CN1260101A - 移动网络中改善用户响应时间的方法和端站 - Google Patents

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Abstract

在传输控制协议/网际协议(TCP/IP)移动环境下在蜂窝越区切换及无线频率变化时改善用户响应时间的方法及装置。移动环境至少有一个移动端站(20)、一个移动数据基站(22),一个移动数据中间系统(MDIS)(30)及一个固定端站(40)。当移动端站(20)在移动环境中漫游时,MDIS保持跟踪它。结果MDIS(30)能区分由于网络拥挤引起的延时和由于蜂窝越区切换引起的延时。另外,移动数据基站(22)将无线频率的任何变化通知MDIS(30),使得MDIS(30)也能识别由于无线频率信号变化引起的延时。由于能识别延时的原因的知识,MDIS(30)能开始或抑制拥挤控制及恢复程序。

Description

移动网络中改善用户响应时间的方法和端站
发明的领域
本发明涉及移动网络中改善用户响应时间的方法和端站，特别涉及在传输控制协议/网际协议(TCP/IP)移动环境下在蜂窝越区切换及无线频率变化时改善用户响应时间的方法及端站。
发明的背景
传输控制协议/网际协议(TCP/IP)是被大量公司及用户广泛地采用来在因特网上连接计算机和机器的实际的协议标准。它是独立于任何专门的硬件平台或操作系统而开发的。它是一个可以在以太网，令牌环或其他基础网络上运行的公开的标准。它也提供对每个机器或主机指配一个唯一的地址的公共的基础地址方案。
TCP协议的一个影响移动性的特性是它处理网络拥挤的能力。在因特网中在一个或多个交换中心或路由器中有大量负荷时就会发生拥挤。交换机或路由器就将进入的包排队直到能够按规定路线发送它们。如果拥挤严重，队列中的包数就会不断堆积直至队列装满。这时就会丢弃到达的包。端站不知道它们发送的包为什么丢失了。丢失的包超时，端站重发送这些包。如果重发送也未被检测，网络就拥挤得很严重以致网络成为不可用的，叫做“网络崩溃”状态。
幸亏，TCP执行称为“倍增的减少”及“慢开始”的算法来避免拥挤问题。当丢失段时，倍增的减少拥挤避免将拥挤窗口的默认大小降低一半(降至至少一段的最小值)。对于那些留在允许的窗口中的段(segment)，重发送定时器指数地后退。Comer，D.E.，的以TCP/IP工作的因特网，第一卷，原理，协议和结构EnglewoodCliffs，NJ：Prentice-Hall，1991。因为对于每个丢失的包，窗口大小减半，窗口指数地减小；当包超时时，窗口大小在很短的时间间隔显著下降。结果，这种做法减轻了拥挤的结点上的压力。
一但结束拥挤且返回包确认(ACKs)，TCP引起慢-开始恢复。慢开始(附加的)恢复以单段大小开始拥挤窗，并且每一次确认到达时增加拥挤窗一个段，而无论是以一新连接开始业务还是在同一个地方在一段时间的拥挤后增加业务。
使用慢开始算法来避免一旦拥挤状况被改正时溢出(flooding)网络。溢出网络可以很快地引起网络再一次拥挤。发射机每次从接收机接收ACK时，发射机增加窗口大小直至窗口大小达到最大限制的一半。这时，TCP用只在给定的窗口的所有的包都被确认时才增加窗口大小的方法减慢窗口的增长。称此恢复阶段为“拥挤避免阶段”
如TCP等可靠的传输协议对于有固定站的“有线”网络是很好的，但是当用于移动环境时就有问题了。因此存在移动环境下在TCP/IP网络实现可靠的传输协议的方法的需求。参照附图用例子说明这种发明的优选实施方式。
附图的简要说明
在后附的权利要求书中具体说明了本发明的性能。参照附图可以更好地理解本发明及其优选实施方式，其中：
图1是根据本发明的优选实施方式的基本的移动网络图；
图2是移动网络的协议堆栈图，根据本发明的优选实施方式，移动端站-固定端站通过协议堆栈进行通信；
图3是根据本发明的优选实施方式的修正的移动数据中间系统软件的流程图；以及
图4是根据本发明的优选实施方式的修正的移动端站/固定端站传输控制协议/网际协议软件的流程图。
可以理解，为了简化和清楚的说明，图中画出的元件不需要按比例绘制。在认为适当的地方，在图中用相同的标号来指示相应的元件。
附图的详细说明
许多供应商已经开发了在TCP/IP堆栈顶部运行的软件。因此，可以轻易地将在有线环境运行的许多应用转到无线环境，这是在移动网络使用TCP/IP的一个优点。还有，因为许多人及公司已经具有技术诀窍来开发在TCP/IP环境的应用，可以迅速的开发用于移动装置的新应用。他们不需要为了开发应用而学习全部新协议。
TCP是在IP上使用的端到端面向连接的第4层协议。TCP是端到端的协议，在此层的通信是在源终端站及最后的目的地端站之间。IP和低层是局部的；它们将包向前传送到下一个端站。应用(还有会话及表示)层位于TCP层上面。
TCP是面向连接的意味着在源和目的地端站可以使用TCP交换包数据(包)之前，必须用交换建立包的方法在两者之间建立“连接”。一旦建立了这种建立，源及目的地端站以序列数交换包。如果一边以一定的序列数发送一个包，并且在一定的时间间隔内没有收到确认，发射机就重发此包。采用序列数，源端站可以保证目的地端站接收到一个包。
移动TCP/IP网络的最终目的是允许移动端站从一处移动或漫游至另一处，并仍能在因特网上与其他端站通信。为了适应移动端站，必须用图1所示的附加的基站及移动数据中间系统(MDIS)来修改或增强网络。
图1是根据本发明的优选实施方式的基本的移动网络10的图。在移动网络10中，将地理范围分为小区12，14，16和18，由基站22，24，26和28覆盖每个小区。MDIS 30和32连接到每个小区上并且也通过路由器34和36连接到因特网38上。网际协议的主要功能之一是路由选择连接。包在此层从源终端站传递到目的地端站。在因特网中，计算机通过路由器连接在一起。路由器或通路使用表来将包从一个端站向前传送到朝向包的最后目的地的下一个站。移动端站20通过多个小区12，14，16及18移动，并且经过因特网38与固定端站40通信。移动端站20经过无线频率链路直接与基站22通信。基站是移动端站20和MDIS 30之间的中继帧的渠道。MDIS 30中转因特网38和移动端站20之间的信息。MDIS也保持跟踪在其控制范围内登记的移动端站20。
在移动网络中的所有的移动端站的位置必须在MDIS 30内，可以将保持跟踪一个特定的移动端站20的MDIS 30看成是该移动端站的基地MDIS。因此，移动端站20可以从第一个小区12漫游到第二个小区14也能够从第一个基站22的范围漫游到第二个基站24的范围。类似地，移动端站20可以从第一个MDIS 30的范围漫游到第二个MDIS 30的范围。这由保持跟踪移动端站20的位置的基地MDIS30决定，而与移动端站20在哪里活动无关。当移动端站在一个范围内从第一个小区到第二个小区移动时，移动网络必须能传送基于蜂窝的包括TCP包的通信。如果在蜂窝越区切换时，连接-定向的传输协议通信正在进行中，就重发送TCP包。
图2是移动网络的协议堆栈的图，根据本发明的优选实施方式，移动端站-固定端站通过协议堆栈进行通信。图2包括对于下面的装置4种不同的协议堆栈：移动端站，基站，MDIS以及固定端站。移动端站的基本的部件至少有下面这些：具有至少一个网际协议59的网络层(3层)58。在网络层(3层)58之上，至少具有TCP 47和用户数据描绘协议(UDP)56的传输层(4层)46，其中TCP 47还包括至少一个拥挤控制器48，一个队列50，一个定时器52及一个重发射机54。在传输层(4层)46之上，具有至少一个越区切换管理器43的应用层(5，6及7层)42，越区切换管理器43包括至少一个包识别器44。越区切换管理器43连接到TCP 47和UDP 56两者上。如果移动网络是一个蜂窝数字包数据(CDPD)系统，移动端站还包括至少一个子网络从属的收敛协议(sub-network dependentconvergence protocol)60，一个移动数据链接协议62，一个发射机64及一个接收机66。
基站的基本的部件至少有下面这些：一个移动数据基站67，一个发射机68，一个接收机70及一个输入-输出模块72。移动数据基站至少包括无线频率变化检测器。
MDIS的基本的部件至少有下面这些：具有至少一个网际协议85的网络层(3层)84。在网络层(3层)84之上，具有至少一个UDP83的传输层(4层)82。在传输层(4层)之上，具有至少一个消息接收机81及包产生器80的应用层(5，6及7层)78。如果移动网络是一个CDPD系统，MDIS还包括至少一个子网络从属的收敛协议86，一个移动数据链接协议88，及一个输入/输出模块92，其中移动数据链接协议还包括至少一个越区切换检测器90。
固定端站的基本的部件至少有下面这些：具有至少一个网际协议115的网络层(3层)110。在网络层(3层)110之上，具有至少一个TCP 98及一个UDP 100的传输层(4层)96。
TCP不同于UDP，UDP是无连接的，最有效的协议。因为它不需要在通信之前建立连接也不需要使用序列数，所以它是最简单的。它是最有效的意味着源端站不需要知道它发出的包是否到达目的地端站。
列举的在参考线107以上的层在TCP/IP系统中，而列举的在参考线107以下的层是CDPD网络特有的。但是，本发明可以在任何基于TCP/IP的系统中工作。为了便于理解本发明，图2对于一个特定的移动网络描述一个CDPD系统。
当由于任何原因丢失包时，移动端站的传输层46引起拥挤控制和恢复程序。在标准的有线网络中(本地网络和广域网两者中)，通常由于拥挤引起丢失包。在蜂窝越区切换期间由于TCP采用“倍增的减少”和“慢开始”算法，有长时间的通信暂停。当丢失段时，倍增的减少拥挤避免将拥挤队列50的默认大小降低一半(降至至少一段的最小值)。对于那些留在允许的队列50中的段，重发射机54指数地后退。移动端站20每次从MDIS 30接收ACK时，移动端站的传输层46增加队列大小直至队列大小达到最大限制的一半。这时，TCP用只在给定的队列的所有的包都被确认时才增加队列大小的方法减慢队列50的增长。因为传输层46不能区分由于拥挤引起的包丢失和由于蜂窝越区切换引起的包丢失之间的差别，TCP引起拥挤控制及引起移动端站20和固定端站40之间在蜂窝越区切换期间及其后的通信的长暂停的恢复程序。因此，吞吐量和终端用户响应时间(对于内部-工作应用)有严重的下降。因而，在这种环境下，当碰到网络中延时时，TCP拥挤控制及逆转的恢复程序更进一步降低吞吐量。
但是，在移动网络中，当频率有变化时或者当移动端站20从一个小区漫游到另一个小区，从一个基站漫游到另一个基站或从一个MDIS漫游到另一个MDIS时，存在丢失包的可能性的附加的问题。无论移动端站在哪里漫游，移动端站都要改变其当前的控制通路。当前的控制通路是包经过它发送到移动端站20的通路。因为网络需要学习移动端站20的新位置，蜂窝越区切换或跨越小区边界运动引起增加延时及包丢失。这时，由于移动端站20不能将包发送到旧的当前控制通路或反之从通路上接收包，就丢失包。
在CDPD系统中，MDIS协议堆栈的移动数据链路协议88通过越区切换检测器90从移动端站20检测所有的蜂窝越区切换。由越区切换检测器90检测的蜂窝越区切换可能是预定的移动-特有的事件的形式：移动端站从连接在不同的MDIS上的第一个基站移动到第二个基站，或者移动端站从连接在共同的MDIS上的第一个基站移动到第二个基站。因此，移动数据链路协议88通知MDIS的应用层78发生预定的移动-特有的事件(例如，越区切换)。尽管与优选实施方式一起只说明了两种预定的移动-特有的事件，很明显，那些技术熟练者显然可以根据前面的叙述作许多改变，修改和变化。
移动数据基站67也检测什么时候无线频率变化：移动端站20在共同的基站内从第一信道改变到第二信道；移动端站20丢失与无线频率信道通信；移动端站20获得与无线频率信道通信；以及移动端站20在无线频率信道内改变频率或者根据本发明的范围和精神的任何其他变更，修改及变化。因此，移动数据基站67用向MDIS的应用层78发送无线频率变化更新包74的方法通知MDIS的应用层78无线频率信号中发生的任何变化。因此，基站22和MDIS 30不断的互相通信。MDIS 30有无线频率信号的有用的知识并且有权决定移动端站20可以使用哪个无线频率信道。
MDIS协议堆栈的应用层78决定通知移动端站20前面指出的预定的移动-特有的事件或是移动服务功能中无线频率信号的变化。如果应用层78决定通知移动端站20移动-特有的事件或是无线频率信号的变化，应用层78在包产生器80产生一通知包76。
将通知包76发送至少高达MDIS的传输层。将通知包76至少通过传输层(4层)和网络层(3层)发送。移动端站20在经过至少传输层(4层)和网络层(3层)之后在移动端站20的应用层42接收通知包76。通知包76通知移动端站协议堆栈的应用层42移动-特有的事件(如，越区切换)。这个处理发生在移动端站20的中间层(在移动-特有的层之上)。
一旦移动端站协议堆栈的应用层42从MDIS协议堆栈的应用层78接收到通知包76，越区切换管理器通知拥挤控制器48包延时/丢失是由于移动-特有的事件(如，越区切换)或是无线频率变化而不是由于网络拥挤。一旦通知传输层46移动-特有的事件/无线频率变化，传输层46忽略通常发生的TCP使用“倍增的减少”和“慢开始”程序。移动端站20反过来向固定端站40发送一通知包，通知固定端站已经忽略拥挤控制及恢复程序并开始快重-发送。这种方法改善网络终端用户的响应时间达到400％，增加在移动-特有的事件/无线频率变化时的吞吐量并且在交互工作的移动应用中引起较少的振动(ierkiness)。
在CDPD系统中有两种类型的蜂窝越区切换。一种是MDIS内部的越区切换，其中移动端站在同一个MDIS中的不同的信道流之间漫游。这种情况下，移动端站保持相同的临时的设备标识符并且当结束漫游到邻近的小区时，向MDIS发送接收准备消息。另一种类型是MDIS之间的越区切换，其中移动端站漫游到接在不同的MDIS的不同的基站。这种情况下，移动端站必须对此新的MDIS登记或重登记。在MDIS之内或互相之间越区切换时，在移动端站和固定端站之间可能正在进行TCP通信。任何一种情况下，某些包会丢失或者延时很大以致移动端站和固定端站中的TCP会引起“倍增的减少”算法，且当通信重新开始时，会产生引起吞吐量和用户响应时间进一步降低的“慢开始”算法。
图3是根据本发明的优选实施方式修改MDIS软件的流程图。因此，图3描述了三种情况其中产生通知包并发送到移动端站以避免移动端站和固定端站的传输层46和96产生“倍增的减少”和“慢开始”算法。第一种情况是MDIS之间漫游由MDIS从移动端站接收到终端系统招呼(hello)(移动数据链路协议)包来检测。在108步当从移动端站20接收到终端系统招呼时，110步从MDIS 32向移动端站20发送通知包76。第二种情况是MDIS内漫游，其中移动端站从共同的MDIS内的第一个基站漫游到第二个基站或从第一个小区到第二个小区。这种情况下，112步移动端站向MDIS发送由信道流变化引起的接收准备消息。114步如果由蜂窝越区切换引起接收准备消息，110步MDIS可以确定移动端站是否漫游了，并决定向移动端站发送通知包以忽略拥挤控制及恢复程序。但是，在114步如果不是由蜂窝越区切换引起的接收准备消息，则象通常那样运行拥挤控制及恢复程序。有这种情况，MDIS可以从移动端站接收到接收准备消息，但是移动端站根本没有漫游。MDIS有一个表示每个移动端站的位置的内部的表。MDIS可以检查此内部表以证实移动端站改变了位置。第三种情况是移动端站使用的无线频率信号变化了。在移动端站所在的小区内，移动数据基站可能改变信道或掉线，然后重新建立无线频率链路。出现此情况时，在116步移动数据基站发送无线频率变化更新包来通知MDIS无线频率变化。接收到无线频率变化更新包，110步MDIS向移动端站发送一通知包。
图4是根据本发明的优选实施方式修改移动端站/固定端站TCP/IP软件的流程图。因此，图4说明移动端站和固定端站当接收到通知包时使用的程序。120步在移动端站/固定端站接收到通知包时，在122步确定是否连接到TCP。因此，如果未建立一个TCP连接则接收者什么也不做。122步如果移动端站/固定端站建立了连接，则在124步忽略TCP拥挤控制及恢复程序。126步如果通知包的接收者是移动端站，128步移动端站将向相应的固定端站发送通知包。另一方面，固定端站不向移动端站发送任何返回包，因为包是从移动端站本身来的。这种程序避免无限的乒乓状况。回到122步，如果移动端站和固定端站不能建立TCP连接，则移动端站和固定端站就不作任何事。
虽然已经结合本发明的特定的实施方式说明了本发明，很明显，那些本领域的普通技术人员显然可以根据前面的叙述作许多改变，修改和变化。因此，可以理解本发明不限于前面的说明，而是包括根据后附的权利要求书的精神和范围的所有的改变，修改和变化。

Claims (12)

1、一种移动通信系统的端站，包括：
一个用于发送包数据的发射机；
一个接收机，用于接收包数据接收的确认以及用于接收通知包；
一个具有拥挤控制及恢复程序的拥挤控制器；以及
一个具有可控大小及默认大小的队列，连接在发射机上用于存储那些被发送的没有接收到确认的包数据，并且连接到拥挤控制器上，用于减小队列的默认大小，该队列响应接收机以在接收到通知包时将队列增加到默认的大小。
2、一种移动通信系统的端站，包括：
一个传输层，具有完成拥挤控制和恢复程序的传输控制协议；和
一个应用层，位于传输层之上，具有越区切换管理器，其中越区切换管理器连接到传输控制协议，传输控制协议响应从越区切换管理器来的信号抑制拥挤控制和恢复程序。
3、一种移动数据中间系统(MDIS)，包括：
一个输入-输出模块，连接到移动端站并连接到固定端站上；
一个越区切换检测器，连接到输入-输出模块上；以及
一个包产生器，连接到越区切换检测器并连接到输入-输出模块上，其中包产生器从至少高达传输层的水平向移动端站发送通知包。
4、权利要求3的MDIS，其中越区切换检测器检测何时发生移动-特有的事件。
5、权利要求4的MDIS，其中预定移动-特有的事件至少是下列之一：
移动端站从连接在公共的MDIS的第一个基站漫游到第二个基站；以及
移动端站从连接在不同的MDIS的第一个基站移动到第二个基站。
6、在具有移动数据基站，移动端站和移动数据中间系统的移动网络中在无线频率变化期间改善用户响应时间的方法，在移动数据基站包括下面的步：
监视移动端站使用的无线频率信号；
识别移动端站使用的无线频率信号的变化；以及
至少在移动数据基站识别无线频率信号变化时向移动数据中间系统发送无线频率变化更新包。
7、权利要求6的方法，其中识别被移动端站使用的无线频率信号变化的步至少包括移动端站完成至少下面的事情：
在公共基站内从第一个信道改变到第二个信道；
丢失与无线频率信道的通信；
重新获得与无线频率信道的通信；以及
在无线频率信道内改变频率。
8、在移动网络中在蜂窝越区切换期间改善用户响应时间的方法，包括下面的步：
当移动端站移动通过一个地区时，将包括传输控制协议包的基于蜂窝的通信从第一个小区传送到第二个小区；
识别移动端站从第一个小区改变到第二个小区；以及
通知移动端站的传输层移动端站从第一个小区改变到第二个小区。
9、权利要求8的方法，还包括当移动端站从第一个小区改变到第二个小区时在移动端站和固定端站忽略拥挤控制及恢复程序的步。
10、权利要求8的方法，还包括如果在蜂窝越区切换时面向连接的传输协议通信正在移动端站和固定端站之间进行时，重发送传输控制协议包的步。
11、运行一个具有端站和网络的移动通信系统的方法，在端站包括下面的步：
维持一个被发送的包数据的队列；
对于从网络接收到确认的，从队列中删去包数据；以及
当没接收到通知包时，响应在网络中感觉到拥挤开始拥挤控制及恢复程序。
12、一种方法，
在移动数据中间系统(MDIS)包括下列步骤：
识别至少发生下面的事件之一：蜂窝越区切换和无线频率信号变化；
从至少在传输层的高度发送通知包。
在移动端站包括下列步骤：
在应用层接收通知包；
从应用层向传输层发送通知包；以及
在传输层忽略拥挤控制和恢复程序。
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