GPRS系统中的RLC层性能分析梁轶群

摘　要　本文首先概述了GPRS空中接口各层结构以及各层的主要功能，对应答模式RLC层的数据传输过程进行了阐述，然后给出了利用模糊控制系统对RTO参数进行测量的方法，其目的主要是通过调整RTO的值来减小GPRS时延和网络负荷。

关键词　GPRS　RLC　RTO　时延　模糊控制

1　引言

GPRS（General Packet Radio Service）是通用分组无线业务的简称，它是基于GSM系统的无线分组交换技术。GPRS充分的利用了现有的GSM资源，在原有的GSM网络结构中引入了几种新的网络单元，如：GGSN、SGSN、PCU以及其他辅助进行数据业务管理和应用的单元、网络时间单元（NTP）、计费网关（GN）等。GPRS最大特点是能够提供高速率传输，传输速率可达57.6kbit/s，最大速率可达170.2kbit/s（采用CS-4，8时隙传输），下一代网络中GPRS的传输速率可达384kbit/s，完全可以满足用户的需要，人们再也不用通过拨号上网的方式来发送E-mail和浏览网页了。GPRS对用户的计费不同于传统的GSM网络，采用的是按流量计费，用户可以一直在线，而网络方只有在用户发送数据时才给用户分配资源，因此，这种计费方式比WAP手机更加合理。另外，用WAP手机上网浏览网页，只能看专为WAP设计的网站，而现在这类网站十分稀少，GPRS手机可以浏览普通的Internet网页,这对用户来说是极大的方便。

2　GPRS空中接口

2.1　空中接口模型原理

GSM / GPRS系统使用CCITT建议X. 200和 X.210规定的开放系统互联（OSI）参考模型。OSI参考模型的基本技术是采用了分层的基本思想。根据分层原理，应用过程之间的通信，从逻辑上可以用垂直序列来表示分层的顺序。在移动台与BSS之间的接口信令分三层，如图1所示。

层与层之间相互作用需要用原语来定义，原语用一种抽象的方法来表示相邻层之间信息和控制的逻辑交换，但并不规定或限制具体的实现方法。原语也用来描述层与移动管理实体之间的信息交换。  

2.2　空中接口具体分层

图2是移动台和网络的传输平面图，从上到下依次为子网汇聚（SNDCP）子层、逻辑链路控制（LLC）层、无线链路控制（RLC）层、媒质接入控制（MAC）层、物理链路（PLL）层、物理射频（Physical RF）层。SNDCP属于网络层，支持不同的网络协议如IP、    X.25协议，为了提高传输速率，SNDCP具有协议控制信息和用户数据压缩和解压缩的功能，此外，SNDCP具有把N-PDU分解成SN-PDU和把SN-PDU重组成N-PDU的功能。LLC层在移动台和网络之间能够提供一条非常可靠的逻辑链路，支持可变帧长度，在一个LLC帧中用户数据最大帧长度为1520字节，每一个LLC帧中包含最长40字节头开销，因此，一个帧最大长度为1560字节。 RLC具有后向纠错（BEC）的功能，允许选择重传RLC数据块，在发送端将LLC PDU分解成RLC数据块，在接收端将RLC数据块重新组装成LLC PDU。MAC层的主要功能是对共享的传输资源进行管理，MAC层支持建立临时块流（TBF），TBF允许在网络和一个移动台之间或一个小区内进行点对点传递信令和用户数据，此外，MAC层还包括PBCCH和PCCH的接收过程，这一过程允许移动台执行自动小区重选，从而更好的实现GPRS的移动性管理。物理层分为物理链路层和物理射频层，物理链路层工作在物理射频层之上，负责对传输码字检错和纠错，将4个连续TDMA帧突发分组成无线块，进行矩阵交织，检测物理链路的拥塞。物理射频层包括载波频率特性和无线信道结构，以及传输波形的调制。

3　无线链路控制（RLC）层数据块传输

RLC层是LLC和MAC层之间的接口。它执行LLC-PDU到RLC/MAC数据块的封装和解封装，采用选择性重传（ARQ）机制执行后向错误纠正（BEC）。选择重传的工作原理：当接收方发现某帧出错后，其后继续送来的正确的帧不能立即递交给接收方的高层，但接收方仍可收下来，存放在缓冲区中，同时要求发送方重新传送出错的那一帧。一旦收到重新传来的帧后，就可以和已存于缓冲区中的其余帧一并按正确的顺序递交高层。其工作过程如图3所示。图中2号帧的否认返回信息NAK2要求发送方选择重发2号帧。

RLC上的ARQ机制支持两种操作模式：RLC确认模式和RLC非确认模式。网络通过分组下行设定或分组时隙重新配置信息中的RLC_MODE，设定下行TBF的操作模式。 本文只讨论确认模式，为了提高重传的可靠性，在发送侧对所要传送的RLC块进行编号，并选用滑动窗口64进行传输。接收方通过周期性的Ack/Nack信息，对数据块接收的正确性表示确认。

发送方从上层获得数据包并将数据进行缓存，之后将数据包发送出去，并将发送序列号V（S）加1。数据传送过程中，如果发送方接收到接收方所传的表示确认信息的接收数据映射信息RBB，则更新应答状态变量V（A），标志所发送的数据块接收是否正确。系统优先发送未被正确接收的数据块，系统还同时进行新的数据块的传送，如果新的数据块传送结束后发送窗口尚未填满，则系统重新传送未被正确接收和等待确认的数据块，如果发送数据窗口被占满，则发送方重传最早未被确认的数据块。

接收端使用接收窗口来检测数据帧的接收，在接收到新的块序列号BSN且符合一定条件时，V（A）值更新，指向下一个要接收的BSN号，它与V（Q）配合来进行接收窗口位置的调整，以保证接收到的数据帧的发送序号落入接收窗口范围内，否则将数据包丢失。 

4　利用模糊控制对重传时限（RTO）进行预测

重传时限RTO，当一个包发出后，如果在规定的时间RTO发送端没有接收到确认信息，发送端则认为数据丢失，然后进行数据重发，并将拥塞窗口CWND调整为初始值，起动慢起动算法代替拥塞窗口管理。RLC采用确认模式传输数据时，由于受到信号强度、业务优先级、带宽等条件的影响，在传输中可能存在延迟突变，这种现象在GPRS中普遍存在。延迟突变所造成的后果是使重传时限（RTO）超时，导致数据重传。由于在这种情况下，数据没有丢失，使得资源浪费、网络拥塞、增加网络传输时延。因此对RTO的设计至关重要。由于网络的传输条件是时刻在变化的，在设计RTO时应采用自适应算法。RFC2988中规定了RTO的计算公式，该公式根据系统传输数据包的真正时延（RTT）光滑平均值和光滑抖动来计算RTO值。

在本文中采用模糊控制系统对RTO进行预测，模糊控制系统在最近几年得到了快速发展，模糊控制系统的顽健性强，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。模糊控制算法是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。由于从定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取、动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。

在这个系统中我们采用N、P、ARTT、RTOB作为输入值，经模糊判决器判决后，判决输出RTO，在这里N代表网络负荷，P代表前64次传输丢失帧的概率，ARTT代表RTT的平均值，RTOB是RTO反馈到输出端的值。

我们利用模糊语言对输入变量进行模糊化，T（N）={L，H}，T（P）={L，H}，T（ARTT）={L，M，H}，T（RTOB）= {L，M，H}。对输出变量进行模块化T（RTO）={VL，L，M，H，VH}，通过上面的定义我们可以60条规则，如图5所示。

5　结束语

在GPRS时延分析中，由于在核心网中时延比较确定，可以用公式计算，而在空中接口处情况比较复杂，随机性也比较大，因此对空中接口的结构有比较深入的了解是很有必要的，而参数RTO对传输时延、网络负荷影响都很大，在文中利用模糊控制方法给出了具体算法。

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