CN1271221A - 提高数据网与无线通信系统之间传输效率的方法 - Google Patents

Abstract

公开这样的一种方法,在移动用户与数据节点之间通信链路的中点建立一个传输协议代理装置。那个传输协议代理装置的作用是,按照有效的传输协议,从数据源拦截数据分组,该数据源可以是数据节点或移动用户;在传送给预期的数据汇之前缓存那些数据分组;和返回给数据源一个确认信号,表示已接收到该数据分组。

Description

提高数据网与无线通信系统之间传输效率的方法

本发明涉及通信系统，具体涉及陆线网与无线网之间的数据转移。

无线通信系统允许在移动用户与信息信号的源或汇之间传输这种信息信号。该源/汇通常处在固定的位置，经陆线通信网与无线系统互联。已开发的模拟(第一代)系统和数字(第二代)系统通过连接移动用户和这种信息源/汇的通信信道传送信息信号。与模拟系统比较，数字方法往往具有几个优点，其中包括提高抗信道噪声和干扰的能力，增大容量，和通过加密提高通信的安全性。

第一代无线系统主要是针对话音通信，但是，第二代系统的数字技术支持话音和数据应用。已经开发了几种调制/编码安排，例如，频分多址(FDMA)，时分多址(TDMA)，和码分多址(CDMA)，以增大可以访问无线网的用户数目。与FDMA系统和TDMA系统比较，CDMA系统更能抗多路径失真和同信道干扰，以及减少FDMA系统和TDMA系统中常见的频率/信道规划负担。

虽然第一代和第二代无线系统设计成支持有限数据通信能力的话音通信，可以期望，第三代无线系统能够有效地处理大量的各类服务。采用诸如CDMA的宽带多址技术，第三代系统能够处理话音，视频，数据和图像信号。在由第三代系统支持的特征中，有移动终端与陆线网络之间的高速数据传输。我们知道，高速数据通信的特征往往是高数据传输速率下短的传输“脉冲串”，接着的是一些较长周期的数据源传输活动或没有传输活动。为了适应无线系统中这种高速数据服务的脉冲串性质，要求通信系统在数据脉冲串持续时间内经常分配大的带宽段(相当于高数据速率)。随着第三代系统处理这种脉冲串高速数据传输能力的增大，可以有助于提高用户的吞吐量。

然而，其他的因素可能限制经这种高速无线链路可以获得的吞吐量。特别是，数据传输协议往往对数据吞吐量的加以信令约束，无线系统不容易适应这种信令约束。因此，需要解决这种传输协议信令约束，以提高无线系统的数据吞吐量。

本发明的目的是提高数据节点与移动用户之间通信链路的数据吞吐量，其中通信链路包括无线网部分和陆线网部分。为了达到这个目的，公开这样一种方法，在移动用户与数据节点之间通信链路的中点建立一个传输协议代理装置。那个传输协议代理装置的作用是，按照有效的传输协议，从数据源拦截数据分组，该数据源可以是数据节点或移动用户；在传送给预期的数据汇之前缓存那些数据分组；并返回给数据源一个确认信号，表示已接收到该数据分组。

利用本发明的传输协议代理装置，传输协议的作用是控制与多快返回确认信号有关的数据传输速率，按照该传输协议送出数据的数据源在确认信号的返回中避免了相对长的延迟，确认信号的通常特征是包括无线网在内的端对端连接。因为数据源从最接近的传输协议代理装置接收它的确认信号，来自有关数据分组传输的延迟远远小于确认信号通过整个传输链路的往返行程(数据分组从源到汇和返回的确认从汇到源)的传输。因此，可以大大加快数据源的传输数据速率，其结果是增大通信链路的吞吐量。

图1表示可以采用本发明方法的无线通信系统典型结构。

图2A和2B说明本发明方法在正向数据流上的操作。

图3A和3B说明本发明方法在反向数据流上的操作。

早期无线系统的重点，尤其是第一代模拟系统的重点，主要是话音通信。利用包括CDMA，TDMA和GSM在内的第二代无线系统，话音质量，网络容量和加强服务方面都有了不同程度的改进。然而，虽然第二代系统适合于提供话音，低速率数据，传真和消息接发，但它们一般不能有效地和高效率地处理高速移动数据速率的要求。进展到第三代无线通信系统基本上代表了转移到多媒体移动通信的范例，其中用户不仅可以接入话音服务，而且还可以有视频，图像，文本，图形和数据通信。我们期望，第三代网络可以给移动用户提供的数据速率在144Kbps与2Mbps之间。

然而，虽然这些第三代无线网能够支持相当高的数据速率，但是，无线系统实际分配的这个数据速率通常是有关信道输入速率的函数，例如，输入缓冲器的填充程度。在数据流是从互联陆线网中数据节点始发的情况下，它们就有共同适用的数据传输协议的特征，这些协议破坏了提升通信路径无线部分数据速率的目的。如以下所说明的，本发明提出一种新颖的方法，用于改进无线网与互联陆线数据网之间的互操作性，从而提高整个通信路径的吞吐量。

众所周知，经通信路径传送的数据通常安排成一系列分组，其中每个分组包含数据流中的一些信息字节。在以下的讨论中，本发明的描述是通过一个优选实施例，其中数据分组的传输是基于使用TCP/IP组的传输协议。所描述的实施例还假设，经通信路径无线部分传送的数据信号采用CDMA编码。然而，应当明白，本发明的方法也可适用于其他的传输协议，以及包括TDMA和GSM在内其他的无线信道化安排。

为了更好地了解本发明的方法，简要地描述TCP/IP协议下数据传输的某些方面是有益的(实际上，TCP/IP协议是一组协议，应用于通信网中的运输层和网络层)。在一般情况下，对于连接数据源和接收端的通信路径，只有源和接收机运行TCP协议，其中包含差错检验功能。对于源与接收机之间通信路径上的那些节点，只运行IP协议。在IP协议下，通信路径上的每个节点检验接收分组的地址，并把它朝着接收机路径的方向上路由到下一个正确的节点。

若接收机正确地接收到一个分组，则发出一个TCP级上的确认信号(“ACK”)，并送回到源的TCP级。若源的TCP在一段时间内没有接收到传送分组的ACK信号，则重发该分组。此外，这种延迟接收的ACK信号可能使源的数据传输速率降级，因为该源会设想，通信路径上存在一些阻塞问题。

在TCP/IP协议下数据分组传输的特征是一连串的“联络”事件，即，数据源传输一个或多个分组以后，在传送另一些分组之前，该源期待来自数据汇的ACK信号。传送一群分组，并在传送另一些分组之前，等待接收到这些分组的接收机确认信号，这种有序的过程通常称之为“联络”。

在数据传输会话的起动期间，数据源送出一个或少量分组，并等待接收那个初始分组群的接收机的ACK信号。若该ACK信号快速返回到数据源，表示通信信道以相当高的数据速率在工作，该数据源就增大下一次发送分组群中的分组数目，并再等待来自接收机(数据汇)的ACK信号。假设通过通信链路在预定的往返行程渡越时间内仍然接收到ACK信号(从而进一步指出该通信信道上允许高的数据速率)，该数据源就再增大下一次发送分组群中的分组数目。分组群的大小随每一次的调整而增大(往往是指数型的)，这个过程一直继续，直至接收ACK信号的往返行程渡越时间大于阈值时间，该阈值时间是根据允许增加的送出分组数目确定的，或直至该数据源达到了它可以承受的最大传输数据速率。

从以上的讨论可以看出，数据源连续提升数据速率的过程，即，增大相继传送的每个给定分组群中的分组数目，达到了经通信信道给出的高传输数据速率那一点，这里假设存在一个工作在高数据速率的信道。否则，经通信链路从源送出分组到汇的渡越时间和确认信号的返回时间不够快，就不能使数据源连续地提升数据速率。虽然，在单纯陆线通信信道的情况下，这种高数据速率信道一般是存在的，在通信信道是由陆线段和无线段组成的情况下，在这方面往往会出现特有的问题。由于多多少少各种随机延迟发生在通信路径上，特别是在它的无线网部分，ACK信号可能很慢地返回到数据源，因此阻止了进一步提升传送的数据速率，可以想象这会使数据速率下降。此外，如上所述，规定的无线网数据速率一般在相当低的水平上，在输入到无线网中有高数据速率流的情况下，对此的响应是增大无线数据速率。

此处，存在一些自相矛盾的论点。数据源和无线网采用独立而有些矛盾的方法，用于确立传输信道的数据速率。在无线网的情况下，选取的数据速率是作为输入缓冲器中传输数据的函数。另一方面，数据源以低的传输数据速率开始，根据上一个分组群之后接收到ACK信号的时间提升数据速率。但是，由于数据源开始以慢的速率送出数据，无线网的输入缓冲器相对较空，所以，该网络维持在相对低的速率上，其中之一就是让ACK信号慢慢地从数据汇(通常是移动台)返回到数据源。因此，在正常的工作模式下，即使数据源和无线网能够处理很高的数据速率，它们往往极力维持在低水平的数据速率上。

为了处理这个问题，本发明方法工作以在无线网服务的移动台与通信路径陆线部分服务的数据源之间通信链路的中点建立一个传输协议代理装置。这个传输协议代理装置的作用是建立数据流的伪终端。因此，对于从数据源下载到移动台的数据，拦截该数据源的数据分组并把它暂时存储在传输协议代理装置的缓冲器中，并从那个传输协议代理装置返回ACK信号到数据源。因此，数据源得到一个快速的ACK返回信号，导致快速升高该数据源的数据速率。因为当数据源提升传送的数据速率时，传输协议代理装置中的缓冲器也快速充满，这对于无线网分配高数据速率给通信链路的无线部分提供了必要的基础。实际上，按照本发明方法安装传输协议代理装置消除了这种互联安排下数据源和无线网的低数据速率倾向。所以，这个无线/陆线通信链路上建立的数据速率大小仅仅受数据源或无线网固有能力的限制。

图1表示可以执行本发明方法的示范性网络实施例。从整体的观点考虑，那个示范性网络实施例可以看成包括：移动台(MS)10经无线电连接20与无线基础结构30通信。该无线基础结构又经有线线路主干连接40与数据服务器50连接，该有线线路主干连接可以包括经PSTN或ISDN的交换电路，经ATM或其他分组网的虚电路，或专业范围内其他形式的陆线连接。

无线基础结构30执行与MS 10相关无线网中的交换和控制功能，其配置可以处理数据传输，还包括：收发信机基站(BTS)31，交换基站(BSC)32，移动交换中心(MSC)33，选择分配单元(SDU)34和互通功能(IWF)35。专业人员知道，在完整的无线网中有许多具有这些功能的装置，但为了便于说明，每种功能的装置只画出一个。此外，某些功能可以组合成单个硬件装置(例如，BSC，SDU和IWF)，但为了便于说明，此处用分开的装置表示。

在这个无线基础结构中，如图所示，信号传输路径是由BTS 31，SDU 34和IWF 35组成，而BSC 32和MSC 34执行无线网中各种熟知的控制和交换功能。在信号传输路径上，BTS的作用是建立和维持MS与无线基础结构连接的无线电链路。SDU的作用是收集和分配送向BTS的数据或从BTS接收到的数据。IWF是作为无线网与有线PSTN/分组数据网之间的网关，提供传送分组或电路交换数据能力所需的互通和协议转换给移动用户。

在现有技术的实施方案中，IWF的网关功能只是执行IP协议功能，其作用是网络节点功能，即，它仅仅检查分组的地址并路由该分组到通信路径上的下一个正确节点(此处为末端用户的移动终端)。由于从数据服务器传送到用户终端(MS)的分组受到上述特征的约束，其中无线数据速率的选择是数据输入的函数，来自MS的TCP ACK信号可以慢速返回到服务器，使源(数据服务器)的TCP功能减小或至少不能增大从该源传送分组的速率。

然而，按照本发明的方法，传输协议代理装置放置在通信路径上的中点，在这个示范性实施例中，选择该中点作为IWF网关。因此，在传送分组到作为新的TCP发端的MS之前，IWF TCP代理接收并暂时缓存从数据服务器接收到的这些分组。特别是，IWF TCP代理的TCP功能检验从数据服务器接收和目的地为特定用户(如图所示的MS10)的分组是否正确地接收到。如果是这样，IWF TCP代理促使这些分组的ACK立刻返回给数据服务器。因此，从数据服务器观点考虑，这些分组已经到达期望的目的地，且因为ACK已经快速返回，所以，可按比率增大数据速率。

与此同时，IWF TCP代理替用户(由于IWF TCP代理现在是该用户的代理)缓存该分组，且只要在其队列中有足够数目的分组就可要求无线网高的数据速率，它就开始从其自身到末端用户的TCP连接。显而易见，以上所描述的示范性数据流是指向无线系统的正向链路，即，从服务器到移动用户的数据流。在无线系统的反向链路上，本发明完成类似但方向相反的操作。

图2和图3表示较详细地描述本发明这个实施例的功能操作，其中图2是本发明在正方向(从数据服务器到MS的数据流)的操作，图3是本发明在反方向(从MS到数据服务器的数据流)的操作。首先，考虑图2中的正方向操作，该图的上部用图2A表示，它给出一个IP分组的整体视图，该IP分组路由到为无线系统服务的各个用户准备的TCP代理功能。如图所示，分组从数据服务器到达接口(这个实施例中的IWF)，在步骤110首先检查该分组的IP地址。在步骤120，以如此确定的IP地址作为基础，路由该分组到与用户相关的TCP代理，其中通信信道是为该用户建立的。如步骤130所示，给经无线系统从事高速率数据传输的每个用户建立单独的TCP代理。然而请注意，虽然在本发明进行的实施例中给每个TCP代理130-1至130-N建立单独的存储器空间，可以设想，与上述功能相关的处理可以由单个处理器执行，这个处理器与所有这些存储器空间通信。

由示范性TCP代理130执行的具体操作表示成图2下部图2B中所示的流程图形式。一旦这个示范性TCP代理接收到一个分组(来自图2A的IP路由步骤120)，按照建立的TCP协议规程作差错检查，应用判定步骤131判断是否正确地接收到该分组。若没有正确地接收到该分组，则在步骤134废弃它(当然，该源不会接收该分组的ACK信号)。若正确地接收到该分组，则执行确认步骤132，且ACK信号返回给数据源(数据服务器50)。在步骤133，正确接收并确认的分组添加到缓冲器中，且送通知消息到SDU 34。当然，对于从数据服务器送出到指定MS的每个分组(或分组群)，这个过程循环地重复。一旦TCP代理中的缓冲器已充满，足以触发无线系统实现合适的高数据速率，SDU的作用是提供排队的分组作为无线信道的输入。

图3表示的本发明反向操作大体上是类似的(重要的差别是数据流方向的颠倒)，所以，不需要详细地给以讨论。请注意，到达IP地址检查步骤210的分组是从移动台(MS)接收到的，并经SDU路由到指定用户的TCP代理。还要注意，在步骤231和232，一旦确认来自MS的分组是正确地接收到和ACK送回到MS；在步骤233，该分组添加到缓冲器中，在该缓冲器达到合适的充满状态后送到数据服务器。

总之，本发明的主导思想是把数据服务器与终端用户之间的TCP连接分开成两个TCP连接：

数据服务器IWF

IWF终端用户

这样做可以增大TCP ACK的速率，所以，大程序块数据可以为在IWF TCP代理缓冲器(正向链路)或移动台缓冲器(反向链路)中的传输作好准备，并给无线连接产生较高的数据吞吐量。

本发明提出一种提高数据吞吐量的新颖装置，用于使用无线通信网的通信信道。公开这样一种方法，在这个通信信道的中点复制传输协议功能，以及同时发生的数据缓冲。采用本发明的方法，可以达到这样的数据速率，它仅仅受基干通信信道基础结构固有约束的限制。

鉴于以上的描述，专业人员清楚地知道本发明的多种变化和不同的实施例。所以，这个描述只是用于举例说明和告诉专业人员实现本发明的最佳模式，并不打算列举所有可能的形式。还应当明白，使用的词语是描述性的词语，而不是加以限制；在不偏离本发明精神的条件下，结构的细节可以有很大的变化，我们保留在所附权利要求书范围内所有改动的独家使用权。

Claims (20)

1.在移动用户与数据节点之间可以提供通信链路的通信系统中，其中一部分所述通信链路是经无线通信网，另一部分所述通信链路是经陆线网，一种在所述移动用户与所述数据节点之间传送数据段的方法，包括以下步骤：

关于所述数据节点与所述移动用户之间传送的数据，在所述通信链路的中点建立一个传输协议代理装置；和

按照所述传输协议，所述传输协议代理装置缓存在其输入端接收到的数据段和确认所述缓冲器中接收到的数据段。

2.按照权利要求1的传送数据段方法，其中选取所述通信链路的所述中点作为所述通信链路的无线部分与所述陆线部分之间的接口。

3.按照权利要求2的传送数据段方法，其中所述接口是所述无线系统的互通功能。

4.按照权利要求1的传送数据段方法，其中所述传输协议代理装置是按照TCP/IP协议组运行的。

5.按照权利要求4的传送数据段方法，其中所述传输协议代理装置工作以把所述传输协议代理装置输入端接收到的数据段作TCP差错检验。

6.按照权利要求5的传送数据段方法，其中所述传输协议代理装置工作以使信号返回到所述数据段的源，表示成功地接收到给出的数据段。

7.按照权利要求6的传送数据段方法，其中表示成功接收到的所述信号是TCP ACK信号。

8.按照权利要求1的传送数据段方法，其中所述缓冲器工作以建立一个数据段队列，足以建立和维持所述通信链路中所需的数据速率。

9.按照权利要求1的传送数据段方法，其中所述缓冲器工作以给所述传输协议代理装置接收到数据段建立一个数据段队列，所述队列的输出作为所述通信链路所述无线部分的输入。

10.按照权利要求9的传送数据段方法，其中作为所述无线部分输入的所述队列输出足以建立和维持所述通信链路所述无线部分所需的数据速率。

11.一种在移动用户与数据节点之间通信链路内工作的传输协议代理，其中一部分所述通信链路是经无线通信网，另一部分所述通信链路是经陆线通信网，所述传输协议代理包括：

存储器装置，用于接收和存储通过所述通信链路传送的数据段；和

用于检查所述存储器装置接收的所述数据段和用于执行与所述检查有关的传输协议功能的装置。

12.按照权利要求11的传输协议代理，其中所述应用的传输协议功能是按照TCP/IP协议组建立的。

13.按照权利要求12的传输协议代理，其中所述应用的传输协议功能包括数据段的TCP差错检验，该数据段是在所述传输协议代理的输入端接收到的。

14.按照权利要求13的传输协议代理，其中所述应用的传输协议功能的作用是使信号返回到所述数据段的源，表示成功地接收到给出的数据段。

15.按照权利要求14的传输协议代理，其中表示成功接收到的所述信号是TCP ACK信号。

16.按照权利要求11的传输协议代理，其中所述存储器装置工作以建立一个数据段队列，足以建立和维持所述通信链路中所需的数据速率。

17.按照权利要求11的传输协议代理，其中所述存储器装置工作以给所述传输协议代理输入端接收到的数据段建立一个数据段队列，所述队列的输出作为所述通信链路所述无线部分的输入。

18.按照权利要求17的传输协议代理，其中作为所述无线部分输入的所述队列输出足以建立和维持所述通信链路所述无线部分所需的数据速率。

19.按照权利要求17的传输协议代理，其中选取所述传输协议代理所述通信链路中的位置作为所述通信链路的所述无线部分与所述陆线部分之间的接口。

20.按照权利要求19的传输协议代理，其中所述选取的接口是作为所述无线系统的互通功能。

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