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互联网无线接入系统中IP报头压缩算法的研究

吴亦川  
【摘要】:无线技术和互联网技术正在不断融合,以降低传输成本,给广大用户提供无时不在、无处不在的多种业务服务。未来的3G无线通信系统将是一个完全基于IP协议的网络平台,即“全IP网络”。其中无线信道的带宽是整个无线通信系统中最宝贵的资源。然而,由于层次性互联网传输协议框架中各层协议的封装,特别是当广泛应用新协议后,如IPv6和Mobile IP,协议报头变得越来越大,且越来越复杂,相当一部分无线带宽用来传送控制信息(即协议报头),而这些控制信息对终端用户有太多的冗余信息。这样导致了无线信道带宽的利用率较低。 实时话音业务在将来的全IP通信系统中仍将占主导地位。对这些业务来说,上述问题尤为突出。一般情况下,在实时话音业务中,话音数据由RTP/UDP/IP协议封装携带。整个IP分组包括一个20字节的IP报头,一个8字节的UDP报头和一个12字节的RTP报头,报头总长度为40个字节。如果使用IPv6协议,IP报头增加到40字节,整个报头长度增加为60个字节。然而,话音有效载荷的大小由使用的编码器决定,为了保证实时要求,一般可能小到15-20个字节。很明显,从链路层以上角度考虑,大约67-80%的无线信道带宽用来传输协议报头,而只有20-33%的带宽真正用来为终端用户传输业务信息。 由于无线信道带宽是整个无线系统中最宝贵和稀少的资源,为了能以合理的价格给大众提供服务,必须有效利用这些带宽资源。这就需要使用报头压缩技术减小互联网传输协议封装引入的额外开销。协议报头大幅度减小后,传输同一应用所需的信道带宽相应减少,信道的利用率也就更高,交互应用中的来回响应时间也更短。 然而,无线链路具有的易出错(比特误码率大到10e-3,甚至10e-2)和长延迟(来回响应时间大到100-200ms)特性,使得现有的CRTP(Compressed RTP)报头压缩方案在无线链路上性能较差。为了能在无线链路上获得好的性能,IETF工作组已经提出了ROHC(RObust Header Compression)报头压缩方案。 本文基于对ROHC报头压缩方案的分析,主要研究了以下四个课题: (1)提出、设计和实现两种基于无线信道状态的自适应的健壮报头压缩算法和方案。 由于无线信道的衰落特性和终端的移动性,无线链路上的差错表现出明显的突发特征。文献中指出,可以近似用多态Markov模型模拟无线信道的突发差错特性。多态Markov模型将信道分为多种状态,每种状态可以有不同的信道误比特率和持续时间,信道以不同的概率在各种状态间转移。 然而,目前已有的报头压缩方案在设计时都没有将无线信道的状态考虑在内。当无线信道进入不同状态时,它们采用的压缩方法一成不变。另外,它们都只是采用各种编码方法和修复机制来减小当无线链路上发生差错时的丢包数。由于这些压缩方案无法根据不同的信道状态而采取灵活的措施,因此它们无法捕捉 不断变化的无线信道链路特性,导致了低的工作效率。如果无线信道的状态能够 被预测,这样,当信道进入不同状态时,报头压缩方案在压缩报头之前可以分别 采取一些针对目前信道状态的更为灵活和有效的预防手段和措施。 基于此,本文提出并分析了两种基于信道状态的实时流的自适应的健壮报头 压缩算法。这些算法通过对无线信道状态的精确估计调节w一LSB卿indow一based 玫ast 51,ifieant Bits)编码中可变滑动窗口VSW扭atible Slidingwindow)的大小, 不但能够极大压缩RT甲/U DP/IP报头,而且能够获得较好的抗差错健壮性。 (z)提出、设计和实现和uDP Ute协议相结合的RoHC/[ JDP Lite机制。 无线传输系统中,为给实时正业务提供更好的服务质量,一通常将业务的上层 应用设计成能够处理净荷中的部分差错。而传输层uDP协议采用基于整个分组数 据的校验和策略,当检测到任一位出错都将丢弃整个分组。因此,在误比特率较 高的无线链路上,UDP的校验和策略将导致丢弃大量对业务上层应用可用的包含 部分差错的净荷,从而降低信道的吞吐量和业务的服务质量。 采用uDP Ute协议能够较好解决这个问题。uDP Ute协议区分分组中数据对 差错的敏感度,采用灵活的校验和机制能够忽略差错不敏感数据中的差错,将净 荷中包含差错的分组是否可用的决定权从传输层协议转移到上层应用本身,给系 统提供了灵活性。UDP Lite协议还能够和UDP协议相互兼容。 综合以上分析,本文提出一种ROHC/U DPUte机制,将ROHc报头压缩算法和 UDP Lite传输协议有机结合,以解决上述问题。 (s)提出、设计和实现在无线局域网.中实现报头压缩的协议 ROHCoWLAN(ROHC overWU卿)O 在无线局域网中,无线信道带宽受限,且被多个用户共享。当其规模变得越 来越大时,每个用户平均能使用的信道带宽将越来越少。通过使用报头压缩方案, 可以提高无线局域网络的带宽利用率,从而增大网络容量。 为了在无线局域网系统中实现ROHC报头压缩,我们提出并实现了一种新的 协议ROHCOWLAN。应用该协议,我们分别在无线网关,笔记本移动终端和PDA 移动终端中实现了ROHC报头压缩,并搭建了7种不同类型的实验系统。更具实 际意义的是,我们在本中心自行开发的社区宽带综合业务网络系统的无线接入子 系统中实现和配置了ROHCOWLAN协议,提高了系统的性能。 (4)提出、设计和实现性能评估的方法,用来评


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