CN1728680A - 移动通信网络中提高传输控制协议数据传输性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及移动网络中的数据传输技术，公开了一种移动通信网络中提高传输控制协议数据传输性能的方法，使得移动通信网络中采用TCP协议提供数据业务，特别是提供非对称数据业务时，数据传输速率和无线接口匹配，提高了数据传输效率。这种移动通信网络中提高传输控制协议数据传输性能的方法包含以下步骤：A接收来自高层的数据包并识别数据包的类型，将数据包区分为传输控制协议控制数据包和业务数据包两类；B依据数据包的类型，优先处理发送传输控制协议控制数据包。

Description

移动通信网络中提高传输控制协议数据传输性能的方法

技术领域

本发明涉及移动网络中的数据传输技术，特别涉及移动网络中使用TCP协议的数据传输技术。

背景技术

基于传输控制协议/网际互连协议(Transmission Control Protocol/InternetProtocol，简称“TCP/IP”)的英特网(Internet)在近几十年来得到了蓬勃发展，已经成功进入公共网络的核心网，成为覆盖全球的数据通信网络。人们可以从Internet上得到几乎覆盖所有方面的信息。随着Internet的蓬勃发展，TCP/IP也在众多的领域得到越来越广泛的应用，并开始出现和移动通信互相渗透的趋势。

随着移动通信技术的发展，单纯的通话已不能满足用户的要求，移动通信网络将从第二代移动通信(The Second Generation，简称“2G”)升级到第三代移动通信(The Third Generation，简称“3G”)，数据业务将成为移动通信系统的重要业务之一。在新一代的移动通信系统中，无线数据业务将为终端用户提供到Internet的无缝连接，可以让用户通过无线系统得到更方便的资讯。由于Internet网络主要是通过TCP/IP进行组网并完成数据的传输的，因此很自然的考虑采用TCP在移动通信系统中实现无线数据业务。

在移动通信网络中应用TCP协议，和传统的通信网络不同的地方在于，移动通信的传输路径中有一段是无线信道。例如，在宽带码分多址(WidebandCode Division Multiple Access，简称“WCDMA”)系统中，数据要经过空中接口(Uu接口)发送到无线信道。其中，Uu接口指通用移动通信系统地面无线接入网(UMTS Terrestrial Radio Access Network，简称“UTRAN”)和移动台(Mobile Station，简称“MS”)之间的无线接口。

其中，WCDMA系统中，Uu接口的分组交换(Packet Switching，简称“PS”)数据传输通路的协议栈如图1所示。下行数据在进入Uu接口前，先后经过分组数据汇聚协议(Packet Data Convergence Protocol，简称“PDCP”)层、无线链路控制(Radio Link Control，简称“RLC”)层和媒体访问控制(Medium Access Control，简称“MAC”)层的处理后，经过物理层(L1)转变为Uu接口的物理无线信号，MS接收到无线信号后，经过物理层的处理再分别经过MAC层、RLC层和PDCP层的逆处理，将数据送给上面的应用层；上行数据的数据传输过程和下行数据传输过程相反。其中，下行数据指由网络侧到MS的数据，下行数据指由MS到网络侧的数据。熟悉本领域的技术人员可以理解，PDCP层主要完成数据的汇聚发送和TCP/IP头的压缩功能，在这一层，IP数据包的TCP和IP数据头部都是可见的；RLC层的主要功能是完成数据的分割并且按照指定的方式进行发送，保证链路的服务质量(Quality of Service，简称“QoS”)，MAC层主要是完成逻辑信道到物理信道的映射，并按照指定的传输格式对数据进行调度和发送。

但是在移动通信系统中实现无线数据业务时，很多的研究表明TCP在无线传输中表现的数据传输性能不能让人满意。关于TCP在无线传输中的数据传输性能的分析，具体可以参照《Improving the Performance of ReliableTransport Protocols in Mobile Computing Environments》(中文暂译为《在移动计算环境中可靠传输协议的性能提高》)和《Improving Reliable Transportand Handoff Performance in Cellular Wireless Networks》(中文暂译为《在蜂窝无线网络中提高可靠传输和切换性能》)。

针对上述问题，如何使TCP协议在无线承载时获得最好的传输性能，很多的研究人员都进行了广泛的研究，并给出了一些切实可行的办法，具体的方案可以参照《Performance Improvement of TCP in Wireless Cellular NetworkBased on Acknowledgement Control》(中文暂译为《在基于确认控制的无线蜂窝网中传输控制协议的性能提高》)，请求评注(Request for Comments，简称“RFC”)标准3481《TCP over Second(2.5G)and Third(3G)GenerationWireless Networks》(中文暂译为《基于2.5代和3代无线网络的传输控制协议》)，RFC3449《TCP Performance Implications of Network Path Asymmetry》(中文暂译为《网络不对称路径的TCP性能》)。

这些技术和方法都是对现有的TCP协议进行相应的参数和机制调整，从一定程度上提高了TCP在无线网络中的数据传输的性能。其中，RFC3481和RFC3449分别对如何提高TCP在无线网络和非对称网络上的数据传输性能给出了相关的策略。这些策略包括：调整发送方和接收方的TCP窗口大小；增加发送方的初始发送窗口；限制发送方的发送速率；调整最大传输单元(Maximum Transmit Unit，简称“MTU”)的大小；在发送方启用路径MTU检测机制；在发送方和接收方启用选择性ACK；启用直接拥塞通知机制；启用时间戳机制；不使用TCP/IP的头压缩算法；修改接收方回复确认消息(ACK)的机制。

在实际应用中，上述方案存在以下问题：首先，现有的解决方案不能保证数据的流量在无线接口达到稳定的速率，特别是在非对称业务中双向数据传输效果不理想。

其次，现有的各个解决方案只是针对特定环境，没有普适性。

第三，有些现有方案不方便实现。

造成这种情况的主要原因在于，首先，现有的在移动通信网络中采用TCP进行双向数据通信的技术方案没有对数据的流量进行控制，当有突发的数据来到的时候，例如有一两个大的业务数据单元(Service Data Unit，简称“SDU”)同时到来，由于无线接口的数据传输是固定的，无线接口不可避免的会对后到来的控制数据包产生阻塞，增加了控制数据包的时延，从而导致发送方的TCP启用拥塞机制，数据传输速率就会受到较大的影响，特别是在非对称业务时，一般下行速度大于上行速度，下行的带宽足够，下行控制数据包的相对时延较小，不会影上行的速率，但是上行的带宽相对较小，上行控制数据包会在无线接口阻塞，从而影响下行速度，例如WCDMA系统中在下行384Kbit/s、上行64Kbit/s时，上行控制数据包会在无线接口阻塞约375～560毫秒，从而对下行速度造成影响。

其次，现有的解决方案往往是针对不同的环境，采用不同的参数组合才能达到效果，因此没有普适性。

第三，有些方案，例如《Performance Improvement of TCP in WirelessCellular Network Based on Acknowledgement Control》提出的方案需要修改TCP/IP才能实现，比较不方便实现。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种移动通信网络中提高传输控制协议数据传输性能的方法，使得移动通信网络中采用TCP协议提供数据业务，特别是提供非对称数据业务时，数据传输速率和无线接口匹配，提高了数据传输效率。

为实现上述目的，本发明提供了一种移动通信网络中提高传输控制协议数据传输性能的方法，包含以下步骤：

A接收来自高层的数据包并识别所述数据包的类型，将所述数据包区分为传输控制协议控制数据包和业务数据包两类；

B依据所述数据包的类型，优先处理发送所述传输控制协议控制数据包。

其中，所述步骤A中的所述数据包的分类识别在分组数据汇聚协议层完成。

所述步骤A还包含如下子步骤：

A1分组数据汇聚协议层接收来自高层的所述数据包并将所述数据包分类为所述传输控制协议控制数据包和所述业务数据包；

A2将所述传输控制协议控制数据包标识为高优先级，将所述业务数据包标识为低优先级；

A3对所述数据包进行分组数据汇聚协议处理后向下层下发所述数据包。

所述步骤B还包含如下子步骤：

B1无线链路控制层从所述分组数据汇聚协议层接收标识了优先级的数据包，并判断所述数据包的优先级；

B2将所述数据包进行无线链路层的处理后，将高优先级的所述传输控制协议控制数据包映射到高优先级的逻辑信道，将低优先级的所述业务数据包映射到低优先级的逻辑信道；

B3媒体接入控制层依据所述逻辑信道的优先级调度所述逻辑信道，将映射到所述逻辑信道的所述数据包发送。

所述分组数据汇聚协议层和所述无线链路控制层的数据请求的原语中增加优先级指示。

所述步骤B还包含如下子步骤：

B4所述步骤A接收的所述数据包若为所述传输控制协议控制数据包则进入步骤B6，所述数据包若为所述业务数据包则将所述数据包以先进先出的队列形式存入缓存后进入步骤B5；

B5判断所述移动通信网络中的当前使用的无线接口是否有阻塞，如果是则在该步骤等待直至所述无线接口不阻塞，否则从所述缓存中出列数据包后进入步骤B6；

B6对所述数据包进行分组数据汇聚协议处理后向下层下发所述数据包。

所述步骤B5中，结合媒体接入控制层在当前业务下的最大发送能力和无线链路控制层的数据缓存量，判断所述无线接口是否阻塞，判定结果上报给所述分组数据汇聚协议层的时刻由所述媒体接入控制层决定。

所述媒体接入控制层还指示所述分组数据汇聚协议层要发送给下层的所述数据包的数量。

所述步骤A和所述步骤B的处理可以在所述移动通信网络的移动台侧也可以在所述移动通信网络的网络侧。

若所述移动通信网络中的移动台还和便携计算机连接，则所述步骤A和所述步骤B可以在网络侧主机和所述便携计算机上通过所述数据包的截获分析实现。

通过比较可以发现，本发明的技术方案与现有技术的区别在于，通过对无线接口发送的数据包进行流量控制，优先发送控制数据包，以保证控制数据包能够及时从无线接口发送，保证数据传输速率的稳定。

这种技术方案上的区别，带来了较为明显的有益效果，即采用本发明在移动通信网络中提高TCP协议数据传输性能的方法，不需要修改现有协议，能适应不同的场合，实现比较简单，同时大大减少了数据流量较大时的控制数据包的时延，而且避免了大的时延抖动，从而防止了TCP数据传输进入拥塞状态，保证了双向的数据传输效率，有效的解决了一直在困扰着现有的众多3G设备商的双向数据传输特别是非对称业务数据传输过程中速率难以提高的问题。

附图说明

图1为WCDMA系统中Uu接口的PS数据传输通路的协议栈示意图；

图2为根据本发明的一个较佳实施例的通过标识优先级的方法在移动通信网络中提高TCP协议数据传输性能的方法的流程图；

图3为根据本发明的一个较佳实施例的通过在PDCP层实施阻塞的方法在移动通信网络中提高TCP协议数据传输性能的方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

首先说明一下本发明的基本原理。考虑到主要是因为在移动通信网络中采用TCP提供数据业务时没有流量控制，对于所有的数据都没有优先级机制，导致业务数据包和控制数据包具有相同级别，在流量大的时候可能会导致控制数据包被阻塞，影响数据传输速率，造成传输效果不理想，因此本发明在移动通信网络的无线接口处采用流量控制，在业务数据包和控制数据包中优先从无线接口发送TCP协议的控制数据包，从而达到稳定数据传输速率，提高数据传输效率的效果。

下面结合本发明的具体实施例来说明本发明方案。

根据本发明的一个较佳实施例的通过标识优先级的方法在移动通信网络中提高TCP协议数据传输性能的方法的流程图如图2所示。该较佳实施例在WCDMA系统中实现。

该较佳实施例在PDCP层上增加对数据进行优先级的划分的处理，然后在RLC层将不同优先级的数据包映射到不同优先级的逻辑信道，MAC优先调度高优先级的逻辑信道，这样使控制数据包有高的优先级，可以及时的从Uu接口发送到对端。

首先进入步骤100，PDCP层接收高层数据包。其中，高层数据包即为非接入层数据包。需要说明的是，该PDCP层可以在MS侧也可以在UTRAN侧，当数据是上行时，MS侧的PDCP层进行处理，当数据是下行是，UTRAN侧的PDCP层进行处理。

接着进入步骤110，PDCP层判断该数据包是否为控制数据包，如果是则进入步骤120，否则进入步骤130。熟悉本领域的技术人员可以理解，PDCP层主要完成数据的汇聚发送和TCP/IP头的压缩功能，在这一层，数据包头部是可见的，可以根据数据包的头部对数据包判断该数据包是否为控制数据包。

在步骤120中，将该数据包标识为高优先级数据包，接着进入步骤140。其中，该步骤标识的数据包为控制数据包，例如ACK消息等。

在步骤130中，将该数据包标识为低优先级数据包，接着进入步骤140。其中，该步骤标识的数据包为业务数据包，例如SDU等。

在步骤140中，PDCP层进行相应的协议处理。熟悉本领域的技术人员可以理解，PDCP层进行的处理主要是数据的汇聚发送和数据包头的压缩。

接着进入步骤150，PDCP层向RLC层下发数据包。其中，下发的数据包是标识了优先级的数据包。

接着进入步骤160，RLC层判断接收的数据包是否为高优先级的数据包，如果是则进入步骤170，否则进入步骤180。需要说明的是，为了在PDCP层和RLC层之间实现优先级的控制，需要在PDCP和RLC的数据请求(DATAREQUEST)的原语中增加优先级指示。

在步骤170中，RLC层处理后将该数据包映射到高优先级的逻辑信道，接着进入步骤190。熟悉该领域的技术人员可以理解，通过该步骤就可以实现高优先级的数据包，即控制数据包被优先发送，例如，ACK消息就会被映射到高优先级的逻辑信道。

在步骤180中，RLC层处理后将该数据包映射到低优先级的逻辑信道，接着进入步骤190。通过该步骤，低优先级的数据包，即业务数据包就会被映射到低优先级的逻辑信道，例如，SDU就会被映射到低优先级的逻辑信道。

在步骤190中，MAC进行处理后下发。熟悉本领域的技术人员可以理解，MAC层会优先调度高优先级的逻辑信道，这样具有高优先级的控制数据包就可以及时的被从空口发送到对端。

这样，通过上述步骤，可以解决无线网络中非接入层控制数据包被业务数据包堵塞的问题，从而提高移动通信网络中TCP传输数据的性能。

熟悉本领域的技术人员可以理解，出于同样的考虑，在移动通信网络的Uu接口处采用流量控制，当Uu接口有阻塞的时候，在PDCP层阻塞业务数据包，优先处理控制数据包，也可以实现本发明的目的而不影响本发明的实质。

下面结合本发明的一个较佳实施例来说明在PDCP层采用阻塞实现的方案。

根据本发明的一个较佳实施例的通过在PDCP层实施阻塞的方法在移动通信网络中提高TCP协议数据传输性能的方法的流程图如图3所示。该较佳实施例在WCDMA系统中实现。

首先进入步骤210，PDCP层接收高层数据包。其中，高层数据包即为非接入层数据包。需要说明的是，该PDCP层可以在MS侧也可以在UTRAN侧，当数据是上行时，MS侧的PDCP层进行处理，当数据是下行是，UTRAN侧的PDCP层进行处理。

接着进入步骤220，PDCP层判断该数据包是否为控制数据包，如果是则进入步骤260，否则进入步骤230。熟悉本领域的技术人员可以理解，PDCP层主要完成数据的汇聚发送和数据包头的压缩功能，在这一层，数据包头部是可见的，可以根据数据包的头部对数据包判断该数据包是否为控制数据包。

在步骤230中，PDCP缓存数据包。其中，在该步骤中被缓存的数据包是业务数据包。

接着进入步骤240，判断Uu接口是否有阻塞，如果是则在步骤240等待，否则进入步骤250。其中，通过这个步骤就可以实现PCDP层发送到RLC层的数据速率能和空口的数据速率匹配，从而保证数据速率的稳定。在本发明的一个较佳实施例中，结合MAC层在该业务下的最大发送能力和RLC的数据缓存量即BO值，判断Uu接口是否阻塞，判定的结果由MAC层决定何时上报给PDCP层，并且由MAC层指示PDCP要发送多少数据给下层。熟悉本领域的技术人员可以理解，MAC层可以有不同的算法和标准来决定Uu接口是否已经拥塞。

在步骤250中，从PDCP层的缓存中取数据包，接着进入步骤260。需要说明的是，PDCP层的缓存采用先进先出队列(First In First Out，简称“FIFO”)的形式，这样可以使先到达的业务数据包能相对其它业务数据包优先发出。

在步骤260中，PDCP层进行相应的协议处理。熟悉本领域的技术人员可以理解，PDCP层进行的处理主要是数据的汇聚发送和数据包头的压缩。

接着进入步骤270，PDCP层下发处理后的数据包。其中，在该步骤中，PDCP层向RLC层下发处理后的数据包。处理完步骤270后，整个流程结束。

这样，通过在PDCP层实施阻塞进行流量控制，当有突发的大量数据包的时候，如果是控制数据包，则直接进行PDCP的相关处理后发送给RLC，不进行流量控制，如果为业务数据包，需要结合Uu接口的拥塞情况来决定是否发送给下层RLC，使控制数据包就可以很快的发送到对端，而不产生大的时延，使发送端的速率保持稳定，保证从PDCP发送到RLC层的数据速率和空口的数据传输速率是匹配的。

熟悉本领域的技术人员还可以理解，在和上述两个较佳实施例相同的实现环境下，如果在网络侧主机和MS连接的便携机侧考虑，通过IP数据的截获分析，可以同样达到这样的效果。这种方案通过在计算机上截获相关的数据流，进行IP数据包分析，将控制数据包直接发送不进行流量控制，而对一般的数据按照相应的Uu接口速率进行流量控制，同样也能避免Uu接口的阻塞。需要说明的是，这种方案，需要在每一个MS连接的便携进行相关工具的运行和设置，需要针对不同的数据传输业务进行不同的设置，在以后真正的3G应用中，不通过便携机来上网就无法实现了。

熟悉本领域的技术人员可以理解，在其它类型的移动通信网络中同样可以采用本发明通过TCP控制数据包的优先发送实现本发明的目的而不影响本发明的实质。

虽然通过参照本发明的某些优选实施例，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种移动通信网络中提高传输控制协议数据传输性能的方法，其特征在于，包含以下步骤：

A接收来自高层的数据包并识别所述数据包的类型，将所述数据包区分为传输控制协议控制数据包和业务数据包两类；

B依据所述数据包的类型，优先处理发送所述传输控制协议控制数据包。

2.根据权利要求1所述的移动通信网络中提高传输控制协议数据传输性能的方法，其特征在于，所述步骤A中的所述数据包的分类识别在分组数据汇聚协议层完成。

3.根据权利要求2所述的移动通信网络中提高传输控制协议数据传输性能的方法，其特征在于，所述步骤A还包含如下子步骤：

A1分组数据汇聚协议层接收来自高层的所述数据包并将所述数据包分类为所述传输控制协议控制数据包和所述业务数据包；

A2将所述传输控制协议控制数据包标识为高优先级，将所述业务数据包标识为低优先级；

A3对所述数据包进行分组数据汇聚协议处理后向下层下发所述数据包。

4.根据权利要求2所述的移动通信网络中提高传输控制协议数据传输性能的方法，其特征在于，所述步骤B还包含如下子步骤：

B1无线链路控制层从所述分组数据汇聚协议层接收标识了优先级的数据包，并判断所述数据包的优先级；

B2将所述数据包进行无线链路层的处理后，将高优先级的所述传输控制协议控制数据包映射到高优先级的逻辑信道，将低优先级的所述业务数据包映射到低优先级的逻辑信道；

B3媒体接入控制层依据所述逻辑信道的优先级调度所述逻辑信道，将映射到所述逻辑信道的所述数据包发送。

5.根据权利要求3或4所述的移动通信网络中提高传输控制协议数据传输性能的方法，其特征在于，所述分组数据汇聚协议层和所述无线链路控制层的数据请求的原语中增加优先级指示。

6.根据权利要求2所述的移动通信网络中提高传输控制协议数据传输性能的方法，其特征在于，所述步骤B还包含如下子步骤：

B4所述步骤A接收的所述数据包若为所述传输控制协议控制数据包则进入步骤B6，所述数据包若为所述业务数据包则将所述数据包以先进先出的队列形式存入缓存后进入步骤B5；

B5判断所述移动通信网络中的当前使用的无线接口是否有阻塞，如果是则在该步骤等待直至所述无线接口不阻塞，否则从所述缓存中出列数据包后进入步骤B6；

B6对所述数据包进行分组数据汇聚协议处理后向下层下发所述数据包。

7.根据权利要求6所述的移动通信网络中提高传输控制协议数据传输性能的方法，其特征在于，所述步骤B5中，结合媒体接入控制层在当前业务下的最大发送能力和无线链路控制层的数据缓存量，判断所述无线接口是否阻塞，判定结果上报给所述分组数据汇聚协议层的时刻由所述媒体接入控制层决定。

8.根据权利要求7所述的移动通信网络中提高传输控制协议数据传输性能的方法，其特征在于，所述媒体接入控制层还指示所述分组数据汇聚协议层要发送给下层的所述数据包的数量。

9.根据权利要求1所述的移动通信网络中提高传输控制协议数据传输性能的方法，其特征在于，所述步骤A和所述步骤B的处理可以在所述移动通信网络的移动台侧也可以在所述移动通信网络的网络侧。

10.根据权利要求1所述的移动通信网络中提高传输控制协议数据传输性能的方法，其特征在于，若所述移动通信网络中的移动台还和便携计算机连接，则所述步骤A和所述步骤B可以在网络侧主机和所述便携计算机上通过所述数据包的截获分析实现。

Images