CN1921368A - 宽带无线通信系统的高速且高可靠性的多层自动重发请求 - Google Patents

Abstract

一种用于宽带无线通信系统的高速且高可靠性的多层自动重发请求协议。在该协议中，在MAC帧丢失时的传输的情况下，MAC使用N信道SAW/H－ARQ错误恢复机制来获得丢失的MAC帧。在MAC层，最大容许重发次数被设定为有限，MAC－ARQ在经过最大容许重发次数的发送后仍无法正确地发送帧时，获得帧的责任被传送到RLP层。使用RLP层的新的ARQ方案将失败的帧恢复。这个步骤持续进行到从RLP层接收的一个分组的NAK数达到最大容许重发次数为止。

Description

带无线通信系统的高速且高可靠性的多层自动重发请求

技术领域

本发明涉及一种用于宽带无线通信系统的高速且高可靠性的多层自动重发请求协议。

背景技术

随着因特网(World Wide Web)在日常生活中普及，在无线访问网络中必须对话音流、音频流、视频流、文件和网站下载等各种无线数据服务进行支援。为了将因特网的业务导入无线移动装置，选择适合于对应通过无线信道的数据服务增大的需求，且能够处理QoS(服务质量)条件分别不同的广泛的多媒体业务的协议或标准极为重要。因为IP(因特网协议)是当前最主流的网络互联协议，所以无线接口的主流的无线数据技术必须依靠以IP为基础的网络。一般用于IP的传输层协议的传输控制协议(TCP)仍然是用于IP的主要协议，并提供有线区域的高可靠性的端对端传输。TCP被设计成在有线网络发挥良好的作用，在有线网络中信道差错率极小，不会因为分组丢失以外的理由造成拥塞。然而，在以高比特率为特征的无线区域使用TCP时，TCP性能会大幅降低。在无线链接中分组丢失的话，TCP将其解释为拥塞并进行响应，将传输窗(transmission window)缩小，开始拥塞控制机制，将重发时间复位。被设计成用于有线网络的该拥塞控制机制使得TCP吞吐量不必要地减少。已提出几个方案来减轻与通过无线链接的拥塞无关的丢失的影响。

为减少在无线链接中由TCP层检测出的帧差错率(FER)，一般在链接层，也就是在物理层上、TCP层下导入无线链接协议(RLP)。例如，在DS-CDMA蜂窝系统中，使用以NAK(否定响应)为基础的选择式重发方案的RLP已被标准化(IS-99标准)。在IS-99数据服务标准中，以使用DS-CDMA的IS-95标准定义下层的物理层。RLP在产生帧错误时，以上限次数以内的RLP帧重发执行链接层的部分恢复。在帧错误过多而无法恢复时，控制被传送到TCP层，TCP层为端对端的完全恢复负起最终的责任。

RLP通常从TCP的错误充分保护物理层，但应用程序的延迟条件非常严密时有时无法保护。因为与以RLP进行的重发有关的延迟大，所以有时无法维持实时的应用程序。为解决这个问题，必须在RLP层的下面加入其它的高速重发机制。这能够由MAC(Media Access Control)层的ARQ机制进行，此时提供两层重发的可靠性。MAC层ARQ的优点是能够非常迅速地执行重发而不用通知高层的RLP层。另一方面，可以使用其它的技术链接·软结合(technology link soft combing)来提高在MAC层正确接收帧的机率。RLP无法在宽带无线通信系统中提供MAC-ARQ所需功能的原因有两个。第一，在以选择小区为目的而选择信号最强的基站的步骤中，RLP在最后的网络单元(例如，基站)结束，其结果导致在RLP层的重发请求处理中的网络延迟。第二，有时候在前向共享控制信道(forward shared control channel)会包含不是来自RLP的协议数据单元(PDU)。

然而，有关两层重发的研究几乎都只是把焦点集中在结合的可靠性和延迟。在大部分的分析中，在RLP层考虑基于NAK的选择式重发(SR)(使用于IS-99)，并在MAC层考虑n个信道停止等待(SAW)混合ARQ。基于NAK的SR表示接收机对正确的RLP数据帧不进行肯定响应，仅对没有正确接收的RLP数据帧请求重发。在接收端的RLP发现有错误(或丢失)的帧时，返回请求该丢失帧的重发的NAK。对丢失帧设定NAK重发定时器。重发定时器首次到点时，RLP将定时器复位，返回两次NAK。在传输端每次接收到NAK时，请求的帧被重发。定时器在第二次到点时，RLP将定时器复位，返回三个NAK。这个步骤持续到定时器到点的次数达到特定的上限n(IS-99的初始值是n＝3)。重发失败n次时，RLP停止尝试重发，将控制传送到TCP层。于是，在基于NAK的SRARQ中，一个RLP帧被许可的最大容许重发次数被限制在固定值n。RLP将高层分组(在这个情况是TCP段)分解为N个RLP帧后传输到MAC层时，对通过无线链接传输的TCP段容许的最长时间相当于通过无线信道传输(n+1)×N个RLP帧的时间。因为n为有限，一些RLP帧在最大容许重发次数以内可以被正确地传输，RLP帧的传输尝试超过n次后就无法正确地接收帧。如果仅有一个的RLP帧不被正确接收，包含该帧的TCP段是错误的。此时，启动拥塞控制机制，TCP性能降低。因此，开发一种减低分组差错率将TCP性能提高某种程度的新的ARQ方案很重要。

MAC-ARQ的目的主要是减少帧的传输延迟。因此，ARQ方案必须简单而不大复杂。SAW是ARQ最简单的一种形式，所需要的开销非常少。在SAW，发送机对当前的块进行操作，直到该块被正常地接收为止。由识别当前或下一个块的简单的1比特的顺序编号确保协议的正确度。其结果，控制的开销为最小。并且，能够由一个比特简洁地通知解码是成功还是失败(使用ACK、NACK等)，因此肯定响应的开销也是最小。因此，在使用停止等待机制的H-ARQ中，通过减少在通知时所需要的总带宽和接收机的存储器来达到大幅的改进。但却存在一个重大的缺点，即，因为肯定响应并非即时的，在各个传输之后，发送机在传输下一个块之前必须等待肯定响应的接收。这是在使用停止等待式的ARQ时众所周知的问题。在待机时，信道维持空闲的状态而浪费系统容量。在时隙型系统(slotted system)中，发送机等待肯定响应时，反馈延迟造成至少一半的系统容量的浪费。其结果，即使是在没有错误的信道上，必须使至少每隔一个的时隙为空闲状态来加以使用。

在N信道SAW/H-ARQ中，通过将停止等待协议平行化(parallelize)，在信道空闲时执行混合ARQ协议个别的实例化来提供对策。其结果，由于在算法的一个实例通过前向链接传送数据块的同时，另一个实例通过反向的链接传送肯定响应，所以不会浪费系统容量。然而，在这个方案中，接收机必须存储N个块。在解码失败的时候，为了进行合并解码(combined decoding)，接收机必须存储更多的块。

为实施N信道SAW/H-ARQ的方案有许多种，例如有Chase combining方案和Incremental Redundancy方案。

追赶合并(H-ARQ-I)是为执行H-ARQ的最简单的方法。在最初的尝试中解码失败时，发送机单纯地将编码的整个分组重复发送。由此，因传输的尝试定时不同而能够获得时间分集(time diversity)效果。

递增冗余方案(IR)是为执行H-ARQ技术的另一个方法。追加的冗余信息以递增的方式被传输。全部IR的H-ARQ被称为H-ARQ-II，为进行解码必须将各传输分组与最初的传输合并。H-ARQ-III和H-ARQ-II不同，各个重发时的数据能够分别单独解码。H-ARQ-III有冗余性不同的多个版本，在各个重发使用不同的删截比特(puncture bits)。

这些为提高TCP性能的以往的链接层对策有下面的缺点。

(1)随着通过无线信道的数据服务的需求增大，使用基于NAK的选择式重发方案的以往的RLP(已被标准化为IS-99标准)并不足以满足实时的程序。因此，需要能够处理QoS(服务质量)条件不同的广泛的多媒体业务的新的协议。

(2)在过去有关RLP和MAC的两层传输的研究中，在RLP层中使用基于NAK的选择式重发方案。然而，在这个方案中，由TCP层检测出的帧差错率仍然较大。为达到高速且高可靠性的通信，必须开发在多层重发协议中使用的新的ARQ方案。

发明内容

本发明的目的在于设计一种用于提高通过宽带无线网络的TCP性能的更有效的多层传输/重发协议，该多层传输/重发协议能够大幅减少由TCP检测出的帧差错率(frame error rate)和通过无线信道的数据传输延迟。

本发明作为在RLP层的新的ARQ方案，通过限制属于同一个TCP段的帧的重发次数的合计来达成上述目的。

附图说明

通过参照附图所示的例子而对上述本发明的目的和特征等进行详细说明，其中：

图1是表示本发明的多层自动重发请求协议的结构的图。

具体实施方式

作为一种在RLP层的新的ARQ方案，本发明的多层自动重发请求协议是对属于同一个TCP段的帧的重发次数的合计进行限制的方案。

该方案已判明能够达到比以往的方案低的分组差错率。并且，在MAC层采用追赶合并、全部IR(H-ARQ-II)和部分IR(H-ARQ-III)等的N信道SAW/H-ARQ。

以下参照附图具体说明本发明的实施方式。然而，在下面的说明中，将本发明的多层自动重发请求协议称为FRM(Fast and ReliableMulti-layer)-ARQ。

首先，在说明整个FRM-ARQ之前先说明在FRM-ARQ中用于RLP的新的ARQ方案。

在IS-99中使用的基于NAK的SR-ARQ方案中，每个RLP帧的最大容许重发次数被限制，但在基于选择式重发的新方案的基本思想是将属于同一个TCP段的帧的重发次数的合计限制为固定值。因此，在这个方案中能够根据信道的条件分配各个帧的适当的重发次数。

假设一个TCP段被分割为相同长度的N个RLP帧，并且假设在反馈链接不产生错误。另外，假设属于一个TCP段的帧的重发次数的合计在新方案中被固定在上限数MS。考虑一个TCP段的传输时，能够以下面的方式说明基于ACK/NAK、SR-ARQ的新的ARQ方案。但也可以对失败帧或成功帧仅使用NAK或ACK消息。

接下来说明有关本发明的多层自动重发请求协议的顺序。

1、发送机将RLP帧发送到接收机。接收机对这些帧进行有关整合性的检查，确认没有错误后将ACK消息发送到发送机。有错误时，接收机生成NAK消息，该消息通过后向信道被传输。接收机必须识别属于一个TCP段的最初的帧，并开始对属于一个TCP段的N个帧的NAK的合计进行计数。

2、接收到ACK消息时，发送机发送处于等待传输状态的帧。但在接收到NAK消息的时候，发送机立刻以最高的优先级重发被接收为错误的帧。

3、上述的步骤一直持续到属于一个TCP段的N个帧在NAK的上限数MS内被正确地接收为止，或是持续到NAK的次数在某个帧达到上限数MS为止。如果是前者，NAK的计数器被复位到0。然而，如果是后者，重发失败MS次后，RLP结束尝试重发。控制被传送到TCP层，NAK的计数器被复位到0。

很明显地，重发的帧以不同的顺序到达接收机。接收机必须重新进行帧的排序，并按照顺序将正确的帧发送到高层。

图1是表示本发明的多层自动重发请求的结构的图。如图1所示，来自高层的数据段首先被分割为具有RLP首标的几个RLP帧。然后在通过无线信道传输之前将用于映射MAC帧的MAC首标加在RLP帧。如图1所示，在MAC帧丢失时的传输的情况下，MAC使用N信道SAW/H-ARQ错误恢复机制来获得丢失的MAC帧。该H-ARQ可以是追赶合并方案或是递增冗余方案。在MAC层中许可的传输次数有限，因此不完全排除帧丢失或破损的可能性。如果MAC-ARQ在经过最大容许重发次数的重发后仍无法正确地发送帧时，获得帧的责任被传送到RLP层。在MAC-ARQ的动作中，接收机在达到最大容许重发次数为止不丢弃被接收为错误的帧，而是将其存储在缓冲器并与重发的当前帧合并。这种分组合并能够使宽带无线系统的可靠性提高。如上述，在MAC帧没有被正确地传输的时候启动为获得失败的帧的RLP错误恢复机制。在RLP层使用新的ARQ方案恢复失败的帧。持续进行这个步骤直到从RLP层接收的一个分组的NAK数达到最大容许重发次数为止。丢失的RLP帧的恢复被传送到TCP层，由TCP层负起完全恢复端对端的最终责任。

本发明提议的FRM-ARQ的优点可概括如下。

(1)该FRM-ARQ在RLP等的无线链接重发中使用新的ARQ方案，大幅减少分组差错率。

(2)该FRM-ARQ能够将分组的传输延迟大幅减少，使实时服务成为可能。

(3)该FRM-ARQ能够大幅提高通过无线网络的TCP吞吐量。

(4)该FRM-ARQ与物理上的传输技术无关。也就是说，该FRM-ARQ能够在CDMA和OFDM等各种的宽带无线通信系统中使用。

Claims (2)

1、一种RLP层和MAC层的多层自动重发请求协议，在所述RLP层将属于同一个TCP段的帧的重发次数的合计限制为固定值。

2、一种如权利要求1的多层自动充发请求协议，其中，发送机在接收到NAK消息时，立刻以最高的优先级重发被接收为错误的帧，直到所述帧的重发次数的合计成为所述固定值为止。