无线通信系统中估计非实时业务无线接口传输时延的方法

摘要

本发明是估计非实时业务无线接口传输时延的方法，利用数据链路层相关协议提供的信息及其自动重传技术来估计非实时业务数据在无线接入网与终端设备间的传输时延，可用于无线网络的性能评估和优化。包括：在两个对等的无线链路控制(RLC)协议层实体上，发送端高层在利用由RLC协议提供的相关原语将一服务数据单元(SDU)传输给具有自动重传功能的RLC协议层时，记录发送该原语时的系统时间Treq；发送端高层在接收到指示任一SDU已被接收端正确接收的RLC协议层相关原语时，记录此时的系统时间Tconf；发送端高层通过式Tconf－Treq－τ计算时延，其中Tconf是发送端从若干相关SDU对应的Tconf中选择确定的一个，τ为接收端向发送端发送确认信息与发送端接收到该确认信息间的时间差。

说明书

技术领域

本发明涉及移动通信技术，更确切地说是涉及一种估计无线通信系统中非实时业务无线接口传输时延的方法，可用于评估无线通信网络中非实时数据业务的网络性能与服务质量。

背景技术

移动通信系统中传输的数据，就其特性而言可以分为实时业务和非实时业务。实时业务的突发性比较小，在整个传输(会话)过程中可具有恒定的速率或可变速率，但对数据传输的实时性要求比较高；而非实时业务在整个传输(会话)过程中则具有较高的突发性，传输速率呈现出较大的变化，一般可以允许较高的端到端传输时延。实时业务通常具有较高的优先级，在系统资源紧张时，需要优先保证实时业务的传输；而非实时业务则一般利用承载实时业务之后所剩余的资源进行数据的传输。

在典型的蜂窝移动通信系统中，实时业务通常在无线接口的数据链路层采用透明传输方式并直接在无线接口上以较高的信干比来保证传输质量；而非实时业务则由于无线接口较高的误码率，因而需要在数据链路层采用自动重传(ARQ)技术来满足数据传输的可靠性要求。此外，非实时业务还通过传输控制协议(TCP)来获得端到端的传输可靠性保证。

由于上述实时业务和非实时业务间本质特性上的区别，在设计蜂窝移动通信网络时，将采用不同的方法评估系统容量和服务质量。例如，实时业务可以采用传统的话务理论进行网络规模的估算和性能评估，而非实时业务通常采用小区的吞吐量和传输时延(平均时延或累积时延)来进行网络规模的估算和性能评估。

由于无线频谱资源是整个蜂窝移动通信系统中最为宝贵的资源，一个成熟的蜂窝网络系统通常都要尽可能地追求高的频谱利用率。这样，无论是在无线资源管理技术的研究和在对现有网络的性能评估当中，非实时业务的吞吐量和时延参数都是非常重要的两个指标。同时，由于移动通信系统业务和网络的复杂性，如何进一步挖掘一些可作为系统性能评估的测量参数也都处于积极的探索研究中。

对于一个实际的蜂窝网络系统非实时业务性能的评估，目前大体可以涉及到两种方式和手段。一是利用路测终端设备，在该设备中由应用层根据TCP协议所提供的数据包的长度信息和时间戳信息进行吞吐量和传输时延的统计。二是利用具有标准接口的网络测试设备挂在网络节点的接口之间，包括Iub、Iu-PS、Gn和Gi接口等，吞吐量是通过对一个时间单位内通过网络的数据总量进行测量而得到的，而传输时延的测量则是在网络的两个测量点之间完成的，通过在两个测量点上捕获由同一个源点发出的同一个随机的IP包，比较它们的捕获时间并通过计算得到传输时延。

通过以上分析不难发现，对传输时延而言，目前利用路测终端设备还只能进行端到端的业务传输时延估计；而在传输网络接口上挂接网络测试设备，还只能进行特定接口上点到点的传输时延估计。对于由于在数据链路层引入自动重传(ARQ)技术导致的无线接口传输时延，则目前还没有发现相应的解决方案，该无线接口传输时延被定义为非实时业务数据从无线接入网(RAN)传输到终端设备(UE)的传输时延(见3GPP标准TR25.853)，参考测量点可以定义在网络中对等的两个RLC协议层实体之上。

图1给出了无线接口传输时延的示意图，图中只给出了网络中各实体的主要协议。其中，在终端设备(UE)中包含了所有的协议栈(应用层、TCP、PDCP、RLC、MAC、L1)，而与其对等的网络侧协议栈则分别包含在核心网(CN)(应用层、TCP)和无线接入网(RAN)(PDCP、RLC、MAC、L1)中，其中分组数据汇聚协议(PDCP)、无线链路控制协议(RLC)、媒质接入控制(MAC)协议属于通信系统中的数据链路层协议，图中L1表示层1。图中示出端到端的传输时延是指服务数据单元在核心网(及其它)的应用层(如应用服务器)到终端设备应用层间的传输时延，该时延可以通过路测终端设备测量得到。而来自高层的服务数据单元在传输到无线接入网之后，无线接口协议栈会对这些服务数据单元进行分段和重装，然后再进行传输，这些分段后的服务数据单元的传输是由RLC协议来控制的。一个高层的服务数据单元在无线接口上的传输可能通过一次传输就到达对端，也可能因为其中的某一分段出现错误而需要重传，这样整个高层服务数据单元就需要在接收端等待一定的时间后才能传递给高层，因此，高层服务数据单元根据每个服务数据单元分段的不同和无线网络环境的不同，其无线接口传输时延的变化是很大的。图中示出的无线接口传输时延是指在无线接口协议栈中无线接入网PDCP协议层实体至终端设备PDCP协议层实体间的传输时延，由于数据包在传输过程当中经过PDCP协议层处理的时延与无线接口传输时延相比是可以被忽略的，因此参考测量点定义在对等PDCP协议层之间的无线接口传输时延与参考点定义在对等RLC协议层之间的无线接口传输时延是基本相等的，可以视为同一个概念。

现有的两种评估移动通信网络传输时延的方法都存在一定的应用局限性和缺点。第一种方法，利用路测终端设备对传输时延的测量，只能利用TCP协议根据端实体的时间戳信息来进行，测量的是端到端的传输时延，不能获得无线接口的传输时延，不足以有效地区分无线链路重传对端到端传输时延的影响，这样在对有问题地区的网络进行优化，如当时延过长时，就不能提供更多的信息来有效地区分过长的传输时延到底是由无线接入网还是由核心网络部分造成的。第二种方法，需要具有标准接口的设备，并连接在网络上，测量传输时延时需要同时测量网络中的两个测量点，所使用的网络测量设备过于昂贵，因而不可能长期挂在一个网络接口上，且使用该方法所获得的数据难以直接反馈给网络系统设备，不能使网络系统设备根据性能评估的结果立刻对网络性能进行实时的控制和自适应优化，更为重要的是，测量的传输时延仅仅是网络节点间的传输时延，不是本发明意义上的无线接口的传输时延。

发明内容

本发明的目的是设计一种无线通信系统中估计非实时业务无线接口传输时延的方法，可测量无线接口的传输时延，同时可以得到一些特别的性能统计参数，并可以比较方便地将这些性能统计参数提供给网络设备，供其进行实时的性能优化，或者提供给操作维护中心一无线部分(OMC-R)进行性能统计分析，也可以由路测终端设备进行网络性能的测试和优化。

本发明的方法应用于无线通信网络中，是利用数据链路层相关协议提供的信息及其自动重传技术来估计无线接口传输时延。

实现本发明目的的技术方案是这样的：一种无线通信系统中估计非实时业务无线接口传输时延的方法，是估计非实时业务数据在无线接入网与终端设备间的传输时延，其特征在于包括：

A.在两个对等的无线链路控制协议层实体上，发送端高层在利用无线链路控制协议层提供的相关原语将某一服务数据单元传输给具有自动重传功能的无线链路控制协议层时，发送端高层记录发送该服务数据单元原语时的系统时间Treq；

B.发送端高层在接收到指示任一服务数据单元已被接收端正确接收的无线链路控制协议层相关原语时，发送端高层记录此时的系统时间Tconf，其中的Tconf是发送端高层从若干相关服务数据单元对应的Tconf中选择确定的一个；

C.发送端高层计算Tdelay＝Tconf-Treq，Tdelay为估计的某一服务数据单元的无线接入传输时延，其中的Tconf是发送端高层从若干相关服务数据单元对应的Tconf中选择确定的一个。

所述的步骤C中，当考虑接收端无线链路控制协议层向发送端无线链路控制协议层发送确认信息与发送端无线链路控制协议层接收到该确认信息之间的时间差τ时，所述估计的所述服务数据单元的无线接入传输时延Tdelay＝Tconf-Treq-τ。

本发明的方法是利用数据链路层RLC协议提供的自动重传技术和信息，包括提供的服务原语：RLC-AM-DATA.Req和RLC-AM-DATA.Conf，来估计非实时业务无线接口传输时延。发送端高层在使用RLC-AM-DATA.Req原语将服务数据单元传输给RLC协议层的同时，记录下相应的系统时间Treq；发送端高层在接收到指示任一服务数据单元已被接收端正确接收的无线链路控制协议层相关原语LC-AM-DATA.Conf时，记录此时的系统时间Tconf。

本发明的方法可以在移动通信系统现有的设备中直接实现，可以得到一些特别的性能统计参数，并可以比较方便地提供给网络侧设备进行实时的性能优化或者提供给OMC-R进行性能统计分析。在路测终端设备中采用本发明的方法时，利用数据链路层相关协议所提供的信息，可以有助于解决是由于核心网问题还是由于无线接口问题所导致的时延过长的问题(端到端)，并可以提供更多的性能统计参数，有利于网络的性能优化。本发明的方法既可在无线通信网络的系统设备中实现，也可以在作为路测终端设备的移动台中实现，用来评估无线通信网络非实时数据业务的网络性能和服务质量。

附图说明

图1是非实时业务传输时延示意图；

图2是状态变量V1、V2和服务数据单元(SDU)绝对序号关系示意图；

图3是本发明方法进行传输时延估计的一种实施方案流程框图。

具体实施方式

本发明方法的实质是利用无线接口数据链路层相关协议来估计无线通信系统中非实时业务无线接口传输时延。

以3GPP蜂窝移动通信系统为例，非实时业务的传输采用了如图1所示的协议栈结构，其中无线接口的数据链路层采用了具有自动重传(ARQ)功能的无线链路控制(RLC)协议。应用层数据传输的可靠性则由端到端的TCP协议实体控制。

例如在下行方向的数据传输中，核心网应用层的服务数据单元(SDU)进入无线接入网部分后，首先在经过分组数据汇聚协议(PDCP)层处理后进行RLC协议层处理。RLC协议对来自高层的服务数据单元(SDU)以系统设定的固定包长进行分段/串接处理后，根据系统的调度将分段数据块发送给低层(L1)进行传输。对端(终端设备UE)的RLC协议实体必须在正确地接收到分段数据块后向发送端发送确认信息，并在正确接收到来自发送端的某一高层SDU的所有分段后，才能进行该SDU的重装并发送给本端高层，发送端RLC协议实体在接收到接收端RLC协议实体对某一高层SDU所有分段的确认信息后，才认为接收端正确地收到了本端该高层SDU，否则发送端将重发未收到确认信息的分段数据块。

因此，一个高层SDU在无线接口的传输时延，可以认为是由发送端RLC协议层的高层向RLC协议层发出该SDU至接收端RLC实体将这个SDU重装之后指示给RLC协议层的高层之间的时间。而高层SDU在PDCP协议层的处理(包括发送端PDCP和接收端PDCP)相对于这个时间而言是比较小的，以致于可以被忽略。

另外，RLC协议可以根据高层的需要而被配置为是否采用In-sequence-delivery方式，设置这个功能的目的是要求接收端RLC协议按照高层发送SDU的顺序指示给高层。例如高层发送SDU的顺序为1、2、3、4、5，假设接收端已经收到了顺序号为1、4、5的高层SDU，而顺序号为2、3的高层SDU则由于它们的某一分段在传输中因存在误码而需要重传，则顺序号为1的高层SDU会被立即指示给高层，而顺序号为4、5的高层SDU只有在顺序号为2、3的SDU的所有分段都被正确接收到之后才会按顺序由RLC协议指示给高层，如此就会增加一个额外的等待时间，这也就是在无线接口传输时延的定义中，接收端的时间参考点选择的是RLC协议层将SDU指示给高层的时刻，而不是正确收到该SDU的所有分段的时刻的原因。

由于RLC协议实体的对等性，上述分析的内容也完全适合于上行方向数据的传输。

现有RLC协议中采用的自动重传技术提供了实现上述思想的可能性且实现方便。例如，RLC实体可以为高层提供两个服务原语：RLC-AM-DATA.Req和RLC-AM-DATA.Conf。

RLC-AM-DATA.Req原语中含有以下参数：Data，CNF，DiscardReq，MUI，UE-ID type indicator。其中与本发明方法有关的CNF用于标识是否需要向高层指示一个高层SDU所有分段的传输都已经收到了接收端的确认，MUI是高层SDU(即Data部分)的标识。

RLC-AM-DATA.Conf原语中含有以下参数：Status，MUI。其中Status用于指示这个SDU是成功地传输到了接收端还是被丢弃了，MUI是高层SDU(即Data部分)的标识。

这样，发送端高层在使用RLC-AM-DATA.Req原语将SDU传输给RLC协议层的同时，可以记录下相应的系统时间Treq，同时高层每传一个SDU给RLC层，都将MUI顺序号加1，若不考虑MUI取模的影响，则MUI可以视为SDU绝对顺序号的标识；在RLC协议层向高层指示某一个SDU被正确收到时，RLC协议层为高层提供RLC-AM-DATA.Conf原语，当高层收到RLC协议的RLC-AM-DATA.Conf原语时，也记录下相应的系统时间Tconf；至于接收端RLC协议层如何将重装的SDU传输给接收端高层，则不是本发明所要关心的问题。另外，在接收端RLC协议实体正确接收到一个数据块并向发送端RLC协议实体发送确认信息、和发送端接收到这一确认信息之间也存在一个时间差τ，如果不考虑这一确认信息本身可能的重传，这个时间差可以认为是对等RLC实体之间的单向传输时延，这个时延在一个特定的小区中是基本固定的，因而可以通过事先的测量而获得，并可以作为操作与维护(O&M)参数设置给系统。

则对于第i个高层SDU，其无线接口的传输时延Tdelay可以表示为：

Tdelay_i＝max(Tconf_i，Tconf_i-1，Tconf_i-2，...，Tconf_i-n)-Treq_i-τ    (1)

式中n表示所考察SDU绝对顺序号的窗口长度(n与i均为正整数，且i＞n)，在具体实现时可以根据系统的需要而设定。从第i个高层SDU开始，从根据i-n个RLC-AM-DATA.Conf原语记录的i-n个相应的系统时间中，找到一个最大值，然后再减去根据RLC-AM-DATA.Req原语记录的相应的系统时间Treq和减去时间差τ，就可以比较容易地获得一个SDU的无线接口传输时延。在具体实施时，仅需要增加一个实时时钟模块以获得系统时间Tconf和Treq(也可以利用系统已有的实时时钟模块获得)。应该注意到的是，某些情况下如果仅需要对传输时延Tdelay_i作粗略估计时，即在对等RLC实体之间的单向传输时延τ可以忽略时，式(1)无线接口的传输时延的计算式相应可以简化为：

Tdelay_i＝max(Tconf_i，Tconf_i-1，Tconf_i-2，...，Tconf_i-n)-Treq_i

式1只是给出了一种求无线接口传输时延的算法概念，即要对第i个高层SDU、第i-1个高层SDU、直至第i-n个高层SDU收到RLC协议RLC-AM-DATA.Conf原语时的时间求最大值。而如果第i个高层SDU之前的某个高层SDU，假设第k个高层SDU还没有被正确收到，此时第k个高层SDU对应的Tconf值是上述第i个高层SDU、第i-1个高层SDU、直至第i-n个高层SDU所对应的Tconf中的最大值。

为使该概念能付之实现，本发明给出一个具体实现上述算法的实例。

由于高层收到的每一个RLC-AM-DATA.Conf确认原语都是针对每个高层SDU的，因此，在收到这一原语后，不仅会对这个SDU是否需要进行传输时延估计进行判断，而且还进一步对绝对顺序号大于该SDU的其它SDU是否需要进行传输时延估计作判断。这一过程可描述为：

1.判断是否需要对收到的一个RLC-AM-DATA.Conf确认原语的该SDU进行时延估计；

2.估计该SDU的传输时延；

3.判断是否还需要对绝对序号大于所收到的一个RLC-AM-DATA.Conf确认原语的该SDU的其它SDU进行时延估计；

4.估计其它SDU的传输时延。

为了进行上述步骤1、3中的判断，需要对当前已经收到确认信号的SDU进行标记，并需要设置状态变量V1和V2，其中，状态变量V1保存的是当前已经被确认正确收到的SDU的最大顺序号，V2保存的是已进行了时延估计的SDU的顺序号，V1和V2的初始值可以设置为0。

如图2中所示的状态变量V1、V2与SDU绝对顺序号间关系，在由V1和V2所表示的动态范围内，标识为1表示该SDU已经被接收端正确接收到了，标识为0则表示该SDU还没有被接收端正确接收到，图中SDU绝对顺序号从左至右递增。

状态变量V1、V2之间的关系具有以下特征：V1大于或等于V2；当V1不等于V2时，V1与V2之间的差值至少为2，且序号为V2+1的SDU在图2中的标识一定为0，即还没有被确认已正确接收到。根据V1是否等于V2，系统的具体处理过程会有所不同。

参见图3，图中示出进行传输时延估计的实现流程框图。在执行下述流程前，发送端高层在使用RLC-AM-DATA.Req原语将第i个SDU传输给RLC协议层的同时，已记录下相应的系统时间Treq。

步骤301，发送端高层接收到RLC协议层对来自接收端的确认正确接收到第i个SDU的Conf确认原语；

步骤302，发送端高层判断是否可以估计第i个SDU的传输时延，判断的依据是判断图2所示的该第i个SDU的绝对顺序号是否等于V2+1，是(MUI＝V2+1)，则继续执行步骤303，否则执行步骤306；

步骤303，在接收到第i个SDU的确认信号，对该SDU的传输时延进行估计按公式(2)Tdelay_i＝Tconf_i-Treq_i-τ计算；

步骤304，确定还可以估计其它哪些SDU的传输时延，确定的依据是确定如图2中所示SDU的绝对顺序号从V2+2开始连续被标识为1(即已被正确接收)的那些SDU，直到绝对顺序号为V1或中间有被标识为0的SDU；

步骤305，对其它SDU进行传输时延估计，采用估计公式(3)计算：Tdelay_j＝Tconf_j-Treq_j-τ，式中下标j表示其它SDU的绝对顺序号(发送端高层在使用RLC-AM-DATA.Req原语将第j个SDU传输给RLC协议层的同时，已记录下相应的系统时间Treq_j)；

步骤306，更新状态变量V1、V2，即按以下原则更新状态变量V1与V2：V1保存当前已经被确认正确收到的SDU的最大绝对顺序号；V2保存已进行了时延估计的SDU的绝对顺序号。更新后的状态变量V1、V2间必然满足前述V1、V2之间的关系特征。例如，设V1和V2从0开始，则如果第1个SDU确认被收到，则在估计该SDU的传输时延后，将V1和V2都置为1；此后如果先后直接有第3个和第4个SDU确认被收到，则V1先后被更新为3和4，但由于第2个SDU未被确认，故V2并不能更新；之后如果第2个SDU确认被收到，则首先估计第2个SDU的传输时延，然后估计第3个和第4个SDU的传输时延，在估计完成后，V2也更新为4。

将无线接口传输时延的估计方法引入现有的网络设备或者是路测终端设备中，可以帮助诊断网络问题，或者实时地对无线资源管理策略进行自适应优化，例如，如果估计的平均传输时延相对于业务的要求很小，同时判断出在空中接口的重传比较少，则说明此时没有充分利用重传带来的性能增益，此时也可以对有关的无线资源管理策略和控制参数进行必要的调整。如果小区内仅是单个业务的参数与其它业务的参数相比出现历史性差异，则往往是这个业务连接所处位置的覆盖出现了异常。

本专利提出的利用数据链路层RLC协议的ARQ功能进行无线接口传输时延估计的方法可以比较容易地在现有设备中实现。仅需要利用已有的或增加一个能提供实时时钟功能的模块，而其余需要利用的信息都可以从协议中的原语参数中获得，因而只需要对现有软件进行修改。网络中参数估计的结果可以提供给无线网络控制器(RNC)的无线资源管理模块，以便RNC进行无线资源管理策略和控制参数的自适应优化。参数估计的结果也可以补充成为RNC设备的性能统计指标并通过RNC和OMC-R之间的接口传给OMC-R，从而可以在OMC-R得到实时的相关性能统计，供运营商分析，并进行运营策略的调整。

本专利提出的传输时延估计方法也可以在作为路测终端设备的移动台中实现。当本专利的方法在网络设备中实现时，可以估计下行方向的无线接口传输时延，而在移动台中实现时，可以估计上行方向的无线接口传输时延。由于在网络设备中我们主要关心下行方向的性能，而路测设备则主要用来考察覆盖的情况，这时对非实时业务的上行数据传输更为关心。因此，本专利提出的方法可以充分地为评估无线网络的性能提供更多的有用信息。