TD-HSUPA系统的TCP优化方法

　　本文提出了一种TD-HSUPA系统的TCP优化方法：利用无线网络控制器RNC(Radio Network Controller)解析TCP连接链路上服务器的反馈包信息，分析当前TCP连接的状态，在上行链路的TCP超时发生之前,控制NodeB对终端做优先调度并在短期内分配更多的时隙和码道，有效防止无线链路进入“TCP慢启动阶段”而影响无线带宽利用。本方法的优点在于仅在RNC内做TCP数据包的分析处理工作，不影响整个网络，有很好的系统兼容性。

　　1 TD-HSUPA系统的TCP优化方法

　　高速上行链路分组接入HSUPA(High Speed Uplink Packet Access)是TD-SCDMA的上行数据传输标准，作为匹配HSDPA高速下行数据传输，HSUPA通过引入了基于NodeB的快速调度、快速混合自动重传请求HARQ(Hybrid AutomaTIc Repeat Request)、高阶调制和增强专用信道E-DCH(Enhance-Dedicated Channel)等关键技术，使得TD-SCDMA理论上行最大速率为2.2 Mb/s，为在线游戏、高清视频通话等业务提供足够的带宽,丰富3G无线通信的应用。

　　HSUPA的TCP数据包传输流程是：终端、RNC和远端服务器的连接建立以后，TCP数据包由终端发送，经过无线空口传输后被基站接收，然后基站会将数据包通过传输网发送给RNC，RNC提供一个路由的功能将数据包转发到核心网并最终到达远端服务器。TD-HSUPA系统的协议结构如图1所示[1]。

　　在HSUPA系统中数据的发送端是终端，因为不是所有的终端都支持TCP SACK等较新版本的传输协议，大部分终端只支持标准的TCP NewReno，所以考虑到系统的兼容性问题，HSUPA系统只能以使用TCP NewReno为主。

　　无线网络中优化TCP的有效手段(如TCP westwood[2]等)大都是针对数据的发送方。但是对HSUPA系统来说对所有的终端做改进比较困难，从图1中所示的HSUPA系统网络结构来看，HSUPA的拥塞控制优化工作可考虑由无线链路的接收端来做[3-4]，也就是交由RNC和基站来完成。

　　本文提出了一种在RNC和NodeB优化 HSUPA系统TCP的方法，结构如图2所示。

　　具体方案如下：

　　(1)数据由用户设备UE(User Equipment)发出后经过Node B转交给RNC，RNC解析每个数据包的TCP包头信息，由式Bw′=L/TInt[5]可计算出每个用户利用的无线链路带宽，其中L为数据包大小,TInt为数据包到达时间间隔。根据Bw′的计算结果由式Bw=αBw+(1-α)Bw′ [2]可计算得到带宽估计值Bw，其中?琢为加权系数取0.9，带宽的计算有90%都来源于先前的值,这也是平滑带宽的估计值。

　　(2)RNC并不知道UE的超时重传时间RTO(Retransmission TImeout)，只能通过其他的途径估算该值。TCP连接的RTO是根据数据包的往返时延RTT(Round-Trip Time)计算得到的，RTT包含有线链路的时延、RNC转发的时延和无线链路的传输时延，由步骤(1)中解析数据包可以很容易地计算有线链路的传输时延tc，RNC转发的时延相比RTO的值较小，可以认为是定值tr，无线链路的时延可以由式tw=L/Bw计算得到，其中L为TCP/IP数据包大小，可设为1 500 B，Bw为步骤(1)中计算的带宽，所以RNC侧可估算得到TCP的超时时间RTO=2×(tc+tw+tr)。

　　(3)服务器收到数据包以后会发送含有反馈信息的数据包,这些含有反馈信息的数据包在到达RNC时，RNC需要解析这些数据包的TCP/IP包头信息，如果检测到这些反馈数据包含有3个重复的ACK信息，RNC将通过Iur传达信令通知Node B在下一次调度周期中临时提高该UE的调度优先级并为该UE增加物理信道以扩大该UE的可用带宽，使UE能尽快重传数据以免进入慢启动阶段,持续一个RTO时间后，Node B自动还原UE的优先级和被分配的物理信道。

　　在上述方法中RNC根据对反馈数据包解析的情况分析UE出现拥塞的原因。如果拥塞出现的次数较少，则说明是无线空口环境的抖动引起，RNC根据步骤(1)计算出UE所需的带宽，并且将计算出的带宽值发送给Node B，让Node B为UE在接下来的一段时间调度增加信道数，来保证UE能够尽快重传数据。如果长时间多次出现拥塞，则说明是由其他原因所致，在HSUPA系统中这种问题由无线资源管理RRM(Radio Resource Management)来处理，所以只需要为本方案设定一个静默时间，在执行一次本方案以后需要启动一个定时器，静默一段时间后再激活本方法，静默时间应根据网络的负载情况来定,如过负载较小则可将时间设得较短，否之则需要设置较长。