GPRS系統(tǒng)中的RLC層性能分析梁軼群

摘　要　本文首先概述了GPRS空中接口各層結(jié)構(gòu)以及各層的主要功能，對應(yīng)答模式RLC層的數(shù)據(jù)傳輸過程進行了闡述，然后給出了利用模糊控制系統(tǒng)對RTO參數(shù)進行測量的方法，其目的主要是通過調(diào)整RTO的值來減小GPRS時延和網(wǎng)絡(luò)負荷。

關(guān)鍵詞　GPRS　RLC　RTO　時延　模糊控制

1　引言

GPRS（General Packet Radio Service）是通用分組無線業(yè)務(wù)的簡稱，它是基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)。GPRS充分的利用了現(xiàn)有的GSM資源，在原有的GSM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中引入了幾種新的網(wǎng)絡(luò)單元，如：GGSN、SGSN、PCU以及其他輔助進行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)管理和應(yīng)用的單元、網(wǎng)絡(luò)時間單元（NTP）、計費網(wǎng)關(guān)（GN）等。GPRS最大特點是能夠提供高速率傳輸，傳輸速率可達57.6kbit/s，最大速率可達170.2kbit/s（采用CS-4，8時隙傳輸），下一代網(wǎng)絡(luò)中GPRS的傳輸速率可達384kbit/s，完全可以滿足用戶的需要，人們再也不用通過撥號上網(wǎng)的方式來發(fā)送E-mail和瀏覽網(wǎng)頁了。GPRS對用戶的計費不同于傳統(tǒng)的GSM網(wǎng)絡(luò)，采用的是按流量計費，用戶可以一直在線，而網(wǎng)絡(luò)方只有在用戶發(fā)送數(shù)據(jù)時才給用戶分配資源，因此，這種計費方式比WAP手機更加合理。另外，用WAP手機上網(wǎng)瀏覽網(wǎng)頁，只能看專為WAP設(shè)計的網(wǎng)站，而現(xiàn)在這類網(wǎng)站十分稀少，GPRS手機可以瀏覽普通的Internet網(wǎng)頁,這對用戶來說是極大的方便。

2　GPRS空中接口

2.1　空中接口模型原理

GSM / GPRS系統(tǒng)使用CCITT建議X. 200和 X.210規(guī)定的開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）參考模型。OSI參考模型的基本技術(shù)是采用了分層的基本思想。根據(jù)分層原理，應(yīng)用過程之間的通信，從邏輯上可以用垂直序列來表示分層的順序。在移動臺與BSS之間的接口信令分三層，如圖1所示。

層與層之間相互作用需要用原語來定義，原語用一種抽象的方法來表示相鄰層之間信息和控制的邏輯交換，但并不規(guī)定或限制具體的實現(xiàn)方法。原語也用來描述層與移動管理實體之間的信息交換。  

2.2　空中接口具體分層

圖2是移動臺和網(wǎng)絡(luò)的傳輸平面圖，從上到下依次為子網(wǎng)匯聚（SNDCP）子層、邏輯鏈路控制（LLC）層、無線鏈路控制（RLC）層、媒質(zhì)接入控制（MAC）層、物理鏈路（PLL）層、物理射頻（Physical RF）層。SNDCP屬于網(wǎng)絡(luò)層，支持不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議如IP、    X.25協(xié)議，為了提高傳輸速率，SNDCP具有協(xié)議控制信息和用戶數(shù)據(jù)壓縮和解壓縮的功能，此外，SNDCP具有把N-PDU分解成SN-PDU和把SN-PDU重組成N-PDU的功能。LLC層在移動臺和網(wǎng)絡(luò)之間能夠提供一條非常可靠的邏輯鏈路，支持可變幀長度，在一個LLC幀中用戶數(shù)據(jù)最大幀長度為1520字節(jié)，每一個LLC幀中包含最長40字節(jié)頭開銷，因此，一個幀最大長度為1560字節(jié)。 RLC具有后向糾錯（BEC）的功能，允許選擇重傳RLC數(shù)據(jù)塊，在發(fā)送端將LLC PDU分解成RLC數(shù)據(jù)塊，在接收端將RLC數(shù)據(jù)塊重新組裝成LLC PDU。MAC層的主要功能是對共享的傳輸資源進行管理，MAC層支持建立臨時塊流（TBF），TBF允許在網(wǎng)絡(luò)和一個移動臺之間或一個小區(qū)內(nèi)進行點對點傳遞信令和用戶數(shù)據(jù)，此外，MAC層還包括PBCCH和PCCH的接收過程，這一過程允許移動臺執(zhí)行自動小區(qū)重選，從而更好的實現(xiàn)GPRS的移動性管理。物理層分為物理鏈路層和物理射頻層，物理鏈路層工作在物理射頻層之上，負責對傳輸碼字檢錯和糾錯，將4個連續(xù)TDMA幀突發(fā)分組成無線塊，進行矩陣交織，檢測物理鏈路的擁塞。物理射頻層包括載波頻率特性和無線信道結(jié)構(gòu)，以及傳輸波形的調(diào)制。

3　無線鏈路控制（RLC）層數(shù)據(jù)塊傳輸

RLC層是LLC和MAC層之間的接口。它執(zhí)行LLC-PDU到RLC/MAC數(shù)據(jù)塊的封裝和解封裝，采用選擇性重傳（ARQ）機制執(zhí)行后向錯誤糾正（BEC）。選擇重傳的工作原理：當接收方發(fā)現(xiàn)某幀出錯后，其后繼續(xù)送來的正確的幀不能立即遞交給接收方的高層，但接收方仍可收下來，存放在緩沖區(qū)中，同時要求發(fā)送方重新傳送出錯的那一幀。一旦收到重新傳來的幀后，就可以和已存于緩沖區(qū)中的其余幀一并按正確的順序遞交高層。其工作過程如圖3所示。圖中2號幀的否認返回信息NAK2要求發(fā)送方選擇重發(fā)2號幀。

RLC上的ARQ機制支持兩種操作模式：RLC確認模式和RLC非確認模式。網(wǎng)絡(luò)通過分組下行設(shè)定或分組時隙重新配置信息中的RLC_MODE，設(shè)定下行TBF的操作模式。 本文只討論確認模式，為了提高重傳的可靠性，在發(fā)送側(cè)對所要傳送的RLC塊進行編號，并選用滑動窗口64進行傳輸。接收方通過周期性的Ack/Nack信息，對數(shù)據(jù)塊接收的正確性表示確認。

發(fā)送方從上層獲得數(shù)據(jù)包并將數(shù)據(jù)進行緩存，之后將數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，并將發(fā)送序列號V（S）加1。數(shù)據(jù)傳送過程中，如果發(fā)送方接收到接收方所傳的表示確認信息的接收數(shù)據(jù)映射信息RBB，則更新應(yīng)答狀態(tài)變量V（A），標志所發(fā)送的數(shù)據(jù)塊接收是否正確。系統(tǒng)優(yōu)先發(fā)送未被正確接收的數(shù)據(jù)塊，系統(tǒng)還同時進行新的數(shù)據(jù)塊的傳送，如果新的數(shù)據(jù)塊傳送結(jié)束后發(fā)送窗口尚未填滿，則系統(tǒng)重新傳送未被正確接收和等待確認的數(shù)據(jù)塊，如果發(fā)送數(shù)據(jù)窗口被占滿，則發(fā)送方重傳最早未被確認的數(shù)據(jù)塊。

接收端使用接收窗口來檢測數(shù)據(jù)幀的接收，在接收到新的塊序列號BSN且符合一定條件時，V（A）值更新，指向下一個要接收的BSN號，它與V（Q）配合來進行接收窗口位置的調(diào)整，以保證接收到的數(shù)據(jù)幀的發(fā)送序號落入接收窗口范圍內(nèi)，否則將數(shù)據(jù)包丟失。 

4　利用模糊控制對重傳時限（RTO）進行預(yù)測

重傳時限RTO，當一個包發(fā)出后，如果在規(guī)定的時間RTO發(fā)送端沒有接收到確認信息，發(fā)送端則認為數(shù)據(jù)丟失，然后進行數(shù)據(jù)重發(fā)，并將擁塞窗口CWND調(diào)整為初始值，起動慢起動算法代替擁塞窗口管理。RLC采用確認模式傳輸數(shù)據(jù)時，由于受到信號強度、業(yè)務(wù)優(yōu)先級、帶寬等條件的影響，在傳輸中可能存在延遲突變，這種現(xiàn)象在GPRS中普遍存在。延遲突變所造成的后果是使重傳時限（RTO）超時，導(dǎo)致數(shù)據(jù)重傳。由于在這種情況下，數(shù)據(jù)沒有丟失，使得資源浪費、網(wǎng)絡(luò)擁塞、增加網(wǎng)絡(luò)傳輸時延。因此對RTO的設(shè)計至關(guān)重要。由于網(wǎng)絡(luò)的傳輸條件是時刻在變化的，在設(shè)計RTO時應(yīng)采用自適應(yīng)算法。RFC2988中規(guī)定了RTO的計算公式，該公式根據(jù)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)包的真正時延（RTT）光滑平均值和光滑抖動來計算RTO值。

在本文中采用模糊控制系統(tǒng)對RTO進行預(yù)測，模糊控制系統(tǒng)在最近幾年得到了快速發(fā)展，模糊控制系統(tǒng)的頑健性強，尤其適合于非線性、時變及純滯后系統(tǒng)的控制。模糊控制算法是基于啟發(fā)性的知識及語言決策規(guī)則設(shè)計的，增強控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力，使之具有一定的智能水平。由于從定性認識出發(fā)，比較容易建立語言控制規(guī)則，因而模糊控制對那些數(shù)學模型難以獲取、動態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對象非常適用。

在這個系統(tǒng)中我們采用N、P、ARTT、RTOB作為輸入值，經(jīng)模糊判決器判決后，判決輸出RTO，在這里N代表網(wǎng)絡(luò)負荷，P代表前64次傳輸丟失幀的概率，ARTT代表RTT的平均值，RTOB是RTO反饋到輸出端的值。

我們利用模糊語言對輸入變量進行模糊化，T（N）={L，H}，T（P）={L，H}，T（ARTT）={L，M，H}，T（RTOB）= {L，M，H}。對輸出變量進行模塊化T（RTO）={VL，L，M，H，VH}，通過上面的定義我們可以60條規(guī)則，如圖5所示。

5　結(jié)束語

在GPRS時延分析中，由于在核心網(wǎng)中時延比較確定，可以用公式計算，而在空中接口處情況比較復(fù)雜，隨機性也比較大，因此對空中接口的結(jié)構(gòu)有比較深入的了解是很有必要的，而參數(shù)RTO對傳輸時延、網(wǎng)絡(luò)負荷影響都很大，在文中利用模糊控制方法給出了具體算法。

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