CN107493260B - 用于数据传输的自适应段尺寸的装置、系统和方法 - Google Patents

用于数据传输的自适应段尺寸的装置、系统和方法 Download PDF

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Abstract

本文描述了一种用于数据传输的自适应段尺寸的装置、系统和方法。方法可包括：在用户设备(“UE”)处识别数据段的当前尺寸设置以用于通过网络进行通信(例如，传输控制协议(“TCP”)最大段尺寸(“MSS”))；接收当前物理层状况；接收历史数据，以及基于当前物理层状况和历史数据中的至少一者来调节当前尺寸设置。

Description

用于数据传输的自适应段尺寸的装置、系统和方法
背景技术
在通信网络内，传输控制协议(“TCP”)是一种定义用于创建并保持网络会话以允许应用程序交换数据的方式的标准。TCP与互联网协议(“IP”)一起协作，该互联网协议限定计算机设备相互传输数据包的方式。因此，TCP和IP协议限定对互联网进行限定的基本规则。更具体地，在运行在通过IP网络进行通信的主机上的应用程序之间，TCP提供对数据流的可靠的结构化的纠错递送。重要的互联网应用程序诸如web浏览器、电子邮件、远程管理和文件传送依靠TCP通信。
通过在网络模式的传输层处提供主机到主机连通性，TCP在应用程序和互联网协议之间提供中间水平的通信服务。TCP可被描述为面向连接的协议，由此使得创建并保持连接直到每端处的应用程序已完成交换消息。TCP确定应用数据细分为分组的方式，使得网络可将分组传输至网络层并从网络层接受分组。TCP还管理流控制并处理丢失分组的重传，以及所有分组的确认，以减少数据传输错误。
如上所述，TCP从数据流接受数据，将其划分为较小部分并添加标头，从而创建TCP段。然后将TCP段封装成IP数据报并与对等设备进行交换。最大段尺寸(“MSS”)为TCP希望在单个段中接收的最大数据量，如以字节指定的。TCP MSS选择通常在握手操作期间执行，其中MSS在TCP连接被创建的情况下由每一方使用MSS选项来宣告。该TCP MSS可源于发送方和接收方直接附接到的网络的数据链路层的最大传输单元(“MTU”)尺寸。
在TCP的当前具体实施中，不考虑功率和带宽约束来设定TCP MSS值。在被施加在链路预算有限设备和/或功率有限设备时，这可能产生潜在破坏性后果。
发明内容
本文描述了一种用于数据传输的自适应段尺寸的装置、系统和方法。方法可包括：在用户设备(“UE”)处识别数据段的当前尺寸设置以用于通过网络进行通信(例如，传输控制协议(“TCP”)最大段尺寸(“MSS”))；接收当前物理层状况；接收历史数据，以及基于当前物理层状况和历史数据中的至少一者来调节当前尺寸设置。
本文还描述了一种包括处理器和具有被存储在其上的程序的非暂态存储器的用户设备(“UE”)装置。此外，执行程序使得处理器执行操作，该操作包括：识别数据段的当前尺寸设置(例如，TCP MSS)以用于通过网络进行通信；接收当前物理层状况；接收历史数据；以及基于当前物理层状况和历史数据中的至少一者来调节当前尺寸设置。
本文还描述了一种集成电路，该集成电路包括用于识别数据段的当前尺寸设置以用于通过网络进行通信的电路，其中该电路进一步接收当前物理层状况和历史数据，并且其中该电路基于当前物理层状况和历史数据中的至少一者来进一步调节当前尺寸设置。
附图说明
图1示出了用于描述延迟作为增大的发送速率的函数的指数曲线的示例性图示。
图2示出了根据本文所述各种实施方案的利用用于数据传输的自适应段尺寸(诸如TCP MSS)的移动设备(诸如UE)。
图3示出了根据本文所述各种实施方案的利用用于数据传输的自适应段尺寸(诸如TCP MSS)的示例性流程图。
图4示出了根据本文所述各种实施方案的利用用于数据传输的自适应段尺寸(诸如TCP MSS)的示例性方法。
图5示出了根据本文所述各种实施方案的描述由于平滑化往返时间(“RTT”)导致的自适应MSS的增益的示例性数据表。
图6示出了描述在不利用自适应MSS系统的情况下的数据的TCP RTT的示例性图示。
图7示出了描述在利用根据本文所述各种实施方案的自适应MSS的情况下的数据的TCP RTT的示例性图示。
具体实施方式
参考以下描述和附图可进一步理解示例性实施方案，其中类似的元件利用相同的参考标号来指代。示例性实施方案描述了用于数据传输的自适应段尺寸的装置、系统和方法。应当指出的是，尽管本文所述的示例性实施方案涉及调节无线网络(诸如蜂窝网络)中的当前传输控制协议(“TCP”)最大段尺寸(“MSS”)设置，但也可使用任何类型的通信网络并且系统和方法并不限于通过蜂窝网络来调节TCP MSS设置。
本领域的技术人员将理解用于TCP MSS选择的当前方法通常在握手操作期间执行。例如，在Web服务器向客户端发送HTML文件时，其使用HTTP协议来进行此操作。该HTTP程序层请求TCP层建立连接并发送文件。该TCP堆栈将文件分成分组，对分组进行编号，并且然后将分组单独地转发给IP层以用于递送。尽管传输中的每个分组将具有相同的源IP地址和目的IP地址，但分组也可沿多个路径发送。客户端计算机(例如，接收设备)中的TCP程序层等待直到所有分组已到达，然后确认所接收的分组并对未接收到的任何分组(例如，基于丢失的分组编号)请求重传，然后将分组装配成文件并将该文件递送至接收应用程序。
在无线网络内，可在基站(“BS”)和用户设备(“UE”)之间握手。例如，为了创建连接，这些设备中的每个设备可向其他设备发送“SYN”(同步消息)形式的反馈，并从其他设备接收“ACK”(确认消息)。因此，在反馈循环期间，可存在在设备之间传送的四条控制消息。然而，在一条消息可同时传送SYN和ACK的情况下，在独立的消息中发送SYN和ACK是很低效的。因此，在处于连接创建的正常事件序列中，SYN中的一个SYN和ACK中的一个ACK可通过在SYN+ACK消息中设置该两个相关比特来发送。这便形成总共三条消息，并且连接程序可被称为三路握手。
此外，本领域的技术人员将理解，针对发送信号花费的时间长度以及针对确认接收该信号花费的时间长度可被称为往返时间(“RTT”)或往返延时。较短RTT是有利的，因为其确保对网络中的任何变化的更快的响应时间并且发送方更快适应以应对这些变化。
如上所述，TCP处理在传输层的所有握手和传输细节并向应用程序呈现网络连接的概略方案。最大段尺寸(“MSS”)可指TCP希望在单个TCP段中接收的最大数据量，如以字节指定的。例如，典型TCP中的TCP段可为1400字节-1500字节的规模。MSS可被设置得足够小以避免可能导致分组丢失和过度重传的IP分片。在创建TCP连接的情况下，每一方可在握手期间宣布TCP MSS。具体地，TCP MSS可源于发送方设备和接收方设备直接附接到的网络的数据链路层的最大传输单元(“MTU”)尺寸。
根据设备类型及其能力，该方法引起对最终用户以及网络运营商的限制。例如，通常在设置中选择和使用TCP MSS值，在这些设置中连接设备上的功率和带宽并非为约束。然而，在被施加于链路预算有限设备(例如，可穿戴计算设备)的情况下，这些典型TCP MSS值可具有巨大影响。
本领域的技术人员将理解，在通信系统中，链路预算考虑从发送设备通过链路到接收设备的所有增益和损耗。该链路预算可考虑由于传播以及天线增益、馈线和杂项损耗所导致的传输信号的衰减。添加某一余量可将随机变化的信道增益(如衰减)根据其影响的预期严重程度考虑进来。因此，典型链路预算公式可按传输功率加上增益减去损耗来计算接收功率值(例如，以分贝为单位)。
由于硬件和/或软件限制(例如，天线尺寸、处理能力、电池尺寸等)，链路预算有限设备(诸如可穿戴通信设备)可具有较低传输功率。因此，此类设备中的用于TCP通信的RTT可符合延迟的作为增大的发送速率的函数的指数曲线，如图1的图示100所示。此类延迟可导致使TCP反馈循环暂缓并重试分组的可能的TCP暂停。这些重传继而可导致其中新的数据位于设备队列中覆盖旧的过期数据的状况。每个因素导致这些链路预算有限设备对性能的进一步的劣化。
如下文将更详细描述的，示例性系统和方法可基于网络观察参数来实现自适应MSS机制。该网络观察参数可包括但不限于射频(“RF”)测量、基于授权的测量、基于延时的测量等。除当前物理层状况之外，自适应MSS机制还可将关于MSS选择的历史信息考虑在内。因此，TCP栈可利用这些指示符和历史数据基于每个流基础来动态地调节和重新调节MSS设置。
图2示出了根据本文所述的各种实施方案的利用用于数据传输的自适应段尺寸(诸如TCP MSS)的移动设备(诸如UE 200)。UE200可代表被配置为执行本文所述的无线功能的任何电子设备。因此，UE 200可为便携式设备，诸如智能手机、平板电脑、平板手机、膝上型电脑、可穿戴设备等。在另一个示例中，UE 200可为客户端静止设备，诸如台式计算机终端。UE 200可被配置为执行无线通信，诸如蜂窝功能和/或WiFi功能。
UE 200可包括处理器205、存储器布置210、显示设备215、输入/输出(I/O)设备220、收发器230、以及其他部件235。其他部件235可包括例如音频输入设备、音频输出设备、电池、数据采集设备、用于将UE 200电连接到其他电子设备的端口等。该处理器205可被配置为执行UE 200的多个应用程序。
应当指出，上面提到的每个由处理器205执行的应用程序(例如程序)仅是示例性的。还可将与应用程序相关联的功能表示为UE 200的独立的结合部件或者可为耦接到UE200的模块化部件，例如，具有或没有固件的集成电路。此外，在一些UE中，将针对处理器205描述的功能在两个处理器之间拆分，即基带处理器和应用处理器(“AP”)。可以UE的这些或其他配置中的任何配置来实施示例性实施方案。
该存储器210可以是被配置为存储与由UE 200执行的操作相关的数据的硬件部件。具体地，该存储器210可存储与各种应用程序相关的数据。该显示设备215可为被配置为向用户显示数据的硬件部件，而I/O设备220可为使得用户能够进行输入的硬件部件。应当注意，显示设备215和I/O设备220可为单独部件或集成在一起诸如触摸屏。
UE 200可被配置为直接与一个或多个网络诸如LTE网络、传统无线接入网络(“RAN”)、WiFi网络等进行通信。本领域的技术人员将理解，示例性传统RAN可包括电路交换网络，例如GSM、UMTS、CDMA、1xRTT、1x等。对于示例性实施方案，UE 200可与LTE RAN创建连接，以除其他功能之外，执行数据传输、语音通话并与LTE网络交换SMS消息。
收发器230可为被配置为发送和/或接收数据的硬件部件。即，收发器230可基于网络的工作频率直接或间接地通过一个或多个网络来实现与其他电子设备的通信。收发器230可工作在各种不同的频率或信道(例如，一组连续频率)上。因此，与收发器230耦接的一个或多个天线(未示出)可使得收发器230能够在LTE频带上工作以及通过WiFi网络工作。
图3示出了根据本文所述各种实施方案的利用用于数据传输的自适应段尺寸(诸如TCP MSS)的示例性流程图300。图2的示例性UE 200可执行流程图300所示的动作。例如，该处理器205和/或UE 200内的其他电路(例如，集成电路)可执行本文所述的动作。另选地，网络的其他部件诸如基站也可执行这些动作，使得用于数据传输的自适应段尺寸基于来自其他部件的数据来设定。换句话讲，基站可确定UE 200为链路预算有限的设备并基于状况和/或历史数据来执行流程图300的动作，以通知UE 200该TCP MSS尺寸设置。
如上所述，该示例性实施方案允许基于所观察的网络参数和历史网络参数的自适应MSS机制。这些参数可包括但不限于基于RF的测量310(例如，接收信号强度指示符(“RSSI”)、信道质量指示符(“CQI”)等)、基于授权的测量320、和基于延时的测量330。
因此，可将包括物理层状况和历史信息的各种参数发送至链路质量监控部件(“LQM”)340(例如，增强型LQM(“eLQM”))。通过交换用于描述已在传输期间丢失的分组的数量的链路质量报告(“LQR”)，该LQM部件340针对联网问题提供基于标准的解决方案。该LQM部件340可依赖于每个对等设备(例如，发送设备和接收设备)，以保持一组计数器来跟踪已被发送并成功接收的分组和字节的数量。然后在LQR分组中周期性地传输这些计时器。尽管图3示出使用LQM部件340，但示例性实施方案并不限于此类监控协议。因此，可使用任何框架来采集物理层状况和历史信息。
然后可将来自LQM部件340的信息(例如，LQR)传输至TCP栈输入350以供处理。换句话讲，TCP栈输入350可接收指示符，诸如物理层状况和历史信息，并且基于这些指示符来对动态TCP MSS 360作出确定。具体地，TCP栈350可基于观察参数和历史参数来设定和/或调节TCP MSS的尺寸。因此，TCP MSS 360可允许动态的每个流的MSS调节。这些调节确保数据将不引起延时峰值，并且还确保TCP可在带宽约束的环境(例如，较小的UE，诸如可穿戴通信设备等)内有效地工作。
图4示出了根据本文所述的各种实施方案的利用用于数据传输的自适应段尺寸(诸如TCP MSS)的示例性方法400。应当指出的是，尽管示例性方法400被描述为由处理器205执行，但UE 200的硬件部件和软件部件的任何组合诸如但不限于基带处理器、AP、收发器230等可能够执行本文所述的方法。
在410中，处理器205可识别当前TCP MSS设置。例如，当前默认TCP MSS设置的尺寸可设定在1400字节。然而，由于示例性UE 200的操作限制，如此大的TCP MSS可导致分组丢失以及性能降低。根据一个示例性实施方案，大的1400字节的TCP MSS可被视为用于有利或良好通信状况的TCP MSS的最大设置。附加设置可包括其他指定的较小尺寸，诸如用于中等状况的1200字节、用于较差状况的500字节等。因此，UE 200可检查当前物理层状况和历史性能信息两者。
在420中，处理器205可接收现有通信连接的当前物理层状况。如上所述，这些状况可包括可观察测量，诸如RSSI、CQI等。
在430中，该处理器205可接收历史TCP MSS数据。如上所述，该数据可包括测量，诸如基于授权的测量、基于延时的测量等。
在440中，处理器205可基于当前物理层状况和历史数据中的至少一者来调节当前TCP MSS设置。例如，如果处理器205确定物理层状况和/或历史信息指示中等通信状况，则处理器205可使TCP MSS设置从1400字节减少到1200字节。同样，如果处理器205确定物理层状况和/或历史信息指示较差通信状况，则处理器205可使TCP MSS设置从1400字节减少到500字节。应当指出的是，尽管示例性方法400描述了三个预先确定的TCPMSS尺寸设置(例如，1400字节、1200字节和500字节)，但本领域的技术人员应理解，可在本文所述的示例性实施方案中具有任何尺寸设置的任何数量的设置。
根据一个示例性实施方案，在数据超出TCP栈范围的情况下，例如一旦数据已被移交给下一层(例如，IP层)，TCP算法便可启动它们的计时器。针对链路预算有限的设备的传统通信可利用500字节每传输时间间隔(“TTI”)(例如，1ms)的中频状况下(例如，RSRP＜-110dBm)的典型授权尺寸。如果链路预算有限设备在相同状况内工作，则对设备传输功率和eNB功率循环算法的限制可使得授权尺寸降至100字节每TTI。因此，这就意味着尽管具有1500字节的大TCP MSS尺寸设置的TCP分组先前可能已在3ms内传输离开设备，但该大TCP分组现可能花费15ms从系统传输(例如，由于100字节每TTI的传输速率)。
另外，假设在示例性小区中存在多个设备，UE 200可不被给予每ms传输数据的授权，而是每10ms被给予传输资源。这就意味着，相比于非链路预算有限设备上的1500字节的TCP分组的总传输时间为30ms，链路预算有限设备上的1500字节的TCP分组的总传输时间现可为150ms(例如，由于100字节每TTI的传输速率而再次进行)。由于TCP计时器运行的方式所致，已提交于IP/PDCP层的后续分组可能导致延时增加。直到该分组实际递送到另一方并且从接收节点接收到确认，TCP定时器可继续运行。与分组的递送的增加的延时一起，确认也可经历增加的延时。由于TCP激活拥塞控制算法，因此这些延时可能导致TCP暂停以及TCP拥塞窗口减小。
随着蜂窝链路上增加的分组丢失，这种情况可变得更为复杂。然而，通过利用本文所述的用于自适应MSS的示例性系统和方法(例如，在链路预算有限设备内)，段尺寸可被减小(如减至500字节)并且传输延时可被减小(如减至50ms)。因此，一旦该分组被递送，便可产生可允许TCP引擎更为稳定的确认。
图5示出了根据本文所述的各种实施方案的描述由于消除往返时间(“RTT”)所导致的自适应MSS的有益效果的示例性数据表500。表500示出了在不同eLQM状况(例如，20较差、50良好、50较差)期间的吞吐量(以kbps为单位)。更具体地，表500示出了在利用自适应MSS时、在不利用自适应MSS时的三个循环中的每个循环的吞吐量，以及两种方法的吞吐量的百分比差。
图6示出了描述在不利用自适应MSS系统的情况下的数据的TCP RTT的示例性图600。如图600所示，在达到非常高的最大值时，TCP RTT可很快地改变。例如，在整个数据分组序号0-1000000中，RTT很快达到越来越高值的峰值(例如，9000ms、16000ms、20000ms和27000ms)。如上所述，这些高TCP RTT可导致延时增大以及设备性能降低。
图7示出了描述在利用根据本文所述的各种实施方案的自适应MSS的情况下的数据的TCP RTT的示例性图700。如图700所示，如上文详述的，由于数据可根据TCP段较快地强行退出，因此利用自适应MSS使得TCP RTT平滑化。例如，RTT可仅经历9000ms的小峰值，贯穿整个数据分组序号0-2100000具有临时高峰值11000ms或13000ms。因此，利用自适应MSS的峰值具有大幅减小的最大值并且分散在更广泛数据分组序列中。
应当指出，示例性实施方案是参考LTE和LTE演进通信系统的TCP描述的。然而，本领域的技术人员将理解，示例性实施方案可适用于在任何无线通信方案内选择并调节数据段的最大尺寸诸如TCP MSS，该任何无线通信方案包括具有与LTE方案不同的特征的那些无线通信方案。
对本领域的技术人员而言将显而易见的是，可在不脱离本发明的实质或范围的前提下对本发明进行各种修改。因此，本发明旨在涵盖本发明的修改形式和变型形式，但前提是这些修改形式和变型形式在所附权利要求及其等同形式的范围内。

Claims (16)

1.一种由用户设备UE执行的方法，包括：
建立用于经由网络的通信的传输控制协议TCP连接；
识别用于将由所述UE经由所述TCP连接执行的数据传输的第一TCP最大段尺寸MSS值，其中，第一TCP MSS值在所述TCP连接的所述建立期间被宣告；
将用于TCP MSS的当前尺寸设置设定为第一TCP MSS值；
接收当前物理层状况；
确定与所述UE和TCP MSS上行链路相关联的历史数据；以及
基于(i)所述当前物理层状况和(ii)所述历史数据中的至少一者来将所述当前尺寸设置调节为第二TCP MSS值，其中第二TCPMSS值将施加于将由所述UE经由所述TCP连接执行的数据传输。
2.根据权利要求1所述的方法，其中与所述UE和TCP MSS上行链路相关联的历史数据包括所述UE的历史分组传输延迟测量和所述UE的历史上行链路授权尺寸测量。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述当前物理层状况包括接收信号强度指示符(“RSSI”)和信道质量指示符(“CQI”)中的一者。
4.根据权利要求1所述的方法，其中当所述历史数据指示由于所述UE的传输功率限制引起的上行链路授权尺寸的减小时，所述当前尺寸设置被减小。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述当前尺寸设置包括多个预先确定的尺寸设置。
6.根据权利要求1所述的方法，其中调节所述当前尺寸设置包括将所述当前尺寸设置改变为第一通信状况设置、第二通信状况设置和第三通信状况设置中的一者。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一通信状况设置大于所述第二通信状况设置，并且所述第二通信状况设置大于所述第三通信状况设置。
8.一种用户设备UE装置，包括：
非暂态存储器，所述非暂态存储器具有被存储在其上的程序；和
处理器，其中执行所述程序使得所述处理器执行操作，所述操作包括：
识别第一传输控制协议TCP最大段尺寸MSS值以用于将由所述UE经由所述TCP连接执行的数据传输，其中，第一TCPMSS值在所述TCP连接的建立期间被宣告；
将用于TCP MSS的当前尺寸设置设定为第一TCP MSS值；
接收当前物理层状况；
确定与所述UE和TCP MSS上行链路相关联的历史数据；以及
基于(i)所述当前物理层状况和(ii)所述历史数据中的至少一者来将所述当前尺寸设置调节为第二TCP MSS值，其中第二TCP MSS值将施加于将由所述UE经由所述TCP连接执行的数据传输。
9.根据权利要求8所述的UE装置，其中所述当前物理层状况包括接收信号强度指示符(“RSSI”)和信道质量指示符(“CQI”)中的一者。
10.根据权利要求8所述的UE装置，其中所述当前尺寸设置包括多个预先确定的尺寸设置。
11.根据权利要求8所述的UE装置，其中调节所述当前尺寸设置包括将所述当前尺寸设置改变为第一通信状况设置、第二通信状况设置和第三通信状况设置中的一者。
12.根据权利要求11所述的UE装置，其中所述第一通信状况设置大于所述第二通信状况设置，并且所述第二通信状况设置大于所述第三通信状况设置。
13.一种集成电路，包括：
用于识别第一传输控制协议TCP最大段尺寸MSS值以用于将由UE经由所述TCP连接执行的数据传输的电路，其中，第一TCPMSS值在所述TCP连接的建立期间被宣告，并且其中用于TCPMSS的当前尺寸设置被设定为第一TCP MSS值；
其中所述电路进一步接收当前物理层状况，并且确定与所述UE和TCP MSS上行链路相关联的历史数据；
其中所述电路还基于(i)所述当前物理层状况和(ii)所述历史数据中的至少一者来将所述当前尺寸设置调节为第二TCP MSS值，其中第二TCP MSS值将施加于将由所述UE经由所述TCP连接执行的数据传输。
14.根据权利要求13所述的集成电路，其中所述当前物理层状况包括接收信号强度指示符(“RSSI”)和信道质量指示符(“CQI”)中的一者。
15.根据权利要求13所述的集成电路，其中调节所述当前尺寸设置包括将所述当前尺寸设置改变为第一通信状况设置、第二通信状况设置和第三通信状况设置中的一者。
16.根据权利要求15所述的集成电路，其中所述第一通信状况设置大于所述第二通信状况设置，并且所述第二通信状况设置大于所述第三通信状况设置。
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