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1、(10)申请公布号 CN 102833783 A (43)申请公布日 2012.12.19 C N 1 0 2 8 3 3 7 8 3 A *CN102833783A* (21)申请号 201210228517.7 (22)申请日 2012.07.02 H04W 28/06(2009.01) H04W 28/16(2009.01) H04W 80/06(2009.01) (71)申请人北京邮电大学 地址 100876 北京市海淀区西土城路10号 (72)发明人田辉 张平 林尚静 王斌 (74)专利代理机构北京路浩知识产权代理有限 公司 11002 代理人王莹 (54) 发明名称 一种优化无线环。
2、境下TCP协议的方法 (57) 摘要 本发明涉及无线通信领域技术领域，公开了 一种优化无线环境下TCP协议的方法，本发明通 过跨层信息综合分析PHY层信道状态信息和HARQ 信息，MAC层调度信息，RLC层ARQ信息以及PDCP 切换信息，判断TCP层报文丢失的原因是核心网 侧路由器拥塞还是因为无线链路侧数据报文丢 失，避免误导TCP层启动拥塞避免算法影响用户 发送速率，同时避免误导TCP启动快速重传算法 导致TCP和ARQ/HARQ之间重传竞争，优化了无线 环境下TCP协议的性能。本发明所提出的跨层架 构，保持LTE分层协议架构中层间的界面和接口 不变，在保持与原有网络互联互通的基础之上提 。
3、高了无线环境下TCP协议的运行效率。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页 1/1页 2 1.一种优化无线环境下TCP协议的方法，其特征在于，包括以下步骤： S1、当TCP刚开始发数据，处于慢启动阶段时，设定拥塞窗口的初始大小； S2、当拥塞窗口大于预设的慢启动门限时，则TCP转入拥塞避免阶段； S3、当TCP处于拥塞避免阶段时，根据无线承载的速率实时预估RTO定时器的值； S4、当TCP处于拥塞避免阶段，且TCP发送端在RTO定时器超时后仍没有收到接收端对 该。
4、数据包的正确应答或TCP发送端在RTO定时器超时的时间之内检测到三个相同的ACK确 认时，则区分是发生无线链路丢包还是拥塞，如果是无线链路侧丢包，则确认是因物理层信 道质量发生丢包还是因用户移动发生丢包；如果是拥塞，则确认是核心网侧路由器发生拥 塞还是因发送侧MAC层调度不及时导致PDCP队列拥塞； S5、如果是因物理层信道质量发生丢包，则进行TCP、ARQ、HARQ的多ARQ联合优化，以避 免多ARQ重传竞争； S6、如果是因为用户移动发生丢包，则TCP停留在拥塞避免状态，进行TCP、PDCP的联合 优化； S7、如果是核心网侧路由器发生拥塞，则TCP重新返回慢启动阶段； S8、如果是因发送。
5、侧MAC层调度不及时导致PDCP队列拥塞，则MAC层调度器提高包含 TCP报文的PDCP PDU的逻辑信道调度优先级，TCP停留在拥塞避免状态。 2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中设定拥塞窗口的初始大小具体为： 获取物理层信道质量测量信息确定TCP发送端可以发送的报文大小，将所述拥塞窗口的初 始大小设定为所述TCP发送端可以发送的报文大小。 3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中预估RTO定时器的值具体为：对 于承载在保证比特率承载上的TCP连接，通过RRC层获取经业务流模板映射之后承载的保 证比特率值以确定RTO定时器的值；对于承载在非保证比特率承载上的TCP连接。
6、，实时地通 过RRC层获取经业务流模板映射之后承载的实时速率值确定RTO的值。 4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中进行TCP、ARQ、HARQ的多ARQ联 合优化，以避免多ARQ重传竞争具体为：如果HARQ实体正在执行重传，或者如果RLC实体正 在重传包含TCP报文的RLC PDU，则TCP停留在拥塞避免状态；如果ARQ实体超过最大重传 次数仍未被正确接收导致触发连接重建过程，则等待链路层完成无线链路重建后TCP再进 入重传阶段。 5.如权利要求14中任一项所述的方法，其特征在于，步骤S6中进行TCP、PDCP的联合 优化具体为：PDCP实体将包含TCP报文的PDCP PDU通。
7、过X2接口传到目的基站相应的PDCP 实体。 权 利 要 求 书CN 102833783 A 1/4页 3 一种优化无线环境下 TCP 协议的方法 技术领域 0001 本发明涉及无线通信领域技术领域，尤其涉及一种基于跨层架构优化无线环境下 TCP协议的方法。 背景技术 0002 传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）原本是为小于10-8误比 特率的有线网络设计的，TCP协议假定报文丢失的主要原因是网络拥塞，因为链路出错而导 致的报文丢失对于有线网络是极为罕见的。上述假设对于有线网络来说是合理的，但是在 无线网络中，上述假设很难成立。因为在无线网络中，。
8、能够提供误比特率在10-6的无线信 道有时都比较困难，更何况小于10-8误比特率。下面，从TCP拥塞控制和流量控制中的三 个算法分析在高速无线信道环境下，TCP拥塞控制运用与长期演进（Long Term Evolution， LTE）系统之间存在的问题： 0003 首先来看TCP拥塞控制中慢启动算法。在TCP连接初期，TCP处于慢启动阶段，拥 塞窗口（Congestion Window，cwnd）初始化为一个报文大小。发送端按cwnd的大小发送数 据，每收到一个ACK确认，cwnd就增加一个报文发送量，这样，cwnd就将随着回环响应时间 （Round Trip Time，RTT）呈指数增长。但。
9、是，为了优化系统的吞吐量，在LTE无线链路控制 层（Radio Link Control，RLC）的发送端应该有足够多的数据包填满发送端和接收端之间 的逻辑信道，即TCP连接的初期阶段极有可能未能充分利用无线信道，这对于用户来说，就 是一种等待状态或近似等待状态。 0004 其次来看TCP拥塞控制中拥塞避免算法。当发送端在预先设定的重传超时时间 RTO（Retransmission Timeout）内没有收到接收端对该数据包的正确应答，就认为该数据 包已经在网络中丢失，而TCP协议假定报文丢失的主要原因是网络拥塞，因而启动快速重 传算法。由于RTO是根据已经传输的数据包的RTT来估计的，但是在。
10、LTE系统中，无线承载 的速率是动态变化的，速率的变化主要是由于无线信道环境的变化，小区负载的变化以及 用户的移动性等原因造成的，这些情况都会导致RTT的抖动，从而极大的影响TCP协议对 RTO的估算。因此，如果估算的RTO时间太小，则会引起频繁的不必要的cwnd窗口缩小，浪 费系统带宽；反之，如果估算的太大，则会造成发送端等待时延太大，影响用户的发送速率。 0005 最后来看TCP拥塞控制中快速重传算法。快速重传是当TCP发送端收到三 个相同的ACK确认时，也认为有数据包丢失，则发送端不必等待RTO超时即启动快 速重传算法。由于LTE在链路层设计方面采用了双ARQ的协议架构，即自动请求重 传。
11、（ARQ，AutomaticRepeat reQuest）协议和混合自动请求重传（Hybrid Automatic RepeatreQuest）协议，如图1所示。而此时LTE RLC层ARQ协议或HARQ协议也可能针对相 同的数据包进行重传，即两者有可能同时在恢复同一个丢失的报文段。因此，TCP快速重传 机制有可能导致TCP协议和ARQ/HARQ协议之间多ARQ重传竞争，致使网络中存在大量的冗 余数据，降低了系统的有效吞吐量。 0006 已有的改善无线TCP协议性能的方法中，端到端的改进方法和分割连接的方法， 说 明 书CN 102833783 A 2/4页 4 实质是让TCP发送端能够有效区。
12、分拥塞报文丢失和误码报文丢失，使其仅在拥塞报文丢失 时调用拥塞控制机制，在误码报文丢失时不调用该机制，从而不会降低数据发送的速率，但 是端到端的改进方法需要改进现有的TCP协议栈，分裂连接的方法破坏了端到端的语义； 基于链路层ARQ的解决方案的实质是通过ARQ协议恢复大部分的链路层差错，降低TCP能 够感知到的报文差错，但是该方法在大大降低误码率的同时，也会增加TCP端到端的时延， 严重时可能会导致TCP超时，影响系统性能。此外，这些解决方案都未能解决HARQ/ARQ和 TCP层的重传竞争，这就会使系统性能严重下降。因此，TCP、ARQ以及HARQ协议的相互作用 影响了TCP协议在LTE系统上。
13、数据传输的最终性能。 发明内容 0007 （一）要解决的技术问题 0008 本发明要解决的技术问题是：如何优化无线环境下TCP协议的性能。 0009 （二）技术方案 0010 为了解决上述技术问题，本发明提供一种优化无线环境下TCP协议的方法，包括 以下步骤： 0011 S1、当TCP刚开始发数据，处于慢启动阶段时，设定拥塞窗口的初始大小； 0012 S2、当拥塞窗口大于预设的慢启动门限时，则TCP转入拥塞避免阶段； 0013 S3、当TCP处于拥塞避免阶段时，根据无线承载的速率实时预估RTO定时器的值； 0014 S4、当TCP处于拥塞避免阶段，且TCP发送端在RTO定时器超时后仍没有收到接。
14、收 端对该数据包的正确应答或TCP发送端在RTO定时器超时的时间之内检测到三个相同的 ACK确认时，则区分是发生无线链路丢包还是拥塞，如果是无线链路侧丢包，则确认是因物 理层信道质量发生丢包还是因用户移动发生丢包；如果是拥塞，则确认是核心网侧路由器 发生拥塞还是因发送侧MAC层调度不及时导致PDCP队列拥塞； 0015 S5、如果是因物理层信道质量发生丢包，则进行TCP、ARQ、HARQ的多ARQ联合优化， 以避免多ARQ重传竞争； 0016 S6、如果是因为用户移动发生丢包，则TCP停留在拥塞避免状态，进行TCP、PDCP的 联合优化。 0017 S7、如果是核心网侧路由器发生拥塞，则TCP。
15、重新返回慢启动阶段； 0018 S8、如果是因发送侧MAC层调度不及时导致PDCP队列拥塞，则MAC层调度器提高 包含TCP报文的PDCP PDU的逻辑信道调度优先级，TCP停留在拥塞避免状态。 0019 优选地，步骤S1中设定拥塞窗口的初始大小具体为：获取物理层信道质量测量信 息确定TCP发送端可以发送的报文大小，将所述拥塞窗口的初始大小设定为所述TCP发送 端可以发送的报文大小。 0020 优选地，步骤S3中预估RTO定时器的值具体为：对于承载在保证比特率承载上的 TCP连接，通过RRC层获取经业务流模板映射之后承载的保证比特率值以确定RTO定时器的 值；对于承载在非保证比特率承载上的TC。
16、P连接，实时地通过RRC层获取经业务流模板映射 之后承载的实时速率值确定RTO的值。 0021 优选地，步骤S5中进行TCP、ARQ、HARQ的多ARQ联合优化，以避免多ARQ重传竞 争具体为：如果HARQ实体正在执行重传，或者如果RLC实体正在重传包含TCP报文的RLC 说 明 书CN 102833783 A 3/4页 5 PDU，则TCP停留在拥塞避免状态；如果ARQ实体超过最大重传次数仍未被正确接收导致触 发连接重建过程，则等待链路层完成无线链路重建后TCP再进入重传阶段。 0022 优选地，步骤S6中进行TCP、PDCP的联合优化具体为：PDCP实体将包含TCP报文 的PDCP PDU。
17、通过X2接口传到目的基站相应的PDCP实体。 0023 （三）有益效果 0024 上述技术方案具有如下优点：本发明在有效保留了LTE协议栈各层功能独立性的 基础上，通过跨层信息综合分析PHY层信道状态信息和HARQ信息，MAC层调度信息，RLC层 ARQ信息以及PDCP切换信息，判断TCP层报文丢失的原因是核心网侧路由器拥塞还是因为 无线链路侧数据报文丢失，避免误导TCP层启动拥塞避免算法影响用户发送速率，同时避 免误导TCP启动快速重传算法导致TCP和ARQ/HARQ之间重传竞争，优化了无线环境下TCP 协议的性能。本发明所提出的跨层架构，保持LTE分层协议架构中层间的界面和接口不变， 在保。
18、持与原有网络互联互通的基础之上提高了无线环境下TCP协议的运行效率。 附图说明 0025 图1是在现有技术下，基于分层架构的LTE系统协议栈； 0026 图2是本发明所提出的基于跨层架构的LTE系统协议栈； 0027 图3是本发明所提出基于跨层架构的无线TCP协议优化流程图。 具体实施方式 0028 下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施 例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。 0029 在无线环境下，TCP协议会受到无线信道条件和分层协议栈独立底层协议的影响， 本发明基于协议跨层设计思想，联合TCP层、分组数据汇聚协议（Packet Data Conve。
19、rgence Protocol，PDCP）层、RLC层、媒体接入控制（Media Access Control，MAC）层以及物理层 （Physical Layer，PHY）进行跨层协议设计，以优化TCP拥塞控制中慢启动算法、拥塞避免 算法以及快速重传算法在无线环境下的效率。 0030 考虑到网络间互连协议（Internet Protocol，IP）对于TCP层的报文的处理仅包 括添加IP头，因此，下面的描述过程均忽略IP层的处理过程。 0031 如图2、图3所示，本发明的方法包括如下步骤： 0032 步骤301，当TCP刚开始发数据，处于慢启动阶段时，由跨层信息交互实体设定 拥塞窗口初始大小。
20、cwndint：跨层信息交互实体获取物理层信道质量测量（CQI,Channel Quality Indication）信息确定TCP发送端可以发送的报文大小，初始化cwndint，。 0033 步骤302，当拥塞窗口大于慢启动门限，则TCP转入拥塞避免阶段。 0034 步骤303，当TCP处于拥塞避免阶段，由跨层信息交互实体根据无线承载的速率实 时预估RTO定时器值：对于承载在保证比特率（Guaranteed Bit Rate，GBR）承载上的TCP 连接，如语音、视频和实时游戏等，其无线承载的速率是基本恒定的，因而，跨层信息交互实 体通过RRC层获取经业务流模板（TFT）映射之后的承载的保证。
21、比特率值以确定RTO的值； 对于承载在非保证比特率（non Guaranteed BitRate，non-GBR）承载上的TCP连接，如后台 背景类业务等，其无线承载的速率是动态变化的，因而，跨层信息交互实体需要实时地通过 说 明 书CN 102833783 A 4/4页 6 RRC层获取经业务流模板映射之后的承载实时速率值确定RTO的值。 0035 所述跨层信息交互实体用于收集PHY层、MAC层、RLC层、PDCP层以及TCP层汇报 的实时信息，并根据所收集的信息做出全局最优判决，再将判决信息反馈给各层，从而实现 无线TCP协议的整体优化。 0036 步骤304，当TCP处于拥塞避免阶段，T。
22、CP发送端在重传定时器超时后仍没有收到 接收端对该数据包的正确应答或TCP发送端在重传定时器超时之内检测到三个相同的ACK 确认时，则由跨层信息交互实体区分是发生无线链路丢包还是拥塞。更进一步，如果是无线 链路侧丢包，则需要确认是因物理层信道质量较差（如用户处于建筑物阴影区遮挡）发生丢 包还是因用户移动（如切换）发生丢包；如果是拥塞，则还需确认是核心网侧路由器发生拥 塞还是发送侧MAC层调度不及时导致PDCP队列拥塞。 0037 步骤305，如果是因物理层信道质量较差而导致丢包，则进行TCP、ARQ、HARQ多ARQ 联合优化，避免多ARQ重传竞争。 0038 具体地，如果HARQ实体正在执行。
23、重传，则TCP仍然停留在拥塞避免状态。对于下 行传输，由于HARQ采用的是异步HARQ，因此，跨层信息交互实体指示下行HARQ实体提高包 含该TCP报文的MAC分组数据单元（Packet Data Unit，PDU）的重传优先级，对于上行传 输，由于HARQ采用的是同步HARQ，则无法提高重传优先级；或是如果RLC实体正在重传包 含该TCP报文的RLC PDU，则TCP仍然停留在拥塞避免状态；或是如果ARQ实体超过最大重 传次数仍然未能被正确接收导致触发连接重建过程，表示发生了无线链路失败（RLF，Radio Link Failure），则TCP重传该TCP报文此时已无意义，跨层信息交互实体等。
24、待链路层完成 无线链路重建后再指示TCP进入快速重传阶段； 0039 步骤306，如果是因为用户移动性（如切换）而导致丢包，则TCP仍然停留在拥塞避 免状态，进行TCP、PDCP联合优化。由于此时用户处于切换过程，因此在源基站再次重传该 TCP报文已经没有意义，跨层信息交互实体指示PDCP实体将包含该TCP报文的PDCP PDU通 过X2接口前传到目的基站相应的PDCP实体。 0040 步骤307，如果是因为核心网侧路由器发生拥塞，则跨层信息交互实体指示TCP重 新返回慢启动阶段； 0041 步骤308，如果是因为发送侧MAC层调度不及时导致PDCP队列拥塞，则跨层信息交 互实体指示MAC层调。
25、度器提高包含该TCP报文的PDCP PDU的逻辑信道调度优先级，TCP仍 然停留在拥塞避免状态。 0042 由以上实施例可以看出，本发明在有效保留了LTE协议栈各层功能独立性的基础 上，通过跨层信息综合分析PHY层信道状态信息和HARQ信息，MAC层调度信息，RLC层ARQ 信息以及PDCP切换信息，判断TCP层报文丢失的原因是核心网侧路由器拥塞还是因为无线 链路侧数据报文丢失，避免误导TCP层启动拥塞避免算法影响用户发送速率，同时避免误 导TCP启动快速重传算法导致TCP和ARQ/HARQ之间重传竞争，优化了无线环境下TCP协议 的性能。本发明所提出的跨层架构，保持LTE分层协议架构中层间的界面和接口不变，在保 持与原有网络互联互通的基础之上提高了无线环境下TCP协议的运行效率。 0043 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换 也应视为本发明的保护范围。 说 明 书CN 102833783 A 1/3页 7 图1 说 明 书 附 图CN 102833783 A 2/3页 8 图2 说 明 书 附 图CN 102833783 A 3/3页 9 图3 说 明 书 附 图CN 102833783 A 。