CN1640010A - 负载控制的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及分组数据在通信系统中的传输和重传，其中通信系统采用速率交换或信道交换。它提供一种接口，用于无线电资源管理与蜂窝移动无线电系统、特别是通用移动电信系统UMTS或WCDMA系统中的一个或多个传输协议实体之间的信息交换。

Description

负载控制的方法和系统
发明的技术领域
本发明涉及分组数据在通信系统中的传输和重传，其中通信系统采用速率交换或信道交换。具体来讲，它涉及蜂窝移动无线电系统、特别是通用移动电信系统UMTS或WCDMA系统中的无线电链路负载控制。
相关技术背景和说明
无线电资源管理和许可控制是在用户、用户会话和无线电承载之间共享无线电资源的无线电通信系统的基本特征。
在分组数据通信中，广泛采用包含拥塞控制的传输协议、如TCP。
因特网协会：请求注解(RFC)No.793(传输控制协议，DARPA因特网程序协议规范，1981年9月)描述了通过传输控制协议(TCP)执行的功能、实现它的程序以及与需要其服务的程序或用户的接口。
因特网程序协议规范论述了一种例如用于拥塞控制的接收方通知窗口rwnd以及缩小rwnd的影响。它还论述了TCP应该如何与rwnd相关地工作。
因特网协会：请求注解(RFC)No.2581(1999年4月)详细说明了TCP拥塞控制。控制参数之一是拥塞窗口cwnd，另一个是通知接收方窗口rwnd。
在拥塞避免期间，cwnd相对于往返时间而增加，直至检测到分组丢失，这被解释为拥塞。例如，如果分组重传时间中没有分组被确认的情况下重传计时器超时，则情况就是这样。
在数据传输开始时，TCP探查网络的状况。对于每个(肯定地)确认的数据分组，发送方一侧增加cwnd，直至达到门限ssthresh。在数据传输过程中，与接收的确认相关地修改cwnd和ssthresh。
通知接收方窗口rwnd与确认一起从TCP接收方传送到TCP发送方，确认所接收的TCP分组。
RFC还定义概念段、接收方最大段大小(RMSS)和发送方最大段大小(SMSS)。cwnd是SMSS的整数倍。
段是任何TCP/IP数据或确认分组(或者这两者)。RMSS是接收方愿意接受的最大段的大小。SMSS是发送方可发送的最大段的大小。SMSS可设置为网络的最大传输单位MTU、路径MTU(见下文)或RMSS。
因特网协会：请求注解(RFC)No.1191(1990年11月)描述了一种用于动态发现任意因特网路径的最大传输单位MTU的技术。路径MTU(PMTU)是路径每跳的MTU的最小值。在收到“数据报过大”消息时，主机减小为该路径最初假定的PMTU。RFC1191建议，还与“数据报过大”消息相联系来报告MTU大小。通常，如果路由改变以及新的PMTU较低，这会被发现。为了检测增加的PMTU，段大小可定期增大。RFC论述TCP动作和管理接口。
因特网协会：请求注解(RFC)No.3150(2001年7月)论述了TCP拥塞控制与TCP缓冲器自动调谐之间的交互。RFC建议，如果主机在不同时间连接在不同速度的链路上，则该主机可采用接收缓冲器自动调谐，以便把通知窗口调整到适当的值。
R.W.Stevens：TCP/IP图解(第1卷，Addison-Wesley，ReadingMass.，1994)在1.2章节中描述了组网协议的分层以及不同协议组合成协议集。Stevens描述了4层系统，包括以下各层：
-链路层，
-网络层，
-传输层，以及
-应用层。
链路层又称作数据链路层，可例如在计算机的操作系统中包含设备驱动程序。网络层处理分组移动、如分组路由选择。网络层的实例包括IP(因特网协议)、ICMP(因特网控制消息协议)和IGMP(因特网组管理协议)。传输层涉及两个主机之间的数据流。传输层协议的实例是TCP(传输控制协议)和UDP(用户数据报协议)。应用层处理应用具体细节。众所周知的示范应用层协议为FTP(文件传输协议)和SMTP(简单邮件传输协议)。
P.Kuhlberg：“延迟和分组丢失对基于TCP的无线数据通信的影响”(硕士论文，赫尔辛基大学计算机科学系，2000年12月)在附录D中论述了有待进一步研究的课题。其中包括接收方窗口对TCP性能的影响的研究。
P.Sarolahti、A.Gurtov、P.Kuhlberg、M.Kojo、K.Raatikainen：“采用可变延迟调谐瓶颈链路的TCP通知窗口(见于ICC 2002，2000年4月)建议，当新的TCP连接与现有TCP连接并行地采用瓶颈链路启动时对各连接的通知窗口减半，以及根据在接收方的链路带宽延迟估算来维护到移动台的所有连接的公共窗口空间。各TCP连接开始通知其共享窗口空间的公平份额。
第三代合作项目(3GPP)：技术规范组无线电接入网，无线电资源管理策略(3GPP TS 25.922 v3.6.0，法国，2001年9月)在6.3章节中说明了与无线电资源管理RRM有关的许可控制的一些情况。在第7章节描述了无线电承载控制。
在此专利申请内，无线电网络控制器RNC被理解为包含RRM(无线电资源管理)实体的网元。RNC连接到固定网络。节点B是负责在一个或多个小区中向用户设备进行无线电发送和/或从用户设备进行无线电接收的逻辑节点。基站BS是代表节点B的物理实体。服务器装置提供可通过通信网络、如因特网访问其它装置的信息。
参照图1，基站《BS1》和《BS2》是分别代表节点B《节点B1》和《节点B2》的物理实体。《节点B1》和《节点B2》端接于在UE与通向无线电网络控制器《RNC》的相应节点B之间的、在UMTS内称作Uu接口的空中接口。《RNC》连接到固定网络《网络》。固定网络可包括一个或多个服务器装置《服务器装置》。
在图1中，这些基站连接到同一个无线电网络控制器RNC。但是，本说明还包括这些基站连接到不同RNC的示范情况。在UMTS中，RLC协议端接于负责互连UMTS的无线电接入网与核心网的正服务RNC(SRNC)。
第三代合作项目(3GPP)：技术规范组无线电接入网，无线电接口协议体系结构(3GPP TS25.301 v3.6.0，法国，2000年9月)描述通用移动电信系统(UMTS)的整体协议结构。有三种协议层：
-物理层，第1层或L1，
-数据链路层，第2层或L2，以及
-网络层，第3层或L3。
第2层L2和第3层L3分为控制平面和用户平面。第2层包括用于控制平面的两个子层RLC和MAC以及用于用户平面的四个子层BMC、PDCP、RLC和MAC。首字母缩写BMC、PDCP、RLC和MAC分别表示广播/多播控制、分组数据汇聚协议、无线电链路控制和媒体接入控制。
图2显示用户设备UE与通用地面无线电接入网UTRAN之间的Uu层UuS或无线电层的简化UMTS第1层和第2层协议结构。
无线电接入承载RAB与用于核心网CN与用户设备UE之间通过无线电接入网进行的业务传输的应用相关。各RAB与质量属性、如服务级别、保证比特率、传输延迟、残余BER以及业务处理优先级相关。RAB可为分配的负责UTRAN与UE之间传输的一个或多个无线电承载RB。对于各移动台，可以有一个或数个RB，表示包含UE与UTRAN之间的一个或多个信道的无线电链路。RB的数据流(以段的形式)被传递给相应的无线电链路控制RLC实体，这些实体其中一个任务是缓冲所接收的数据段。对于各RB有一个RLC实体。在RLC层，RB被映射到相应的逻辑信道上。媒体接入控制MAC实体接收逻辑信道中传送的数据，并且进一步把逻辑信道映射到一组传送信道上。根据3GPP技术规范的小节5.3.1.2，MAC应该支持业务复用，例如使RLC业务被映射到同一个传送信道上。在这种情况下，复用的标识包含在MAC协议控制信息中。
传送信道最后被映射为单一物理信道，它具有网络分配给它的总带宽。在频分双工模式中，物理信道由代码、频率以及在上行链路中的相对相位(I/Q)来定义。在时分双工模式中，物理信道由代码、频率和时隙来定义。如3GPP技术规范的小节5.2.2中更详细地说明，L1层负责对传送信道检错以及向上层指明传送信道的FEC编码/解码和交织/去交织。
以上所引用文献中没有一个公开了无线电资源管理/无线电链路层与传输协议动态之间交互的方法和系统。
发明概述
无线电通信系统、如WCDMA系统的无线电资源管理可动态地修改无线电连接的带宽。由于无线电链路带宽变化很大，因此传输协议应该与它相适应。这可通过与无线电资源管理的信息交换来实现。
因此，本发明的一个目的是提供一种方法和系统，用于无线电资源管理与一个或多个传输协议实体、如TCP实体之间的信息交换，尤其是使传输协议负载控制适应链路状态信息。
相关目的是向具有长等待时间以及变化的链路特性的链路的传输协议提供用于有效负载控制的数据，其中包括带宽、BLER(误码组率)和RTT(往返时间)。
本发明的另一个目的是提供从传输协议到无线电资源管理/无线电资源控制的相反方向的信息传递。
又一个目的是实现缓冲器管理和速率匹配，以便满足传输协议所提出的要求。
最后，还有一个目的是除了依靠分组丢失之外，还引入负载控制的机制。
这些目的由本发明来实现，具体来讲，本发明极适合于通用移动电信系统UMTS，它提供传输协议实体与信道资源管理、尤其是无线电资源管理之间的接口。
下面参照附图、通过实例来描述本发明的优选实施例。
附图简介
图1表示包含在RNC和UE之间连接中的UE与基站之间的通信。
图2显示无线电通信系统中根据先有技术的分层协议结构。
图3显示根据本发明的下行链路无线电资源管理和负载控制的第一实施例。
图4显示根据本发明的上行链路无线电资源管理和负载控制的第二实施例。
图5示意说明根据本发明的无线电资源管理和负载控制的第三
实施例。
优选实施例的描述
无线电通信系统、如WCDMA系统的无线电资源管理可动态地修改无线电连接的带宽。由于无线电链路带宽变化很大，因此传输协议应该与它相适应，并与无线电资源管理交换信息。
传输控制协议TCP是当今因特网中分组数据的主要传输层载体。因此，无线因特网接入必须设计成支持TCP或者以类似方式工作的其它传输层载体。
对于示范协议TCP，无线链路是对TCP负载的高时变需求的主要组成部分。原因在于：
-无线电链路速率因无线电资源管理而变化，以及
-如无线电链路控制协议所强加的，无线链路可能因通过空中接口的重传以恢复传输差错而把大量等待时间引入TCP连接中，
-变化的所需重传数量和传播距离产生变化的往返时间。
无线电网络控制器的无线电链路缓冲器无法大量增加，因为这将导致具有长TCP往返时间延迟的过缓冲链路。
由于在TCP发送方没有用于从TCP接收方接收明确无线电链路信息的部件来适应无线电链路动态的困难，因此本发明提出无线电资源管理与TCP接收方之间的交互，确定其通知窗口rwnd，利用TCP发送方向TCP发送方通知rwnd的事实。本发明解决了TCP以及以类似方式工作的其它传输协议的识别问题。
当影响TCP发送方窗口的链路限制基本上位于发送方侧时，先有技术解决方案为发送方窗口调整以相当大的延迟结合此信息，在确认中或者检测到缺少确认时从TCP接收方侧反馈该信息。可观察到，这个信息的大部分可从无线电资源管理提供给TCP，以便以相当小的延迟结合到发送方窗口控制中。因此，可减少溢出无线电链路缓冲器的风险以及丢失分组的数量。
图3显示根据本发明的下行链路无线电资源管理和负载控制的第一实施例。传输协议发送方《TP发送方》、例如与图1的《服务器装置》对应的万维网服务器的TCP发送方把数据分组《数据》、如TCP分组传送给传输协议接收方《TP接收方》、如图1所示的UMTS用户设备《UE》的TCP接收方。
为了实现本发明，传输协议层实体《TP》最好是包含在无线电链路控制协议层实体《L2》中或者与其共存。
在无线电通信系统、如UMTS上分发时，协议分组通过无线电网络控制节点《RNC》传递。负责对各种无线电连接分配无线电资源的无线电资源管理实体《RRM》向传输协议接收方《TP接收方》、《TP》发送无线电资源数据《RRdata》，其中包括例如数据率和无线电链路往返时间延迟数据。根据本发明的第一实施例，影响负载控制的至少一个参数、如rwnd或RMSS根据无线电资源数据来确定。
通常，无线电资源数据《RR数据》通过与净荷《数据》相同的无线电接口来传送，其中分别涉及无线电网络控制器《RNC》的无线电链路控制协议层《L2》以及传输协议接收方《TP接收方》。这由虚线表示。
确定rwnd的尺寸的常用规则是相对于链路带宽延迟产物设置窗口大小，对于缓冲为增加。假定无线电链路是瓶颈链路，则把链路容量LClink设置成与无线电链路的带宽延迟产物成比例是用于确定rwnd的一个示范规则。
假定分配了64千比特/秒的比特率且具有范围为300-700ms的无线电链路RTT的连接将产生大约5千字节的链路容量LCdown，link。设计范围为LCdown，link＜rwnd＜LCdonw，link+Bdown的rwnd(其中Bdown为下行无线电链路缓冲器大小)将产生范围为6-10千字节的示范的实际可用的rwnd。
对于相同的无线电链路RTT，上转换到例如384千比特/秒的无线电链路产生大约30千字节的链路容量LCdown，link，并产生范围为35-50千字节的示范的实际可用的rwnd。
传输协议接收方《TP接收方》通过把rwnd包含在传输协议确认《TP ack》中向传输协议发送方《TP发送方》通知rwnd。
传输协议接收方《TP接收方》最好是把接收方最大段大小调整到无线电链路特性。
根据先有技术，通常宜把传输延迟保持为小于大约100-200ms。这将引入对要传送段的最大尺寸的限制。但是，当连接的带宽延迟产物较大时，还希望使用大段来增强TCP动态。
作为明确的非唯一实例，考虑384千比特/秒承载。1.5千字节的段的传输延迟则为大约32ms，这低于100-200ms。但是，对于8千比特/秒，同样段的传输延迟将为1.5s，明显大于100-200ms。
根据本发明，能够根据链路条件动态地改变段大小。
图4显示根据本发明的上行链路无线电资源管理和负载控制的一个实施例。传输协议发送方《TP发送方》、如图1所示的UMTS用户设备《UE》的TCP发送方把数据分组《数据》、如TCP分组发送给传输协议接收方《TP接收方》、例如与图1的《服务器装置》对应的万维网服务器的TCP接收方。
负责对各种无线电连接分配无线电资源的无线电资源管理实体《RRM》最好是通过无线电链路控制协议层《L2》向传输协议接收方《TP接收方》、《TP》发送无线电资源数据《RR数据》(如虚线所示)，其中包括例如数据率和无线电链路往返时间延迟数据。根据第二实施例，无线电资源数据构成用于确定至少一个负载控制参数的基础。
根据本发明，最好是对传输协议发送方的拥塞窗口cwnd强加上限cwndlim，使得cwnd＜cwndlim，其中cwndlim根据无线电资源数据来确定。因此，可避免由于使无线电链路缓冲器溢出的TCP而产生的无线电链路缓冲器的溢出。对cwnd强加的上限cwndlim对应于rwnd的设计大小，即，在范围LCup，link＜cwndlim＜LCup，link+Bup中，其中Bup是对于上行链路容量LCup，link的上行无线电链路缓冲器大小。
传输协议发送方《TP发送方》最好是修改发送方最大段大小以适应链路条件。修改的原因与接收方最大段大小修改的原因相对应。
图5示意说明根据本发明的无线电资源管理和负载控制的第三
实施例。
传输协议发送方《TP发送方》包括传输协议层实体《TP》。传输协议发送方《TP发送方》、例如UMTS用户设备的TCP发送方把数据分组《数据》发送给传输协议接收方《TP接收方》。
在无线电通信系统、如UMTS上分发时，协议分组通过无线电网络控制节点《RNC》传递。根据第三实施例，负责向各种无线电连接分配无线电资源的无线电资源管理实体《RRM》接收从传输协议发送方《TP发送方》发送的无线电资源数据《RR数据》，无线电资源数据包含关于传输协议发送方请求的数据率或比特率的信息、或者与所请求的数据对象的数据量有关的其它信息。这在无线电资源管理《RRM》中用于带宽需求的动态预测。无线电资源数据《RR数据》通常通过与净荷《数据》相同的无线电接口来传送。这在图中由虚线表示。
如图3中那样，传输协议接收方《TP接收方》可向传输协议层发送方《TP发送方》确定《TP ack》接收的传输协议层分组《数据》。
读者应该清楚，图3-5的每个中所示的实施例可方便地结合，并且特别适合于同时包含传输协议接收方和传输协议发送方的传输协议实体、如TCP实体。
所有系统单元、如UMTS中的UE和RNC最好是在适用时根据本发明来工作。但是，本发明还可用于同样包括某些设备、如UE和RNC、但不根据本发明来工作的系统中。
本领域的技术人员容易理解，BS或UE的接收机和发射机属性实际上是广义的。在本专利申请中诸如BS、UE或RNC的概念的使用并非意在把本发明仅限制到与这些缩略词相关的装置。对本发明而言，它涉及相应地工作的所有装置或者对本领域的技术人员来说显然与其适应的所有装置。作为明确的非唯一实例，本发明涉及没有用户身份模块SIM的移动台以及包含一个或多个SIM的用户设备。此外，所提到的协议和层与UMTS和因特网术语密切相关。但是，这并不排除本发明在具有相似功能性的其它协议和层的其它系统中的适用性。作为非唯一的实例，本发明适用于连接协议应用层的无线电资源管理接口以及连接协议传输层、如TCP的接口。
本发明并不是仅限于以上详细描述的实施例。可进行变更和修改，只要没有背离本发明。在以下权利要求的范围内涵盖所有修改。

Claims (43)

1.一种无线电通信系统中的负载控制方法，所述方法的特征在于，携带无线电资源数据的一个或多个信号从无线电资源管理实体传送到传输协议接收方。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无线电资源管理实体为无线电网络控制器或者包含在无线电网络控制器中。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述无线电网络控制器控制包含或表示所述传输协议接收方的用户设备的无线电资源。
4.一种无线电通信系统中的负载控制方法，所述方法的特征在于，携带无线电资源数据的一个或多个信号从无线电链路控制协议层传送到传输协议接收方的传输协议层。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，传输协议参数是根据所述传递的无线电资源数据来确定的。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述传输协议参数是接收方通知窗口或者接收方最大段大小。
7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述传输协议参数包含在对传输协议发送方的传输协议确认中。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述传输协议参数是所述传输协议发送方中拥塞控制的参数。
9.如权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，所述传输协议接收方为用户设备或者包含在用户设备中。
10.一种无线电通信系统中的负载控制方法，所述方法的特征在于，携带无线电资源数据的一个或多个信号从无线电资源管理实体传送到传输协议发送方。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述无线电资源管理实体为无线电网络控制器或者包含在无线电网络控制器中。
12.一种无线电通信系统中的负载控制方法，所述方法的特征在于，携带无线电资源数据的一个或多个信号从无线电链路控制协议层传送到传输协议发送方的传输协议层。
13.如权利要求10-12中任一项所述的方法，其特征在于，传输协议参数是根据所述传递的无线电资源数据来确定的。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述传输协议参数是发送方最大发送窗口或者发送方最大段大小。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述发送方最大发送窗口设置传输协议拥塞控制发送窗口的上限。
16.如权利要求1-15中任一项所述的方法，其特征在于，所述无线电资源数据是包含以下至少一项的链路状态信息：
无线电链路数据率或比特率，
往返时间，
误码组率，
延迟，以及
分组丢失率。
17.如权利要求1-16中任一项所述的方法，其特征在于，这是动态负载控制的方法。
18.一种无线电通信系统中的无线电资源管理方法，所述方法的特征在于，携带无线电资源数据的一个或多个信号从传输协议发送方传递到无线电资源管理实体。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述无线电资源管理实体为无线电网络控制器或者包含在无线电网络控制器中。
20.如权利要求18或19所述的方法，其特征在于，无线电链路数据率或比特率是根据所述传递的无线电资源数据来确定的。
21.如权利要求18-20中任一项所述的方法，其特征在于，所述无线电资源数据为以下各项中的至少一个：
所请求的无线电链路数据率或比特率，以及
与一个或多个所请求数据对象的数据量相关的数据。
22.如权利要求10-21中任一项所述的方法，其特征在于，所述传输协议发送方为用户设备或者包含在用户设备中。
23.如权利要求11或19所述的方法，其特征在于，所述无线电网络控制器控制包含或表示所述传输协议发送方的用户设备的无线电资源。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述传输控制协议是在因特网上使用的传输控制协议TCP。
25.一种无线电通信系统中的传输协议接收方，其特征在于用于接收携带无线电资源数据的一个或多个信号的电路以及用于根据所述无线电资源数据确定所述传输协议接收方的传输协议参数的一个或多个处理单元。
26.一种无线电通信系统中的传输协议接收方，其特征在于用于把携带无线电资源数据的信号从无线电链路控制协议层传递到传输协议层的电路以及用于根据所述无线电资源数据确定所述传输协议接收方的传输协议参数的一个或多个处理单元。
27.如权利要求25或26所述的传输协议接收方，其特征在于，所述传输协议参数是接收窗口或者接收方最大段大小。
28.如权利要求25-27中任一项所述的传输协议接收方，其特征在于用于把所述参数包含在对传输协议发送方的传输协议确认中的处理单元。
29.如权利要求25-28所述的传输协议接收方，其特征在于，所述无线电资源数据是包含以下至少一项的链路状态信息：
无线电链路数据率或比特率，
往返时间，
误码组率，
延迟，以及
分组丢失率。
30.如权利要求25-29中任一项所述的传输协议接收方，其特征在于，所述传输协议接收方为TCP接收方。
31.如权利要求25-30中任一项所述的传输协议接收方，其特征在于，所述传输协议接收方为用户设备或者包含在用户设备中。
32.一种无线电通信系统中的传输协议发送方，其特征在于用于接收携带无线电资源数据的信号的电路以及用于根据所述无线电资源数据确定传输协议参数的一个或多个处理单元。
33.一种无线电通信系统中的传输协议发送方，其特征在于用于把携带无线电资源数据的信号从无线电链路控制协议层传递到传输协议层的电路以及用于根据所述无线电资源数据确定传输协议参数的一个或多个处理单元。
34.如权利要求32或33所述的传输协议发送方，其特征在于，所述传输协议参数是发送方最大发送窗口或发送方最大段大小。
35.如权利要求32或33所述的传输协议发送方，其特征在于设置用于拥塞控制的所述传输协议层发送窗口的上限的处理单元。
36.如权利要求32-35所述的传输协议发送方，其特征在于，所述无线电资源数据是包含以下至少一项的链路状态信息：
无线电链路数据率或比特率，
往返时间，
误码组率，
延迟，以及
分组丢失率。
37.一种无线电通信系统中的传输协议发送方，其特征在于用于根据所请求对象的数据量来确定无线电资源数据的一个或多个处理单元以及用于传递携带所述无线电资源数据的一个或多个信号的电路。
38.如权利要求37所述的传输协议发送方，其特征在于，所述一个或多个信号的所述传递是向无线电资源管理传递。
39.如权利要求32-38中任一项所述的传输协议发送方，其特征在于，所述无线电资源数据是无线电链路数据率或比特率。
40.如权利要求32-39中任一项所述的传输协议发送方，其特征在于，所述传输协议发送方为TCP发送方。
41.如权利要求32-40中任一项所述的传输协议发送方，其特征在于，所述传输协议发送方为用户设备或者包含在用户设备中。
42.一种无线电通信系统，其特征在于用于执行如权利要求1-24中任一项所述的方法的装置。
43.一种无线电通信系统，其特征在于如权利要求25-41中任一项所述的多个传输协议收发信机。
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