GPRS 仿真实现及其性能优化

GPRS 仿真实现及其性能优化

求钦龙

2009 年 4月 10 日


内容提要

1. 相关背景 GPRS TCP

2. GPRS 模型3. 在 NS 2 上的实现4. 优化算法的原理及其测试结果：

Window Pacing Redundancy Elimination Fast TCP

5. 总结


相关背景

GSM 和 GPRS 网络 3G 演变 GPRS 协议栈

GPRS 仿真实现及其性能优化相关背景（ 1 ） — GSM 和 GPRS 网络

PCU

GGSN

SGSN


相关背景（ 2 ） — 3G 演变

世界移动通信的 72 ％客户、 147 个国家和地区， 392 个运营商都不约而同地选用 GSM 网，并通过 GPRS 平滑过渡到 3G 。


相关背景（ 3 ） — GPRS 协议栈

IPnetwork

TCP/UDP

IP

SNDCP

LLC

RLC

MAC

GSM RF

TCP/UDP

IP

Server

RLC

MAC

GSM RF

BSSGP

Networkservice

L1bis

Relay

L1bis

Networkservice

BSSGP

LLC

SNDCPRelay

GTP

L1

L2

IP

UDP/TCP

GTP

UDP/TCP

IP

L2

L1

IP

Linklayer Y

Physicallayer Y

Linklayer Y

Physicallayer Y

Um Gb Gn Gi

GPRS

Application Application

Um和 Gb 接口是我们 GPRS 模型实现的重点


GPRS 模型

SGSN GGSNBSS(One PCU)

Server

DL

UL

DL

UL

UL: CS2

DL: CS2

DL

UL

BW: 512kbps;link delay: 10ms

BW: 512kbps;link delay: 10ms

BW: 100Mbps;link delay: 5ms




BTS 1

BTS 30

BTS 2

MS1

MS2

MS800

MS1

MS2

MS800


在 NS 2 的实现

MSAgent

SGSNAgent GGSNAgent

BSSAgent

Gn_DL_Queue

Gb_UL_Queue

Gb_DL_Queue

Um_UL_Queue

Um_DL_Queue

Gi_UL_Queue

Gi_DL_Queue

Gn_UL_Queue

GGSNSGSNBSSMS Server

Agent

GGSNAgent

SGSNAgent

BSSAgent

MSAgent

GPRSAgent


Um 接口

无线资源的分配无线资源的调度无线资源的释放


Um 接口（ 1 ）—无线资源的分配

0 1 2 3 4 5 6 7TSCS

TerritoryGPRS

Territory

TBF

1

2

3

4

5

6

7

8

9

接入控制（ Admission Control ）

1. 不建立 TBF ，直接告诉系统创建失败

2. 不建立 TBF ，过一定时间后再次尝试，当到达一定次数，还没有成功建立 TBF ，告诉系统创建失败

3. 考虑 TBF 的优先级，删除优先级低的 TBF


Um 接口（ 2 ）—无线资源的调度

TS L2

1

0

X

5

10

12

X+3

2

10

12

X+2

2

1

12

X+1

class 4 sss=12

class 1~3 sss=9

class 0 sss=3 sss: schedule step size （越小优先级越高）

X: 表示某一个时刻

X+1 ：表示下一个时刻

0， 1， 2 等数字表示虚拟时间的值

Weighted Round Robin (WRR)


Um 接口（ 3 ）—无线资源的释放

若某数据流的最后一个数据块已被送出并得到确认，或者计时器到达计时限制（由于下行采用了 Delayed TBF 模型，所以要等待 1 秒才释放 TBF 资源；上行用的是 Standard TBF模型，所以立即释放 TBF 资源），则其使用的无线资源将被释放并重新分配。当需要收发新的数据块时， GPRS 通话仍然开放并可重新建立。与目前的电路交换服务相比，重新接入的延迟很短，因而提高了网络资源的利用效率。


Gb 接口

EREDEREDEREDERED

Delay Class

0

Del ay Cl ass

2

Del ay Cl ass

1

Del ay Cl ass

3

Del ay Cl ass

4

WFQ

Flow control

Flow control

Flow control

Flow control

Flow control

LLC Life Time

信令，短消息等高优先级业务，

不需要 RED 算法优先级最低的 FT

P 背景业务

交互式的 HTTP 业务

WFQ ： Weighted Fair Queue体现各类业务的

不同权重


Gb 接口（ 1 ） — ERED

随机提前检测方法克服了队尾丢弃方法的大部分缺点，因而该方法要有效的多，但也要复杂一些。其基本思想是采用指数加权滑动平均的方法计算队列平均长度（这个平均是指对时间的平均，采用该方法的路由器在每个接口上只维持一个队列），每接收到一个分组就重新计算队列的平均长度。

最大阈值

最小阈值


Gb 接口（ 2 ） — 流控

MS Flow Control

BVC Flow Control

MS Flow Control

MS Flow Control

BVC Flow Control

MS Flow Control

Gb Flow Control

Regulated

Flow

Bursty Traffic

Leak Buffer

PCU 向 SGSN 汇报指定流的实际传送速率（ R ）和缓冲的大小（ B ）； SGSN 相应地调整它自身的关于那个流的传送速率。

这个算法的主要目的是防止 PCU （ Packet Control Unit ）的缓冲溢出。


Gb 接口（ 3 ） — WFQ

业务类权值相应的 SSS值

0 900 5

1 50 15

2 30 30

3 15 50

4 5 900


Gb 接口（ 4 ） — LLC lifetime

由于有可能在 SGSN 缓存太多的包，其中有一些包已经没有意义再传送到 BSS 了（比如上层认为这些包已经超时，必须丢弃，那么我们就可以在 LLC层提前丢弃），丢弃这些包有利于提高系统的吞吐量，减少平均时延，这就是 LLC Lifetime 。

业务类 LLC Lifetime （单位：秒）

0 10

1 40

2 40

3 40

4 40


优化算法的原理及其测试结果

Window Pacing Redundancy Elimination Fast TCP


Window Pacing 原理

SGSN TCP发送端

发送大量数据到SGSN

TCP接收端

由于带宽的限制，数据暂存在SGSN

SGSN的缓冲达到一定的阈值

TCP接受端发送ACK包

减小ACK包中的通知窗口的值

迫使TCP发送端降低发送速率

发送少量数据到SGSN

这时，直接发送ACK包

SGSN的缓冲低于一定的阈值TCP接受端发送ACK包

WP控制机制

数据流


Window Pacing 测试结果

正常情况

业务类号仿真时间收到的包数收到的字节数平均时延丢包数丢包率

0 2000 22199 887960 0.29514 300 1.33

1 2000 21111 28432726 2.640454 323 1.45

2 2000 20322 25915585 9.859079 718 2.76

3 2000 16267 19734178 17.93893 2300 8.89

4 2000 12437 17897760 36.3857 1534 7.8

总共 92868209

Window Pacing

业务类号仿真时间收到的包数收到的字节数平均时延丢包数丢包率

0 2000 22253 890120 0.267811 247 1.1

1 2000 21004 28417303 1.021358 197 0.9

2 2000 20190 25901810 8.02898 710 2.77

3 2000 17217 21133427 16.50196 2171 8.02

4 2000 12491 18048840 33.13686 1190 6.2

总共 94391500 1.64%


Redundancy Elimination 原理

SGSNSGSNServer

data (seq=x)

cell reselection causes long buffer time

data (seq=x)

drop duplicate packets in Gb interface (seq=x)

ack (ack=x+1)

resend data because RTO expires (seq=x)

resend data because RTO expires (seq=x)

drop this duplicate packets in SGSN (seq=x)

BSS


Redundancy Elimination 测试结果 (1)

0

5000000

10000000

15000000

20000000

25000000

30000000

35000000

0 1 2 3 4

receiv

ed

byte

s

normal

RE

吞吐量比较图

GPRS 仿真实现及其性能优化Redundancy Elimination 测试结果(2)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 1 2 3 4

avera

ge d

ela

y

normal

RE

平均时延比较图

GPRS 仿真实现及其性能优化Redundancy Elimination 测试结果(3)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

0 1 2 3 4

lost

per

cent normal

RE

丢包率比较图


Fast TCP 原理

Server SGSN

GGSN

send a few data to MS

ACK is sent to server directly

send too m uch data to MS, SGSNdetects the network will be congested

ACK is buffered in GGSN

ACK is sent aftersom e tim e

server is forced to slowdown its output rate, so thenetwork will be not congested

ACK is sent to server directly


Fast TCP 测试结果

测试场景业务类号收到的包数收到的字节数平均时延丢包数丢包率

正常情况

0 22235 889400 0.273824 264 1.17

1 21114 28447738 2.059985 302 1.36

2 20211 25904430 8.971548 888 3.45

3 17178 21154653 16.96371 2369 8.93

4 12365 17785380 25.77529 1515 7.73

总共 94181601

延迟 0.1秒

0 22203 888120 0.284999 297 1.32

1 21219 28567732 2.038649 268 1.2

2 20094 25633898 8.880649 878 3.37

3 17170 21113650 16.95416 2275 8.61

4 12707 18304220 26.43441 1496 7.68

总共 94507620

提高 0.35%


测试总结

经过大量的测试表明：Window Pacing 和 Fast TCP 优化算法

性能不太理想； Redundancy Elimination 优化算法在较少业务量时能基本保持性能不下降；在较多业务量时能有较大的提高，在理想的情况下能提高 30% 以上的性能。

注意：对性能的评价主要是吞吐量，其次是平均时延和丢包率。


总结

1) 分析了 GPRS 在国内、国际的发展情况以及在 3G 演变中所处的重要位置，论述了对 GPRS进行优化的重要意义。

2) 在 NS 2中实现了 GPRS 模块，这个模块不仅可以供我们的优化算法进行测试，也可以供其他优化算法测试。

3) 仿真实现 TCP 的三个优化算法： Window Pacing 、Redundancy Elimination 和 Fast TCP 。

4) 对这三个算法在各种场景下进行测试，总结各个参数对网络性能的影响。

5) 总结仿真结果。


有关论文1) Qinlong Qiu, Dongmei Zhang, Jian Ma, “GPRS network model in NS 2”, in

proceedings of IEEE The Joint Conference of 10th Asia-Pacific Conference on Communications and 5th International Symposium on Multi-Dimensional Mobile Communications, Aug. 29 – Sep.1, 2004, Tsinghua University, Beijing, China, pp.700~704.

2) Qinlong Qiu, Dongmei Zhang, Jian Ma, “Window Pacing In General Packet Radio Service Network”, in proceedings of IEEE The 16th International Conference on Computer Communication, Sep.15-17, 2004, New Century Hotel, Beijing, China, pp. 348~353.

3) Qinlong Qiu, Dongmei Zhang, Jian Ma, Dajiang Zhang, “Redundancy Elimination in GPRS network”, Journal of Zhejiang University Science A, Oct. 17, 2005, pp. 477~482

4) Dajiang Zhang, Dongmei Zhang, Qinlong Qiu, “Using ACK RTO timer to improve TCP performance in wireless network, WMSCI 2005, July 10-13, 2005, Orlando, Florida, USA.

谢谢大家 !

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