專利名稱：寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)的高速且高可靠性的多層自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)的高速且高可靠性的多層自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求協(xié)議。
背景技術(shù)：
隨著因特網(wǎng)(World Wide Web)在日常生活中普及，在無(wú)線訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)中必須對(duì)話音流、音頻流、視頻流、文件和網(wǎng)站下載等各種無(wú)線數(shù)據(jù)服務(wù)進(jìn)行支援。為了將因特網(wǎng)的業(yè)務(wù)導(dǎo)入無(wú)線移動(dòng)裝置，選擇適合于對(duì)應(yīng)通過(guò)無(wú)線信道的數(shù)據(jù)服務(wù)增大的需求，且能夠處理QoS(服務(wù)質(zhì)量)條件分別不同的廣泛的多媒體業(yè)務(wù)的協(xié)議或標(biāo)準(zhǔn)極為重要。因?yàn)镮P(因特網(wǎng)協(xié)議)是當(dāng)前最主流的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議，所以無(wú)線接口的主流的無(wú)線數(shù)據(jù)技術(shù)必須依靠以IP為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)。一般用于IP的傳輸層協(xié)議的傳輸控制協(xié)議(TCP)仍然是用于IP的主要協(xié)議，并提供有線區(qū)域的高可靠性的端對(duì)端傳輸。TCP被設(shè)計(jì)成在有線網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮良好的作用，在有線網(wǎng)絡(luò)中信道差錯(cuò)率極小，不會(huì)因?yàn)榉纸M丟失以外的理由造成擁塞。然而，在以高比特率為特征的無(wú)線區(qū)域使用TCP時(shí)，TCP性能會(huì)大幅降低。在無(wú)線鏈接中分組丟失的話，TCP將其解釋為擁塞并進(jìn)行響應(yīng)，將傳輸窗(transmission window)縮小，開始擁塞控制機(jī)制，將重發(fā)時(shí)間復(fù)位。被設(shè)計(jì)成用于有線網(wǎng)絡(luò)的該擁塞控制機(jī)制使得TCP吞吐量不必要地減少。已提出幾個(gè)方案來(lái)減輕與通過(guò)無(wú)線鏈接的擁塞無(wú)關(guān)的丟失的影響。
為減少在無(wú)線鏈接中由TCP層檢測(cè)出的幀差錯(cuò)率(FER)，一般在鏈接層，也就是在物理層上、TCP層下導(dǎo)入無(wú)線鏈接協(xié)議(RLP)。例如，在DS-CDMA蜂窩系統(tǒng)中，使用以NAK(否定響應(yīng))為基礎(chǔ)的選擇式重發(fā)方案的RLP已被標(biāo)準(zhǔn)化(IS-99標(biāo)準(zhǔn))。在IS-99數(shù)據(jù)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)中，以使用DS-CDMA的IS-95標(biāo)準(zhǔn)定義下層的物理層。RLP在產(chǎn)生幀錯(cuò)誤時(shí)，以上限次數(shù)以內(nèi)的RLP幀重發(fā)執(zhí)行鏈接層的部分恢復(fù)。在幀錯(cuò)誤過(guò)多而無(wú)法恢復(fù)時(shí)，控制被傳送到TCP層，TCP層為端對(duì)端的完全恢復(fù)負(fù)起最終的責(zé)任。
RLP通常從TCP的錯(cuò)誤充分保護(hù)物理層，但應(yīng)用程序的延遲條件非常嚴(yán)密時(shí)有時(shí)無(wú)法保護(hù)。因?yàn)榕c以RLP進(jìn)行的重發(fā)有關(guān)的延遲大，所以有時(shí)無(wú)法維持實(shí)時(shí)的應(yīng)用程序。為解決這個(gè)問(wèn)題，必須在RLP層的下面加入其它的高速重發(fā)機(jī)制。這能夠由MAC(Media Access Control)層的ARQ機(jī)制進(jìn)行，此時(shí)提供兩層重發(fā)的可靠性。MAC層ARQ的優(yōu)點(diǎn)是能夠非常迅速地執(zhí)行重發(fā)而不用通知高層的RLP層。另一方面，可以使用其它的技術(shù)鏈接·軟結(jié)合(technology link soft combing)來(lái)提高在MAC層正確接收幀的機(jī)率。RLP無(wú)法在寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)中提供MAC-ARQ所需功能的原因有兩個(gè)。第一，在以選擇小區(qū)為目的而選擇信號(hào)最強(qiáng)的基站的步驟中，RLP在最后的網(wǎng)絡(luò)單元(例如，基站)結(jié)束，其結(jié)果導(dǎo)致在RLP層的重發(fā)請(qǐng)求處理中的網(wǎng)絡(luò)延遲。第二，有時(shí)候在前向共享控制信道(forward shared control channel)會(huì)包含不是來(lái)自RLP的協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)。
然而，有關(guān)兩層重發(fā)的研究幾乎都只是把焦點(diǎn)集中在結(jié)合的可靠性和延遲。在大部分的分析中，在RLP層考慮基于NAK的選擇式重發(fā)(SR)(使用于IS-99)，并在MAC層考慮n個(gè)信道停止等待(SAW)混合ARQ?；贜AK的SR表示接收機(jī)對(duì)正確的RLP數(shù)據(jù)幀不進(jìn)行肯定響應(yīng)，僅對(duì)沒(méi)有正確接收的RLP數(shù)據(jù)幀請(qǐng)求重發(fā)。在接收端的RLP發(fā)現(xiàn)有錯(cuò)誤(或丟失)的幀時(shí)，返回請(qǐng)求該丟失幀的重發(fā)的NAK。對(duì)丟失幀設(shè)定NAK重發(fā)定時(shí)器。重發(fā)定時(shí)器首次到點(diǎn)時(shí)，RLP將定時(shí)器復(fù)位，返回兩次NAK。在傳輸端每次接收到NAK時(shí)，請(qǐng)求的幀被重發(fā)。定時(shí)器在第二次到點(diǎn)時(shí)，RLP將定時(shí)器復(fù)位，返回三個(gè)NAK。這個(gè)步驟持續(xù)到定時(shí)器到點(diǎn)的次數(shù)達(dá)到特定的上限n(IS-99的初始值是n＝3)。重發(fā)失敗n次時(shí)，RLP停止嘗試重發(fā)，將控制傳送到TCP層。于是，在基于NAK的SRARQ中，一個(gè)RLP幀被許可的最大容許重發(fā)次數(shù)被限制在固定值n。RLP將高層分組(在這個(gè)情況是TCP段)分解為N個(gè)RLP幀后傳輸?shù)組AC層時(shí)，對(duì)通過(guò)無(wú)線鏈接傳輸?shù)腡CP段容許的最長(zhǎng)時(shí)間相當(dāng)于通過(guò)無(wú)線信道傳輸(n+1)×N個(gè)RLP幀的時(shí)間。因?yàn)閚為有限，一些RLP幀在最大容許重發(fā)次數(shù)以內(nèi)可以被正確地傳輸，RLP幀的傳輸嘗試超過(guò)n次后就無(wú)法正確地接收幀。如果僅有一個(gè)的RLP幀不被正確接收，包含該幀的TCP段是錯(cuò)誤的。此時(shí)，啟動(dòng)擁塞控制機(jī)制，TCP性能降低。因此，開發(fā)一種減低分組差錯(cuò)率將TCP性能提高某種程度的新的ARQ方案很重要。
MAC-ARQ的目的主要是減少幀的傳輸延遲。因此，ARQ方案必須簡(jiǎn)單而不大復(fù)雜。SAW是ARQ最簡(jiǎn)單的一種形式，所需要的開銷非常少。在SAW，發(fā)送機(jī)對(duì)當(dāng)前的塊進(jìn)行操作，直到該塊被正常地接收為止。由識(shí)別當(dāng)前或下一個(gè)塊的簡(jiǎn)單的1比特的順序編號(hào)確保協(xié)議的正確度。其結(jié)果，控制的開銷為最小。并且，能夠由一個(gè)比特簡(jiǎn)潔地通知解碼是成功還是失敗(使用ACK、NACK等)，因此肯定響應(yīng)的開銷也是最小。因此，在使用停止等待機(jī)制的H-ARQ中，通過(guò)減少在通知時(shí)所需要的總帶寬和接收機(jī)的存儲(chǔ)器來(lái)達(dá)到大幅的改進(jìn)。但卻存在一個(gè)重大的缺點(diǎn)，即，因?yàn)榭隙憫?yīng)并非即時(shí)的，在各個(gè)傳輸之后，發(fā)送機(jī)在傳輸下一個(gè)塊之前必須等待肯定響應(yīng)的接收。這是在使用停止等待式的ARQ時(shí)眾所周知的問(wèn)題。在待機(jī)時(shí)，信道維持空閑的狀態(tài)而浪費(fèi)系統(tǒng)容量。在時(shí)隙型系統(tǒng)(slotted system)中，發(fā)送機(jī)等待肯定響應(yīng)時(shí)，反饋延遲造成至少一半的系統(tǒng)容量的浪費(fèi)。其結(jié)果，即使是在沒(méi)有錯(cuò)誤的信道上，必須使至少每隔一個(gè)的時(shí)隙為空閑狀態(tài)來(lái)加以使用。
在N信道SAW/H-ARQ中，通過(guò)將停止等待協(xié)議平行化(parallelize)，在信道空閑時(shí)執(zhí)行混合ARQ協(xié)議個(gè)別的實(shí)例化來(lái)提供對(duì)策。其結(jié)果，由于在算法的一個(gè)實(shí)例通過(guò)前向鏈接傳送數(shù)據(jù)塊的同時(shí)，另一個(gè)實(shí)例通過(guò)反向的鏈接傳送肯定響應(yīng)，所以不會(huì)浪費(fèi)系統(tǒng)容量。然而，在這個(gè)方案中，接收機(jī)必須存儲(chǔ)N個(gè)塊。在解碼失敗的時(shí)候，為了進(jìn)行合并解碼(combined decoding)，接收機(jī)必須存儲(chǔ)更多的塊。
為實(shí)施N信道SAW/H-ARQ的方案有許多種，例如有Chase combining方案和Incremental Redundancy方案。
追趕合并(H-ARQ-I)是為執(zhí)行H-ARQ的最簡(jiǎn)單的方法。在最初的嘗試中解碼失敗時(shí)，發(fā)送機(jī)單純地將編碼的整個(gè)分組重復(fù)發(fā)送。由此，因傳輸?shù)膰L試定時(shí)不同而能夠獲得時(shí)間分集(time diversity)效果。
遞增冗余方案(IR)是為執(zhí)行H-ARQ技術(shù)的另一個(gè)方法。追加的冗余信息以遞增的方式被傳輸。全部IR的H-ARQ被稱為H-ARQ-II，為進(jìn)行解碼必須將各傳輸分組與最初的傳輸合并。H-ARQ-III和H-ARQ-II不同，各個(gè)重發(fā)時(shí)的數(shù)據(jù)能夠分別單獨(dú)解碼。H-ARQ-III有冗余性不同的多個(gè)版本，在各個(gè)重發(fā)使用不同的刪截比特(puncture bits)。
這些為提高TCP性能的以往的鏈接層對(duì)策有下面的缺點(diǎn)。
(1)隨著通過(guò)無(wú)線信道的數(shù)據(jù)服務(wù)的需求增大，使用基于NAK的選擇式重發(fā)方案的以往的RLP(已被標(biāo)準(zhǔn)化為IS-99標(biāo)準(zhǔn))并不足以滿足實(shí)時(shí)的程序。因此，需要能夠處理QoS(服務(wù)質(zhì)量)條件不同的廣泛的多媒體業(yè)務(wù)的新的協(xié)議。
(2)在過(guò)去有關(guān)RLP和MAC的兩層傳輸?shù)难芯恐?，在RLP層中使用基于NAK的選擇式重發(fā)方案。然而，在這個(gè)方案中，由TCP層檢測(cè)出的幀差錯(cuò)率仍然較大。為達(dá)到高速且高可靠性的通信，必須開發(fā)在多層重發(fā)協(xié)議中使用的新的ARQ方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種用于提高通過(guò)寬帶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的TCP性能的更有效的多層傳輸/重發(fā)協(xié)議，該多層傳輸/重發(fā)協(xié)議能夠大幅減少由TCP檢測(cè)出的幀差錯(cuò)率(frame error rate)和通過(guò)無(wú)線信道的數(shù)據(jù)傳輸延遲。
本發(fā)明作為在RLP層的新的ARQ方案，通過(guò)限制屬于同一個(gè)TCP段的幀的重發(fā)次數(shù)的合計(jì)來(lái)達(dá)成上述目的。


通過(guò)參照附圖所示的例子而對(duì)上述本發(fā)明的目的和特征等進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，其中圖1是表示本發(fā)明的多層自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求協(xié)議的結(jié)構(gòu)的圖。
具體實(shí)施例方式
作為一種在RLP層的新的ARQ方案，本發(fā)明的多層自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求協(xié)議是對(duì)屬于同一個(gè)TCP段的幀的重發(fā)次數(shù)的合計(jì)進(jìn)行限制的方案。
該方案已判明能夠達(dá)到比以往的方案低的分組差錯(cuò)率。并且，在MAC層采用追趕合并、全部IR(H-ARQ-II)和部分IR(H-ARQ-III)等的N信道SAW/H-ARQ。
以下參照附圖具體說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。然而，在下面的說(shuō)明中，將本發(fā)明的多層自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求協(xié)議稱為FRM(Fast and ReliableMulti-layer)-ARQ。
首先，在說(shuō)明整個(gè)FRM-ARQ之前先說(shuō)明在FRM-ARQ中用于RLP的新的ARQ方案。
在IS-99中使用的基于NAK的SR-ARQ方案中，每個(gè)RLP幀的最大容許重發(fā)次數(shù)被限制，但在基于選擇式重發(fā)的新方案的基本思想是將屬于同一個(gè)TCP段的幀的重發(fā)次數(shù)的合計(jì)限制為固定值。因此，在這個(gè)方案中能夠根據(jù)信道的條件分配各個(gè)幀的適當(dāng)?shù)闹匕l(fā)次數(shù)。
假設(shè)一個(gè)TCP段被分割為相同長(zhǎng)度的N個(gè)RLP幀，并且假設(shè)在反饋鏈接不產(chǎn)生錯(cuò)誤。另外，假設(shè)屬于一個(gè)TCP段的幀的重發(fā)次數(shù)的合計(jì)在新方案中被固定在上限數(shù)MS?？紤]一個(gè)TCP段的傳輸時(shí)，能夠以下面的方式說(shuō)明基于ACK/NAK、SR-ARQ的新的ARQ方案。但也可以對(duì)失敗幀或成功幀僅使用NAK或ACK消息。
接下來(lái)說(shuō)明有關(guān)本發(fā)明的多層自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求協(xié)議的順序。
1、發(fā)送機(jī)將RLP幀發(fā)送到接收機(jī)。接收機(jī)對(duì)這些幀進(jìn)行有關(guān)整合性的檢查，確認(rèn)沒(méi)有錯(cuò)誤后將ACK消息發(fā)送到發(fā)送機(jī)。有錯(cuò)誤時(shí)，接收機(jī)生成NAK消息，該消息通過(guò)后向信道被傳輸。接收機(jī)必須識(shí)別屬于一個(gè)TCP段的最初的幀，并開始對(duì)屬于一個(gè)TCP段的N個(gè)幀的NAK的合計(jì)進(jìn)行計(jì)數(shù)。
2、接收到ACK消息時(shí)，發(fā)送機(jī)發(fā)送處于等待傳輸狀態(tài)的幀。但在接收到NAK消息的時(shí)候，發(fā)送機(jī)立刻以最高的優(yōu)先級(jí)重發(fā)被接收為錯(cuò)誤的幀。
3、上述的步驟一直持續(xù)到屬于一個(gè)TCP段的N個(gè)幀在NAK的上限數(shù)MS內(nèi)被正確地接收為止，或是持續(xù)到NAK的次數(shù)在某個(gè)幀達(dá)到上限數(shù)MS為止。如果是前者，NAK的計(jì)數(shù)器被復(fù)位到0。然而，如果是后者，重發(fā)失敗MS次后，RLP結(jié)束嘗試重發(fā)?？刂票粋魉偷絋CP層，NAK的計(jì)數(shù)器被復(fù)位到0。
很明顯地，重發(fā)的幀以不同的順序到達(dá)接收機(jī)。接收機(jī)必須重新進(jìn)行幀的排序，并按照順序?qū)⒄_的幀發(fā)送到高層。
圖1是表示本發(fā)明的多層自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求的結(jié)構(gòu)的圖。如圖1所示，來(lái)自高層的數(shù)據(jù)段首先被分割為具有RLP首標(biāo)的幾個(gè)RLP幀。然后在通過(guò)無(wú)線信道傳輸之前將用于映射MAC幀的MAC首標(biāo)加在RLP幀。如圖1所示，在MAC幀丟失時(shí)的傳輸?shù)那闆r下，MAC使用N信道SAW/H-ARQ錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制來(lái)獲得丟失的MAC幀。該H-ARQ可以是追趕合并方案或是遞增冗余方案。在MAC層中許可的傳輸次數(shù)有限，因此不完全排除幀丟失或破損的可能性。如果MAC-ARQ在經(jīng)過(guò)最大容許重發(fā)次數(shù)的重發(fā)后仍無(wú)法正確地發(fā)送幀時(shí)，獲得幀的責(zé)任被傳送到RLP層。在MAC-ARQ的動(dòng)作中，接收機(jī)在達(dá)到最大容許重發(fā)次數(shù)為止不丟棄被接收為錯(cuò)誤的幀，而是將其存儲(chǔ)在緩沖器并與重發(fā)的當(dāng)前幀合并。這種分組合并能夠使寬帶無(wú)線系統(tǒng)的可靠性提高。如上述，在MAC幀沒(méi)有被正確地傳輸?shù)臅r(shí)候啟動(dòng)為獲得失敗的幀的RLP錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制。在RLP層使用新的ARQ方案恢復(fù)失敗的幀。持續(xù)進(jìn)行這個(gè)步驟直到從RLP層接收的一個(gè)分組的NAK數(shù)達(dá)到最大容許重發(fā)次數(shù)為止。丟失的RLP幀的恢復(fù)被傳送到TCP層，由TCP層負(fù)起完全恢復(fù)端對(duì)端的最終責(zé)任。
本發(fā)明提議的FRM-ARQ的優(yōu)點(diǎn)可概括如下。
(1)該FRM-ARQ在RLP等的無(wú)線鏈接重發(fā)中使用新的ARQ方案，大幅減少分組差錯(cuò)率。
(2)該FRM-ARQ能夠?qū)⒎纸M的傳輸延遲大幅減少，使實(shí)時(shí)服務(wù)成為可能。
(3)該FRM-ARQ能夠大幅提高通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的TCP吞吐量。
(4)該FRM-ARQ與物理上的傳輸技術(shù)無(wú)關(guān)。也就是說(shuō)，該FRM-ARQ能夠在CDMA和OFDM等各種的寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)中使用。
權(quán)利要求
1.一種RLP層和MAC層的多層自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求協(xié)議，在所述RLP層將屬于同一個(gè)TCP段的幀的重發(fā)次數(shù)的合計(jì)限制為固定值。
2.一種如權(quán)利要求1的多層自動(dòng)充發(fā)請(qǐng)求協(xié)議，其中，發(fā)送機(jī)在接收到NAK消息時(shí)，立刻以最高的優(yōu)先級(jí)重發(fā)被接收為錯(cuò)誤的幀，直到所述幀的重發(fā)次數(shù)的合計(jì)成為所述固定值為止。
全文摘要
一種用于寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)的高速且高可靠性的多層自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求協(xié)議。在該協(xié)議中，在MAC幀丟失時(shí)的傳輸?shù)那闆r下，MAC使用N信道SAW/H－ARQ錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制來(lái)獲得丟失的MAC幀。在MAC層，最大容許重發(fā)次數(shù)被設(shè)定為有限，MAC－ARQ在經(jīng)過(guò)最大容許重發(fā)次數(shù)的發(fā)送后仍無(wú)法正確地發(fā)送幀時(shí)，獲得幀的責(zé)任被傳送到RLP層。使用RLP層的新的ARQ方案將失敗的幀恢復(fù)。這個(gè)步驟持續(xù)進(jìn)行到從RLP層接收的一個(gè)分組的NAK數(shù)達(dá)到最大容許重發(fā)次數(shù)為止。
文檔編號(hào)H04L29/06GK1921368SQ20051009659
公開日2007年2月28日 申請(qǐng)日期2005年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月25日
發(fā)明者星野正幸, 劉芳, 張金文, 王文博, 劉元安 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社, 北京郵電大學(xué)