CN101084644A - 用于管理传输控制协议的往返时间的系统以及支持方法和装置 - Google Patents

Abstract

在所提出的往返时间管理技术中，首先将在无线网络上接收(204)的应答分组缓冲(210)到存储器缓冲器。然后将时间延迟添加(214)到应答分组的指配离开时间，其至少基本上使传输控制协议发射机的往返时间稳定。结果，防止网络拥塞的错误检测触发传输控制协议发射机的拥塞控制特征。

Description

用于管理传输控制协议的往返时间的系统以及支持方法和装置

技术领域

本发明通常涉及关于传输控制协议的往返时间管理。

背景技术

近年来，传统上仅可在家中使用的许多新的特征现在正变为蜂窝通讯网络中的标准。一个最显著的特征是可以通过使用蜂窝电话使用互联网。现今，对于蜂窝电话上的所有该可用特征，几乎不存在计算机和蜂窝电话之间的差异。为了避免混淆，将使用单一的术语描述可同其他多个网络(诸如因特网)一同工作的多种设备。特别地，移动站将用于指代使用特定网络(诸如蜂窝网络)接入其他网络的任何设备，其可以包括，但不限于，台式计算机、膝上型计算机、个人数字助理和/或蜂窝电话。

数据分组通常通过标准的传输控制协议(TCP)经由互联网传送。如本领域中公知的，TCP使用用于设定传输的应答定时器的往返时间(RTT)跟踪数据分组的传输。RTT是数据分组从一个节点开始行进，跨越网络到达另一节点并返回所耗用的时间的测度。因此，对于通过TCP传输的每个数据分组，测量RTT以确定该特定的数据分组的当前传输延迟。典型地，在有线网络中，数据分组的RTT是相当一致的，这是因为在有线网络中不太可能出现尖峰和中断。然而，无线网络中的该一致性并非总是如此，特别是蜂窝网络中，其中尖峰和中断几乎是网络自身固有的。由于RTT的急剧增加可能引起超时，其被TCP视为网络拥塞，TCP做出响应，降低传输窗口尺寸并且减小吞吐速率。

例如，为了避免数据分组丢弃，3G蜂窝系统使用的链路层自动重传请求(ARQ)协议通常重新传输在无线电接口上丢失的数据分组，其通常成帧为协议数据单元。然而，这引起了大的延迟变化。TCP依次将这些延迟变化视为网络拥塞，而实际上它们或多或少是3G蜂窝系统的正常操作的一部分。问题在于，这些延迟变化可能触发TCP的拥塞控制特征，其使传输窗口尺寸下降并且减小吞吐速率。然而，吞吐速率的减小并未改善延迟，而是不必要地使无线承载未被充分利用。

最近致力于解决该问题的努力集中于配置或修改TCP使其同蜂窝系统的特性一同工作。然而，这些现有方法偏离了标准TCP协议的使用，而其已广泛地用于因特网通信。结果，通过修改TCP协议，在设备不能处理修改的TCP协议的情况中可能存在兼容性问题。

附图说明

通过提供下面的详细描述中描述的RTT管理过程，特别是在结合附图学习时，至少部分地满足了上文的需要，在附图中：

图1包括适用于本发明的多种实施例的示例性无线通信系统的框图；

图2包括根据本发明的多种实施例的无线网络控制器的框图；

图3包括根据本发明的多种实施例的传输呼叫图的信号流图；

图4包括根据本发明的多种实施例的数据分组的接收过程的流程图；

图5包括根据本发明的多种实施例的应答分组的接收过程的流程图；

图6包括根据本发明的实施例的数据分组的接收过程的流程图；并且

图7包括根据本发明的实施例的应答分组的接收过程的流程图。

本领域的技术人员应认识到，图中的元件是出于简化和清楚的目的而说明的，没有必要依比例绘制。例如，图中某些元件的尺寸可以相对于其他元件放大，有助于改善对本发明的多种实施例的理解。而且，商用实施例中有用或必要的常见和公知元件典型地未被示出，以便于使对本发明的该多种实施例的观察更加清楚。

具体实施方式

一般而言，根据该多种实施例，提供了一种RTT管理技术。特别地，接收应答分组被缓冲到存储器缓冲器中，并且将时间延迟添加到应答分组的指配离开时间。然后根据该添加的时间延迟转发该应答分组。在多种实施例中，时间延迟，其可能基于平均延迟值和平均变化值，基本上防止触发TCP的拥塞控制特征，并且/或者使TCP上的RTT稳定。对于一个特定的实施例，基于至少一个先前传输的应答分组估计时间延迟。在多种教授内容中，使用系统中的其他应答分组的多个系统RTT估计平均延迟值和平均变化值。在一个实施例中，基于平均变化值和由应答分组的RTT获得的分组变化值估计变化值。分组变化值可以进一步基于预先定义的目标变化值，并且该变化值可以进一步基于滤波系数。

在一个实施例中，跟踪对应于应答分组的数据分组的到达时间并将其存储到数据结构。进行估计，以验证该应答分组先前是否已被接收到。如果先前接收到应答分组，则将其转发。否则，由于这是新的应答分组，因此对其进行缓冲。在多种教授内容中，添加延迟包括，确定由其他应答分组的多个系统RTT获得的平均延迟值是否至少以预定的方式对应于预先定义的目标延迟值。当平均延迟值对应于预先定义的目标延迟值时，通过将变化值添加到平均延迟值估计延迟值。否则，通过从平均延迟值中减去变化值估计延迟值。当通过将变化值添加到平均延迟值估计延迟值时，在多种教授内容中，进一步确定延迟值是否至少以预定的方式对应于基于平均延迟值和平均变化值的平均值。如果是，则进一步将延迟值设定为该平均值。利用所获得的延迟值，基于该延迟值转发应答。

通过多种教授内容的实施例，控制多种无线网络的延迟变化，其减小了错误触发TCP的拥塞控制特征的可能性。结果，除了TCP吞吐量增加以外，可以在较高的利用率下使用无线承载。这将有利地影响常见的关键性能指征，诸如文件传输协议(FTP)下载速率和超文本传输协议(HTTP)加载时间。而且，由于多种教授内容修改了无线系统的特性，使其同现有的TCP实现方案一同工作，因此这允许更加充分地使用无线承载与互联网上的TCP实体连接，而不需要改变这些TCP实体。因此，该多种教授内容的实现方案较现有方法更加简单。

现在参考附图，特别地参考图1，出于提供有助于描述的说明性的而非详尽的示例的目的，示出了使用通信系统的具体的操作范例，并且其通常标为10。然而，本领域的技术人员应当认识并且明白，该说明性示例的细节并非是本发明的详尽细节，并且此处阐述的教授内容可应用于多种可替换的设置。例如，由于所描述的教授内容不依赖于平台，因此它们可以应用于3GPP或3GPP2系统中的广播和多媒体案例。任何数字广播服务或者数字卫星服务也是可应用的。实际上，如果有线网络实现方案经历了尖峰和中断，则其也可以是所需的。因此，所描述的多种教授内容可以在经历尖峰和中断的任何网络中实现，作为网络正常操作的一部分。因此，该多种平台和网络实现方案在本发明的范围内，并且本领域的技术人员易于理解和认识关于该多种实现方案的多种实施例。

根据该示例，使用通用移动通讯系统地面无线接入网络(UTRAN)12，具有其自身的TCP接收机16的移动站14在互联网20上链接到TCP发射机18。特别地，移动站14具体地使用基站20与TCP发射机18通信，该基站由UTRAN12中的无线网络控制器(RNC)22控制。这是使用UTRAN12和互联网20的典型的通信系统10的说明。然而，使用TCP连接到网络的任何网络也在考虑范围内。在一个实施例中，所描述的多种教授内容是在无线网络控制器中实现的。依赖于网络和系统的实现方案，还可以使用其他部件实现本发明的多种实施例。结果，根据多种网络和/或网络部件的该多种实现方案在本发明的范围内，但是作为示例，所描述的多种教授内容将基于RNC22中的实现方案。

现在转到图2，示出了根据多种实施例的RNC的控制器电路的框图，并且其通常标为50。通过输入电路52接收数据分组，并且使用比较器电路54将数据分组或者数据分组的跟踪值路由至控制器电路50中的多种部件。在一个实施例中，比较器电路54检查确定先前是否已接收到特定的数据分组。如果是，则比较器电路54立刻将该数据分组路由至输出电路56，该电路又将该数据分组路由至其正确的目标。

对于新的数据分组，比较器电路54可以获得数据分组的到达时间和/或对应于该数据分组的应答分组的指配离开时间，并且将这些值转发到平均值估计器电路58，其保持对数据分组的RTT的跟踪。应答分组还被转发到存储器缓冲器60，其在将应答分组转发到输出电路56之前临时存储应答分组。时间延迟加法器电路62可操作地联接到平均值估计器电路58和存储器缓冲器60。由平均值估计器电路58的输出，估计时间延迟，并且时间延迟加法器62将其添加到应答分组的指配离开时间。具体地，时间延迟加法器电路62自存储器缓冲器60获得应答分组，并且将时间延迟添加到应答分组，随即将其转发到输出电路56，用于同该延迟值一起传输。在一个实施例中，添加的时间延迟还输出到平均值估计器电路58，其使用该添加的时间延迟估计平均变化时间值和平均延迟值。当然，如本领域的技术人员显而易见的，控制器电路50的其他设置和配置也是可用的，并且它们也在所描述的多种教授内容的范围内。

现在转到图3，示出了根据本发明的多种实施例的传输呼叫过程的信号流图，并且其通常标为100。作为示例，数据分组流102开始于TCP发射机18向UTRAN12发送104数据分组，UTRAN12监视和存储106数据分组的到达时间。将数据分组转发108到移动站14，其又被转发110到移动站的TCP接收机16。响应来自TCP发射机18的数据分组，TCP接收机向移动站14发送112对应于接收的数据分组的应答分组，移动站14开始应答分组流114。然后移动站14据此将应答分组转发116到UTRAN12。移动站14和UTRAN12之间的链路可以中断，其可能引起应答分组被短时间地延迟。因此，移动站14根据中断可以重新传输该应答分组，其可能导致空中接口引起的可变延迟118。

在接收到应答分组之后，UTRAN选择性地使应答分组延迟120，以正确地考虑空中接口引起的可变延迟。然后将应答分组连同添加的时间延迟转发122到TCP发射机18。由于时间延迟被添加到应答分组，因此TCP发射机将生成RTT，其不同于可由UTRAN的正常操作导致的突发尖峰，是更加稳定或平稳的。如现有技术中公知的，RTT基于数据分组的到达时间同对应于该数据分组的应答分组的到达时间的差。基本上，添加到应答分组的时间延迟使TCP发射机认为UTRAN正在稳定的吞吐速率下与其通信，结果将不会触发TCP的拥塞协议特征。而且，由于该时间延迟基于基本上所有其他应答分组的系统RTT的平均变化和平均延迟，因此可以考虑RTT引起的真实网络拥塞。因此，当UTRAN中发生真实网络拥塞时，由于平均值不太可能滤除由真实网络拥塞分组引起的尖峰RTT，因此TCP仍能够正确地检测和响应。

现在参考图4，示出了根据本发明的多种实施例的数据分组的接收过程的流程图，并且其通常标为150。如前面提及的，所示出的多种实施例是针对关于RNC22的实现方案配置的。本领域的技术人员能够容易地认识到针对所示出的任何过程的细微替换，以便于适应特定的实现方案。结果，这些过程被呈现用于给出多种教授内容的实际说明。然而，它们不限于所示出的过程，并且其他的实施例，尽管没有具体示出，也在多种教授内容的范围内。而且，由于每个过程与其他过程独立地生效，因此所描述的过程可以同时运行。

在该示例中，该过程开始152于RNC首先确定154是否实际上已接收到数据分组。如果未接收到，则RNC保持检查，直至接收到数据分组。响应数据分组的接收，RNC将数据分组的到达时间存储156在数据结构中，诸如表格或数据库。然后该过程重新循环以保持检查其他的数据分组。

现在参考图5，示出了根据本发明的多种实施例的应答分组的接收过程的流程图，并且其通常标为200。相似地，该过程类似地开始202于确定204RNC是否已接收到应答分组。如果未接收到，则RNC保持检查，直至该过程接收到应答分组。一旦接收到应答，则检查应答分组，以确定206其是否是先前接收的应答分组。换言之，该过程检查察看该应答分组是否仅是先前接收的应答分组的重新传输。如果是，意味着先前已处理过该应答分组，则转发208该应答分组用于传输。否则，将该应答分组缓冲210到存储器缓冲器。

RNC接下来估计212关于应答分组的时间延迟，并且在该实施例中，时间延迟基于至少一个先前传输的应答分组的离开时间。例如，时间延迟可以基于前一次传输的应答分组。在另一实施例中，时间延迟可以基于所有先前传输的应答分组。在该实施例中，时间延迟基于先前传输的应答分组的RTT的平均延迟，这是用于估计时间延迟的许多方法中的一个。时间延迟的一个要点是，通过产生TCP中的稳定的RTT系统，基本上防止TCP的拥塞控制特征基于错误的网络拥塞检测而操作。实际上，用于估计时间延迟的可行方法的数目是无限的，该多种替换实施例对于本领域的技术人员是显而易见的。因此，它们在多种教授内容的范围内。

一旦估计212出时间延迟，则将其添加214到应答分组的指配离开时间。然后基于该时间延迟相应转发216应答分组。由于基于某一时间延迟已转发了另一应答分组，因此将估计218基于或部分基于传输的应答分组的平均延迟值，随后由变化估计220平均变化值。在该实施例中，使用该传输的应答分组的RTT和其他先前传输的应答分组的RTT，获得该平均延迟值和平均变化值。

在现有技术中，在不添加时间延迟的任何调节的情况下简单地转发应答，其不可避免地产生了TCP发射机18视为网络拥塞的延迟变化。结果，TCP发射机18对此延迟变化做出反应，减小传输的吞吐速率。无论是否存在真实的网络拥塞，这均发生。甚至更坏的是，吞吐速率的减小并未减小延迟，实际上阻碍了无线承载的利用。然而，添加的时间延迟能够调节RTT，向TCP发射机18呈现了稳定的传输吞吐量，其有效地防止基于网络拥塞的错误检测而触发TCP的拥塞控制特征。

现在参考图6，示出了根据本发明的实施例的数据分组的接收过程的流程图，并且其通常标为250。图6和7中示出的过程也是RNC的实现方案。为了示出多种教授内容的具体示例，包括了作为示例的具体的数学参数和公式。然而，本领域的技术人员应认识到，其他的数学公式和参数也可用于完成防止TCP发射机的拥塞控制特征的错误触发的过程。

该过程开始252于确定254RNC是否已接收到数据分组。如果未接收到，则该过程保持检查数据分组的到达时间。然而，如果接收256到数据分组，其通常承载特定的序列号(SN)，则接收的数据分组SN的到达时间被设定258为参数t_{data，arrival(SN)}，其是数据分组SN的到达时间记录。参数t_{data，arrival(SN)}被存储260到数据结构，作为数据分组SN到达RNC的时间的记录。该过程重新循环以检查另外的数据分组的接收。

参考图7，示出了根据本发明的实施例的应答分组的接收过程的流程图，并且其通常标为300。该过程开始302于检查确定304在RNC处是否已接收到应答分组。如果未接收到，则该过程重新循环直至实际上接收到应答分组。作为示例，将处理对应于图6中接收的数据分组SN的应答分组。在该情况中，接收306应答分组SN。RNC接下来确定该过程先前是否已接收到应答分组SN，具体地，确定308该应答分组SN的接收媒体序列号是否具有与先前传输的应答分组相同的序列号(例如，SN＝SN_ack，last)。这还将检查是否已处理该特定的应答分组SN。如果是，则将该应答分组SN的离开(t_{ack，departure})设定310为当前时间，这将无延迟地立刻转发应答分组。然后根据t_{ack，departure}，在该情况中其不包括延迟值，转发312应答分组SN。该过程重新循环以检查另外的应答分组。

然而，如果SN不等于SN_ack，last，则使应答分组缓冲314要被估计的延迟值。特别地，基于下式计算和设定316变化值

$\mathrm{Var}=\frac{{\mathrm{Var}}_{t\arg \mathrm{et}}-\mathrm{Va}{r}_{\mathrm{mean}}*\mathrm{\α}}{1-\mathrm{\α}}---\left(1\right)$

其中Var是变化值，Var_target是目标变化值，Var_mean是平均变化值，并且α是预先定义的滤波系数。目标变化Var_target和滤波系数α是预先定义的值，并且Var_mean是计算的所有RTT的变化的平均值，其基于数据分组的到达时间及其对应的应答分组的到达时间(没有添加的延迟)。目标变化Var_target用作平均值，用于产生系统的稳定RTT。基本上，通过替换目标变化值Var_target和目标延迟值Delay_target，在一个实施例中其是预先定义的值，隐藏来自TCP发射机的自然平均延迟和延迟变化。任何这些目标值是可配置的，用于最优地调节特定的系统及其相应的特性。滤波系数α，在一个实施例中其范围为0～1，用于控制“无限冲击响应(IIR)”滤波器。高范围的值可以通过对现有平均值施加更大的权重产生更加稳定的输出，而低的值产生了更快速响应输入变化的平均值。平均变化基于下式

Var_mean＝Var_mean*α+Var*(1-α)    (2)

下一步，比较变化值Var，以确定318其是否小于零。如果变化值Var小于零，则变化值Var被设定320为零，这是因为在该实施例中，变化值Var优选地是非负数值。一旦确保了变化值Var是非负数值，则RNC确定322平均延迟值Delay_mean是否小于目标延迟值Delay_target。目标延迟值Delay_target是预先定义的值，其对于实现方案是特定的。另一方面，平均延迟值Delay_mean是系统中的数据分组及其对应的传输的应答分组的系统RTT的时间延迟的计算的平均值。对于该步骤，在平均延迟值Delay_mean的值中仍未考虑当前接收的应答分组SN。如果平均延迟值Delay_mean不小于目标延迟值Delay_target，则根据下式设定324延迟值Delay

Delay＝Delay_mean-Var   ( 3)

另一方面，如果平均延迟值Delay_mean小于目标延迟值Delay_target，则相反地，根据下式设定326延迟值Delay

Delay＝Delay_mean+Var   ( 4)

一旦设定326了延迟值Delay，则RNC下一步确定328其是否大于基于下式计算的平均值

Delay＝Delay_mean+C(Var_mean)    (5)

其中C是常数。如果是，则根据该式设定330延迟值Delay。如果不是，则根据下式设定332多个参数

t_{ack，departure}＝t_{data，arrival}(SN)+Delay    (6)

Delay_mean＝Delay_mean*α+Delay*(1-α)    (7)

Var_mean＝Var_mean*α+Var*(1-α)    (8)

然后根据新的离开时间转发312应答分组，该新的离开时间包括先前在应答分组到达之后指配给其的离开时间和计算的延迟值。该过程随后重新循环，以检查另外的应答分组。

对于所示出的该多种教授内容，提供了一种新颖的TCP的RTT管理技术。作为所示出的多种教授内容的结果，使由无线网络的正常操作引起的延迟变化稳定，以防止TCP基于网络拥塞的错误检测触发拥塞控制特征。这是因为，TCP看到的是传输延迟的稳定式样，而非中断和尖峰。由于TCP未将稳定延迟解释为网络拥塞，因此将不会错误地触发拥塞控制特征。重要的是，防止TCP的拥塞控制特征的该错误触发，这是因为其不仅没有改善延迟，而且还减小了无线承载的利用。结果，除了增加TCP吞吐量之外，可以在较高的利用率下使用无线承载。

然而，所示出的延迟值的多种实施例也提供了考虑真实网络拥塞的方法。换言之，并非没有必要地过滤真实网络拥塞，其将受益于TCP的拥塞控制特征，并且在多种实施例中考虑该真实网络拥塞。结果，多种教授内容能够在无缝集成到无线网络的正常操作中的同时利用TCP的拥塞控制特征。而且，由于修改了无线网络的特性以同现有的TCP实现方案一同工作，因此实现方案是简单的和非限制性的。因此，允许更加充分地使用无线承载，用于同因特网上的TCP实体连接，而不需要改变这些TCP实体。这将有利地影响常见的关键性能指征，诸如文件传输协议(FTP)下载速率和超文本传输协议(HTTP)加载时间。

本领域的技术人员应认识到，在不偏离本发明的精神和范围的前提下，可以对上文描述的实施例进行广泛的多种修改、替换和组合，并且所有该修改、替换和组合应被视为涵盖于本发明的概念范围内。

Claims (10)

1.一种管理传输控制协议的往返时间的方法，包括：

接收应答分组；

将所述应答分组缓冲到存储器缓冲器中；并且

将时间延迟添加到所述应答分组的指配离开时间。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述时间延迟被选择为至少大体上防止基于网络拥塞的错误检测的传输控制协议的拥塞控制特征。

3.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

跟踪对应于所述应答分组的数据分组的到达时间；以及

将所述数据分组的到达时间存储到数据结构。

4.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

估计由其他应答分组的多个系统往返时间获得的平均延迟值；以及

估计由其他应答分组的所述多个系统往返时间获得的平均变化值。

5.如权利要求1所述的方法，其中将所述应答分组缓冲到存储器缓冲器中进一步包括：

确定先前是否已接收到所述应答分组；

当先前已接收到所述应答分组时，转发所述应答分组；以及

当先前未接收到所述应答分组时，将所述应答分组缓冲到存储器缓冲器中。

6.如权利要求1所述的方法，其中将时间延迟添加到所述应答分组的指配离开时间进一步包括：

基于由其他应答分组的多个系统往返时间获得的平均变化值和由所述应答分组的往返时间获得的分组变化值来估计变化值。

7.一种用于管理传输控制协议的往返时间的装置，包括：

具有应答分组的存储器缓冲器；和

时间延迟加法器电路，其可操作地联接到所述存储器缓冲器，并且具有对于所述应答分组的指配离开时间的添加的延迟值。

8.如权利要求7所述的装置，进一步包括：

平均值估计器电路，可操作地联接到所述时间延迟加法器电路，并且具有由其他应答分组的多个系统往返时间获得的平均延迟值和平均变化值；和

输出电路，其可操作地联接到所述时间延迟加法器电路，该时间延迟加法器电路根据对于所述指配离开时间的添加的延迟值转发所述应答分组。

9.如权利要求7所述的装置，其中所述时间延迟加法器电路包括用于将添加的时间延迟值添加到所述应答分组的指配离开时间的装置。

10.一种管理传输控制协议的往返时间的系统，包括：

传输控制协议发射机；

传输控制协议接收机；和

控制器电路，其可操作地联接到所述传输控制协议发射机和所述传输控制协议接收机，其中所述控制器电路缓冲至少一个来自所述接收机的应答分组，并且将延迟添加到所述至少一个应答分组的指配离开时间，用于传输到所述发射机。

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