[發(fā)明專利]一種優(yōu)化無(wú)線環(huán)境下TCP協(xié)議的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210228517.7
• 申請(qǐng)日: 2012-07-02
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102833783A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-12-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 田輝;張平;林尚靜;王斌
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京郵電大學(xué)
• 主分類號(hào): H04W28/06
• 分類號(hào): H04W28/06;H04W28/16;H04W80/06
• 代理公司: 北京路浩知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11002
• 代理人: 王瑩

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無(wú)線通信領(lǐng)域技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于跨層架構(gòu)優(yōu)化無(wú)線環(huán)境下TCP協(xié)議的方法。

背景技術(shù)

傳輸控制協(xié)議（Transmission?Control?Protocol，TCP）原本是為小于10-8誤比特率的有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的，TCP協(xié)議假定報(bào)文丟失的主要原因是網(wǎng)絡(luò)擁塞，因?yàn)殒溌烦鲥e(cuò)而導(dǎo)致的報(bào)文丟失對(duì)于有線網(wǎng)絡(luò)是極為罕見(jiàn)的。上述假設(shè)對(duì)于有線網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)是合理的，但是在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，上述假設(shè)很難成立。因?yàn)樵跓o(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，能夠提供誤比特率在10-6的無(wú)線信道有時(shí)都比較困難，更何況小于10-8誤比特率。下面，從TCP擁塞控制和流量控制中的三個(gè)算法分析在高速無(wú)線信道環(huán)境下，TCP擁塞控制運(yùn)用與長(zhǎng)期演進(jìn)（Long?Term?Evolution，LTE）系統(tǒng)之間存在的問(wèn)題：

首先來(lái)看TCP擁塞控制中慢啟動(dòng)算法。在TCP連接初期，TCP處于慢啟動(dòng)階段，擁塞窗口（Congestion?Window，cwnd）初始化為一個(gè)報(bào)文大小。發(fā)送端按cwnd的大小發(fā)送數(shù)據(jù)，每收到一個(gè)ACK確認(rèn)，cwnd就增加一個(gè)報(bào)文發(fā)送量，這樣，cwnd就將隨著回環(huán)響應(yīng)時(shí)間（Round?Trip?Time，RTT）呈指數(shù)增長(zhǎng)。但是，為了優(yōu)化系統(tǒng)的吞吐量，在LTE無(wú)線鏈路控制層（Radio?Link?Control，RLC）的發(fā)送端應(yīng)該有足夠多的數(shù)據(jù)包填滿發(fā)送端和接收端之間的邏輯信道，即TCP連接的初期階段極有可能未能充分利用無(wú)線信道，這對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，就是一種等待狀態(tài)或近似等待狀態(tài)。

其次來(lái)看TCP擁塞控制中擁塞避免算法。當(dāng)發(fā)送端在預(yù)先設(shè)定的重傳超時(shí)時(shí)間RTO（Retransmission?Timeout）內(nèi)沒(méi)有收到接收端對(duì)該數(shù)據(jù)包的正確應(yīng)答，就認(rèn)為該數(shù)據(jù)包已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)中丟失，而TCP協(xié)議假定報(bào)文丟失的主要原因是網(wǎng)絡(luò)擁塞，因而啟動(dòng)快速重傳算法。由于RTO是根據(jù)已經(jīng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的RTT來(lái)估計(jì)的，但是在LTE系統(tǒng)中，無(wú)線承載的速率是動(dòng)態(tài)變化的，速率的變化主要是由于無(wú)線信道環(huán)境的變化，小區(qū)負(fù)載的變化以及用戶的移動(dòng)性等原因造成的，這些情況都會(huì)導(dǎo)致RTT的抖動(dòng)，從而極大的影響TCP協(xié)議對(duì)RTO的估算。因此，如果估算的RTO時(shí)間太小，則會(huì)引起頻繁的不必要的cwnd窗口縮小，浪費(fèi)系統(tǒng)帶寬；反之，如果估算的太大，則會(huì)造成發(fā)送端等待時(shí)延太大，影響用戶的發(fā)送速率。

最后來(lái)看TCP擁塞控制中快速重傳算法?？焖僦貍魇钱?dāng)TCP發(fā)送端收到三個(gè)相同的ACK確認(rèn)時(shí)，也認(rèn)為有數(shù)據(jù)包丟失，則發(fā)送端不必等待RTO超時(shí)即啟動(dòng)快速重傳算法。由于LTE在鏈路層設(shè)計(jì)方面采用了雙ARQ的協(xié)議架構(gòu)，即自動(dòng)請(qǐng)求重傳（ARQ，AutomaticRepeat?reQuest）協(xié)議和混合自動(dòng)請(qǐng)求重傳（Hybrid?Automatic?RepeatreQuest）協(xié)議，如圖1所示。而此時(shí)LTE?RLC層ARQ協(xié)議或HARQ協(xié)議也可能針對(duì)相同的數(shù)據(jù)包進(jìn)行重傳，即兩者有可能同時(shí)在恢復(fù)同一個(gè)丟失的報(bào)文段。因此，TCP快速重傳機(jī)制有可能導(dǎo)致TCP協(xié)議和ARQ/HARQ協(xié)議之間多ARQ重傳競(jìng)爭(zhēng)，致使網(wǎng)絡(luò)中存在大量的冗余數(shù)據(jù)，降低了系統(tǒng)的有效吞吐量。

已有的改善無(wú)線TCP協(xié)議性能的方法中，端到端的改進(jìn)方法和分割連接的方法，實(shí)質(zhì)是讓TCP發(fā)送端能夠有效區(qū)分擁塞報(bào)文丟失和誤碼報(bào)文丟失，使其僅在擁塞報(bào)文丟失時(shí)調(diào)用擁塞控制機(jī)制，在誤碼報(bào)文丟失時(shí)不調(diào)用該機(jī)制，從而不會(huì)降低數(shù)據(jù)發(fā)送的速率，但是端到端的改進(jìn)方法需要改進(jìn)現(xiàn)有的TCP協(xié)議棧，分裂連接的方法破壞了端到端的語(yǔ)義；基于鏈路層ARQ的解決方案的實(shí)質(zhì)是通過(guò)ARQ協(xié)議恢復(fù)大部分的鏈路層差錯(cuò)，降低TCP能夠感知到的報(bào)文差錯(cuò)，但是該方法在大大降低誤碼率的同時(shí)，也會(huì)增加TCP端到端的時(shí)延，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致TCP超時(shí)，影響系統(tǒng)性能。此外，這些解決方案都未能解決HARQ/ARQ和TCP層的重傳競(jìng)爭(zhēng)，這就會(huì)使系統(tǒng)性能嚴(yán)重下降。因此，TCP、ARQ以及HARQ協(xié)議的相互作用影響了TCP協(xié)議在LTE系統(tǒng)上數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罱K性能。

發(fā)明內(nèi)容

（一）要解決的技術(shù)問(wèn)題

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：如何優(yōu)化無(wú)線環(huán)境下TCP協(xié)議的性能。

（二）技術(shù)方案

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種優(yōu)化無(wú)線環(huán)境下TCP協(xié)議的方法，包括以下步驟：

S1、當(dāng)TCP剛開(kāi)始發(fā)數(shù)據(jù)，處于慢啟動(dòng)階段時(shí)，設(shè)定擁塞窗口的初始大小；

S2、當(dāng)擁塞窗口大于預(yù)設(shè)的慢啟動(dòng)門限時(shí)，則TCP轉(zhuǎn)入擁塞避免階段；

S3、當(dāng)TCP處于擁塞避免階段時(shí)，根據(jù)無(wú)線承載的速率實(shí)時(shí)預(yù)估RTO定時(shí)器的值；