CN100563199C - 一种在无线网络中提高多个非接入层连接性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在无线网络中提高多个非接入层连接性能的方法，该方法至少包括：首先，区分非接入层控制报文和非接入层数据报文，并且为非接入层控制报文和非接入层数据报文配置不同的优先级，且使控制报文的优先级大于数据报文的优先级；其次，分别传送非接入层控制报文和非接入层数据报文；最后，在数据调度时，首先调度具有高优先级的非接入层控制报文，然后调度低优先级的非接入层数据报文。本发明通过为非接入层控制报文配置高于非接入层数据报文的优先级，保证控制报文的及时传输，避免数据传输的拥塞，减少了时延，从而提高了非接入层报文在无线网络中的传输性能。

Description

一种在无线网络中提高多个非接入层连接性能的方法

技术领域

本发明涉及无线网络通信领域，特别是指一种在无线网络中提高多个非接入层连接性能的方法。

背景技术

互联网的迅速发展，使其可能成为未来网络的统一平台，随着移动通信、移动办公等业务的增加，无线网络的应用越来越普遍，其与互联网之间的交互也越来越多。而目前互联网中使用最广泛的是传输控制协议TCP，其主要目的是为上层应用提供面向连接的、可靠的字节流服务，解决互联网的稳定性、异质性、各流之间享用带宽的公平性、使用效率及拥塞控制等问题。

然而，TCP协议最初是为固定主机和有线网络设计的一种传输协议，其错误控制机制是基于将所有丢包原因都归结于网络拥塞的假设。这种错误控制机制在有线网络上获得了很大的成功，但由于移动环境有着明显不同于有线网络环境的特点，如存在较高的误码率BER、较长的往返时间RTT、数据业务一般使用无线链路控制RLC的确认模式AM等等。因此针对传统有线网络设计的TCP/IP协议，其性能在无线网络中受到了很大影响。

针对TCP在无线网络中的局限性，现有技术中提出了许多提高重传速率和效率的改进性意见，如：(1)调整发送方和接收方的TCP窗口和最大传输单元MTU的大小(参考文献：Hiroshi Inamura.，TCP over Second(2.5G)and Third(3G)Generation Wireless Networks，Network Working Group H.Inamura，Ed.ReqMSst for Comments：3481NTT DoCoMo，Inc.，2003.参考文献：H.Balakrishnan.，TCP Performance Implications of Network Path Asymmetry，Network Working Group H.Balakrishnan ReqMSst for Comments：3449 MITLCS.，2002.)；(2)调节TCP发出确认的定步(参考文献：苏德赫.迪克西特，拿瑟.汉尼用于TCP连接的增强确认定步设备和方法1999.10.6)；(3)链路层使用TCP/ACK分组来提供本地重传(参考文献：H.Balakrishran，，Seshan，and  R.H.Katz.Improving Reliable Transport andHandoff Performance in Celluar Wireless Networks，ACM WirelessNetworks.December 1995)等。这些方法通过对TCP协议的参数和ACK的机制进行调整，在一定程度上提高了单个TCP在无线网络中的数据传输性能。

但是，这些改进方法都没有考虑多个TCP连接同时存在时，由于无线网络带宽的限制，非接入层TCP数据报文抢占非接入层TCP控制报文的带宽而导致的非接入层TCP控制报文时延过大的问题。

这一点可以通过下面的例子来说明，如图1所示，假设在服务器和客户端之间建立两个TCP连接，一个进行下行FTP，称之为FTP1，另一个进行上行FTP，称之为FTP2，在下行链路上存在数据报文DATA1和控制报文ACK2，在上行链路上存在数据报文DATA2和控制报文ACK1。现仅以下行方向的数据流为例进行分析(上行方向亦然)：由于IP协议对同一方向的TCP数据报文和TCP控制报文的调度不区分优先级，因此只要收到数据包，不管是TCP数据报文还是TCP控制报文，IP协议都会按照先入先出FIFO的机制直接透传给无线网络。现有的无线空口数据链路层结构如图2所示，具体包括：媒体接入控制MAC协议层、一个逻辑信道、无线链路控制RLC协议层和分组数据汇聚协议PDCP层，当数据包由上层应用传送到PDCP协议层时，PDCP实体对于TCP数据报文和TCP控制报文是不进行区分的，它将数据包压缩，设置一个上下文标识CID，然后将数据包发送给同一个RLC实体，进而通过逻辑信道进入MAC协议层，然后由组成MAC协议层的用于处理分配给一个处于连接模式的用户UE的专用信道(DCH)的逻辑实体——媒体接入控制数据MACD实体按照FIFO的原则调度数据包，这样在无线链路上，两个TCP ACK2之间就必然存在一定数目的TCP DATA1。由于TCP DATA1包括TCP头和数据净荷部分，而TCP ACK2仅包括TCP头，因此通常情况下TCP DATA1的报文长度远远大于TCP ACK2的报文长度(典型的TCP数据报文是1500字节，而TCP控制报文只有40字节)。这样必然导致TCP DATA1抢占TCP ACK2的带宽，从而引起TCP ACK2的时延过大，TCP会自动减小窗口，导致上行FTP业务的性能急剧下降。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种在无线网络中提高多个非接入层连接性能的方法，该方法能够解决多个非接入层连接同时存在时，由于无线网络带宽的限制所导致的非接入层数据报文抢占非接入层控制报文带宽的问题，进而提高网络的性能。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以解决的：一种在无线网络中提高多个非接入层连接性能的方法，应用于具有相同上下文连接的非接入层控制报文和非接入层数据报文在无线链路协议结构中的传输，所述无线链路协议结构配置为：一个分组数据汇聚协议PDCP实体对应两个无线链路控制RLC实体、两个RLC实体各自对应一条逻辑信道，两条逻辑信道共同对应一个媒体接入控制数据实体MACD；该方法至少包括如下步骤：

在发送侧，

a、PDCP实体区分非接入层控制报文和非接入层数据报文，并且为非接入层控制报文和非接入层数据报文配置不同的优先级，且使控制报文的优先级大于数据报文的优先级；

b、两个RLC实体分别传送非接入层控制报文和非接入层数据报文，在两个RLC实体各自对应的逻辑信道中分别传送来自RLC实体的非接入层控制报文和非接入层数据报文；

c、MACD实体优先调度具有高优先级的非接入层控制报文，如果还存在剩余空间的话，再调度低优先级的非接入层数据报文，然后将经过处理的报文发送到物理层；

在接收侧，

d、MACD实体接收来自物理层的报文，将报文发送给RLC实体，RLC实体完成重组后将报文发给PDCP实体，最后PDCP实体将数据包发往层协议进行处理。

在上述方法中，所述无线网络为无线接入网UTRAN系统中的无线空口，

较佳地，所述步骤b中进一步包括：为非接入层数据报文和非接入层控制报文配置不同大小的RLC窗口，且使对应控制报文的RLC窗口小于对应数据报文的RLC窗口。

在上述方法中，所述无线网络为无线接入网UTRAN系统中的无线空口，所述无线链路协议结构配置为：一个PDCP实体对应一个RLC实体，该RLC实体对应一条逻辑信道，该逻辑信道对应一个MACD实体；

所述步骤a中由PDCP区分具有相同上下文连接的非接入层控制报文和非接入层数据报文；

所述步骤b中非接入层控制报文和数据报文分别经所述RLC实体和所述逻辑信道中的两个不同优先级的数据队列传送；

所述步骤c中时，由MACD实体进行数据调度。

在上述方法中，所述步骤a中进一步包括：PDCP实体压缩数据包，对于具有相同上下文连接的非接入层控制报文和非接入层数据报文采用不同的上下文标识CID；

所述步骤d中进一步包括：接收侧的PDCP实体分别对具有不同上下文标识CID的非接入层控制报文和非接入层数据报文进行解压缩。

在上述方法中，所述非接入层报文为TCP报文，步骤a所述区分具有相同上下文连接的非接入层控制报文和非接入层数据报文的步骤为：

首先、确定TCP连接建立时同步报文段中第一个TCP数据报文的初始序号ISN和第一个TCP控制报文的确认序号；

其次、根据数据传输过程中收到的报文段长度和确认序号区分TCP数据报文和TCP控制报文。

在上述方法中，所述非接入层控制报文为实时传输控制协议RTCP报文且非接入层数据报文为实时传输协议RTP报文，步骤a所述区分具有相同上下文连接的非接入层控制报文和非接入层数据报文的步骤为：通过不同的UDP端口号区分RTP报文和RTCP报文，UDP端口号为偶数的报文为RTP报文，而UDP端口号为奇数的报文为RTCP报文。

综上所述，本发明一方面通过区分在无线网络中传输的非接入层控制报文和非接入层数据报文，并为非接入层控制报文配置高于非接入层数据报文的优先级；另一方面，通过为发送侧和接收侧的数据链路协议结构增加新的功能，从而保证了非接入层控制报文的优先发送和及时传输，减少了时延，避免了数据传输的拥塞，有效提高了非接入层报文在无线网络中的传输性能。

附图说明

图1为两个TCP连接在无线网络中的数据传输链路；

图2为现有技术中不区分优先级的无线链路结构示意图；

图3为本发明第一实施例的无线链路结构示意图；

图4为本发明第一实施例的流程图；

图5为一个上行FTP示意图；

图6为本发明第二实施例的流程图；

图7为本发明第三实施例的无线链路结构示意图；

图8为本发明第三实施例的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

实施例一

当无线网络为无线接入网UTRAN系统的无线空口时，且非接入层报文为TCP报文时，数据发送侧和接收侧分别建立如图3所示的数据链路层协议结构：即一个无线接入承载PS RAB对应一个无线承载RB，对应一个PDCP实体，两个RLC实体、两条逻辑信道和一个MACD实体。

如本发明第一实施例的流程图图4所示，具体包括如下步骤：首先在步骤401，PDCP首先区分TCP数据报文和TCP控制报文，并为TCP控制报文配置高于TCP数据报文优先级的优先级，同时为避免解压缩失败，PDCP实体在压缩数据包时对具有相同上下文连接的TCP数据报文和TCP控制报文，采用不同的上下文标识CID分别对TCP数据报文和TCP控制报文进行压缩。

PDCP协议具有识别TCP/IP报文结构，分析图5所示的一个完整的上行FTP过程中数据报文的交互过程，(1)客户端发送一个SYN报文段(报文段1)指明客户打算连接的服务器的端口，以及初始序号ISN(本例中为1305814539)；(2)服务器发回包含服务器初始序号ISN的SYN报文段(报文段2)作为应答，同时将确认序号设置为客户的ISN加1以对客户的SYN报文段进行确认，一个SYN将占用一个序号；(3)客户端必须将确认序号设置为服务器的ISN加1以对服务器的SYN报文段进行确认(报文段3)，以上这三个报文段完成连接的建立；(4)客户端向服务器发送数据报文段(报文段4、5、6、9、11、12、13、15)；服务器发送ACK报文段，其中包括，对报文段5进行确认的报文段7、对报文段6进行确认的报文段8、对报文段9进行确认的报文段10、对报文段12进行确认的报文段14、对报文段15进行确认的报文段16，这13个报文段完成连接过程中数据报文的发送；(5)客户发送一个FIN段(报文段17)，指明客户端打算关闭从客户端到服务器的数据传输；(6)服务器收到这个FIN后，发回一个ACK(报文段18)，确认序号为收到的序号加1；(7)服务器发送一个FIN段(报文段19)，指明服务器关闭从服务器到客户端的数据传输；(8)客户端收到这个FIN后，发回一个ACK(报文段20)，确认序号为收到的序号加1，以上这四个报文段完成连接的终止。

分析上面这个完整的上行FTP过程，可以看出：如果排除TCP连接的建立(报文段1、2、3)和终止过程(报文段17、18、19、20)，可以发现：第一，在整个数据报文的交互过程中，上行TCP数据报文中的TCP确认序号ack 1一直没有发生变化，下行ACK报文中的TCP确认序号从ack 2049到ack 8193一直递增；第二，ACK报文只是对数据报文的确认，因此TCP控制报文的长度只包括IP头和TCP头的长度，这样TCP控制报文的长度就比TCP数据报文的长度小，因此PDCP可以根据这些特性来区分同一传输链路中的数据报文和ACK报文，即首先根据SYN包类型确定初始数据报文的TCP序列号和第一个ACK报文的TCP确认序号；然后在收到数据包后，根据长度和记录的ACK报文的TCP确认序号，判断这个数据包是TCP数据报文还是TCP ACK报文。

PDCP协议具有压缩和解压缩TCP/IP数据头的功能，它采用增量编码Delta方法对收到的数据包进行压缩和解压缩。这种编码方式要求到达对等PDCP实体的数据包顺序与原PDCP实体发送数据包的顺序完全一致，否则会导致解压缩失败。在本发明的方案中，由于具有相同上下文连接的TCP数据报文和TCP控制报文分别具有不同的优先级，因此可能出现数据包后发先至的情况。为了避免解压缩失败，本发明对具有相同上下文连接的TCP数据报文和TCP控制报文分别使用不同的上下文标识CID。

在步骤402，TCP数据报文和TCP控制报文分别在不同RLC实体和逻辑信道中传输。

在步骤403，MACD实体进行数据调度时，优先调度具有高优先级的TCP控制报文，如果还有剩余空间的话，再调度低优先级的TCP数据报文，然后将经过处理的报文发送到物理层。

在步骤404，接收侧MACD实体根据接收到的报文中的逻辑信道标识将报文发送给上层RLC，RLC完成重组处理后将报文发送给接收侧PDCP协议层，最后PDCP实体将数据包发往上层应用协议。

实施例二

当无限网络为无线接入网UTRAN系统的无线空口时，且非接入层报文为TCP报文时，数据发送侧和接收侧分别建立如图3所示的数据链路层协议结构：即一个无线接入承载PS RAB对应一个无线承载RB，对应一个PDCP实体，两个RLC实体、两条逻辑信道和一个MACD实体。

如本发明第二实施例的流程图图6所示，具体包括如下步骤：首先在步骤601，PDCP首先区分TCP数据报文和TCP控制报文，并为TCP控制报文配置高于TCP数据报文优先级的优先级，同时为避免解压缩失败，PDCP实体在压缩数据包时对具有相同上下文连接的TCP数据报文和TCP控制报文，采用不同的上下文标识CID分别对TCP数据报文和TCP控制报文进行压缩。

在步骤602，TCP数据报文和TCP控制报文分别在不同RLC实体和逻辑信道中传输，并且由于TCP控制报文的流量远远低于TCP数据报文的流量，因此将TCP控制报文对应的RLC窗口配置得相对较小，以节约链路层资源。

在步骤603，MACD实体进行数据调度时，优先调度具有高优先级的TCP控制报文，如果还有剩余空间的话，再调度低优先级的TCP数据报文，然后将经过处理的报文发送到物理层。

在步骤604，接收侧MACD实体根据接收到的报文中的逻辑信道标识将报文发送给上层RLC，RLC完成重组处理后将报文发送给接收侧PDCP协议层，最后PDCP实体将数据包发往上层应用协议。

实施例三

下面所述的无线链路协议结构和功能包括发送侧的网络侧和MS侧以及接收侧的网络侧和MS侧。

当无限网络为无线接入网UTRAN系统的无线空口时，且非接入层报文为TCP报文时，数据发送侧和接收侧分别建立如图7所示的数据链路层协议结构：即一个PS RAB对应一个RB，对应一个PDCP实体，一个RLC实体、一条逻辑信道和一个MACD实体。

如本发明第三实施例的流程图图8所示，具体包括如下步骤：首先在步骤801，PDCP实体首先区分TCP数据报文和TCP控制报文，并为TCP控制报文配置高于TCP数据报文优先级的优先级，同时为避免解压缩失败，PDCP实体在压缩数据包时对具有相同上下文连接的TCP数据报文和TCP控制报文，采用不同的上下文标识CID分别对TCP数据报文和TCP控制报文进行压缩。

在步骤802，TCP数据报文和TCP控制报文分别在同一个RLC实体和一个逻辑信道中通过两个数据队列传送。

在步骤803，MACD实体进行数据调度时，优先调度具有高优先级的TCP控制报文，如果还有剩余空间的话，再调度低优先级的TCP数据报文，然后将经过处理的报文发送到物理层。

在步骤804，接收侧MACD实体根据接收到的报文中的逻辑信道标识将报文发送给上层RLC，RLC完成重组处理后将报文发送给接收侧PDCP协议层，最后PDCP实体将数据包发往上层应用协议。

另外，一方面，本发明针对在无线网络中提高多个非接入层连接性能的解决方案不仅仅适用于TCP报文，而且适用于其它存在确认机制的应用层协议，如对于实时传输协议RTP和实时传输控制协议RTCP，首先通过不同的UDP端口号区分RTP报文和RTCP报文，其中UDP端口号为偶数的报文为RTP报文，而UDP端口号为奇数的报文为RTCP报文，然后对RTCP报文设置高于RTP报文优先级的优先级，最后分别将RTP报文和RTCP报文传输到接收侧；另一方面，本发明针对在无线网络中提高多个非接入层连接性能的解决方案不仅适用于无线接入网UTRAN，而且适用于其它的无线网络，如无线局域网WLAN等。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (12)

1、一种在无线网络中提高多个非接入层连接性能的方法，应用于具有相同上下文连接的非接入层控制报文和非接入层数据报文在无线链路协议结构中的传输，其特征在于，所述无线链路协议结构配置为：一个分组数据汇聚协议PDCP实体对应两个无线链路控制RLC实体，两个RLC实体各自对应一条逻辑信道，两条逻辑信道共同对应一个媒体接入控制数据实体MACD，

该方法至少包括如下步骤：

在发送侧，

a、PDCP实体区分非接入层控制报文和非接入层数据报文，并且为非接入层控制报文和非接入层数据报文配置不同的优先级，且使控制报文的优先级大于数据报文的优先级；

b、两个RLC实体分别传送非接入层控制报文和非接入层数据报文，在两个RLC实体各自对应的逻辑信道中分别传送来自RLC实体的非接入层控制报文和非接入层数据报文；

c、MACD实体优先调度具有高优先级的非接入层控制报文，如果还存在剩余空间的话，再调度低优先级的非接入层数据报文，然后将经过处理的报文发送到物理层；

在接收侧，

d、MACD实体接收来自物理层的报文，将报文发送给RLC实体，RLC实体完成重组后将报文发给PDCP实体，最后PDCP实体将数据包发往上层应用协议进行处理。

2、根据权利要求1所述的在无线网络中提高多个非接入层连接性能的方法，其特征在于：所述无线网络为无线接入网UTRAN系统中的无线空口。

3、根据权利要求1或2所述的在无线网络中提高多个非接入层连接性能的方法，其特征在于：所述步骤b中进一步包括：为非接入层数据报文和非接入层控制报文配置不同大小的RLC窗口，且使对应控制报文的RLC窗口小于对应数据报文的RLC窗口。

4、根据权利要求3所述的在无线网络中提高多个非接入层连接性能的方法，其特征在于：所述步骤a中进一步包括：PDCP实体压缩数据包，对于具有相同上下文连接的非接入层控制报文和非接入层数据报文采用不同的上下文标识CID；

所述步骤d中进一步包括：接收侧的PDCP实体分别对具有不同上下文标识CID的非接入层控制报文和非接入层数据报文进行解压缩。

5、根据权利要求1所述的在无线网络中提高多个非接入层连接性能的方法，其特征在于：所述非接入层报文为TCP报文，步骤a所述区分具有相同上下文连接的非接入层控制报文和非接入层数据报文的步骤为：

首先、确定TCP连接建立时同步报文段中第一个TCP数据报文的初始序号ISN和第一个TCP控制报文的确认序号；

其次、根据数据传输过程中收到的报文段长度和确认序号区分TCP数据报文和TCP控制报文。

6、根据权利要求1所述的在无线网络中提高多个非接入层连接性能的方法，其特征在于：所述非接入层控制报文为实时传输控制协议RTCP报文且非接入层数据报文为实时传输协议RTP报文，

步骤a所述区分具有相同上下文连接的非接入层控制报文和非接入层数据报文的步骤为：通过不同的UDP端口号区分RTP报文和RTCP报文，UDP端口号为偶数的报文为RTP报文，而UDP端口号为奇数的报文为RTCP报文。

7、一种在无线网络中提高多个非接入层连接性能的方法，应用于具有相同上下文连接的非接入层控制报文和非接入层数据报文在无线链路协议结构中的传输，其特征在于，所述无线链路协议结构配置为：一个分组数据汇聚协议PDCP实体对应一个无线链路控制RLC实体，该RLC实体对应一条逻辑信道，该逻辑信道对应一个媒体接入控制数据实体MACD实体；

该方法至少包括如下步骤：

在发送侧，

a、PDCP实体区分非接入层控制报文和非接入层数据报文，并且为非接入层控制报文和非接入层数据报文配置不同的优先级，且使控制报文的优先级大于数据报文的优先级；

b、非接入层控制报文和数据报文分别经所述RLC实体和所述逻辑信道中的两个数据队列传送；

c、MACD实体优先调度具有高优先级的非接入层控制报文，如果还存在剩余空间的话，再调度低优先级的非接入层数据报文，然后将经过处理的报文发送到物理层；

在接收侧，

d、MACD实体接收来自物理层的报文，将报文发送给RLC实体，RLC实体完成重组后将报文发给PDCP实体，最后PDCP实体将数据包发往上层应用协议进行处理。

8、根据权利要求7所述的在无线网络中提高多个非接入层连接性能的方法，其特征在于：所述无线网络为无线接入网UTRAN系统中的无线空口。

9、根据权利要求7或8所述的在无线网络中提高多个非接入层连接性能的方法，其特征在于：所述步骤b中进一步包括：为非接入层数据报文和非接入层控制报文配置不同大小的RLC窗口，且使对应控制报文的RLC窗口小于对应数据报文的RLC窗口。

10、根据权利要求9所述的在无线网络中提高多个非接入层连接性能的方法，其特征在于：所述步骤a中进一步包括，PDCP实体压缩数据包，对于具有相同上下文连接的非接入层控制报文和非接入层数据报文采用不同的上下文标识CID；

所述步骤d中进一步包括：接收侧的PDCP实体分别对具有不同上下文标识CID的非接入层控制报文和非接入层数据报文进行解压缩。

11、根据权利要求7所述的在无线网络中提高多个非接入层连接性能的方法，其特征在于：所述非接入层报文为TCP报文，步骤a所述区分具有相同上下文连接的非接入层控制报文和非接入层数据报文的步骤为：

首先、确定TCP连接建立时同步报文段中第一个TCP数据报文的初始序号ISN和第一个TCP控制报文的确认序号；

其次、根据数据传输过程中收到的报文段长度和确认序号区分TCP数据报文和TCP控制报文。

12、根据权利要求7所述的在无线网络中提高多个非接入层连接性能的方法，其特征在于：所述非接入层控制报文为实时传输控制协议RTCP报文且非接入层数据报文为实时传输协议RTP报文，

步骤a所述区分具有相同上下文连接的非接入层控制报文和非接入层数据报文的步骤为：通过不同的UDP端口号区分RTP报文和RTCP报文，UDP端口号为偶数的报文为RTP报文，而UDP端口号为奇数的报文为RTCP报文。

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