CN102111255B - 用于蜂窝移动通信系统的自适应差错检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于蜂窝移动通信系统的自适应差错检测方法，包括如下步骤：分别在无线链路控制协议层实体中进行用于计算接收到的相邻两个协议数据单元的时间间隔的T_I抽样、用于实现滤波的T_I平滑，在媒体接入控制层中进行用于获取每个协议数据单元的往返时延的RTT抽样、用于实现滤波的RTT平滑和用于获取每个差错协议数据单元的重传次数的k抽样、用于实现滤波的k平滑；设置重排定时器的超时值。本发明通过自适应估计MAC PDU的重传时间，优化SR-ARQ的t-Reordering值，从而准确、及时地检测MAC层丢失的分组，避免RLC的不必要重传，并降低分组的重传时延。本发明实现复杂度低，不增加无线链路空中接口的开销。

Description

用于蜂窝移动通信系统的自适应差错检测方法

技术领域

本发明属于移动通信领域，具体是一种用于蜂窝移动通信系统的差错检测方法。

背景技术

新一代移动通信系统的演进思路主要是通过采用高阶调制方式和各种有效的信道编码技术，不断增强空中接口的数据传输能力，最终使无线接口和核心网络全部走向IP (Internet Protocol) 化。

由于移动通信网络的无线接口部分采用无线传输方式，同有线网络相比，无线通信具有误码率高的特点，这将增加数据分组的丢失率，并引起突发丢包。高丢包率将劣化高层协议的性能，从而影响数据业务的质量，尤其是会降低传输层的传输控制协议（TCP, TransmissionControl Protocol）的性能。为此，蜂窝移动通信系统的空中接口通常会采用具有强纠错能力的纠错编码，以降低无线接口的丢包率。但纠错编码会带来额外的开销，且纠错能力越强，这种开销越昂贵。同时，由于无线信道的特征是随时间变化，要求编码和调制随着信道的状态动态变化，因此，新一代移动通信系统的空中接口的物理层采用自适应的编码和调制技术（AMC, Adaptive Modulation and Coding）。

AMC能适应无线信道质量的动态变化，在降低空中无线接口的误码率的同时，提高无线频谱的利用率。然而，即使采用AMC技术，蜂窝移动通信系统的空中无线接口仍有较高的丢包率，不能满足高层协议。为此，新一代蜂窝移动通信系统在无线接口的链路层采用自动重传请求（ARQ, Automatic Repeat reQuest）技术，来进一步降低无线接口的丢包率。

在 宽带码分多址(WCDMA, Wideband Code Division MultipleAccess)的演进版本（R5~R9）中，其无线接口的媒体接入控制（MAC,Medium Access Control）层和无线链路控制协议（RLC, RadioLink Control）层均采用了ARQ技术。其中MAC层将传统的前向纠错（FEC, Forward Error Correction）和ARQ技术结合，发送方通过接收方反馈的肯定确认/否定确认(ACK/NACK, ACKnowledgement/Non-ACKnowledgement)决定是否重传，并在重传时采用递增冗余（IR:Incremental Redundancy）的方法自适应各种信道条件，提升系统性能。RLC层采用选择重传机制（SR-ARQ: Selective Repeat ARQ），接收方通过ACK/NACK告诉发送方正确接收到的分组序号和错误的分组序号，而发送方只重传错误的分组。

WCDMA的演进版本在RLC层采用SR-ARQ的主要目的在于纠正混合自动重传请求(HARQ, Hybrid ARQ)的残余错误，以进一步降低丢包率。为了能对HARQ的残余错误进行纠正，接收方的SR-ARQ必须首先判断哪些分组在MAC层的HARQ中没有被正确重传。为此，RLC 的SR-ARQ联合使用失序检测和重排定时器（t-Reordering）超时机制来检测在MAC层丢失的分组，如图1所示：在图1中的t₁时刻，接收方（可以是用户设备(UE: user equipment)或演进基站(eNB: evolved Node-B)，对应的发送方为eNB或UE，下同）接收到序号（SN: Sequence Number）为5的分组，由于序号为4的分组已经丢失，因此，此时VR(R)<VR(H)（VR(R): 期望收到的下一按序分组的序号；VR(H): 已接收分组的最大序号加1）。当发现VR(R)<VR(H)后，接收方启动重排定时器（t-Reordering），等待MAC层的HARQ重传，在t₂时刻，重传定时器超时，t₂-t₁即为重传定时器的值。当t-Reordering超时，接收方向发送方发送状态报告（STATUS）分组，并将ACK序号（ACK-SN）和NACK序号（NACK-SN）分别设置为6和4，接收方收到STATUS分组后，选择重传序号为4的分组，从而实现差错恢复。

上述SR-ARQ过程表明，t-Reordering定时器的值实际上是RLC层等待MAC层通过HARQ重传机制重传丢失的分组的时间。t-Reordering定时器的值对系统的性能有很大的影响，具体分析如下：

1) t-Reordering定时器的值过小。如果t-Reordering定时器的值设置过小，将导致RLC接收方提前发送STATUS分组，即在HARQ重传丢失的分组p的过程中发送STATUS，而RLC发送方在收到STATUS后会重传p。因此，过小的定时器值将导致不必要的重传，这不仅会在接收方出现重复分组，同时会浪费信道资源，增加发送方的能量消耗。

2) t-Reordering定时器的值过大。如果t-Reordering定时器的值设置过大，将导致RLC接收方延迟发送STATUS，从而使RLC发送方不能及时重传丢失的分组，这会增加分组的在空中接口的时延，及分组的重装（reassemble）时延，而增加时延会影响上层传输协议和实施业务的性能。

发明内容

发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种用于蜂窝移动通信系统的自适应差错检测方法，该方法能准确、及时地检测无线链路丢包。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种用于蜂窝移动通信系统的自适应差错检测方法，包括如下步骤：

（1）分别在无线链路控制协议层实体中进行用于计算接收到的相邻两个协议数据单元的时间间隔的T_I抽样、用于实现滤波的T_I平滑，在媒体接入控制层中进行用于获取每个协议数据单元的往返时延的RTT抽样、用于实现滤波的RTT平滑和用于获取每个差错协议数据单元的重传次数的k抽样、用于实现滤波的k平滑；

（2）设置重排定时器的超时值；

所述步骤（1）中的T_I抽样、T_I平滑包括如下步骤：

1）T_I抽样：无线链路控制协议层实体每收到一个新序号为x的无线链路控制协议层协议数据单元，记录该协议数据单元的接收时间t_pr1，收到下一个无线链路控制子层协议数据单元时，如果该协议数据单元的序号为x+1，则记录该协议数据单元的接收时间t_pr2，同时计算T_I的一个样本为t_pr1-t_pr2；

2）T_I平滑：根据下式计算平滑的T_I值：

${\stackrel{\&OverBar;}{T}}_I(n+1)=\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;{\stackrel{\&OverBar;}{T}}_I\left(n\right)+(1-\mathrm{\&beta;})\&CenterDot;T_I(n+1),{\stackrel{\&OverBar;}{T}}_I\left(0\right)=\mathrm{0,0}\&le;\mathrm{\&beta;}\&le;1,$

式中，

分别为n+1时刻和n时刻的平滑后的协议数据单元接收时间间隔，β为T_I的平滑因子，T_I(n+1)为n+1时刻测得的协议数据单元接收时间间隔的样本；

所述步骤（1）中的RTT抽样、RTT平滑包括如下步骤：

A）RTT抽样：混合自动重传请求进程每发送一个肯定确认/否定确认，记录肯定确认/否定确认的发送时间t_ps，在收到下一个协议数据单元时，记录该协议数据单元的接收时间t_pr，计算RTT的一个样本为t_pr-t_ps，并将该RTT样本上传给混合自动重传请求实体；

B）RTT平滑：混合自动重传请求实体每收到一个步骤A）中的RTT样本，就利用下式计算平滑的RTT值，并将计算结果上传给无线链路控制协议层实体：

$\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{RTT}}(n+1)=\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{RTT}}\left(n\right)+(1-\mathrm{\&alpha;})\&CenterDot;\mathrm{RTT}(n+1),\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{RTT}}\left(0\right)=\mathrm{0,0}\&le;\mathrm{\&alpha;}\&le;1,$

式中，

分别为n+1时刻和n时刻的平滑往返时延，α为RTT的平滑因子，RTT(n+1)为n+1时刻测得的往返时延的样本；

所述步骤（1）中的k抽样、k平滑包括如下步骤：

a）k抽样：当混合自动重传请求进程第一次检查到一个协议数据单元差错时，将该协议数据单元对应的重传次数k置0，之后每收到该协议数据单元的一次重传，k加1，直到该协议数据单元重传成功或达到最大重传次数R_max后，将k值上传给混合自动重传请求实体；

b）k平滑：混合自动重传请求实体每收到一个步骤a）中的k值，就利用下式计算平滑的k值，并将计算结果上传给无线链路控制协议层实体：

$\stackrel{\&OverBar;}{k}(n+1)=\mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{k}\left(n\right)+(1-\mathrm{\&gamma;})\&CenterDot;k(n+1),\stackrel{\&OverBar;}{k}\left(0\right)=\mathrm{1,0}\&le;\mathrm{\&gamma;}\&le;1,$

式中，

分别为n+1时刻和n时刻的平滑的混合自动重传请求协议数据单元重传次数，k(n+1)为n+1时刻测得的混合自动重传请求协议数据单元重传次数的样本，γ为k的平滑因子；

所述步骤（2）包括：

当无线链路控制协议层实体检测到失序的协议数据单元时，根据下式计算并设置重排定时器的超时值：

$T_R^{*}\left(n\right)=(\stackrel{\&OverBar;}{k}\left(n\right)+1)\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{RTT}}\left(n\right)-{2\stackrel{\&OverBar;}{T}}_I\left(n\right),1\&le;\stackrel{\&OverBar;}{k}\left(n\right)\&le;R_{\max },$

式中，

为重排定时器的超时值。

有益效果：本发明通过自适应估计MAC层的协议数据单元(PDU, Protocol Data Unit)的重传时间，优化SR-ARQ 的t-Reordering的值，从而准确、及时地检测MAC层丢失的分组，从而避免RLC的不必要的重传，并降低分组的重传时延。本发明实现复杂度低，不增加无线链路空中接口的开销。

附图说明

图1为RLC的SR-ARQ示意图；

图2为发送方和接收方的RLC实体和MAC实体的交互过程示意图；

图3为t-Recording值的计算过程示意图；

图4为本发明一个具体实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图2所示，4号PDU通过其中一个进程重传两次（传送三次）后成功到达接收方。图2中

为接收方正确接收到4号PDU的时间，因此，为避免t-Reordering过早或延后超时，在图2示例中，TR的最优值

为：

$T_R^{2*}=t_2^{*}-t_1---\left(1\right)$

进一步，由图2可知，

$T_R^{2*}=t_2^{*}-t_1=3\mathrm{RTT}-{2T}_I---\left(2\right)$

对于更一般的情况，一个HARQ PDU发生差错后重传k次成功，有：

$T_R^{*}=(k+1)\&CenterDot;\mathrm{RTT}-{2T}_I---\left(3\right)$

在式(3)中，RTT为HARQ过程发送一个PDU的往返时延，T_I为RLC实体接收到相邻两个PDU的时间间隔。RTT和T_I同无线信道速率、可用资源块间隔、资源块的大小、PDU的处理时间有关，同时k也与无线信道的状态、相应的调制解调和编码方式有关。尽管RTT、T_I和k的样本可以通过测量得到，但由于无线信道的时变特性和动态的资源调度算法，RTT、T_I和k是时变的。因此，我们需要通过式(4)、式(5) 和式(6)对RTT、T_I和k进行平滑处理。

$\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{RTT}}(n+1)=\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{RTT}}\left(n\right)+(1-\mathrm{\&alpha;})\&CenterDot;\mathrm{RTT}(n+1),\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{RTT}}\left(0\right)=\mathrm{0,0}\&le;\mathrm{\&alpha;}\&le;1,---\left(4\right)$

${\stackrel{\&OverBar;}{T}}_I(n+1)=\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;{\stackrel{\&OverBar;}{T}}_I\left(n\right)+(1-\mathrm{\&beta;})\&CenterDot;T_I(n+1),{\stackrel{\&OverBar;}{T}}_I\left(0\right)=\mathrm{0,0}\&le;\mathrm{\&beta;}\&le;1,---\left(5\right)$

$\stackrel{\&OverBar;}{k}(n+1)=\mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{k}\left(n\right)+(1-\mathrm{\&gamma;})\&CenterDot;k(n+1),\stackrel{\&OverBar;}{k}\left(0\right)=\mathrm{1,0}\&le;\mathrm{\&gamma;}\&le;1,---\left(6\right)$

在式(4)中，

、

分别为n+1时刻和n时刻的平滑后的往返时延（平滑指通过一个低通滤波，对抽样值进行“平均”），RTT(n+1)为n+1时刻测得的往返时延的样本, α为RTT的平滑因子。

在式(5)中，

、

分别为n+1时刻和n时刻的平滑后的PDU接收时间间隔，T_I(n+1)为n+1时刻测得的PDU接收时间间隔的样本, β为T_I的平滑因子。

在式(6)中，、

分别为n+1时刻和n时刻的平滑的HARQ PDU重传次数，k(n+1)为n+1时刻测得的HARQ PDU重传次数的样本, γ为k的平滑因子。

上述α、β、γ的取值可由用户根据具体情况自行设定。

对RTT、T_I和k进行平滑处理后，我们得到n时刻

的估计值

为：

$T_R^{*}\left(n\right)=(\stackrel{\&OverBar;}{k}\left(n\right)+1)\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{RTT}}\left(n\right)-{2\stackrel{\&OverBar;}{T}}_I\left(n\right),1\&le;\stackrel{\&OverBar;}{k}\left(n\right)\&le;R_{\max },---\left(7\right)$

式中，R_max为MAC规定的最大重传次数。

如图3所示，t-Reordering定时器值的设置过程由接收方完成，涉及到接收方的MAC HARQ实体、HARQ进程和RLC实体（HARQ进程、HARQ实体是在3GPP TS 36.321[2]中定义的MAC层的功能实体，RLC实体是在3GPP TS 36.322[3]中定义的RLC层的功能实体），包括HARQ进程的RTT和k抽样，HARQ实体的RTT和k平滑，RLC实体的T_I的抽样、平滑，以及t-Reordering定时器值的设置。

HARQ进程的RTT抽样功能用于获取每个PDU的往返时延，具体实现过程如下：HARQ每发送一个ACK/NACK，记录ACK/NACK的发送时间t_ps，在收到下一个PDU时，记录该PDU的接收时间t_pr，计算RTT的一个样本为t_pr-t_ps，并将该RTT样本上传给HARQ实体。

HARQ实体的RTT平滑功能是实现一个简单的滤波功能，即每收到一个来自HARQ进程的RTT样本，就利用式(4)计算平滑的RTT值，并将计算结果上传给RLC实体。

HARQ进程的k抽样功能用于获取每个差错PDU的重传次数，当HARQ接收进程第一次检查到一个PDU差错时，将该PDU对应的重传次数k置0，之后每收到该PDU的一次重传，k加1，直到该PDU重传成功或达到最大重传次数后，将k值上传给HARQ实体。

HARQ实体的k平滑功能是对重传次数k进行滤波处理，即每收到一个来自HARQ进程的k样本，就利用式(5)计算平滑的k值，并将计算结果上传给RLC实体。

RLC实体的T_I的抽样平滑功能用于RLC接收实体计算接收到的相邻两个PDU的时间间隔，具体过程如下：每收到一个新序号为x的RLC PDU，记录该PDU的接收时间t_pr1，在收到下一个RLC PDU时，如果该PDU的序号为x+1，则记录该PDU的接收时间t_pr2，同时计算T_I的一个样本为t_pr1-t_pr2，最后根据式(6)计算平滑的T_I值。

t-Reordering设置功能块的主要功能是当RLC检测到失序的PDU时，根据当前的T_I、RTT和k值(即T_I(n)、RTT(n)、k(n))，利用式(7)计算并设置定时器t-Reordering的超时值。

图4是本发明用于3GPP的LTE系统中的实施例。图4中的椭圆形表示服务访问点，是协议中上下协议层之间的接口，业务数据在逻辑信道DTCH（Dedicated Traffic Channel,专用业务信道），DL-SCH（DownLink Shared Channel，下行共享信道），UL-SCH（Uperlink Shared Channel，上行共享信道）信道上传输；逻辑信道DCCH（Dedicated Control Channel，专用控制信道）用于传输控制信息；逻辑信道优先区分功能和复用与去复用功能在3GPP TS 36.321[2]中定义，主要完成逻辑信道（包括专用控制信道和专用业务信道）的复用、去复用，并根据信道的优先权调度不同的逻辑信道。

在图4中，本专利的4个功能（包括RTT、k抽样功能，RTT、k平滑功能，TI的抽样平滑功能，和t-Recording的设置功能）被分别嵌入到在3GPP TS 36.321[2]中定义的MAC层的HARQ进程、HARQ实体以及在3GPP TS 36.322[3]中定义的RLC层的功能实体中。所有功能均在接收方实现，接收方可以是eNB，也可以是UE。具体实施如下：

1）RTT抽样：统计MAC PDU的往返时延，在MAC层的HARQ进程中实施；

2）k抽样：统计差错的 MAC PDU的重传次数，在MAC层的HARQ进程中实施；

3）RTT平滑：根据RTT抽样值，利用式(4)计算MAC PDU的往返时延的平均值，在MAC层的HARQ实体中实施；

4）k平滑：根据k抽样值，利用式(5)计算差错的 MAC PDU的重传次数的平均值，在MAC层的HARQ实体中实施；

5）TI抽样平滑：统计RLC实体接收到相邻两个PDU的时间间隔的样本，并根据样本利用式(6)计算其平均值，在RLC层的确认模式(AM: Acknowledge Mode) RLC实体实现；

6）t-Reordering设置：根据RTT、k、TI的平均值，利用式(7)计算t-Reordering的值，并根据计算结果设置t-Reordering，在RLC层的AMRLC实体实现。

本专利提出了WCDMA演进版本中RLC实体中PDU差错检测定时器（t-Reordering）的动态优化方法。以避免RLC层不必要的PDU重传，从而避免无线资源的浪费，节省能量消耗，并减小RLC PDU的传输时延。该方法由接收方独立完成，不需要通过空中接口交互信令消息，同时实现简单。

Claims (1)

1.一种用于蜂窝移动通信系统的自适应差错检测方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）分别在无线链路控制协议层实体中进行用于计算接收到的相邻两个协议数据单元的时间间隔的T_I抽样、用于实现滤波的T_I平滑，在媒体接入控制层中进行用于获取每个协议数据单元的往返时延的RTT抽样、用于实现滤波的RTT平滑和用于获取每个差错协议数据单元的重传次数的k抽样、用于实现滤波的k平滑；

（2）设置重排定时器的超时值；

所述步骤（1）中的T_I抽样、T_I平滑包括如下步骤：

1）T_I抽样：无线链路控制协议层实体每收到一个新序号为x的无线链路控制协议层协议数据单元，记录该协议数据单元的接收时间t_pr1，收到下一个无线链路控制子层协议数据单元时，如果该协议数据单元的序号为x+1，则记录该协议数据单元的接收时间t_pr2，同时计算T_I的一个样本为t_pr1-t_pr2；

2）T_I平滑：根据下式计算平滑的T_I值：

${\stackrel{\&OverBar;}{T}}_I(n+1)=\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;{\stackrel{\&OverBar;}{T}}_I\left(n\right)+(1-\mathrm{\&beta;})\&CenterDot;T_I(n+1),{\stackrel{\&OverBar;}{T}}_I\left(0\right)=0,0\&le;\mathrm{\&beta;}\&le;1,$

式中，

分别为n+1时刻和n时刻的平滑后的协议数据单元接收时间间隔，β为T_I的平滑因子，T_I(n+1)为n+1时刻测得的协议数据单元接收时间间隔的样本；

所述步骤（1）中的RTT抽样、RTT平滑包括如下步骤：

A）RTT抽样：混合自动重传请求进程每发送一个肯定确认/否定确认，记录肯定确认/否定确认的发送时间t_ps，在收到下一个协议数据单元时，记录该协议数据单元的接收时间t_pr，计算RTT的一个样本为t_pr-t_ps，并将该RTT样本上传给混合自动重传请求实体；

B）RTT平滑：混合自动重传请求实体每收到一个步骤A）中的RTT样本，就利用下式计算平滑的RTT值，并将计算结果上传给无线链路控制协议层实体：

$\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{RTT}}(n+1)=\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{RTT}}\left(n\right)+(1-\mathrm{\&alpha;})\&CenterDot;\mathrm{RTT}(n+1),\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{RTT}}\left(0\right)=\mathrm{0,0}\&le;\mathrm{\&alpha;}\&le;1,$

式中，分别为n+1时刻和n时刻的平滑往返时延，α为RTT的平滑因子，RTT(n+1)为n+1时刻测得的往返时延的样本；

所述步骤（1）中的k抽样、k平滑包括如下步骤：

a）k抽样：当混合自动重传请求进程第一次检查到一个协议数据单元差错时，将该协议数据单元对应的重传次数k置0，之后每收到该协议数据单元的一次重传，k加1，直到该协议数据单元重传成功或达到最大重传次数R_max后，将k值上传给混合自动重传请求实体；

b）k平滑：混合自动重传请求实体每收到一个步骤a）中的k值，就利用下式计算平滑的k值，并将计算结果上传给无线链路控制协议层实体：

$\stackrel{\&OverBar;}{k}(n+1)=\mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{k}\left(n\right)+(1-\mathrm{\&gamma;})\&CenterDot;k(n+1),\stackrel{\&OverBar;}{k}\left(0\right)=\mathrm{1,0}\&le;\mathrm{\&gamma;}\&le;1,$

式中，

分别为n+1时刻和n时刻的平滑的混合自动重传请求协议数据单元重传次数，k(n+1)为n+1时刻测得的混合自动重传请求协议数据单元重传次数的样本，γ为k的平滑因子；

所述步骤（2）包括：

当无线链路控制协议层实体检测到失序的协议数据单元时，根据下式计算并设置重排定时器的超时值：

$T_R^{*}\left(n\right)=(\stackrel{\&OverBar;}{k}\left(n\right)+1)\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{RTT}}\left(n\right)-{2\stackrel{\&OverBar;}{T}}_I\left(n\right),1\&le;\stackrel{\&OverBar;}{k}\left(n\right)\&le;R_{\max },$

式中，

为重排定时器的超时值,R_max为最大重传次数。

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