一种基于无线信道状态估计的可靠报头压缩方法.pdf

本发明涉及一种无线网络通信协议，特别是一种基于无线信道状态估计的可靠报头压缩方法。本方法针对无线IP网络的实时数据流应用，提出了一个基于无线链路状况的可靠报头压缩方案。在本发明中，报头压缩采用了可靠的编码技术，即所谓W-LSB编码。本发明的方案使用对无线链路状况的精确估算，以控制W-LSB编码中的可变滑动窗口(VSW)尺寸，从而达到压缩比和可靠性之间的良好平衡。本发明的方案适用于具有突发错误和时延特性的无线链路。根据对无线链路状况的准确估算，调整报头压缩所采用的W-LSB编码中VSW(可变滑动窗口)的尺寸。这项新发明，不仅可以可靠地压缩RTP/UDP/IP报头，而且可以达到相当高的效率。此外，本发明的估计方法更易于实时系统应用。

1、  一种基于无线信道状态估计的可靠报头压缩方法，其特征在于：通过对无线链路状况的精确估算，以控制W-LSB编码中的可变滑动窗口(VSW)尺寸，从而达到压缩比和可靠性之间的良好平衡。其方法主要分为以下3个步骤：
步骤1：通过调整W-LSB编码中VSW的大小以调整报头压缩机制。
步骤2：通过频繁地估计无线链路状态，防止上下行方向的不对称通信载荷给估计结果带来偏差，估计方法基于某一个特定时长内总帧数与错误帧数的比率；
步骤3：当收到报头解压缩机发来的包含无线链路状态信息的反馈信息包后，报头压缩机调整W-LSB编码算法中的VSW尺寸。

2、  根据权利要求1所述的报头压缩中的无线链路估计算法，其特征在于在：权利要求1所述步骤1中接受无线帧的具体步骤，其具体过程如下：
(1)数据链路层等待接受数据，每当数据链路层接收到一个无线帧就相应增加该帧计数器；
(2)对该帧计算校验和，如果无错则将该帧传至协议栈上层；
(3)如果出错则丢弃该帧，并相应增加错误帧计数器的值；
(4)处理完之后返回等待状态。

3、  根据权利要求1所述的无线信道状态估计的可靠报头压缩方法，其特征在于：在权利要求1所述步骤2中估算特定时长内总帧数与错误帧数的比率，其具体过程如下：
(1)当该估计时间间隔结束时，可以计算出在该段时间间隔内收到的总帧数与错误帧数的比率；
(2)为估算过程确定了一个上界和下界误差阈值，并将上述计算所得的错误比率与该误差阈值进行比较；
(3)如果前一估算时间间隔内链路状态估算结果为“好”，并且计算所得的错误比率低于上下误差阈值，则当前时间间隔内链路状态估算结果为“差”，否则估算出的链路状态仍旧为“好”；
(4)如果前一估算时间间隔内链路状态估算为“差”，并且计算所得的错误比率高于上下误差阈值，则当前时间间隔内链路状态估算结果为“好”，否则链路状态仍旧为“差”；
(5)在估算过程中，使用两个阈值，其目的是为了避免出现错误比率在单一误差阈值附近的小变化所导致的估算结果在“好”、“差”状态间反复震荡的情况。在每次估算时间间隔末尾，帧计数器及错误计数器被复位；
(6)无线链路状态的估算结果被封装入反馈包(Feedback packets)中，通过反向可靠链路传输。

4、  根据权利要求1所述的无线信道状态估计的可靠报头压缩方法，其特征在于：当收到报头解压缩机发来的包含无线链路状态信息的反馈信息包后，在权利要求1所述步骤3中报头压缩机调整W-LSB编码算法中VSW尺寸的过程，其具体过程如下：
(1)监听状态，当收到报头解压缩机发来的反馈信息包进行判断是否包含无线链路状态信息；
(2)如果反馈信息包中包含无线链路状态信息，则判断信道状态是否良好。如果反馈信息包中没有包含无线链路状态信息，则将信息包丢弃，并返回监听状态；
(3)根据判断的信道状态是否良好，分别利用不同的方法计算出VSW尺寸。

5、  根据权利要求4所述计算VSW尺寸的方法，其特征在于：VSW(n)的具体计算过程，如下所述：
(1)当反馈信息包中包含无线链路状态信息，判断信道状态，如果信道状态良好，则：
VSW_CS(n)＝VSW_CS(n-1)-1
(2)如果信道状态不好，则：
VSW_CS(n)＝VSW_CS(n-1)+1

一种基于无线信道状态估计的可靠报头压缩方法
技术领域
本发明涉及一种无线网络通信协议，特别是一种基于无线信道状态估计的可靠报头压缩方法。
背景技术
最新的移动通信系统，如正在开发的第三代移动通信系统(3G)构建于移动通信网和互联网相融合的基础之上，可以提供多种独立于用户地理位置的服务，融合了语音、数据和图像等的移动综合业务。实际上，使第三代移动通信系统便于使用的唯一方法就是令其成为一个完全基于IP协议的网络平台，即所谓″全IP网络″，这其中包括无线链路——其带宽是整个无线网络系统中最为宝贵的资源。
然而，现有层次化传输协议的IP包封装过程浪费了相当部分的无线带宽资源用于传输控制信息(报头)，而这些控制信息对于无线信道自身管理并没有任何具体作用。对于主导未来移动通信系统的实时语音服务，这个问题变得更为严重。此类服务中，语音数据将很可能由RTP (Real time Transport Protocol，实时传输协议)加载；每个数据包都将包含一个IP协议报头(20个字节)，一个UDP协议报头(8个字节)，以及一个RTP协议报头(12个字节)，总共40个字节。对于IPv6而言，IP报头占据了60个字节中的40个。不过，有效载荷的大小依赖于所使用的语音编码和帧的多少，可低至15-20个字节。显而易见，67-80％的无线信道带宽浪费于报头传输，只有20-33％的带宽是用于为最终用户传递实际有用信息。
现代无线通信系统要求稀缺的无线资源必须得到有效利用，从而为面向大众的市场提供合理价格的服务。因此，传输协议导致的报头开销必须降低。针对同一服务，通过显著减小报头开销，我们可以降低带宽需求(以降低通信成本)，以提供更高的效率和更快的反应速度。
已有的方案中无线链路中存在的潜在错误(误码率高达10×e^-3，甚至10×e^-2)及大时延(往返时间高达100～200ms)使得压缩RTP中定义的报头压缩方案效果并不理想。IETF(国际网络工程任务特别小组)提出了一种可靠的报头压缩(ROHC)，旨在为无线链路提供一个高压缩率、高可靠性的压缩方案。
无线信道中的多径衰落遵循瑞利分布。针对瑞利衰落信道上突发差错的建模分析得出的结论表明：当参数选取广泛时，数据块序列传输的成败与简单的有限状态马尔科夫模型相似。这些模型通过以不同概率在状态空间中跃迁的方法，准确地反映了无线信道中突发差错的类型，并且每种类型都有着不同的误差概率和持续时间。
然而，所有基于IETF标准的现有报头压缩方案，在设计当初都没有充分考虑无线链路的具体条件。在无线链路中，当链路状态发生变化时，这些方案不能相应地做出调整。此外，当无线链路中发生传输差错时，它们只是依靠采取不同的编码方法和修复机制以尽可能地减少包的丢失。由于缺少针对不同链路条件的适应性设计，这些已有报头压缩方案并不适应动态无线链路应用。如果链路状况可以预知，报头压缩方案在实施压缩时，就可以适当地根据当前链路状况采取一些有效的操作机制，以应对链路状况的变化。直观来看，这类报头压缩方案更适用于无线链路的应用。
最近，Wu YC等针对无线网络提出了两个自适应的可靠报头压缩方案。其核心思想就是利用对无线信道状况的估计结果，在报头压缩中，调节W-LSB编码方法中可变滑动窗口(VSW)的大小，从而在压缩比和可靠性两个方面达到一个良好的平衡。但是，这两个方案所采取的估算无线信道状态的方法，其准确性和效率性并不理想，导致系统性能改善较为有限。此外，这些估算方法都比较复杂，不容易应用于实际系统。
发明内容
本发明针对无线IP网络的实时数据流应用，提出了一个基于无线链路状况的可靠报头压缩方案。但是，本发明采取了一个更为有效和准确的无线链路状况估计方法，从而令系统性能得以明显改善。此外，本发明的估计方法更易于实时系统应用。
在本发明中，报头压缩采用了可靠的编码技术，即所谓W-LSB编码。本发明的方案使用对无线链路状况的精确估算，以控制W-LSB编码中的可变滑动窗口(VSW)尺寸，从而达到压缩比和可靠性之间的良好平衡。本发明的方案适用于具有突发错误和时延特性的无线链路。根据对无线链路状况的准确估算，调整报头压缩所采用的W-LSB编码中VSW(可变滑动窗口)的尺寸。本发明不仅可以可靠地压缩RTP/UDP/IP报头，而且可以达到相当高的效率。
本发明的方案由于采用了更为准确和有效的无线链路状态估计方法，因而可以将无线系统的性能提升到一个更高的程度。此外，本发明的估算方法更易于应用于实际系统。
附图说明
图1：基于无线信道状态估计的可靠报头压缩方法示意图。
图2：接受无线帧的流程图。
图3：报头压缩机中的VSW尺寸调整方法。
具体实施方式
本发明为无线IP网络中的实时数据流提出了基于无线链路状况的可靠报头压缩方案。本发明示意框图如附图1所示。实际上，在具体实现中，信道估计功能包含于报头解压缩过程之中，无线链路状况估计的结果填写于反馈包(Feedback Packets)之中，并通过可靠的反向链路进行传输。
在介绍本发明之前，有必要简要介绍与本发明密切相关的W-LSB编码算法。
1.W-LSB编码算法
CRTP(Compressed Real Time Transport Protocol，实时传输协议报头压缩协议)在无线链路上无法很好地工作，其特点是高比特误码率和长延迟。原因在于解压器在解压缩时需要使用压缩器在压缩报头时所使用的参考基值。在恶劣的无线信道条件下，包含参考基值的包在信道上传输时可能丢失，造成无法正确解压缩。W-LSB编码算法则并不受该项限制。在W-LSB编码机制中，压缩端维护可变滑动窗口VSW.它包含一组参考基值，解压器只要接收到VSW中的任何一个基值就可以正确解压被压缩编码后的数据。只有当VSW中的所有基值全部丢失时，压缩器与解压器的上下文才会失去一致。
W-LSB编码算法应用于报头部分，在连续地传输包时，该部分数值经常发生小的变动。采用W-LSB编码，在链路上只需传输字段值的k比特最低有效位，而不是整个值，因为值的最高有效位在报头压缩期间保持不变。最低比特位数k值由压缩机根据VSW中的所包含的N个参考基值来计算。对于VSW中的每个基值v_ref，求取满足条件的最小k_ref值，使得范围表达式f(v_ref，k_ref)中包含要压缩的值，范围表达式f(v_ref，k_ref)的定义如下：
f(v_ref，k_ref)＝[v_ref-p，v_ref-2^(k_ref-1)-p]    (1)
其中p为整数。
<-------interpretation interval(size is 2^k)------->
|-------------+-----------------------------------------------|
v_ref-p v_ref    v_ref+(2^(k_ref-1)-p
对于任何k_ref，其最低位部分将唯一对应f(v_ref，k_ref)中的一个值。引入参数P，使f(v_ref，k_ref)可依据v_ref而调整变化范围。k的右值是上述计算出的N个k_ref中的最大值。解压器在接收到这k个比特后，利用VSW中的任何一个基值就可以正确解压缩。可变滑动窗口VSW的大小N将决定报头压缩的压缩率.当N较小时，报头压缩率较高，但是鲁棒性较弱；相反，当N较大时，报头压缩的鲁棒性较强，但压缩率和带宽利用率较低。为此，需要根据信道状态的变化情况，动态调整VSW的大小，以取得更好的报头压缩效果。
考虑到W-LSB编码的性能，本发明提出的报头压缩机制引入了在无线链路中估算最佳VSW尺寸的新方案：基于无线链路状况的可靠报头压缩方案。
2.报头压缩中的无线链路估计
本发明已经讨论了自适应鲁棒报头压缩方案的基本思路。该方案的意义在于，它可以通过调整W-LSB编码中VSW的大小以调整报头压缩机制。这就需要频繁地估计无线链路状态。无线链路状态估计可以在物理层，或者数据链路层进行。
本发明的估计方法基于某一个特定时长内总帧数与错误帧数的比率。发明中使用比例，而不是一个简单数，是为了防止上下行方向的不对称通信载荷给估计结果带来偏差。
本发明维护一个帧计数器用于统计接收到的总帧数，同时，维护一个错误帧计数器用于统计接收到的出错帧数。如同2，每当数据链路层接收到一个无线帧就相应增加该帧计数器，然后对该帧计算校验和，如果无错则将该帧传至协议栈上层，如果出错则丢弃该帧，并相应增加错误帧计数器的值。本发明假定无线链路状态是缓慢变化的，定义了一个估计时间间隔，并假定在该时间间隔内链路状态保持恒定。当该估计时间间隔结束时，可以计算出在该段时间间隔内收到的总帧数与错误帧数的比率。同时，本发明还为估算过程确定了一个上界和下界误差阈值，并将上述计算所得的错误比率与该误差阈值进行比较。如果前一估算时间间隔内链路状态估算结果为“好”，并且计算所得的错误比率低于上下误差阈值，则当前时间间隔内链路状态估算结果为“差”，否则估算出的链路状态仍旧为“好”。如果前一估算时间间隔内链路状态估算为“差”，并且计算所得的错误比率高于上下误差阈值，则当前时间间隔内链路状态估算结果为“好”，否则链路状态仍旧为“差”。在估算过程中，本发明使用两个阈值，其目的是为了避免出现错误比率在单一误差阈值附近的小变化所导致的估算结果在“好”、“差”状态间反复震荡的情况。在每次估算时间间隔末尾，帧计数器及错误计数器被复位。
无线链路状态的估算结果被封装入反馈包(Feedback packets)中，通过反向可靠链路传输。
3.报头压缩中的VSW尺寸调整
当收到报头解压缩机发来的包含无线链路状态信息的反馈信息包后，报头压缩机通过图2所示方法调整W-LSB编码算法中的VSW尺寸。
图3中，CS指信道状态/链路状态。以A(n)和A(n-1)分别代表实际值。目前，VSW尺寸表示为：
VSW(n)＝VSW_CS(n)+VSW_b    (2)
在这里，VSWCS(n)由信道状态决定，VSWb是一个大于1的基本常数，VSW(n)将依据图3中所示算法动态调整。
发明特点
本发明中提出了基于无线链路状态的可靠报头压缩方案。在发明中，报头压缩机采用了可靠的编码技术，即所谓的基于窗口的最低比特位(W-LSB)编码算法。而且提出，应使用无线链路状态的准确估算方法来控制W-LSB编码中可变滑动窗口(VSW)的尺寸，从而在压缩比和可靠性之间达到一个良好的平衡。本发明的方案适应于具有突发错误和时延特性的无线链路。通过对无线链路状态的准确估计来动态调整报头压缩机中W-LSB(基于窗口的最低比特位)编码算法的VSW(可变滑动窗口)尺寸，该项新发明，不仅可以可靠压缩RTP/UDP/IP报头大小，也可以获得相当高的效率。本发明的方案由于采用了更为准确和有效的方法来估计无线链路状态，可以极大地提高系统性能，并且本方案更易于应用于实际系统。
以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之。