UMTS-HSDPA系統(tǒng)的TCP性能

前言

　　無線系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)正在逐漸從以話音為中心的第1代技術(shù)，演進(jìn)到能夠額外提供非實(shí)時(shí)低數(shù)據(jù)速率業(yè)務(wù)的數(shù)字系統(tǒng)。撇開從第1代到第2代的演進(jìn)過程不說，蜂窩系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率仍然停留在較低的水平。相反，無線局域網(wǎng)能夠提供較高的總數(shù)據(jù)速率，且從理論上講，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)及其相關(guān)協(xié)議的兼容。后來引入了面向分組的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)能夠兼容互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP），或者能夠與20世紀(jì)末出現(xiàn)的GPRS、EDGE、IS-95和IS-136系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互連互通。驅(qū)動(dòng)因素主要是蜂窩網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)與互聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)多媒體業(yè)務(wù)兼容的呼聲越來越高，以實(shí)現(xiàn)覆蓋范圍的最大化。如果不實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，蜂窩網(wǎng)絡(luò)將無法從迅猛發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)及不斷增長(zhǎng)的多媒體應(yīng)用與業(yè)務(wù)中受益?！　』ヂ?lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用的不斷深入，也催生了面向分組的系統(tǒng)。各種各樣的高級(jí)無線電技術(shù)也為在無線網(wǎng)絡(luò)中大規(guī)模引入多媒體業(yè)務(wù)提供了有利條件。最為常用的技術(shù)包括自適應(yīng)調(diào)制與編碼（AMC）、鏈路自適應(yīng)、調(diào)度、復(fù)雜檢測(cè)與編碼技術(shù)以及諸多用于改善無線網(wǎng)絡(luò)性能的方法。通過采用自適應(yīng)調(diào)制與編碼技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)較高的頻譜效率；通過采用鏈路自適應(yīng)技術(shù)，可以降低無線信道損耗；通過采用調(diào)度技術(shù)，能夠支持智能分配與資源共享，以實(shí)現(xiàn)容量擴(kuò)充；通過采用復(fù)雜的檢測(cè)與編碼技術(shù)，可以有效地解決多用戶干擾問題。多發(fā)送多接收天線也可用于實(shí)現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)速率，提高系統(tǒng)容量。事實(shí)上，達(dá)到高數(shù)據(jù)速率需要引入空域、時(shí)域和頻域分集技術(shù)。無線局域網(wǎng)已經(jīng)開始使用分集技術(shù)。蜂窩網(wǎng)絡(luò)有望在不遠(yuǎn)的將來充分利用這三維領(lǐng)域中的相關(guān)技術(shù)。例如，歐洲的通用移動(dòng)通信系統(tǒng)（UMTS）技術(shù)正在為此項(xiàng)演進(jìn)作準(zhǔn)備，作為UMTS空中接口以及接入網(wǎng)和核心網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)，第3代協(xié)作項(xiàng)目組織（3GPP）已經(jīng)連續(xù)發(fā)布多個(gè)版本標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的融合。目前，3GPP正準(zhǔn)備引入多天線技術(shù)，來完成UMTS體系結(jié)構(gòu)增強(qiáng)版標(biāo)準(zhǔn)制定的最后一個(gè)階段?！　∧壳?，不管是基于TDMA和CDMA的無線系統(tǒng)，還是基于OFDM的無線系統(tǒng)，在引入這些關(guān)鍵特征時(shí)都非常謹(jǐn)慎。第3代蜂窩系統(tǒng)有望通過分階段引入自適應(yīng)調(diào)制與編碼（AMC）、調(diào)度和分集技術(shù)，來提高頻譜效率（每個(gè)蜂窩的容量）和數(shù)據(jù)速率（每次會(huì)話或每種應(yīng)用）。對(duì)應(yīng)于歐洲WCDMA標(biāo)準(zhǔn)的UMT SFDD模式，從R5版本以后，開始包含了自適應(yīng)調(diào)制與編碼（AMC）、調(diào)度和混合自動(dòng)請(qǐng)求重傳（HARQ）技術(shù)?！　〉?，在初始階段（即UMTS的R99版本中），主要是依靠基于CDMA的無線和接入技術(shù)。該版本適用對(duì)象是GPRS核心網(wǎng)中的分組域，可通過隧道協(xié)議和網(wǎng)關(guān)來提供部分IP融合業(yè)務(wù)。在演進(jìn)過程中，僅僅做到這一步還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須要實(shí)現(xiàn)與IP的完全兼容。．R99版本中規(guī)定的空中接口也無法提供所需的高數(shù)據(jù)速率。R99之后的版本，為了實(shí)現(xiàn)GSM和GRPS到UMTS 3G的平滑過渡，從R5版本到R7版本，在標(biāo)準(zhǔn)中都引入了大量增強(qiáng)方案，來支持靈活的、具有自適應(yīng)特性的分組傳輸，并能夠提供基于互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)。由互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）提出的會(huì)話發(fā)起協(xié)議（SIP）也被3GPP采納，用于在UMTS中建立和控制會(huì)話，其原理和流程與互聯(lián)網(wǎng)非常類似。接著，3GPP又通過引入IP多媒體子系統(tǒng)（IMS），進(jìn)一步增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的融合能力?！　≡跀?shù)據(jù)鏈路層（無線鏈路控制和媒體接入控制）和無線資源控制層，第1個(gè)增強(qiáng)方案是在：R99版本專用信道旁的共享信道下行鏈路中添加的。專用信道適用于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，但不適用于分組業(yè)務(wù)。如果僅使用專用信道，則會(huì)浪費(fèi)寶貴的資源（對(duì)應(yīng)于CDMA中的功率與代碼），容量也會(huì)大大降低。共享信道的引入能夠節(jié)省能源，降低干擾，提高系統(tǒng)容量。最近，在上行方向也添加了增強(qiáng)方案。　　如前所述，提高數(shù)據(jù)速率可通過在信道中引入自適應(yīng)調(diào)制與編碼（AMC）和無線鏈路自適應(yīng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。目前，大多數(shù)系統(tǒng)將AMC和其他技術(shù)進(jìn)行集成，來提高空中接口的數(shù)據(jù)速率和可靠性。UMTS數(shù)據(jù)鏈路層使用HARQ來重傳接收錯(cuò)誤的無線數(shù)據(jù)塊，以提高鏈路的可靠性。UMTS中的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法和質(zhì)量指示符，為實(shí)現(xiàn)高效的調(diào)制與編碼選擇及鏈路自適應(yīng)提供了多種方式?！　〕嗽跇?biāo)準(zhǔn)中引入AMC之外，在共享信道上引入調(diào)度技術(shù)，可以提高系統(tǒng)容量和提供基于分組的多媒體業(yè)務(wù)。共享信道上的調(diào)度技術(shù)必須充分考慮到無線信道狀態(tài)、蜂窩中的移動(dòng)位置以及用于提供有形吞吐量、容量、時(shí)延改善功能的業(yè)務(wù)類型。此外，調(diào)度技術(shù)還必須確保用戶和應(yīng)用的公平性?！　≡诰W(wǎng)絡(luò)中，通過在空中接口引入新特征來提高數(shù)據(jù)速率和增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸可靠性，會(huì)對(duì)端到端的性能和效率產(chǎn)生一定的影響?；贏RQ與高層協(xié)議交互的重傳機(jī)制，尤其是對(duì)與IP同時(shí)使用以提供非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的傳輸控制協(xié)議（TCP）來說，影響會(huì)更加顯著。實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)通常使用用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）／IP來提供，流媒體業(yè)務(wù)通常使用實(shí)時(shí)流媒體協(xié)議（RTSP）／實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議（RTP）／IP來提供。跨層設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)總的吞吐量和容量產(chǎn)生顯著影響。在描述這些交互過程和提出用于防止或降低因在無線網(wǎng)絡(luò)中引入ARQ及其他技術(shù)導(dǎo)致的任何一種負(fù)面效應(yīng)的建議時(shí)，尤其需要注意，因?yàn)锳RQ及其他技術(shù)不可避免地會(huì)與核心網(wǎng)中的擁塞控制機(jī)制發(fā)生相互作用?！　≡趯W(xué)術(shù)界，早期已經(jīng)有人對(duì)無線鏈路控制機(jī)制和TCP之間的交互進(jìn)行了研究，當(dāng)空中接口上的隨機(jī)誤差被TCP錯(cuò)誤地作為固定網(wǎng)絡(luò)部分的擁塞進(jìn)行處理時(shí)，他們提出了許多TCP變種來降低和消除交互過程。在本書的第6章，我們將詳細(xì)描述當(dāng)前可用的大量TCP變種。當(dāng)人們對(duì)TCP進(jìn)行修改試圖降低由發(fā)生在無線鏈路上的錯(cuò)誤導(dǎo)致的跨層負(fù)面效應(yīng)時(shí)，雖然一些方法給出了鏈路層的解決方案，可是大多數(shù)方法不符合端到端的IP范式。在這些方案中，目前只有少數(shù)方案在用。通常，在位于公用陸地移動(dòng)網(wǎng)（PLMN）無線核心網(wǎng)邊緣的網(wǎng)關(guān)處使用分離TCP，將互聯(lián)網(wǎng)與PLMN分離開來，這樣可以避免TCP與無線鏈路誤差與恢復(fù)機(jī)制之間的相互影響。在人們探索標(biāo)準(zhǔn)或原始TCP的替代方案時(shí)，由于一些TCP版本在互聯(lián)網(wǎng)上得到了廣泛的部署，因而已經(jīng)成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。本書第7章將在詳細(xì)分析采用HARQ和調(diào)度技術(shù)的UMTS的基礎(chǔ)上，對(duì)常用的、公認(rèn)的TCP版本進(jìn)行介紹?！　”緯Y(jié)構(gòu)支持那些已經(jīng)掌握了UMTS或TCP及其變種的讀者，跳過某些章節(jié)，直接瀏覽他們感興趣的書稿內(nèi)容。本書的總體結(jié)構(gòu)如圖l所示，包含兩個(gè)主要部分，第1部分（第1～4章），主要提供無線網(wǎng)絡(luò)的背景知識(shí)，尤其是作為第3代無線技術(shù)之一的UMTS網(wǎng)絡(luò)背景知識(shí)。第1部分還對(duì)UMTS R99和高速下行鏈路數(shù)據(jù)分組接入（HSDPA）系統(tǒng)的蜂窩總?cè)萘窟M(jìn)行了分析和建模。第2部分（第5～7章）主要研究TCP與無線系統(tǒng)之間的交互，這一部分對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)上的TCP進(jìn)行了深入的研究，并對(duì)uMTS網(wǎng)絡(luò)中的HARQ和TCP的交互（包括、HSDPA能力）進(jìn)行了分析，并建立了數(shù)學(xué)模型。

內(nèi)容概要

　　移動(dòng)通信市場(chǎng)的演進(jìn)，導(dǎo)致了數(shù)據(jù)流量需求的劇烈增長(zhǎng)。這種需求會(huì)對(duì)移動(dòng)性造成一定的破壞，并會(huì)導(dǎo)致信道狀況間歇性地出現(xiàn)惡化現(xiàn)象，最終影響到傳輸控制協(xié)議（TCP）性能?！禪MTS HSDPA系統(tǒng)的TCP性能》一書對(duì)實(shí)際應(yīng)用比特率性能和系統(tǒng)容量方面的TCP性能進(jìn)行了全面研究，并給出了如何以最低成本來降低無線網(wǎng)絡(luò)與TCP交互的措施。　　《UMTS-HSDPA系統(tǒng)的TCP性能》是由兩個(gè)部分構(gòu)成的，每個(gè)部分包括多個(gè)獨(dú)立的章節(jié)。前幾章提供了背景知識(shí)，并對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了描述，重點(diǎn)介紹了一種第3代（3G）無線技術(shù)：通用移動(dòng)通信系統(tǒng)（UMTS）。這些章節(jié)也對(duì)UMTS R99和高速下行數(shù)據(jù)分組接入（HSDPA）系統(tǒng)中蜂窩總?cè)萘窟M(jìn)行了分析。第二部分主要關(guān)注TCP與無線系統(tǒng)之間的交互，給出了UMTS網(wǎng)絡(luò)中混合自動(dòng)請(qǐng)求重傳（HARQ）和TCP交互的數(shù)學(xué)模型　　在為不熟悉碼分多址（CDMA）系統(tǒng)以及UMTS和HSDPA蜂窩系統(tǒng)的高年級(jí)大學(xué)生提供背景知識(shí)的同時(shí)，《UMTS-HSDPA系統(tǒng)的TCP性能》也對(duì)“無線系統(tǒng)中的TCP”問題進(jìn)行了廣泛研究并為研究人員，開發(fā)人員和研究生提供了相應(yīng)的解決方案。

作者簡(jiǎn)介

　　Mohamad Assaad博士2006年以優(yōu)異成績(jī)畢業(yè)于法國(guó)巴黎的國(guó)立高等電信學(xué)院（ENST）．專業(yè)方向?yàn)殡娮有畔ⅲ@博士學(xué)位。在攻讀博士學(xué)位期間．他是法國(guó)Evry市國(guó)立電信學(xué)院（INT）無線網(wǎng)絡(luò)與多媒體業(yè)務(wù)系的助理研究員．主要從事UMTS／HSDPA系統(tǒng)的跨層設(shè)計(jì)和MAC／RLC層與物理層之間的TcP交互研究。他已經(jīng)在許多國(guó)際期刊和會(huì)議上發(fā)表了多篇與該研究領(lǐng)域有關(guān)的學(xué)術(shù)論文，并與一些學(xué)術(shù)界和理論界的伙伴合作共事。其研究方向包括3G與B3G系統(tǒng)，無線網(wǎng)絡(luò)中的TCP、無線系統(tǒng)中的跨層設(shè)計(jì)和資源分配、用戶檢測(cè)和MlMO技術(shù)。

書籍目錄

譯者序原書序第1章 無線信道1.1 大尺度衰落模型1.1.1 UMTS的路徑損耗模型1.2 小尺度衰落特性與信道模型1.2.1 接收信號(hào)包絡(luò)的統(tǒng)計(jì)特性1.2.2 無線信道響應(yīng)的特性參考文獻(xiàn)第2章 蜂窩系統(tǒng)中的CDMA2.1 CDMA2.2 CDMA的優(yōu)勢(shì)2.3 CDMA碼2.3.1 正交碼2.3.2 擾碼2.4 CDMA接收機(jī)參考文獻(xiàn)第3章 通用移動(dòng)通信系統(tǒng)3.1 UMTS業(yè)務(wù)3.1.1 會(huì)話類應(yīng)用3.1.2 流類應(yīng)用3.1.3 交互類應(yīng)用3.1.4 背景類應(yīng)用3.1.5 服務(wù)質(zhì)量參數(shù)3.2 通用體系結(jié)構(gòu)3.2.1 用戶設(shè)備域3.2.2 UTRAN域3.2.3 核心網(wǎng)域3.2.4 接口3.3 UTRAN協(xié)議體系結(jié)構(gòu)3.4 UMTS信道3.4.1 邏輯信道3.4.2 傳輸信道3.4.3 物理信道3.5 物理層3.6 媒體接入控制3.6.1 MAC體系結(jié)構(gòu)3.6.2 協(xié)議數(shù)據(jù)單元3.7 無線鏈路控制3.7.1 透明模式3.7.2 非確認(rèn)模式3.7.3 確認(rèn)模式3.7.4 RLC發(fā)送端的SDU丟棄3.8 包數(shù)據(jù)集中協(xié)議3.9 BMC和MBMS3.10 無線資源控制3.11 自動(dòng)請(qǐng)求重傳協(xié)議3.11.1 停止等待協(xié)議3.11.2 滑動(dòng)窗口協(xié)議3.12 功率控制3.12.1 開環(huán)功率控制3.12.2 閉環(huán)功率控制3.13 切換3.14 建模與蜂窩容量3.14.1 上行容量3.14.2 下行容量參考文獻(xiàn)第4章 高速下行數(shù)據(jù)分組接入4.1 HSDPA的概念4.2 HSDPA結(jié)構(gòu)4.3 信道結(jié)構(gòu)4.3.1 HS-DSCH信道4.3.2 HS-SCCH信道4.3.3 HS-DPCCH信道4.3.4 HSDPA信道的定時(shí)4.4 MAC-hs4.4.1 UTRAN端的MAC體系結(jié)構(gòu)4.4.2 用戶設(shè)備端的MAC體系結(jié)構(gòu)4.5 快速鏈路適配4.6 自適應(yīng)調(diào)制與編碼-4.7 HARO4.7.1 HARQ類型4.7.2 HARQ協(xié)議4.7.3 HARQ管理4.8 分組調(diào)度4.8.1 調(diào)度約束條件與參數(shù)4.8.2 調(diào)度算法的選擇4.9 HSDPA建模與蜂窩吞吐量4.9.1 HARQ4.9.2 AMC4.9.3 調(diào)度4.9.4 結(jié)論參考文獻(xiàn)第5章 應(yīng)用與傳輸控制協(xié)議5.1 UDP業(yè)務(wù)5.2 TCP業(yè)務(wù)5.2.1 萬維網(wǎng)5.3 TCP5.3.1 連接建立與終止5.3.2 TCP分割5.3.3 流量控制與滑動(dòng)窗口機(jī)制5.3.4 確認(rèn)與糾錯(cuò)5.3.5 擁塞控制與重傳機(jī)制5.4 TCP建模5.4.1 獨(dú)立丟包模型5.4.2 隨機(jī)丟包模型5.4.3 網(wǎng)絡(luò)模型5.4.4 控制系統(tǒng)模型參考文獻(xiàn)第6章 無線系統(tǒng)的TCP問題與增強(qiáng)方案6.1 無線環(huán)境因素6.1.1 有限帶寬與長(zhǎng)RTT6.1.2 高丟包率6.1.3 移動(dòng)性6.1.4 非對(duì)稱鏈路帶寬6.2 TCP性能增強(qiáng)方案6.2.1 鏈路層解決方案6.2.2 分割方案6.2.3 端到端解決方案參考文獻(xiàn)第7章 UMTS-HSDPA系統(tǒng)的TCP性能7.1 TCP性能7.2 UMTS-HSDPA系統(tǒng)TCP連接的通用體7.3 RLC、MAC-hs和TCP之間的比較7.3.1 可靠性7.3.2 流量控制與滑動(dòng)窗口7.3.3 分割7.4 UMTS.HSDPA系統(tǒng)的TCP建模7.4.1 超時(shí)7.4.2 慢啟動(dòng)7.4.3 第一次丟包的恢復(fù)時(shí)間7.4.4 穩(wěn)態(tài)階段7.4.5 無線網(wǎng)絡(luò)上的TCP效應(yīng)7.5 UMTS-HSDPA系統(tǒng)的其他TCP分析參考文獻(xiàn)附錄 英文縮略語對(duì)照表

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