进对链路层协议性能的影响，并指出了跨层协议 分析的重要性。在t c p a r q 协议栈研究方面，他们建立了相关信道基于 n a k 的多副本s ra r q 机制的分析模型，并且提出了一个简单有效的提高 t c p r l p 系统性能的改进方案。牛志升等人研究的重点是无线信道错误的 相关性对t c p r l p 协议栈的性能影响，并没有侧重考虑传输的可靠性和能 源受限等网络特性。 1 3 课题的主要研究内容 根据以上所阐述的研究背景和研究现状，课题的研究主要是采用链路 层协议改进的方法提高无线网络的整体性能。 课题研究的主要内容有以下几个方面。在考虑无线信道衰变等特性的 基础上，对底层物理层相关信道模型进行分析，建立更加符合实际情况的 新的g m b 信道模型；基于此g m b 模型对链路层a r q 协议进行改进，使 其能够适应网络状态的变化；根据所作的改进建立t c p a r q 协议栈模型， 对系统性能指标进行分析，对协议改进前后系统的吞吐量进行比较。 根据以上三方面内容，本文的主要研究工作如下。 第一，分析基于两个状态的无线信道模型，根据其不足，提出新的基 于三个状态的g m b 相关信道模型。从理论分析的角度说明其与传统模型相 比更加符合无线信道的实际情况，并通过数值例子和仿真实验验证理论分 析结果的正确性。 第二，基于底层g m b 信道模型的建立，对链路层a r q 协议进行分析， 提出根据信道的不同状态设定不同的a r q 超时定时器长度的改进方案。采 7 燕山大学工学硕士学位论文 用理论分析和仿真实验的方法验证协议改进的正确性。 第三，应用所提出的改进建立t c p a r q 协议栈模型，推导出系统稳 态吞吐量的表达式，通过仿真实验验证理论分析结果的正确性。采用仿真 实验的方法说明协议改进前后系统吞吐量的变化。 1 4 课题的研究意义 无线网络t c p a r q 协议栈模型的分析与改进对无线网络的性能分析 有着深远的影响和重要的意义。下面从两个方面说明这一课题的研究意义。 ( 1 ) 无线链路a r q 协议改进方面t c p 协议在有线网络中的成功有目 共睹，但是它在无线网络中的性能并不好。采用链路层a r q 协议的改进 方法，不仅避免了修改复杂的上层协议，大大简化了协议修改的复杂度， 而且底层协议可以更为迅速的发现信道情况的变化，能够及时的采取相应 的解决措施，达到提高系统性能的目的。目前对a r q 协议改进的研究主 要考虑的是链路层协议本身的特性，对无线网络特性的考虑并不多，因此 无线网络链路层协议的改进方法还有许多需要研究的方面。 但) t c p a r q 协议栈建立方面无线网络中t c p 和a r q 协议的相互 作用影响了数据传输系统的最终性能。目前对t c p a r q 协议栈性能的研 究已经有了一些成果，但是还有许多地方有待完善和改进，还需要考虑许 多因素。例如，在分析中考虑到传输的可靠性和能源受限等无线网络特性。 针对上述问题，本文提出了根据不同的信道状态设定不同n a k 超时 定时器长度的a r q 协议的改进方案，对提高t c p a r q 协议栈的性能具有 重要意义。 1 5 论文结构 论文共分为五章，包括绪论、基础知识、无线相关信道模型的建立与 性能分析、无线链路层a r q 协议的性能分析与改进以及改进后t c p a r q 协议栈的性能分析。 第l 章绪论 第1 章为绪论。综述了无线网络t c p 协议改进的各种方法，提出了通 过修改链路层a r q 协议提高网络整体性能的方法，并给出了课题的研究 内容和研究意义。 第2 章为基础知识。主要介绍了无线信道的特性、链路层a r q 协议 的运行机制和几种不同的a r q 方式。 第3 章为无线相关信道模型的建立与性能分析。本章从分析传统的基 于两个状态的无线信道模型入手，根据其不足提出了新的基于三个状态的 g m b 信道模型。给出了此两种模型稳态下系统误码率的表达式，并通过 数值例子与仿真实验验证了理论分析结果的正确性。 第4 章为无线链路层a r q 协议的性能分析与改进。本章在第3 章底 层信道模型建立的基础上，对其上层链路层的基于n a k 的多副本选择重 传a r q 机制进行了深入的研究，得出了所关注的链路层错误率与吞吐量 的表达式。通过数值例子和仿真实验，说明了n a k 超时定时器长度的设 定对链路层系统吞吐量的影响。提出了根据底层信道的不同状态设定不同 n a k 超时定时器长度的a r q 协议的改进方案。 第5 章为改进后t c p a r q 协议栈的性能分析。本章应用第4 章所提 出的改进的链路层a r q 协议建立了t c p a r q 协议栈模型，推导出了系统 稳态吞吐量的表达式，通过数值例子和仿真实验验证了理论分析结果的正 确性。采用仿真实验的方法比较了协议改进前后系统吞吐量的变化。 最后是本文的结论，并对下一步的研究工作进行了展望。 9 燕山大学工学硕士学位论文 第2 章基础知识 上一章主要阐述了本课题的研究背景、研究现状和研究意义。在本章 中，将详细介绍与本课题研究相关的基础知识。 2 1 无线信道的特性 高层协议( t c p ) 认为分组( p a c k e t ) 是在一条“无线链路”上传输的。这 里的无线链路是一个逻辑上的概念，影响其性能的除了无线信道本身外， 还包括数据链路层的编码、交织、接入、差错检验以及重传方案对数据帧 传输的影响。 由于周围建筑及树木的遮挡和反射，从基站到用户的无线电波存在多 径传输现象。多径时延和多径衰落( 快衰落) 都会造成误码率的上升。由于 用户和周围物体的运动，多径分量也在不断的变化。根据信道衰落的不同 特性，分为快、慢衰落和频率选择性、非选择性衰落。 相比有线信道，无线信道非常不可靠。多径时延、衰落、噪声和干扰 都会增大无线链路的误码率。由于用户移动而带来的跨小区切换可能会造 成短暂的通信停顿。为了尽量降低无线信道特性对系统性能的影响，在对 高层协议进行性能分析时，一般都对物理信道进行适当的抽象，得到简单 易用的分析模型。 最简单的模型是随机差错模型，其认为数据帧各个比特的出错与否是 一个独立随机事件。但是这一模型过于粗糙，无法反映具有时变特性的无 线信道的具体情况，所以一般用于语音通信的研究中。针对无线信道中通 常连续出现的突发差错现象，常用的分析模型是基于两状态的m a r k o v 模 型。将信道分为“好”或“坏”两种状态，在每个状态中数据帧都有一定 的随机丢失概率，状态之间的转移服从指数分布。更加复杂的模型包括多 状态的m a r k o v 模型。 1 0 第2 章基础知识 2 2 链路层a r q 协议 由于在无线链路上传输分组，尤其是长分组很不可靠，无线链路层引 入了自动重传请求a r q 技术来提高传输的可靠性。 2 2 1 a r q 协议工作原理 链路层的自动重传请求a r q 技术可以提供“可靠”的链路传输服务。 这里的“可靠”意味着即使发端经过多次重传仍然失败，也会自动重新建 立链路，或者向高层报告链路出现故障，由高层进行错误恢复，其工作原 理如图2 1 所示。 t c p 髓c k d t c p p a c k e t i sr e c e i v e d t h e p a c k e t b h a a i m os c v “n m “ l _ 图2 1a r q 协议工作原理 f i g 2 - 1w o r k i n gm e c h a n i s mo f a r qp r o t o c o l a r q 作为一个较高的子层工作在链路层。通过确认和计时器，a r q 发端可以发现出错或者丢失数据帧，并进行重传。为了减少重传开销，长 的上层分组在发端被分成多个很短的数据帧，帧是基本的重传单位。高层 送来的分组被分割成等长的数据帧。为了减少重传开销，帧的长度通常较 短。帧内的剩余空间可以利用填充字节补齐。有的a r q 协议如r l c 协议 支持分组的串接，即让两个分组分别占用帧的一部分，以避免剩余空间的 一b 董l 一 一年 ；寸 霸蘑一 气 翻匿 一 霸豳 一留匿一 一甲 到 燕山大学工学硕士学位论文 浪费。 2 2 2 滑动窗口与按序提交 a r q 通常采用滑动窗口机制来管理本地缓存，窗口宽度矿的上限是 缓存的大小。窗口的左沿是已发出的最小帧号。发端最多可以发出矿个未 确认帧，最左边的数据帧被确认后，窗口可以向右滑动，将从左沿开始的 所有已确认的帧从窗口中清除，并发送新的数据帧。滑动窗口可以方便地 实现流量控制和按序提交。 a r q 需要实现按序提交，确保分组在收端被提交的顺序和它们从发端 发出的顺序完全相同。否则，分组的失序可能会影响上层应用，例如t c p 目的端会对收到的失序分组回送重复的a c k ( a c k n o w l e d g m e n t ) ，造成t c p 源端误认为分组丢失。尽管按序提交是一个必须实现的功能，但其会增大 分组错误的突发性，当数据帧丢失时会造成重排序时延并阻碍窗口滑动。 滑动窗口对于实现按序提交非常方便，只有被提交的数据帧才可以从 窗口中清除，按序提交保证了先被提交的帧一定是窗口的最左沿，通过窗 口的滑动就能实现缓存的清除。 2 2 3 差错检测 a r q 检测数据帧的丢失可以在收端或者发端进行。发端检测的方法是 要求收端对每个收到的数据帧回送a c k 确认。发端在发送完一帧后启动 计时器，如果在规定时间内没有收到相对应的a c k ，则认为该帧丢失并进 行重传。工作原理如图2 2 所示。 收端检测的方法是由收端检查所收到各帧的帧号。链路传输不会改变 帧的到达顺序。如果收端发现帧号不是连续变化的，而是出现了跳跃，则 说明所跳过的帧丢失了，此时收端回送n a k 确认要求发端进行重传。工 作原理如图2 - 3 所示。 这两种检测方法各有利弊。发端检测是一种可靠的方法，如果数据帧 丢失则发端检测一定可以发现。但反向信道的不可靠可能会造成收端回送 的a c k 丢失，这种情况会使发端误认为所发送的数据帧丢失并启动重传， 第2 章基础知识 从而造成误判。并且发端检测要求收端对每个正确收到的数据帧都回送 a c k 帧进行确认，这样会在反向链路上形成很大的确认流量，占用了网络 的带宽资源，影响了发端的发射功率。此外，发端必须为窗口中的每个数 据帧都维持一个计时器，在实现上复杂度较高。 i 堡竺i “ 。口曰曰田曰日。曰口t i m e 口曰口曰曰曰口 图2 - 2a r q 发端检测数据帧丢失的方法 f i g 2 - 2s t r a t e g yf o r a r qs e n d e rt od e t e c tt h el o s so f d a t af r a m e s 从。口日日口口田 曰口 。 i 口曰曰曰曰 图2 - 3a r q 收端检测数据帧丢失的方法 f i g 2 - 3s t r a t e g yf o r a r qr e c e i v e rt od e t e c tt h el o s so f d a t af r a m e s 与发端检测相比，收端检测不需要加入额外的计时器，在实现上较为 方便，而且只需要对检测出丢失的数据帧回送n a k 确认，反向链路上的 确认流量很小。收端检测也不会出现误判。但这种方法依赖于收端能够收 燕山大学工学硕士学位论文 到后续帧，检测结果的可靠性不高。 2 2 4 三种a r q 方式 ( 1 ) 停止等待( s w ) 方式在此方式中发送端一次只能发送一帧，然后发 送端就要等待确认应答( a c k ) ，如图2 - 4 所示。在发送帧时，发送端同时 启动一个计时器，该计时器定时的长度大于正常情况下确认响应到达的最 长时间。当在定时器超时前收到所发帧的确认响应，就从上层协议中取新 的数据形成新帧，同时清除缓存器中原来已经成功发送的帧；若定时器超 时后仍未收到确认响应，就重发原帧。显然，停止等待a r q 协议简单， 但系统通信效率较低。 图2 - 4s w 方式工作原理 f i g 2 - 4w o r k i n gm e c h a n i s mo f s wm e t h o d ( 2 ) 后退n 步( g b n ) 方式由于停止等待方式是逐帧传输、逐帧应答的， 因此当链路距离和电波传播时间很长时，系统等待时间就太长，其必然导 致信道利用率很低。为了克服停止等待方式的缺点，人们提出了连续a r q 工作方式，后退n 步( g b n ) 方式就是其中比较典型的一种。这种方法是允 许发送端连续地发送顺序编号的数据帧。发送各帧时启动相应的计时器， 接收端每收到一帧都要给以确认应答。如发送端在计时器超时前收到某帧 的确认应答，就清除存储于缓存器中的该帧。如果定时器超时仍未收到某 帧的确认或超时前收到其否认应答，发送端将重发该帧及该帧以后的所有 已发帧。为了提高效率，在后退n 步方式中也可以不要求接收端逐帧应答， 发送端可以在收到接收端的应答前连续发送多个数据帧，该数目即为发送 窗口的大小。此时接收端发出的确认是累计确认，对窗口范围内的某帧及 其以前发送端发送的帧一并应答确认，即当对帧i 作确认时，窗口内的帧 第2 章基础知识 f 1 ，帧f 2 等也自动确认，如图2 - 5 所示。 图2 5g b n 方式工作原理 f i g 2 - 5w o r k i n gm e c h a n i s mo f g b nm e t h o d ( 3 ) 选择性重传( s r ) 方式当信道质量好、误帧率低时，后退n 步方式 能很好的工作。但当信道质量不好、误帧率较高时，经常退回重传必然会 降低系统效率，造成信道资源的浪费。由此人们提出选择性重传的连续 a r q 方式对此进行改进。这种方式是在数据传输过程中，接收端虽然丢弃 有差错帧，但仍接收并暂存差错帧及以后跟随的正确帧。如图2 - 6 所示， 协议运行中发送端和接收端各保持一个序号窗口，接收端对每个窗口内的 序号都保留一个缓冲区。当有一帧到达时，首先检查这帧的序号是否落入 窗口，如果在窗口内且为非重复帧，则接收并暂存此帧。当收到序号更小 的数据帧后，则将其存储再一并交到上层。当发送端由于收不到差错帧的 确认应答而超时时，重传有差错帧。当信道质量较差时，选择性重传能提 高传输效率，提高吞吐率，其代价是在接收端要求有重新排序的缓存器， 特别是当发送窗口较大时对其的要求更高。 图2 - 6s r 方式工作原理 f i g 2 - 6w o r k i n gm e c h a n i s mo fs r m e t h o d 1 5 燕山大学工学硕士学位论文 a r q 使用数据帧作为传输单位，i p 分组在a r q 发端被分成若干帧后 进行传输。利用反馈和计时器超时等方法，发端能够发现在传输中丢失的 帧并自动进行重传，重传帧具有高的发送优先级。收端将数据帧进行重排 序，恢复成i p 分组并提交给上层。a r q 可以向高层提供可靠的链路传输 服务，但其在提高可靠性的同时付出的代价是增加了链路时延。尤其当重 传次数较多时，a r q 会产生长而可变的时延。现有的无线系统主要提供交 互式话音通信，a r q 并没有得到广泛的使用。但对于蓬勃发展的无线数据 业务，a r q 则非常重要。 2 3 本章小结 本章介绍了无线信道的特性以及链路层a r q 协议的工作原理与几种 不同的方案，为随后几章的研究提供了理论基础。 第3 章无线相关信道模型的建立与性能分析 第3 章无线相关信道模型的建立与性能分析 在以往的研究中，通常认为无线衰落信道是无记忆信道。但是，当数 据传输速率较高时，无线信道被认为是慢变的，在这种信道中传输的相邻 数据帧之间的相关性是不容忽视的。此时，如果采用传统的无记忆信道模 型进行研究，引入的误差就较大。目前通常采用能反映相邻数据帧之间相 关性的m a r k o v 模型对无线信道进行分析。最早研究m a r k o v 信道模型的是 g i l b e r t ，而将m a r k o v 信道模型用于无线衰落信道的研究则是近年来重要的 研究和应用方向之一。 本章在基于对传统的基于两个状态的m a r k o