CN102801502B

CN102801502B - Lte及lte-a系统中基于red算法的丢包方法

Info

Publication number: CN102801502B
Application number: CN201210318818.9A
Authority: CN
Inventors: 于启月; 郑艺
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2032-08-31
Also published as: CN102801502A

Abstract

LTE及LTE-A系统中基于RED算法的丢包方法，涉及一种丢包方法。为了解决时延敏感数据流在LTE系统及LTE-A系统RLC层缓存中因拥塞甚至缓存溢出而导致的长时间等待的延时问题。通过改变LTE系统及LTE-A系统中的定时器DiscardTimer的设定值及对缓存中瞬时队列长度与较小门限Qmin和较大门限Qmax比较来控制和实现丢包。概率P具有的随机性用来保证丢包的随机性和公平性，概率P随机性有利于算法避免连续丢包。用于实现LTE及LTE-A系统中的丢包。

Description

LTE及LTE-A系统中基于RED算法的丢包方法

技术领域

本发明涉及一种丢包方法，特别涉及一种LTE及LTE-A系统中基于RED算法的丢包方法。

背景技术

第三代合作伙伴计划（3^rdGeneration Partnership Project,3GPP）标准组织在2004年便启动了第三代（the3^rdGeneration,3G）长期演进（Long Term Evolution,LTE）和系统架构演进（System Architecture Evolution,SAE）两大研究与标准化工作计划。作为LTE的其中一个子层，无线链路控制（Radio Link Control,RLC）子层负责对到达的RLC业务数据单元（Service Data Unit,SDU）分段或级联。RLC实体提供透明模式（Transparent Mode,TM）、非确认模式（Unacknowledged Mode,UM）和确认模式（Acknowledged Mode,AM）。在这三种模式中，UM RLC负责承载延时敏感数据流。

实际情况中，由于无线接口即空口处的有效传输速率通常小于网络接口传输速率，在空口处便容易发生拥塞，特别是在存在小区切换的情况下。此时，由于RLC层需要做大量的数据处理，并且存在因信道等原因导致数据（RLC SDUs）在RLC层等待MAC层的分段或级联指示，使得RLC层缓存中容易出现拥塞甚至缓存溢出现象。这两种情况都会导致长时间排队延时，从而进一步影响UM RLC的性能。

对于此问题的处理，现有方法可以大致归为两种。

一种是系统提供一种基于队尾丢弃的丢弃机制。即，当出现拥塞或缓存溢出时，并不根据任何具体情况，只简单地丢弃后到来而无处可放的数据包。这种丢弃机制只能对已经出现的拥塞或缓存溢出情况进行处理。并且由于对队尾和新到来且无处处理的数据包进行连续丢弃，极容易造成时间敏感的数据流的服务质量无法保证，增加中断概率，从而大大降低系统的吞吐量。

另一种是基于定时器或时间戳对数据包进行丢弃。这种方法通过对定时器阈值的设定，可以起到提前预防缓存溢出和拥塞的作用。但时间的具体设定往往是非自适应的，不能很好地适应多变的网络状况。并且定时器和时间戳的携带会影响数据传输效率，造成一定的资源浪费。此方法也不能避免连续丢包的情况。而对于对延时敏感的数据流（如IP语音数据流）来说，连续丢包会对系统的服务质量及系统容量造成巨大影响。

另一方面上，现如今关于网络拥塞控制的研究已经很深入了，着重在传输层中，以保持系统高吞吐量和低延时为目的。而随机早期检测算法（Random Early Detection,RED）是最有名的拥塞控制算法之一。

RED算法最初设计的目标是能提供避免全局同步和对突发流偏见的拥塞避免。大量研究表明RED算法在避免拥塞方面的性能非常显著。然而，RED算法最初设计实施在传送控制协议/因特网协议（Transport Control Protocol,TCP/IP）层，算法性能受该层所具有的窗口控制机制影响较大。这与UM RLC实体所处环境十分不同。后者因为主要为延时敏感数据流提供承载，故通常与用户数据包协议/因特网协议（User Datagram Protocol,UDP/IP）层相承。而UDP/IP层并不提供窗口控制机制，因此，RED算法并不直接适用于UM RLC实体。又由于RED算法最早提出应用于网关这一多发网络突发等状况的复杂网络环境，因而RED算法中涉及到避免全局同步和对突发数据流偏见等具体目标。但在较网关来说网络环境相对较平稳的UM RLC实体中，这些目标并不适用。故而RED算法为达到这些目标所带来的复杂性对UM RLC实体来说并不具有实际意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决时延敏感数据流在LTE系统及LTE-A系统RLC层缓存中因拥塞甚至缓存溢出而导致的长时间等待的延时问题，本发明提供一种LTE及LTE-A系统中基于RED算法的丢包方法。

本发明的LTE及LTE-A系统中基于RED算法的丢包方法，它包括如下步骤：

步骤1：当一个数据包到达一个UM RLC实体时，计算到达所述传输实体的缓存队列的数据包数目，该数据包数目为所述缓存队列的瞬时队列长度；

步骤2：若步骤1中所述的瞬时队列长度小于较大门限Qmax且大于或等于较小门限Qmin，转入步骤6；否则转入步骤3；

步骤3：如果所述瞬时队列长度大于或等于较大门限Qmax，则转入步骤7，否则转入步骤4；

步骤4：判断定时器DiscardTimer的设定值是否为T，若为T则转入步骤5；若不为T则将其置为T，转入步骤5；

步骤5：将步骤1中所述数据包放入传输实体的缓存队列中，对丢包间隔的时间参数Interval加1，转入步骤1，等待下一个数据包；

步骤6：若所述的瞬时队列长度大于分级门限则执行步骤8；否则执行步骤9；

步骤7：丢弃步骤1中所述的数据包，并将丢包间隔的时间参数Interval清零，转入步骤6；

步骤8：将定时器DiscardTimer的设定值设定为T/b，转入步骤10；

步骤9：将定时器DiscardTimer的设定值为T/a，转入步骤10；

步骤10：如果所述瞬时队列长度大于或等于较大门限Qmax，则转入步骤1，等待下一个数据包，否则转入步骤11；

步骤11：若丢包间隔的时间参数Interval小于设定的参数Count，则转入步骤5；否则，转入步骤12；其中，丢包间隔的时间参数Interval的初始值为0；

步骤12：以概率P丢弃步骤1中所述的数据包，对丢包间隔的时间参数Interval清零，转入步骤1，等待下一个数据包，所述概率P为随机产生的0到1之间的随机数；

所述较大门限Qmax的大小为小于或等于该方法所处系统的缓存的大小，所述较小门限Qmin的大小范围为：0≤Qmin≤1/3Qmax。

本发明的有益效果为：通过改变LTE系统及LTE-A系统中的定时器DiscardTimer的设定值及对缓存中瞬时队列长度与较小门限Qmin和较大门限Qmax比较来控制和实现丢包。概率P具有的随机性用来保证丢包的随机性和公平性，概率P随机性有利于算法避免连续丢包；在仿真验证中，由仿真数据可得出本发明的丢包方法较队尾丢弃方法可以减小时延敏感流的数据包的排队时延并且对忙碌链路有更好的适应性。而尽管本发明的丢包方法的丢包率高于队尾丢弃方法，但本发明的丢包方法表现得性能更稳定并且能在一定程度上避免连续丢包，这一点对语音流等时延敏感流十分重要。

附图说明

图1为本发明所述的LTE及LTE-A系统中基于RED算法的丢包方法的流程图。

图2为归一化的仿真时间为25时，LTE系统分别采用现有的队尾丢弃方法和本发明的丢包方法获得的丢包率和平均等待的延时随丢包概率P变化的曲线对比示意图。

图3为丢包概率P为0.3时，LTE系统分别采用现有的队尾丢弃方法和本发明的丢包方法获得的丢包率和平均等待的延时随仿真时间t变化的曲线对比示意图。

图4为LTE系统分别采用本发明的丢包方法在Count＝0和Count＝3两种情况下和现有的队尾丢弃方法随丢包间隔的时间参数Interval的累积分布函数。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的LTE及LTE-A系统中基于RED算法的丢包方法，它包括如下步骤：

步骤8：将定时器DiscardTimer的设定值设定为T/b，转入步骤10；

步骤9：将定时器DiscardTimer的设定值为T/a，转入步骤10；

所述较大门限Qmax的大小为小于或等于该方法所处系统的缓存的大小，所述较小门限Qmin的大小范围为：0≤Qmin≤1/3Qmax。本实施方式中设置有两个门限，较大门限Qmax和较小门限Qmin，用于对队列长队进行判断及对拥塞状况进行预估。通常较大门限Qmax设置为小于等于缓存的大小，较小门限Qmin最大设置为1/3Qmax。具体设置值可根据需要算法在实际系统中发挥作用强度设置。本实施方式通过对较小门限Qmin的设置，实现对拥塞的预防，进而避免较长时间的排队延迟。当瞬时队列长度大于较小门限Qmin时，本实施方式发挥作用，开始以一定的概率P丢弃到达包；而当瞬时队列长度等于较大门限时，对所有之后到达的包进行丢弃，此时等同于队尾丢弃。因此，只有当瞬时队列长度在较小门限Qmin和较大门限Qmax之间时，本实施方式发挥作用。实际系统中，缓存大小往往是固定的，即较大门限根据实际情况固定。此时，较小门限Qmin设置值越小，本实施方式发挥地越积极，即较小门限Qmin与较大门限差距越大，本实施方式功能强度越大；

本实施方式中设有一个表示丢包概率的参数P。该参数值为随机产生的0到1之间的随机数。本实施方式中当瞬时队列长度在两个门限之间时，以该概率P提前丢包以避免拥塞和长时间延时。概率P具有的随机性用来保证丢弃的随机性和公平性，另一方面，其随机性有利于算法避免连续丢包；

本实施方式中设有一个表示丢包间隔的时间参数Interval；

LTE中，RLC层之上的分组数据汇聚协议层（Packet Data Convergence Protocol,PDCP）通过使用一个定时器DiscardTimer实现丢弃功能。当PDCP实体从高层接收到一个PDCP SDU，一个对应的定时器DiscardTimer就会启动。定时器根据接收数据的服务质量（Quality of Service,QoS）要求对定时时间进行设定，设定由无线资源控制协议层（Radio Resource Control,RRC）控制。根据这个定时器，当定时器溢出但定时器对应的PDCP SDU仍未被接收时，该PDCP SDU将会被丢弃。较小的定时器DiscardTimer设定值可以减小排队等候传输的PDCP PDUs的数量，即，可以减少到达RLC实体的RLC SDUs的数量，进而可以将拥塞程度控制到一定的范围内；

根据LTE系统中PDCP实体这个固有的功能，在不增加额外负担的情况下提出一种跨层丢包方法；瞬时队列长度大于较小门限时，代表其探测到产生拥塞的可能，开始以概率P丢包，此时RLC实体可以在向RRC层发送的反馈信息中采用携带或者单独发送信息通知RRC层减小PDCP层定时器DiscardTimer的定时设定值，直到瞬时队列长度小于较小的门限，此时停止丢包，表示拥塞被解决或被成功预防。

DiscardTimer的初始设定值可依照协议设置，本实施方式中设置为T。本实施方式中根据瞬时队列长度可以为预防的拥塞程度分级，本实施方式将预防的拥塞程度分为两级，实际中也可根据系统灵敏程度进一步分级。拥塞程度的分级产生了分级门限。当拥塞程度分有n级时（n为整数），产生n-1个分级门限。分级门限用来界定拥塞程度的分级，数值为大于零小于最大和最小门限的差值。系统对拥塞承受能力越大或允许延时越大，分级门限值可设越大。反之则越小。即，n取值与系统的最大允许延时和缓存大小有关。本实施方式对于上述假设的两级拥塞程度系统设定分级门限

每个预防的拥塞程度的分级分别对应不同的定时器DiscardTimer的设定值，低的拥塞程度对应大的定时器DiscardTimer的设定值。通过这种方式来控制队列长度不同时期或拥塞程度不同的情况下每个数据包的生存时间。按照上述所设之两级拥塞程度的假设，定时器DiscardTimer对应有两个不同的设定值，T/a和T/b。T/a对应较低拥塞程度，T/b对应较高拥塞程度；a＜b，a和b皆为大于1的实数。

在网关拥塞控制中，RED算法通常与传输控制协议（Transmi ssion ControlProtocol,TCP）窗口控制联合使用。但时延敏感数据流通常使用没有窗口控制机制的用户数据包协议（User Datagram Protocol,UDP），这使得目前并没有RED算法联合UDP的应用。因此基于RED算法，结合LTE及LTE-A系统的结构提出一种跨层联合丢包方法。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的LTE及LTE-A系统中基于RED算法的丢包方法的进一步说明，根据系统能承受的最大平均延时、系统能承受的最大丢包率和系统的设定吞吐量对所述较小门限Qmin的大小进行设定。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的LTE及LTE-A系统中基于RED算法的丢包方法的进一步说明，参数Count为大于或等于零的实数，根据LTE系统及LTE-A系统针对不同数据流对丢包率和连续丢包率的要求确定参数Count。

Count值设定为大于等于零的实数，Count值的设定得越小，其避免连续丢包的效用越小；当Count值设置为零时，其效用为零。但对于LTE系统及LTE-A系统，Count的最大效用是固定的，Count值越大LTE系统及LTE-A系统的丢包率越大，根据系统的实际需求来确定Count的值。我们通过一些仿真来证明本发明的效益。

该仿真中首先设定在一个有一定程度拥塞的系统中。设定到达一个UM RLC实体的数据包服从均值为10包的泊松分布。LTE系统每单位时间内处理能力为8包。由于本发明的主要目标是减小平均排队延时，设定较大门限Q_max为6倍较小门限Qmin，以给本发明的丢包方法的发挥留下充分的空间。仿真过程中选择队尾丢弃方法作为对比方法。LTE系统仿真条件如表1所示。

表1.系统仿真条件

仿真时间为25时，队尾丢弃方法和本发明的丢包率和平均等待的延时随丢包概率P变化的示意图，如图2所示。平均等待的延时为多次单位时间内的平均等待的延时。

从图2可以很显然地看出，本发明的丢包方法较队尾丢弃方法提供较低的平均等待的延时。本发明的丢包方法的平均等待的延时随着丢包概率P增大而减小，相反，丢包率随其增大而增大。由此可看出，本发明的丢包方法在减小等待的延时的良好性能的代价是一定程度地增大丢包率。图2中当P值在0到0.5时，本发明的丢包方法的平均等待的延时有剧烈下降。当P为0.3时，本发明的丢包方法的平均等待的延时基本为队尾丢弃方法的一半。本发明的丢包方法显然较队尾丢弃方法在减少排队延时方面提供了更好的性能。而对于UM RLC实体来讲，延时性能较丢包率更重要。

根据图2的仿真结果，考虑到丢包率不可过高，选定P为0.3。图3表示，丢包概率P为0.3时，，随仿真时间t变化的队尾丢弃方法和本发明丢包方法的丢包率和平均等待的延时。图3中Y轴的定义与图2的相同。从图3中我们可以看出，本发明的丢包方法的平均等待的延时一直低于队尾丢弃方法。进一步，随着持续时间的增加，前者的增长速度慢于后者，这说明本发明的丢包方法较队尾丢弃方法对长期忙碌链路有更好的适应性。而尽管本发明的丢包方法的丢包率高于队尾丢弃方法的丢包率，但本发明的丢包方法的表现得性能更稳定。并且，对于像VoIP（Voice overInternet Protocol，网络电话）这样的延时敏感数据流，丢包率的稳定性很重要。图3中可以看出，在统计时间为25左右时，本发明的丢包方法和队尾丢弃方法在平均等待的延时上的差距最大。

图4为队尾丢弃方法和本发明的方法在Count＝0和Count＝3的情况下的丢包间隔Interval的累积分布函数；每个结果是4次仿真的均值。

间隔值为0时表示产生了连续丢包情况。图4中显示Count参数设定为0时本发明的方法连续丢包的概率已然比队尾丢弃方法的小了。由此可以得出，本发明的丢包方法在避免连续丢包方面的性能比队尾丢弃方法好。图4中还可以看出Count值为3的时候可以得到最小的连续丢包概率。

Claims

1.LTE及LTE-A系统中基于RED算法的丢包方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：当一个数据包到达一个UM RLC实体时，计算到达UM RLC实体的缓存队列的数据包数目，该数据包数目为所述缓存队列的瞬时队列长度；

步骤4：判断定时器DiscardTimer的设定值是否为初始设定值T，若为初始设定值T则转入步骤5；若不为初始设定值T则将其置为初始设定值T，转入步骤5；

步骤5：将步骤1中所述数据包放入UM RLC实体的缓存队列中，对丢包间隔的时间参数Interval加1，转入步骤1，等待下一个数据包；

步骤8：将定时器DiscardTimer的设定值设定为T/b，转入步骤10；

步骤9：将定时器DiscardTimer的设定值设定为T/a，转入步骤10，T/a对应较低拥塞程度，T/b对应较高拥塞程度；a<b，a和b皆为大于1的实数；

2.根据权利要求1所述的LTE及LTE-A系统中基于RED算法的丢包方法，其特征在于，根据系统能承受的最大平均时延、系统能承受的最大丢包率和系统的设定吞吐量对所述较小门限Qmin的大小进行设定。

3.根据权利要求1所述的LTE及LTE-A系统中基于RED算法的丢包方法，其特征在于，参数Count为大于或等于零的实数，根据LTE系统及LTE-A系统针对不同数据流对丢包率和连续丢包率的要求确定参数Count。