用于改进移动网络中的tcp性能的方法和装置制造方法

用于改进移动网络中的tcp性能的方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了用于改进移动网络中的TCP性能的方法、装置和计算机程序产品。本发明公开了：在中间网络节点处获得在内容服务器与用户设备之间的连接的质量测量；在中间网络节点处检测质量测量是否满足预定条件；以及如果质量测量不满足预定条件，则通过中间网络节点发送触发在内容服务器与用户设备之间的连接的冻结模式的确认消息。
【专利说明】用于改进移动网络中的TCP性能的方法和装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及移动网络中TCP性能的改进。
[0002]无线电接入技术正朝完全基于分组的、扁平架构(flat architectural)方案演进，以便改进系统容量、增加最终用户数据速率并减小时延。扁平架构和完全基于分组的技术是有成本效率的方案，其进一步增加了 3GPP技术的竞争力。第一演进步骤是因特网-高速分组接入(1-HSPA)，其精简从3G系统至长期演进(LTE)的演进路径。1-HSPA的目的是逐步淘汰并行电路交换基础设施并仅作为分组交换来操作，从而降低复杂度和成本。高速率、完全基于分组的无线电接入方案使能熟知的分组服务从因特网到移动环境的迁移，从而使移动网络用户能够访问因特网提供的应用。这些应用中的大部分(例如，文件传送、web浏览等)使用用于可靠数据传送的传输控制协议(TCP)。因此，从系统性能的观点来看，对1-HSPA/LTE网络中基于TCP的用户平面业务的有效处理具有高重要性。
[0003]在移动环境中，对有效TCP操作的要求引起若干问题，因为初始时TCP是针对其中拥塞导致分组丢失的有线网络而设计的。由于比特差错而导致分组丢失的可能性极低。因此，分组丢失被解释为拥塞的标志，其(除了重传之外)触发减小流的速率的TCP流控制动作。每当其重传超时(RTO)定时器期满或者针对比讨论中的分组的序号低的序号接收到三个重复确认(ACK)时，TCP源认为分组丢失。在无线环境中，在空中接口上发生的比特差错频繁地引起分组丢失。
[0004]因为TCP源不能在比特差错引起的分组丢失与拥塞引起的那些之间进行区分，所以在比特差错的情况中，其将错误地如存在拥塞时那样也减小连接的速率。每当通过无线链路来传输基于TCP的业务时，TCP是针对有线链路上的传输而开发和优化的事实可能成为严重的问题。已经引入了诸如自动重传请求(ARQ)和混合ARQ (HARQ)的UMTS和LTE无线电层特征，以便通过重传错过的数据来处理空中接口差错。尽管这些特征改进了整体性能，但是它们也可能增加TCP往返时间(RTT)。除了 ARQ和HARQ引入的改进，TCP性能降级在以下情况中仍然发生:暂时覆盖问题；切换情况中由于通过X2 (LTE)或Iur (1-HSPA)转发TCP分段而导致TCP RTT的突然增加；切换和网络不对称(在LTE中，可能发生在小区边缘附近仅存在DL覆盖)情况中数据的失序传递引起的TCP重传。在这些情况中，数据传送的效率受限，TCP的RTO定时器可能期满，从而引起TCP慢启动，这将导致用于TCP源的长恢复时间(恢复时间是达到发生问题之前经历的吞吐量所需的时间)。
[0005]根据本发明，防止在这些环境中TCP性能降级的可能方式是:每当检测或者预测到传输问题时冻结TCP源，并当系统能够再次有效操作时恢复TCP的操作。这将使不良无线电信道条件或者切换引起的TCP慢启动的可能性最小化，并且将允许在覆盖问题或切换结束之后TCP以相同的速度继续而非通过慢启动来复原。该方案是每当为高优先级连接服务的需要而要求严厉措施时经由掉话或者经由饥饿(Starving)来终止低优先级连接的服务的有用替代。
[0006]然而，如果传输问题长时间持续，则最终将不得不丢弃一些呼叫。此外，从移动订户的观点来看，假设将在无限长的时间内忍受冻结的连接而不终止连接(即，手动取消web页面下载)是不现实的。然而，TCP冻结可以帮助防止短时间的传输问题对于订户逐步升级，并因此我们的发明帮助维持满意的体验质量。
[0007]本发明应用于LTE/1-HSPA无线电接入网络，其中附着到演进节点B(eNB)/I_HSPA基站收发机(BTS)的用户具有在TCP上的数据连接(上行链路或下行链路)。
[0008]此外，本发明还应用于宽带码分多址(WCDMA)/HSPA无线电接入网络，其中附着到BTS的用户通过使用HSPA承载具有在TCP上的数据连接。
[0009]对TCP性能具有负面影响的无线电接入网络特定的因素例如是:空中接口差错、不对称性、诸如覆盖孔的暂时覆盖问题、在切换期间的转发以及暂时空中接口拥塞。在这些因素的环境中，TCP源减小其数据速率，接着是相对长的复原时间，在此之后源能够以合理速率进行发送。
[0010]图1示出了以上概述的可能问题对TCP流的影响。作为比较，该图还描绘了如果将流冻结在其性能下降之前其所在的状态并然后在恶化条件已经过去之后流从该具体状态继续则将发生什么。在没有冻结的情况下，存在长复原时间，直到TCP流可以再次达到其原始吞吐量，同时具有严重降低的性能，这实际上为应用提供不可用的数据速率(在TCP超时的情况中，吞吐量甚至可能下降至接近于零)。另一方面，在冻结流的情况中，存在显著更短的复原时间，由此维持基于TCP的应用的响应性，并因此维持为移动订户提供的整体体验质量。
[0011]由于空中接口差错导致的TCP性能降级是TCP的固有问题，因为其操作基于传输介质上实际没有比特差错的假设。这在有线系统的情况中是正确的，但是在其中由于传输异常导致的分组丢弃量高的无线系统的情况中是不正确的。TCP源没有关于检测到的分组丢弃的原因的信息，即，其不能在由于拥塞和传输差错导致的分组丢失之间进行区分。
[0012]不管分组丢弃是何种原因，TCP源的反应都是相同的，即，减小连接的速率并重传假设为丢失的分组。这在传输网络拥塞的情况中是种良好的手段，但是在空中接口差错的情况中不是有效的，因为源的吞吐量不必要地减小，这降低了整体系统性能和用户体验到的服务质量。
[0013]位于eNB或1-HSPA BTS (DL)或UE (UL)中的HARQ功能性在空中接口差错的情况中重传错过的数据。在问题持续的情况中，重复进行重传直到成功传送数据或者达到最大允许重传量为止。在后一种情况中，位于RNC、eNB或1-HSPA BTS (DL)或UE (UL)协议中的RLC的ARQ功能性经由类似的机制来应对空中接口差错。在严重的空中接口问题时，最终达到最大允许RLC重传量并且丢弃数据。该机制在处理偶发的空中接口问题时是有效的，但是其仍然可能引起TCP超时，因为重传不断增加RTT，从而最终导致TCP RTO定时器期满。当源的速率剧烈减小时，TCP超时之后始终是慢启动。在更幸运的情况中，增加的RTT可能仅引起稍微减小的数据速率。
[0014]除了偶发的空中接口问题之外，仍然存在其中由于差无线电条件而导致分组丢失发生的情形。例如，在小区边缘的LTE用户可能遭受网络不对称现象，即由于eNB的更高发射功率，所以用户可以具有下行链路连接但是不能在上行链路方向发送数据。因此，接收机不能确认在下行链路中接收到的数据，因为确认将必须在上行链路中发送；这将引起多个连续超时。除了不必要降低的吞吐量，这还引起以下问题:由于多个超时和指数的TCP回退算法，在TCP源在任何情况下尝试重传数据的时间点之间可能经过长间隔(> I分钟)。因此，可能发生这样的情况，即无线电条件刚好在不成功的重传之后复原，并且将不通知源该情况直到下一次重传发生。以该方式，TCP流将空闲不必要的长时间。每当在小区的覆盖区域中存在孔时出现相同的问题。
[0015]空中接口上的分组丢失不仅仅是对TCP性能有负面影响的无线电接入特定的问题。LTE和1-HSPA系统具有分布式架构，其具有在eNB或1-HSPA BTS处终止的负责切换决定的无线电协议。在LTE中，在切换期间(在LTE中仅存在硬切换)，源eNB经由X2接口将DL分组转发至目标eNB (或者，在基于SI的切换的情况中，通过SI接口进行转发，与基于X2的切换相比，其通常导致更长的转发路径和传输延迟)。在UE已经能够附着到目标eNB之后，由目标eNB经由SI接口向SAE-GW发送UL数据。成功的附着触发SAE-GW处的路径切换，这可能导致以下的情形:诸如在针对给定时间的时，目标eNB将经由SI (从SAE-GW)和经由X2 (从源eNB)接口二者接收以UE为目的地的分组。
[0016]与经由SI接口直接发送到目标eNB的那些分组相比，通过X2接口转发的分组越过不同的且可能更长的路径。拥塞可能在两个接口上发生。从TCP性能的角度来看，这些机制，即X2转发和后期路径切换，可能导致两个问题:第一，TCP源可能由于延迟的突然增加而转变成慢启动(因为转发的分组可能越过更长的路径，所以存在如下机会:由于RTT的突然增加，TCP源的RTO定时器将期满，从而而导致慢启动);第二，由于TCP分组至目的地的无序传递，其可能引起不必要的重传(当连接源和目标eNB的X2接口上的延迟比连接SAE-GW和目标eNB的SI接口上的延迟高时，在路径切换之后通过SI接口发送的分组可能在通过X2接口转发的分组之前被接收，从而导致无序传输和重复ACK，这将误导地向TCP源指示分组丢失)。为了避免后面的问题，在LTE系统中引入了特殊的“结束标记”GTP分组。SAE-GW在路径切换之前将结束标记GTP分组发送给源eNB。该分组自己不包含用户数据；其唯一的目的是明确指示源eNB将不再转发包含用户数据的GTP分组。
[0017]结果，目标eNB将不向UE发送通过SI接口接收的分组，直到在X2接口上已经接收到结束标记为止。然而，结束标记分组可能在传输网络中丢失，这将阻止目标eNB向用户发送任何业务。为了避免这一点，在目标eNB中实现结束标记定时器，并且如果在定时器期满之前未接收到结束标记分组，则目标eNB将无论如何都开始向用户发送在SI接口上接收到的分组。结束标记定时器的不适当设置可能导致其中TCP源将错误地检测分组丢失的情形。如果将定时器设置为太高的值，则结束标记分组的丢失将使在SI接口上接收的新分组延迟长时间间隔，从而触发TCP RTO定时器的期满。如果将定时器设置为太低的值，则可能发生由于高X2延迟而导致结束标记定时器在接收到最后转发分组之前期满，并且这将引起触发重复ACK的无序传递。
[0018]在1-HSPA系统中，在切换期间，在涉及的1-HSPA BTS之间通过Iur接口来转发UL和DL业务二者。通过在适当位置进行转发，业务的路径突然增加，这将引起延迟与RTO定时器期满的可能性突然增加，并且TCP源进入慢启动。
[0019]如上面所描述的，在LTE和1-HSPA系统二者中，在切换期间的转发引起性能问题和容量有限的最后一英里链路(last mile link)必须负担的附加负载。根据本发明，对这些问题的良好方案是在切换开始时冻结TCP连接并在切换完成后恢复它们的操作。
[0020]由于用户的移动性，eNB或WCDMA/HSPA/1-HSPA BTS要服务的业务需求随着时间不断改变。因此，可能存在这样的情况，即为了服务较高优先级用户，较低优先级用户的吞吐量必须降低或者它们中的一些必须被完全丢弃。即使增加的业务需求仅保持短时间(即，一些用户离开eNB或者终止它们的连接)，较低优先级TCP连接的吞吐量也将显著下降，并且将在相对长的复原时间之后达到受影响的连接的原始吞吐量。在其他情况中，当高优先级业务的服务有问题时，可能发生暂时空中接口拥塞。在这些情况中，冻结-恢复机制将导致更好的操作，因为其允许更短的连接复原并防止TCP慢启动。
[0021]在移动网络中，空中接口可以不是仅TCP连接的E2E路径中的无线链路，因为BTS经常经由微波无线电链路连接到有线移动回程。微波链路的误比特率(BER)在大多数操作时间中被认为与有线链路的误比特率类似，从而利用与在LTE或WCDMA空中接口的情况中使用的那些类似的检错和纠错机制。BER可能由于无线电条件的不利改变(例如，衰落、干扰等)而在短时间间隔内突然增加，这引起微波链路容量降低，因为当检测到空中接口差错时选择更冗余的编码和调制方案。这些突然改变可能使TCP连接的吞吐量显著降级。除了微波链路的改变的容量，传输链路上(尤其是容量有限的最后一英里链路上)的暂时拥塞可能引起QoS降级。
[0022]本发明提出了一种方案:当系统做出切换决定时或者当需要将较高优先级用户优先化在较低优先级用户之上以便保证服务的正确级别时，每当检测到或者预测到空中接口覆盖问题、暂时空中接口或传输拥塞时，冻结TCP连接。在系统看到安全操作的可能性之后，允许恢复选择为冻结的TCP流。
【背景技术】
[0023]已经在许多论文中研究了无线网络中的TCP性能问题。文档[3]和[2]提供了用于改进无线移动网络中的TCP性能的建议概览。
[0024]文档[I]还介绍 了另一种TCP冻结原理。该论文的作者提出当UE预期发生切换时，通过使UE中的TCP接收机发送具有O通告窗口大小(零窗口通告-ZWAM^ TCP ACK来针对切换期间“冻结”TCP源。ZWA迫使TCP源冻结所有重传定时器并进入留存模式(persistmode)。在结束切换之后，UE中的TCP接收机发送具有正窗口大小的三个ACK以使源离开留存模式，并继续使用留存模式操作之前使用的相同RTO定时器值和拥塞窗口大小来发送分段。
[0025]尽管文档[I]提出的方案和下面所描述的根据本发明的方案二者都使用TCP冻结原理，但是在关于负责发送ZWA的功能性的布置方面它们之间有很大的差异，因为文档[I]提出在UE中实现该功能性，而根据本发明则提出在无线电接入节点中实现该功能性。使冻结功能性在UE中的缺点是UE仅具有关于移动网络的有限信息，因此其不能适当地预测切换和网络覆盖孔，并且其不能处理由短期优先化和无线传输网络链路的降级无线电条件引起的问题。
[0026]而且，其要求UE实现应用协议栈的TCP层与RRC层之间的跨层功能性。此外，该方案不能受移动网络运营商的直接影响。
[0027]因此，相对于在UE中实现的TCP冻结机制，根据本发明的在无线电网络节点中实现的TCP冻结机制具有优势，因为其可以提供更广的范围和更准确的冻结触发，并且其对于UE是透明的，对于UE制造商没有标准化和实现影响。
[0028]文档[6]提出了使用简单冻结(PETS)框架来组合TCP冻结原理与持久TCP中的移动IP以防止移动网络中TCP断开连接的方案。该框架使用ICMP消息来监视链路状态并检测链路失效，在链路失效时通过ZWA在失效期间冻结TCP流。因此，可以通过PETS来避免TCP连接的终止。
[0029]然而，该方案并不能应对本发明所解决的问题(由于不良信道条件中增加的RTT和分组丢失等导致的假超时)，因为基于ICMP的链路状态检测不适于该目的。此外，本发明不依赖于为其操作定义新ICMP消息。
[0030]文档[4]提出的方案使用与TCP冻结原理类似的手段。在该方案中，BTS在不良状态的无线链路上向驻留在固定网络中的TCP源发送显式反馈以重置所有超时定时器。为了该目的，文档[4]提出实现显式不良状态通知(EBSN) ICMP消息。然而，根据文档[4]的EBSN机制要求实现新ICMP消息，而根据本发明的方案不要求定义和实现任何种类的新消息类型。此外，EBSN要求扩展的TCP功能性，这限制了文档[4]中提出的方案的可用性。根据本发明的方案不要求附加的TCP功能性；其操作对于TCP层是透明的。
[0031]文档[5]使用与TCP冻结原理不同的手段来避免LTE网络中的切换期间的假TCP超时。取代冻结TCP源，该作者提出的两种方法基于降低转发的分组量的思想。
[0032]与根据本发明的方案相对的，这两种方法均要求修改标准化的切换消息序列(TS
23.40UTS.36.413)，因为路径切换比目标eNB中的切换证实消息的接收更早完成。这些方案的附加缺点在于，在证实切换之前实行路径切换引入了在不成功切换时不一致的系统状态的风险。因为在切换和受限的无线电条件的情况中不停止TCP业务，所以这些方案不能减轻与拥塞不相关的分组丢失的影响。
[0033]现有技术的文档:
【权利要求】
1.一种方法，包括: 在中间网络节点处获得在内容服务器与用户设备之间的连接的质量测量； 在中间网络节点处检测质量测量是否满足预定条件； 如果质量测量不满足预定条件， 则通过中间网络节点发送触发在内容服务器与用户设备之间的连接的冻结模式的确认消息。
2.根据权利要求1所述的方法，其中 在内容服务器与用户设备之间的连接是用于将内容从服务器下载到用户设备的下行链路，并且确认消息被发送到内容服务器。
3.根据权利要求1所述的方法，其中 在内容服务器与用户设备之间的连接是用于将内容从用户设备上传到服务器的上行链路，并且确认消息被发送到用户设备。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的方法，其中 检测包括在中间网络节点处基于所获得的质量测量来预测质量测量是否将在即将到来的预定时间段内满足预定条件。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的方法，还包括 在连接冻结之后，在中间网络节点处检测质量测量是否满足预定条件，以及 如果质量测量满足预定条件，则向内容服务器或用户设备发送触发连接的解除冻结模式的另一确认消息。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的方法，还包括 在预定时间段流逝之后向内容服务器或用户设备发送触发连接的解除冻结模式的另一确认消息。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的方法，其中 质量测量涉及无线电信道质量、小区的整体负载、空中接口覆盖、暂时空中接口或传输拥塞、或者切换决定或较高优先级用户的优先化。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的方法，其中连接是传输控制协议TCP连接。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的方法，其中中间网络节点是无线电接入节点。
10.一种装置，包括: 获得单元，被配置为获得在内容服务器与用户设备之间的连接的质量测量； 检测单元，被配置为检测质量测量是否满足预定条件； 冻结单元，被配置为如果质量测量不满足预定条件，则构成用于触发在内容服务器与用户设备之间的连接的冻结模式的确认消息；以及 收发机，被配置为转发确认消息。
11.根据权利要求10所述的装置，其中 在内容服务器与用户设备之间的连接是用于将内容从服务器下载到用户设备的下行链路，并且确认消息被转发到内容服务器。
12.根据权利要求10所述的装置，其中 在内容服务器与用户设备之间的连接是 用于将内容从用户设备上传到服务器的上行链路，并且确认消息被转发到用户设备。
13.根据权利要求10至12中任意一项所述的装置，其中 检测单元还被配置为基于所获得的质量测量来预测质量测量是否将在即将到来的预定时间段内满足预定条件。
14.根据权利要求10至13中任意一项所述的装置，其中 检测单元还被配置为在连接冻结之后检测质量测量是否满足预定条件，以及如果质量测量满足预定条件，则冻结单元被配置为构成用于触发连接的解除冻结模式的另一确认消息。
15.根据权利要求10至14中任意一项所述的装置，其中 冻结单元还被配置为在预定时间段流逝之后构成用于触发连接的解除冻结模式的另一确认消息。
16.根据权利要求10至15中任意一项所述的装置，其中 质量测量涉及无线电信道质量、小区的整体负载、空中接口覆盖、暂时空中接口或传输拥塞、或者切换决定或较高优先级用户的优先化。
17.根据权利要求10至16中任意一项所述的装置，其中连接是传输控制协议TCP连接。
18.—种包括用于处理设备的程序的计算机程序产品，包括当程序在处理设备上运行时用于执行权利要求1至9中任 意一项所述的步骤的软件代码部分。
19.根据权利要求18所述的计算机程序产品，其中计算机程序产品包括其上存储软件代码部分的计算机可读介质。
20.根据权利要求18所述的计算机程序产品，其中程序可直接加载到处理设备的内部存储器中。
21.根据权利要求18或20所述计算机程序产品，其中处理设备是无线电接入节点。
【文档编号】H04L1/16GK103548296SQ201180071020
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2011年3月21日 优先权日:2011年3月21日
【发明者】P.齐拉格伊, Z.文切, C.武尔坎 申请人:诺基亚西门子通信公司