GPRS系統(tǒng)中的RLC層性能分析梁軼群

相關(guān)專題: 無線

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(duì)應(yīng)答模式RLC層的數(shù)據(jù)傳輸過程進(jìn)行了闡述,然后給出了利用模糊控制系統(tǒng)對(duì)RTO參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的方法,其目的主要是通過調(diào)整RTO的值來減小GPRS時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。

關(guān)鍵詞 GPRS RLC RTO 時(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)管理和應(yīng)用的單元、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間單元(NTP)、計(jì)費(fèi)網(wǎng)關(guān)(GN)等。GPRS最大特點(diǎn)是能夠提供高速率傳輸,傳輸速率可達(dá)57.6kbit/s,最大速率可達(dá)170.2kbit/s(采用CS-4,8時(shí)隙傳輸),下一代網(wǎng)絡(luò)中GPRS的傳輸速率可達(dá)384kbit/s,完全可以滿足用戶的需要,人們?cè)僖膊挥猛ㄟ^撥號(hào)上網(wǎng)的方式來發(fā)送E-mail和瀏覽網(wǎng)頁了。GPRS對(duì)用戶的計(jì)費(fèi)不同于傳統(tǒng)的GSM網(wǎng)絡(luò),采用的是按流量計(jì)費(fèi),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(shí)才給用戶分配資源,因此,這種計(jì)費(fèi)方式比WAP手機(jī)更加合理。另外,用WAP手機(jī)上網(wǎng)瀏覽網(wǎng)頁,只能看專為WAP設(shè)計(jì)的網(wǎng)站,而現(xiàn)在這類網(wǎng)站十分稀少,GPRS手機(jī)可以瀏覽普通的Internet網(wǎng)頁,這對(duì)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(dòng)臺(tái)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(shí)現(xiàn)方法。原語也用來描述層與移動(dòng)管理實(shí)體之間的信息交換。  

2.2 空中接口具體分層

圖2是移動(dòng)臺(tái)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(dòng)臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)之間能夠提供一條非?煽康倪壿嬫溌,支持可變幀長度,在一個(gè)LLC幀中用戶數(shù)據(jù)最大幀長度為1520字節(jié),每一個(gè)LLC幀中包含最長40字節(jié)頭開銷,因此,一個(gè)幀最大長度為1560字節(jié)。 RLC具有后向糾錯(cuò)(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(duì)共享的傳輸資源進(jìn)行管理,MAC層支持建立臨時(shí)塊流(TBF),TBF允許在網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)移動(dòng)臺(tái)之間或一個(gè)小區(qū)內(nèi)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(dòng)臺(tái)執(zhí)行自動(dòng)小區(qū)重選,從而更好的實(shí)現(xiàn)GPRS的移動(dòng)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(fù)責(zé)對(duì)傳輸碼字檢錯(cuò)和糾錯(cuò),將4個(gè)連續(xù)TDMA幀突發(fā)分組成無線塊,進(jìn)行矩陣交織,檢測(cè)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(jī)制執(zhí)行后向錯(cuò)誤糾正(BEC)。選擇重傳的工作原理:當(dāng)接收方發(fā)現(xiàn)某幀出錯(cuò)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(shí)要求發(fā)送方重新傳送出錯(cuò)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(hào)幀的否認(rèn)返回信息NAK2要求發(fā)送方選擇重發(fā)2號(hào)幀。

RLC上的ARQ機(jī)制支持兩種操作模式:RLC確認(rèn)模式和RLC非確認(rèn)模式。網(wǎng)絡(luò)通過分組下行設(shè)定或分組時(shí)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(rèn)模式,為了提高重傳的可靠性,在發(fā)送側(cè)對(duì)所要傳送的RLC塊進(jìn)行編號(hào),并選用滑動(dòng)窗口64進(jìn)行傳輸。接收方通過周期性的Ack/Nack信息,對(duì)數(shù)據(jù)塊接收的正確性表示確認(rèn)。

發(fā)送方從上層獲得數(shù)據(jù)包并將數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存,之后將數(shù)據(jù)包發(fā)送出去,并將發(fā)送序列號(hào)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(rèn)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(biāo)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(shí)進(jìn)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(rèn)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(rèn)的數(shù)據(jù)塊。

接收端使用接收窗口來檢測(cè)數(shù)據(jù)幀的接收,在接收到新的塊序列號(hào)BSN且符合一定條件時(shí),V(A)值更新,指向下一個(gè)要接收的BSN號(hào),它與V(Q)配合來進(jìn)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(hào)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(duì)重傳時(shí)限(RTO)進(jìn)行預(yù)測(cè)

重傳時(shí)限RTO,當(dāng)一個(gè)包發(fā)出后,如果在規(guī)定的時(shí)間RTO發(fā)送端沒有接收到確認(rèn)信息,發(fā)送端則認(rèn)為數(shù)據(jù)丟失,然后進(jìn)行數(shù)據(jù)重發(fā),并將擁塞窗口CWND調(diào)整為初始值,起動(dòng)慢起動(dòng)算法代替擁塞窗口管理。RLC采用確認(rèn)模式傳輸數(shù)據(jù)時(shí),由于受到信號(hào)強(qiáng)度、業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)、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(shí)限(RTO)超時(shí),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(fèi)、網(wǎng)絡(luò)擁塞、增加網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延。因此對(duì)RTO的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。由于網(wǎng)絡(luò)的傳輸條件是時(shí)刻在變化的,在設(shè)計(jì)RTO時(shí)應(yīng)采用自適應(yīng)算法。RFC2988中規(guī)定了RTO的計(jì)算公式,該公式根據(jù)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)包的真正時(shí)延(RTT)光滑平均值和光滑抖動(dòng)來計(jì)算RTO值。

在本文中采用模糊控制系統(tǒng)對(duì)RTO進(jìn)行預(yù)測(cè),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(qiáng),尤其適合于非線性、時(shí)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(shí)及語言決策規(guī)則設(shè)計(jì)的,增強(qiáng)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(rèn)識(shí)出發(fā),比較容易建立語言控制規(guī)則,因而模糊控制對(duì)那些數(shù)學(xué)模型難以獲取、動(dòng)態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對(duì)象非常適用。

在這個(gè)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(fù)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(duì)輸入變量進(jìn)行模糊化,T(N)={L,H},T(P)={L,H},T(ARTT)={L,M,H},T(RTOB)= {L,M,H}。對(duì)輸出變量進(jìn)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(shí)延分析中,由于在核心網(wǎng)中時(shí)延比較確定,可以用公式計(jì)算,而在空中接口處情況比較復(fù)雜,隨機(jī)性也比較大,因此對(duì)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(duì)傳輸時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)負(fù)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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作者:楊智輝 鐘章隊(duì)   來源:中國新通信(原《中國數(shù)據(jù)通信》4月)
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