CN103618694A

CN103618694A - 基于数字无线电窄带系统的r2udp协议设计

Info

Publication number: CN103618694A
Application number: CN201310545750.2A
Authority: CN
Inventors: 张娟; 蒋和松; 江虹; 陈春梅
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Southwest University of Science and Technology
Priority date: 2013-11-01
Filing date: 2013-11-01
Publication date: 2014-03-05

Abstract

数字无线电窄带系统中R²UDP协议的设计由可靠重传机制和段格式组成。主要包括：(1)窗口机制(2)可选择SBACK(3)智能探测帧PROBE(4)选择性重传机制(5)复位同步机制(6)R²UDP头部(7)数据段(8)SBACK段(9)PROBE段(10)RST段(11)RACK段。本发明解决了数字无线窄带系统中以低优先级传输大量数据的效率问题。本发明涉及的方案主要采用窗口和数据块管理发送缓存、累积ACK确认和选择重传机制增加吞吐量、智能探测帧PROBE获取接收端信息避免拥塞、精简了头部格式和过多的握手信息。

Description

基于数字无线电窄带系统的R2UDP协议设计

技术领域

本发明是一种提高UDP协议在数字无线电窄带系统中传输性能的设计方法，属于无线通信和信息传播技术领域。

背景技术

在数字无线电窄带系统中，某些应用(如：配置文件，更新文件等)需要在空中传输大量的数据，该数据的发生没有一个专门的传输信道，而只能以较低的优先级与其他负载共享信道资源。这些数据在整个传输过程中由于信道速率低，数据丢包率高，而且常被与它共享信道的更高优先级的数据中断，所以传输将花费很长时间并且占用带宽的时间也比较长。

目前实现数据传输的方法主要有TCP传输控制协议和SCTP(Stream Control Transmission Protocol)流控制传输协议，以及UDP用户数据报议。TCP和SCTP协议都是面向连接的，保证了数据的可靠性，但是处理复杂、效率不高、占用资源较多、无法支持海量并发连接；UDP协议采用面向非连接的传输策略，速度快、效率高、可支持海量并发连接，但是存在可靠性差的缺点。而且这些协议主要适用于宽带领域，针对无线电系统窄带传输，则需要设计一个轻量级的、能够有效传输批量数据协议。

本发明是针对DMR(Digital Mobile Radio)应用中的PC端服务器和移动设备之间交换大尺寸配置数据文件设计的。控制站CS(Control Station)是无线电传输网络RAN(RadioAreaNetwork)和有线USB之间连接的数据路由器，它只透明传输不对数据做任何修改。该无线信道RAN具有三个特点：(1)低速率：OTA(OverTheAir)数据率低于9600bps；(2)易干扰：链路质量差；(3)低优先级：传输的配置文件具有较低的优先级，并且和高优先级应用(如：语音呼叫，短信传输)共享信道。系统架构图如图1所示。

在上述无线电系统中，USB链路具有高速且较好的链路质量，因此该传输系统的瓶颈是RAN的OTA链路性能。在两个端节点间的“传输时间”是个重要的参数。该参数受许多因素的影响：(1)由于射频衰减造成固有的无线信道高误码率的特性；(2)不同系统的往返延迟的变化；(3)当移动终端进行语音呼叫，或超过频率范围，或切换频道等，导致传输配置文件的成功率严重下降，传输信道变得不可用。

在无线电窄带系统中，批量数据传输所追求的是较短的传输时间和较少的带宽占用，因为长时间的信道被低优先级的数据应用占用，将影响其他高优先级数据的传输。为了实现这一目标，可在应用层即第七层协议上去实现，将原始的批量数据压缩、分段，传输被设计为“resilience”模式，即仅传输不成功的片段，不需要重新传输所有的数据。以这样的方式，能够节约带宽资源并且缩短整个传输时间。尽管在应用层上做相关处理在一定程度上获得了好处，但性能仍然不理想，主要的原因是每个片段可靠传输的效率较低。因此，需要在底层如传输层上设计一个传输数据更快且消耗的带宽资源更少的传输机制。

本发明针对数字无线电窄带系统点对点文件传输的特定应用，设计了R²UDP(Reduced Reliable UDP)，该协议创新地添加了可选择SBACK(Selective Bundled ACK)和智能探测帧(smart probe)，有效的改善了传输效率并节约了带宽，而且也减少了批量数据对共享信道传输的影响。

发明内容

本发明设计了一个适用于数字无线电窄带系统有效可靠的传输协议——R²UDP协议，该协议在效率和复杂性间达成了平衡。主要特点有：

●保证了每个UDP数据包传输的成功率；

●相比TCP，精简了协议复杂度，如确认拥塞机制和握手信号，从而缩短了传输时间并节约了带宽；

●简单、轻量级并且与已有的UDP协议兼容；

●提供了简化通用的用户API，如socket接口。

一、R²UDP基本原理及包格式

R²UDP是精简的UDP并且与已有的UDP包格式兼容。R²UDP的传输需要Fat发送端和Thin接收端。一个设备可以同时具备全双工发送和接收功能。发送端发送批量数据，主要功能是管理重传机制。接收端接收批量数据并返回ACK表明包成功接收。如图2所示，PC端作为发送端，移动终端作为接收端。传输网络为无线窄带系统。

图3所示为两个对称的数据链路，提供了全双工可靠的信道。每个路径包含了双向的UDP包(数据包和ACK包)，它们彼此间独立。R²UDP封装了有效负载数据连同已有的UDP一起发送，包格式如图4所示。R²UDP主要通过以下机制来提供有效可靠的传输：

√通过窗口和数据块管理发送缓存。只有当前窗口中的数据传输结束后，下一个窗口的数据块才能传输，避免了数据的拥塞。

√通过累积ACK确认和选择重传机制有效的减少了拥塞增加了吞吐量。

√发送端通过智能探测帧Probe获取接收端信息，根据接收的信息判断当前是否发送数据来有效的避免拥塞。

√精简了头部格式和过多的握手信息。

二、可靠传输机制

2.1窗口机制和包序号

如图5所示，缓存被分成多个窗口，每个窗口都有特定的编号且包含若干数据块，同一窗口中的这些数据块都有各自的块编号且共享一个ACK。窗口号和块编号的初始值为0，每成功发送完窗口里面的数据时，窗口号增加一。发送端负责填充窗口和块编号，确保接收端成功接收后才开始新的窗口。窗口号和块号放置在R²UDP的头部，形成了数据块的数据段。窗口的大小根据总的数据多少来确定。如果剩余数据小于以前窗口的大小，比如：仅仅剩余4个数据块，而之前的窗口大小为5，那么发送端将窗口大小更新为4。图5所示为传输2K bytes的数据，窗口大小为3，块大小为256bytes。当第n个窗口的数据传输结束后才开始传输第n+1个窗口的数据。

2.2可选择SBACK

R²UDP假定传输的数据服务是不可靠的，在该背景下R²UDP增加了ACK应答和选择重传机制。如图6所示，ACK是对同一个窗口数据段的捆绑确认。当丢失的数据包到达时，接收端将在累计ACK中更新数据块号。

2.3智能探测帧Probe机制

为了检测丢失的包，发送端在每个窗口使用重传定时器。定时器能够根据一个包的传输时间和段的数量来设定。当一个窗口的确认包被接收时，取消该窗口的定时器。如果确认帧丢失或到达前窗口计数器已经超时，这时发送Probe帧，接收端回复一个SBACK帧来区分窗口号和数据块，如图7和8所示。

2.4选择性的重传

如图9所示，发送端发送一个窗口的数据块，当接收端收到该窗口的所有数据块后，回复一个SBACK帧。如果有帧丢失，接收端会一直等待丢失帧的到来，或是发送端重传定时器超时而收到Probe探测帧后回复一个SBACK帧。发送端只需要重传丢失的包然后等待SBACK。

2.5复位同步机制

如图10所示，在第一次传输数据的时候需要复位数据路径。发送端负责发送一个RST复位信号，在收到该信号后，接收端放弃未发送完成的窗口，并且回复一个RACK信号表示当前信道可用。在收到数据段后更新窗口号。

三、段格式

3.1R²UDP头部

R²UDP的头部定义成如下形式。

OPC

操作码：0x1-RST，0x2-RACK，0x3-DATA，0x4-SBACK，0xF-PROBE。

WS

窗口大小：0～7-表示窗口的1～8段。

WN

窗口编号：0～63，每成功数传输结束后窗口号加一。在RTS复位后，窗口从0开始编号。

SN

段号：0～7表示窗口的1～8号。

Payload

如果OPC=0x3，表示该段为数据段。

如果OPC=0x4，表示SBACK段，对应1byte的大小。Bit0～7表示窗口的1～8段的状态，0-未接收，1-已接收。

R

保留位，默认为0。

3.2数据段

该段被用来数据传输，仅仅发送端使用。

3.3SBACK段

该段表示窗口中的哪个块被接收。当窗口的所有块被接收或者收到一个Probe帧时，该段被接收端接收。

3.4PROBE段

该段是为了检测窗口中接收到的段。当定时器超时时该段被发送端使用。

3.5RST段

该段是为了复位数据路径，在第一次传输之前由发送端发起复位操作。

3.6RACK段

该段是用来复位确认段的，当接收RST帧后由接收端发起该操作。

附图说明

图1描绘DMR应用的系统框图；

图2描绘R²UDP协议栈结构图；

图3描绘全双工通信的对称逻辑可靠链路结构图；

图4描绘R²UDP包格式图；

图5描绘R²UDP发送利接受端的窗口传输机制示意图；

图6描绘窗口大小为3的情况下传输数据和应答帧正常的示意图；

图7描绘窗口大小为3的情况下应答帧丢失的重传机制示意图；

图8描绘窗口大小为3的情况下应答帧延时接收的重传机制示意图；

图9描绘窗口大小为3的情况下数据段丢失的重传机制示意图；

图10描绘开始传输前的复位数据路径图。

具体实施方式

1、数据段未丢失和延时

接收端接收了窗口的所有段并及时回复了SBACK，这是最简单的一种情况。

2、数据段丢失

接收端收到SBACK帧后，表示哪些段被接收，发送端重传丢失的段。

3、SBACK段丢失

当接收端发送的SBACK帧丢失时，发送端发送Probe帧，接收端重新发送SBACK帧。

4、SBACK段延时的通信

当发送端发送的SBACK帧超时时，发送端发送PROBE帧查询上一次传输的结果

由于‘7’中的SBACK帧和‘4’中的是一样的，如果发送端接收到‘4’中的SBACK帧后，接收的‘7’中的SBACK帧将丢失。

5、数据段丢失情况下SBACK段延时的通信

数据段丢失，发送端一直等待直到超时，发送端发送PROBE帧，接收端发送SBACK帧后，发送端重传丢失的数据段，SBACK帧发生延时后，重复前面第4种情况下SBACK段延时的过程。

‘12’中的SBACK帧是‘9’的复制.如果发送端接收到‘9’中的SBACK帧后，接收的‘12’中的SBACK帧将丢弃。

6、SBACK帧丢失情况下SBACK延时接受的通信

当接收端发送的SBACK帧丢失时，在等待超时后，发送端发送Probe帧，接收端重新发送SBACK帧。SBACK帧发生延时后，重复前面第4种情况下SBACK段延时的过程。

‘10’中的SBACK帧是‘7’的复制，如果发送端接收到‘7’中的SBACK帧后，接收的‘10’中的SBACK帧将丢弃。

7、发送端复位

当发送端复位时，发送RST复位帧，窗口号复位为1。

Claims

1.一种支持在数字无线电窄带系统中批量数据传输的R²UDP协议。其特征包括：面向无线电窄带系统的特定应用；在节约带宽和避免系统拥塞的同时增加了吞吐量；是一种底层传输协议，与已有的UDP包格式兼容；可作为TFTP底层传输协议，从而扩展该应用的使用范围；一个端点可同时拥有发送和接收功能的全双工的可靠传输；发送端基于UDP包发送批量数据关键是流量控制机制，接收端收到数据后返回确认帧，以确保数据包被成功接收；

在数字无线电窄带系统中，R²UDP的传输主要步骤如下：

-发送端将UDP数据分组成多个连续的块窗口，

-发送端发送窗口数据块或PROBE帧，启动重传定时器并等待确认信号，

-接收端通过回复ACK包表示哪些数据包被成功接收，

-发送端根据ACK信息，重传丢失的数据包或者重传下一个窗口的数据块，并复位重传定时器。

2.如权利要求1所述，在发送窗口数据块的步骤中，这些数据块是发送窗口未确认的是数据块，可以是连续的也可以是离散的。

3.如权利要求1所述，发送PROBE帧的步骤，该步骤发生在发送端未收到ACK确认帧直到超时重传。

4.如权利要求1所述，回复ACK确认包的步骤，该步骤发生在一个窗口的所有数据包被接受或者接收到一个PROBE时，接收端立即回复。

5.如权利要求1所述，重传定时基于未确认包的数量动态设置，定时器随着窗口内等待确认的包数量的增加而缩短。

6.如权利要求1所述，当开始传输数据的时候，发送端需要复位窗口和块号以便清除接收端过去的数据。

7.如权利要求2所述，窗口号和块号设置成2byte的头部。

8.如权利要求3所述，PROBE帧包是2byte，发送端为了检测上次传输的信息实现重传。

9.如权利要求4所述，ACK帧只需3byte，但携带了一个窗口中任意数据包成功接收与否的信息。

10.如权利要求1所述，R2UDP可作为TFTP的底层传输协议，并与现有的TFTP协议兼容。