徐海鑫，周祖望，張利達(dá)

(武漢虹信通信技術(shù)有限責(zé)任公司，湖北武漢430074)

責(zé)任編輯:許 盈

移動通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷融合，IP技術(shù)本身的靈活性和簡單性使得全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)成為無線通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。LTE(Long Term Evolution)系統(tǒng)正是采用全I(xiàn)P承載的下一代無線通信系統(tǒng)。選用IP技術(shù)作為承載技術(shù)，首先會遇到的一個問題就是IP包的報(bào)頭字節(jié)開銷太大，極大地占用了無線信道帶寬，降低了無線資源利用率。另一方面3GPP在LTE中提出了實(shí)現(xiàn)下行峰值速率達(dá)到100 Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸，LTE系統(tǒng)的高數(shù)據(jù)傳輸速率和系統(tǒng)容量，使得頻譜資源和業(yè)務(wù)量之間的矛盾更加突出，所以在LTE系統(tǒng)中采用強(qiáng)大的報(bào)頭壓縮技術(shù)顯得尤為重要。

ROHC正是IETF專門針對高誤碼率、長傳輸時延的無線通信鏈路而提出的魯棒性報(bào)頭壓縮技術(shù)[1]。在保證魯棒性的前提下，能夠極大地提高系統(tǒng)無線帶寬資源的利用率。在3GPP LTE TS36.323協(xié)議對PDCP子層的規(guī)范中，采用了ROHC協(xié)議來實(shí)現(xiàn)其頭壓縮功能。然而ROHC協(xié)議中壓縮算法確實(shí)不能夠很好地適應(yīng)不斷變化的無線信道環(huán)境，不能動態(tài)調(diào)整壓縮算法中的關(guān)鍵參數(shù)。因此，對于動態(tài)變化的無線環(huán)境，ROHC壓縮算法存在一定的不足。針對此種情況，本文結(jié)合LTE MAC層無線信道檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了ROHC壓縮算法關(guān)鍵參數(shù)的動態(tài)調(diào)整。通過仿真結(jié)果表明，相比ROHC協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)壓縮算法，本文提出的算法具有更好的壓縮率和適用性。

1 ROHC壓縮算法簡介

1.1 ROHC基本壓縮原理

數(shù)據(jù)流中報(bào)頭部分包含靜態(tài)部分和動態(tài)部分。靜態(tài)部分就是指在整個數(shù)據(jù)流中保持不變或者通過一定信息可推知的部分，而動態(tài)部分則是在整個數(shù)據(jù)流中經(jīng)常發(fā)生變化的部分。ROHC壓縮就是消除報(bào)頭中的靜態(tài)部分，對于動態(tài)變化的部分，采取特定的編碼方式對其編碼，只傳輸編碼后的少量信息到對端，從而達(dá)到報(bào)頭壓縮的目的。

在LTE系統(tǒng)中，ROHC協(xié)議位于PDCP子層，分為壓縮模塊和解壓模塊。其中壓縮模塊對IP頭和傳輸頭進(jìn)行壓縮，相應(yīng)的在解壓模塊，就對ROHC壓縮分組進(jìn)行解壓還原。當(dāng)用戶的數(shù)據(jù)流開始建立的時候，壓縮模塊就會將該數(shù)據(jù)流相關(guān)的完整報(bào)頭信息保存在相應(yīng)的上下文中，并且會分配上下文標(biāo)識(Context Identifier，CID)來標(biāo)識此數(shù)據(jù)流，該條數(shù)據(jù)流后續(xù)的數(shù)據(jù)報(bào)文會參照上下文，只傳輸變化的部分。相應(yīng)的在解壓模塊，根據(jù)CID來查找收到壓縮分組的上下文，以此回復(fù)出原始的數(shù)據(jù)報(bào)文，壓縮解壓就完成了。具體的原理圖如圖1所示。

圖1 ROHC壓縮原理圖

當(dāng)GPRS隧道協(xié)議用戶面(GPRS Tunneling Protocol for User Plane，GTP-U)有新數(shù)據(jù)流到達(dá)Layer 2的PDCP子層時，PDCP子層的ROHC壓縮器首先進(jìn)入壓縮初始化狀態(tài)，將數(shù)據(jù)流的報(bào)頭信息保存在相應(yīng)的上下文(Context)中，同時將其發(fā)送到對端的解壓器。確認(rèn)解壓器收到上下文信息后，壓縮器就可以進(jìn)入壓縮狀態(tài)，開始發(fā)送壓縮報(bào)文。相應(yīng)的在解壓器會利用壓縮器發(fā)來的完整上下文來對后續(xù)的壓縮報(bào)文進(jìn)行解壓。在此過程中，ROHC中的CRC樣驗(yàn)和反饋能夠很好地保證雙方上下文信息的完全同步以及準(zhǔn)確無誤的傳輸，確保壓縮解壓過程的順利進(jìn)行。

1.2 LSB/WLSB壓縮編碼算法

LSB/WLSB是ROHC協(xié)議中非常重要的兩種壓縮編碼算法，在整個壓縮解壓過程中始終存在，其算法的好壞直接決定了ROHC性能。

LSB(Least Significant Bit)是最低有效位壓縮編碼算法，通常用來對變化較小的報(bào)頭域進(jìn)行壓縮。在使用LSB壓縮編碼算法時，通常不會傳輸整個原始報(bào)頭，而只會對其中的K個比特進(jìn)行傳輸。當(dāng)解壓方收到這K個比特時，將參照之前保存的參考值Vref來恢復(fù)原始值。例如要傳輸?shù)淖侄沃禐?0，使用上一個傳輸成功的值18來作為參照，那么比較20和18的二進(jìn)制值00010100和00010010，即可得出只有最低3位不同，那么K取3，此次只需要傳輸20的最后3個比特，即100。相應(yīng)的在解壓方，根據(jù)解壓參考值18和100，即可成功恢復(fù)出原始值20。

在LSB壓縮編碼算法中，壓縮器和解壓器中只會保存一個壓縮和解壓參考值，一旦這個分組在無線鏈路上丟失或者發(fā)生錯誤，解壓端就不能夠?qū)罄m(xù)壓縮分組正確地解壓，并且會導(dǎo)致壓縮和解壓上下文信息不同步。

基于這種考慮，ROHC工作組提出了WLSB壓縮編碼算法，壓縮端和解壓端各自維護(hù)一個滑動窗口，包含很多已經(jīng)正確傳遞的參考值，保證ROHC壓縮算法的魯棒性。但是，過大的滑動窗口又會降低WLSB算法的壓縮效率。因此，滑動窗口的寬度SWW(Slide Window Width)是影響WLSB算法魯棒性和壓縮效率的關(guān)鍵參數(shù)[2]。

從圖2中可以看到，當(dāng)滑動窗口值很小時，無線鏈路上一旦SWW的壓縮分組出錯或者丟包，都會直接影響后續(xù)壓縮分組的正確解壓，并且解壓端上下文也不能及時更新，壓縮端和解壓端的上下文無法保持同步，造成了后續(xù)無法正確解壓的壓縮分組大量丟棄的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了WLSB算法的魯棒性。當(dāng)滑動窗口值減小到1時，WLSB算法就變成了LSB算法。

圖2 WLSB壓縮算法原理圖

當(dāng)滑動窗口值很大時，雖然能夠保證WLSB算法的魯棒性，但是每一個壓縮域相應(yīng)的LSB編碼位數(shù)將會增大，直接導(dǎo)致壓縮端只能夠選擇較低壓縮效率的壓縮分組進(jìn)行壓縮，嚴(yán)重降低了WLSB算法的壓縮性能。

2 適用LTE的自適應(yīng)窗基壓縮編碼算法SA-WLSB

根據(jù)前文WLSB機(jī)制的描述易知，可變滑動窗口VSW的大小N決定了報(bào)頭壓縮的效率。當(dāng)無線信道處于不同的狀態(tài)時，動態(tài)調(diào)整N值的大小，不僅能夠提高報(bào)頭壓縮率，而且能夠獲得更好的魯棒性。

文獻(xiàn)[3]中，提出了可利用短期暫時丟包率和平均長期丟包率的比值來定義無線信道狀態(tài)。如果目前暫時丟包率大于平均長期丟包率，則可認(rèn)定此時無線信道處于出錯狀態(tài)，否則即處于無錯狀態(tài)。在無錯狀態(tài)下，可以認(rèn)為無線信道質(zhì)量比較好，能夠?qū)崿F(xiàn)無差錯傳輸;而在出錯狀態(tài)下，傳送的數(shù)據(jù)報(bào)文出現(xiàn)錯誤，沒有辦法進(jìn)行正確傳輸。無錯狀態(tài)和出錯狀態(tài)是能夠相互轉(zhuǎn)化的，另外，由于無線信道的多變性，僅用兩個狀態(tài)來描述無線信道將無法提供足夠的信息。在文獻(xiàn)中，提出了一種3狀態(tài)的Markov模型(Three States Markov Modules)來描述無線信道，通過解壓縮端反饋的信噪比，在壓縮端根據(jù)接收比特誤碼率來劃分信道狀態(tài)，將信道狀態(tài)分為差狀態(tài)(Bad State，BS)、平均狀態(tài)(Average State，AS)、好狀態(tài)(Good State，GS)。

本文根據(jù)LTE系統(tǒng)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，結(jié)合當(dāng)前丟包率和歷史丟包率數(shù)據(jù)的比較，采用文獻(xiàn)[4]中提出的3狀態(tài)Markov模型來模擬實(shí)際的無線信道，如圖3所示。

圖3 3狀態(tài)Markov無線信道模型

無線信道狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為

式中:Pga代表由GS態(tài)轉(zhuǎn)移到AS態(tài)的概率;Pgb代表由GS態(tài)轉(zhuǎn)移到BS態(tài)的概率;1-Pga-Pgb代表停留在GS態(tài)的概率;Pag，Pbg，Pab，Pba，1-Pag-Pab，1-Pbg-Pba的含義可類推出來。適當(dāng)調(diào)整上述狀態(tài)矩陣中各相應(yīng)參數(shù)的值，即可表征各種不同狀態(tài)的無線信道。

目前已有的報(bào)頭壓縮方案在設(shè)計(jì)中，并沒有將無線信道狀態(tài)考慮在內(nèi)，而在無線通信中，由于各種因素的影響，無線環(huán)境是動態(tài)變化的，一成不變的壓縮方案難以適用于各種狀態(tài)的無線信道。無線信道突發(fā)差錯的特性，也使得固定不變的壓縮方案難以獲得較好的性能。為此，本文提出一種基于LTE無線信道狀態(tài)估計(jì)的自適應(yīng)滑動窗壓縮編碼算法SA-WLSB(Self-adaption WLSB)。根據(jù)無線信道所處的狀態(tài)，動態(tài)調(diào)整滑動窗窗口大小，以保證在獲得較高壓縮效率的同時，也能夠擁有較好的魯棒性。圖4即為SA-WLSB壓縮算法原理圖。

結(jié)合3種信道狀態(tài)，SA-WLSB中VSW窗口調(diào)整的具體流程如下:

1)首先，假設(shè)p為當(dāng)前無線信道誤碼率，對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，建立兩張映射表:一張是3種無線信道狀態(tài)(BS/AS/GS)與比特誤碼率(BER)的映射表(假設(shè)p1為GS/AS誤碼率門限值，p2為AS/BS誤碼率門限值)，另一張是無線信道狀態(tài)與SWW窗口大小值N之間的映射表(假設(shè)n1為GS/AS滑動窗門限值，n2為AS/BS滑動窗門限值)。

圖4 SA-WLSB壓縮算法原理圖

2)其次，壓縮端根據(jù)MAC底層無線信道檢測技術(shù)提供的比特誤碼率值，判定當(dāng)前無線信道所處的狀態(tài)，從而動態(tài)調(diào)整SWW的窗口值N。

3)記錄此時無線信道誤碼率為p，根據(jù)映射表1計(jì)算當(dāng)前的無線信道狀態(tài)，然后再結(jié)合映射表2計(jì)算當(dāng)前SWW窗口值(以下計(jì)算N均取整):

(1)當(dāng)p＜p1時，此時信道狀態(tài)很好，處于GS狀態(tài)。窗口SWW可取值

當(dāng)p?p1時，此時可取SWW窗口為1，即LSB壓縮編碼算法，此時信道條件最好，壓縮效率最高。

(2)當(dāng)p1＜p＜p2時，此時信道狀態(tài)處于平均狀態(tài)AS。此時窗口SWW可取值

(3)當(dāng)p＞p2時，此時信道狀態(tài)很差，處于BS態(tài)，此時窗口SWW可取值

(4)當(dāng)p?p2時，此時無線信道狀態(tài)極差，為保證數(shù)據(jù)正常傳輸，不需要對報(bào)文壓縮處理，只能完整地傳輸整個報(bào)文。此時壓縮率為0，魯棒性最好。

3 仿真及分析

仿真測試中，分別測試了UDP業(yè)務(wù)流的負(fù)載長度在0～100 byte變化時，采用Uncompress、ROHC(WLSB)和ROHC(SA-WLSB)時有效載荷和平均報(bào)頭開銷，仿真測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同壓縮算法下UDP數(shù)據(jù)包報(bào)頭開銷與載荷對比

Header Proportion為報(bào)頭開銷，Header Size為報(bào)頭總大小，Payload Size為載荷大小，其計(jì)算公式為

由圖4分析可得，采用本文所提出的SA-WLSB壓縮算法壓縮后的UDP報(bào)頭大小為1～3 byte，相比之下，采用WLSB算法所提供的壓縮率也能夠獲得比較接近的壓縮率，但是SA-WLSB算法的壓縮連接建立時間更短，并且只需要借助MAC底層無線信道檢測技術(shù)，并不需要額外的反饋，可以進(jìn)一步節(jié)省無線帶寬資源。

在UDP業(yè)務(wù)流恒定的情況下，對RTP/UDP/IP報(bào)頭進(jìn)行壓縮處理，統(tǒng)計(jì)不同壓縮算法處理后的平均報(bào)頭長度。在此需要采用平均壓縮報(bào)頭長度ACL(Average Compressed Length)，即

式中:Total Bytes表示發(fā)送的總的字節(jié)數(shù)(包括各種類型的壓縮分組以及反饋信息);Comp.num表示發(fā)送的總的壓縮分組數(shù);Payload Len表示發(fā)送分組攜帶的載荷長度。測試中取BER=10-3時，即無線信道質(zhì)量較好的環(huán)境下，Comp.num分別取100，1 000，5 000，10 000個，Payload Len取64 kbyte。測試結(jié)果如表1所示。

表1 不同壓縮算法下平均報(bào)頭壓縮長度統(tǒng)計(jì)表

原始RTP/TCP/IP數(shù)據(jù)包報(bào)頭為40 byte，經(jīng)過壓縮處理后的平均壓縮報(bào)頭長度如表1所示，分別對未壓縮、ROHC(WLSB)以及ROHC(SA-WLSB)3種壓縮算法下的平均壓縮報(bào)頭長度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，使用本文提出的SA-WLSB壓縮算法，壓縮端和解壓端通信過程中，平均壓縮報(bào)頭長度大多在2 byte以下。在剛開始建立通信的過程中，由于壓縮端在一開始時需要發(fā)送完整的報(bào)頭信息及相應(yīng)的上下文標(biāo)識符，以便保持解壓端上下文信息同步。因此，當(dāng)測試報(bào)文個數(shù)較少時，報(bào)頭壓縮增益并沒有發(fā)送大量分組報(bào)頭時候明顯，和理論分析的結(jié)果相符合。當(dāng)進(jìn)行大量數(shù)據(jù)報(bào)文測試時，由表1可以看出，經(jīng)過SA-WLSB算法壓縮后的平均報(bào)頭長度為1.15 byte，而ROHC(WLSB)的壓縮算法平均壓縮長度為1.29 byte。綜上所述，本文提出的SA-WLSB算法比現(xiàn)有的算法有著更低的報(bào)頭開銷，能夠很有效地提高無線信道帶寬利用率。

4 結(jié)語

為了提高無線鏈路的頻譜資源利用率，在3GPP LTE中，采用了IETF提出的ROHC報(bào)頭壓縮方案。本文從提高ROHC壓縮魯棒性及適用性出發(fā)，提出了適用于LTE系統(tǒng)的自適應(yīng)窗基壓縮編碼算法，該算法能夠結(jié)合無線信道環(huán)境的變化來動態(tài)調(diào)整ROHC壓縮的關(guān)鍵參數(shù)。下一步將在特定的無線環(huán)境場景下，根據(jù)無線需求的變化，針對一些典型的移動多媒體業(yè)務(wù)，采取特定的編碼方式，同時對于ROHC壓縮性能的實(shí)現(xiàn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)際的調(diào)試，設(shè)計(jì)更高效適用于LTE系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)壓縮效率和魯棒性，是一個值得以后深入研究的方向。

[1]JONSSON L E，SANDLUND K，PELLETIER G.RObust header compression(ROHC):corrections and clarifications to RFC 3095[EB/OL].[2012-10-20].http://www.hjp.at/doc/rfc/rfc4815.html.

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