一種5G系統(tǒng)魯棒性報(bào)頭壓縮優(yōu)化算法

劉光敬，程立杰，施 濤

(重慶市信息通信咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400041)

0 引言

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，5G時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，5G系統(tǒng)具有比以往無(wú)線系統(tǒng)更高的數(shù)據(jù)速率和帶寬，以應(yīng)對(duì)5G中三大主要的應(yīng)用場(chǎng)景[1]。IP是一種常用的數(shù)據(jù)傳輸方式，未來(lái)所有的蜂窩鏈路都朝著全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)發(fā)展[2]，而IPv4，IPv6等報(bào)頭過(guò)長(zhǎng)，IP協(xié)議的報(bào)頭開銷過(guò)大，為了在無(wú)線鏈路中更有效地利用有限帶寬，需要對(duì)無(wú)線分組進(jìn)行壓縮處理。現(xiàn)有的報(bào)頭壓縮機(jī)制有CRTP，IPHC，VJHC和魯棒性報(bào)頭壓縮(Robust Header Compression，ROHC)等，前3類壓縮機(jī)制的丟包容易影響壓縮效率，若鏈路誤碼率較高，傳輸效率就不夠理想[3]。因此IETF提出了ROHC機(jī)制，它對(duì)無(wú)線鏈路具有很強(qiáng)的容錯(cuò)能力。PDCP層位于5G系統(tǒng)協(xié)議棧中，在控制平面和用戶平面都有相應(yīng)的協(xié)議處理功能，是5G協(xié)議棧中至關(guān)重要的一環(huán)[4-5]。PDCP執(zhí)行基于ROHC技術(shù)的IP報(bào)頭壓縮。ROHC有3種模式，仿真結(jié)果表明，ROHC雙向樂(lè)觀(O)模式的壓縮效率和對(duì)丟包的魯棒性最好[6]。文獻(xiàn)[6]通過(guò)考察影響ROHC O模式性能的樂(lè)觀參數(shù)，證實(shí)了樂(lè)觀參數(shù)在壓縮效率和對(duì)丟包的魯棒性之間起到了均衡作用。本文對(duì)ROHC中的O模式進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種動(dòng)態(tài)調(diào)整樂(lè)觀參數(shù)的方法，該方法會(huì)同時(shí)影響壓縮效率和魯棒性，提高ROHC O模式的性能。經(jīng)過(guò)仿真測(cè)試證明，本文提出的方法具有較高的壓縮效率，且降低了無(wú)線鏈路各種丟包率下的解壓失敗率，提高了ROHC O模式對(duì)丟包的魯棒性，進(jìn)一步提高了ROHC在5G通信系統(tǒng)環(huán)境下的性能，具有較低的算法復(fù)雜度，適用于任何丟包率或誤碼率較高的無(wú)線鏈路。

1 ROHC協(xié)議

1.1 ROHC基本壓縮原理

無(wú)線通信中，數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)RTP/UDP/IP協(xié)議棧處理后，增加了多個(gè)不同含義的域，主要可劃分為靜態(tài)域、動(dòng)態(tài)域及推測(cè)域。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，靜態(tài)域攜帶的信息變化小或者保持不變，動(dòng)態(tài)域信息按照一定規(guī)則變化，推測(cè)域的字段可由其他字段進(jìn)行計(jì)算得到[7]。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分組傳輸時(shí)，每一個(gè)分組會(huì)攜帶部分不變化或者按照一定規(guī)律變化的冗余信息化域，特別地，當(dāng)分組流所攜帶的數(shù)據(jù)信息較小時(shí)，將增加報(bào)頭開銷，降低了信道利用率。因此，ROHC協(xié)議利用IP報(bào)頭的冗余特性，僅在必要時(shí)刻傳輸全部信息，后續(xù)發(fā)送分組流時(shí)只傳送報(bào)頭中發(fā)生變化的有效信息域，以減少傳輸?shù)膱?bào)頭長(zhǎng)度，從而提高無(wú)線信道帶寬資源利用率[8]。

當(dāng)發(fā)送第一個(gè)分組流時(shí)，壓縮方按照相應(yīng)的字段信息將完整的信息存儲(chǔ)在上下文中，并對(duì)不同的數(shù)據(jù)流配置上下文標(biāo)識(shí)符(Context Identification，CID)，以唯一標(biāo)識(shí)此數(shù)據(jù)流，最后發(fā)送包含全部必要信息的分組流，實(shí)現(xiàn)壓縮初始化流程[9-10]。解壓縮方收到第一個(gè)分組流后，建立上下文，實(shí)現(xiàn)解壓縮的初始化流程。在后續(xù)分組發(fā)送的過(guò)程中，壓縮方以上下文作為參考，只發(fā)送報(bào)頭中產(chǎn)生變化的部分信息，解壓縮方根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)包標(biāo)識(shí)(Packet Identification，PID)和CID等字段，以上下文為參考，恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。

1.2 ROHC狀態(tài)

壓縮方有3種壓縮狀態(tài)。初始時(shí)，壓縮方工作在初始化和重置(Initialization and Refresh，IR)狀態(tài)，根據(jù)不同模式下的相應(yīng)規(guī)則，進(jìn)行狀態(tài)間的相互躍遷，如圖1所示。

圖1 壓縮方狀態(tài)Fig.1 State diagram of compression side

IR狀態(tài)下，壓縮方持續(xù)發(fā)送完整的報(bào)頭信息包，其中包含所有未壓縮格式的動(dòng)態(tài)字段和靜態(tài)字段，以及一些附加信息[11]，以便初始化或者更新上下文信息，保證解壓縮方在后續(xù)的解壓過(guò)程中能夠正確解壓數(shù)據(jù)包，或者在解壓失敗時(shí)，能夠進(jìn)行上下文修復(fù)。當(dāng)壓縮方發(fā)送一定數(shù)量的IR包，或者收到來(lái)自解壓縮方的ACK反饋信息時(shí)，按照不同的工作模式，向更高級(jí)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移[12]。

相比于IR狀態(tài)傳輸報(bào)頭的完整信息，在一級(jí)壓縮(First Order，F(xiàn)O)[13]狀態(tài)，傳遞到解壓縮器的信息通常是部分壓縮的，壓縮方將靜態(tài)信息域進(jìn)行壓縮，傳遞IP報(bào)頭中的動(dòng)態(tài)信息域部分。FO狀態(tài)作為IR和二級(jí)壓縮(Second Order，SO)狀態(tài)的過(guò)渡狀態(tài)，能夠有效地傳輸動(dòng)態(tài)域信息，避免了靜態(tài)域信息的重復(fù)發(fā)送。

在SO狀態(tài)時(shí)，解壓縮方已獲得足夠的靜態(tài)信息并掌握動(dòng)態(tài)信息變化規(guī)律，IP報(bào)頭中的靜態(tài)字段和動(dòng)態(tài)字段都被壓縮，壓縮方只需要發(fā)送動(dòng)態(tài)域中發(fā)生變化的部分[14-15]，解壓縮方就能夠根據(jù)上下文完成解壓工作。在此狀態(tài)下，壓縮方發(fā)送的壓縮包最小，壓縮效率達(dá)到最大。

解壓縮方共有3種解壓狀態(tài)，與壓縮端相同，3種解壓狀態(tài)之間可以進(jìn)行相互躍遷，如圖2所示。

圖2 解壓縮方狀態(tài)Fig.2 State diagram of decompression side

在無(wú)上下文(No Context，NC)狀態(tài)時(shí)，解壓縮方?jīng)]有報(bào)頭信息，接收IR數(shù)據(jù)包，當(dāng)IR數(shù)據(jù)包成功解壓時(shí)，解壓縮方建立上下文，并向更高級(jí)狀態(tài)躍遷。靜態(tài)上下文(Static Context，SC)狀態(tài)時(shí)，解壓縮方根據(jù)包含完整動(dòng)態(tài)信頭分組流，以上下文作為參考，進(jìn)行解壓操作。全上下文(Full Context，F(xiàn)C)狀態(tài)是最高級(jí)的壓縮狀態(tài)，此時(shí)完整的上下文已經(jīng)被建立，可以接收SO包并恢復(fù)原始信息。

1.3 ROHC工作模式

ROHC協(xié)議定義了3種壓縮模式，分別適用于不同的信道狀態(tài)[16]。

單向模式(Unidirectional Mode，U-Mode)中，分組流只能從壓縮方單向發(fā)送。由于壓縮方和解壓縮方之間沒有反饋信道，壓縮方無(wú)法了解解壓縮方的具體情況，3種狀態(tài)的轉(zhuǎn)移采用可以保證壓縮傳輸?shù)聂敯粜院蛪嚎s率的樂(lè)觀逼近原則[17-18]。

雙向可靠模式(Reliable Mode，R-Mode)通過(guò)保證魯棒性來(lái)降低丟包率和錯(cuò)誤率，只有收到解壓縮方的反饋時(shí)，才進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移。壓縮狀態(tài)轉(zhuǎn)移嚴(yán)格遵循正/負(fù)反饋原則，當(dāng)收到正反饋時(shí)，壓縮端向高級(jí)狀態(tài)進(jìn)行躍遷;當(dāng)收到負(fù)反饋時(shí)，向低級(jí)狀態(tài)進(jìn)行躍遷。

雙向樂(lè)觀模式(Optimistic Mode，O-Mode)與R模式的狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件相同，根據(jù)不同反饋信息，決定狀態(tài)轉(zhuǎn)移方向。O模式采用樂(lè)觀逼近原則，壓縮方發(fā)送N個(gè)數(shù)據(jù)包，如果沒有收到負(fù)反饋信息，則壓縮方認(rèn)為解壓縮方已建立了正確的上下文，壓縮狀態(tài)將向更高級(jí)解壓狀態(tài)躍遷，當(dāng)接收到解壓縮方的負(fù)反饋時(shí)，表示解壓錯(cuò)誤，需要發(fā)送信息量更多的壓縮包更新上下文，此時(shí)壓縮方向低級(jí)狀態(tài)躍遷。相比于U模式的無(wú)反饋，O模式可以接收反饋信息，極大地提高了傳輸?shù)目煽啃裕蚁啾扔赗模式，O模式只在收到解壓縮方反饋時(shí)才進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移，有著更高的傳輸速率。

2 一種樂(lè)觀參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整方法

ROHC工作在O模式時(shí)，壓縮方發(fā)送連續(xù)N個(gè)更新包后，假設(shè)解壓縮方至少收到其中一個(gè)更新包，并且獲得轉(zhuǎn)換到更高壓縮狀態(tài)的置信度。無(wú)線信道并非一直都是穩(wěn)定的，有時(shí)會(huì)經(jīng)歷傳播損耗或衰落，所以可能會(huì)出現(xiàn)一段時(shí)間的連續(xù)丟包。包丟失可能包括無(wú)線鏈路上的丟失和由誤碼引起的丟失。在這種情況下，如果壓縮方為保證接收端上下文更新而發(fā)送的更新包個(gè)數(shù)N過(guò)小，可能會(huì)增加由丟包導(dǎo)致的報(bào)頭解壓縮失敗。另一方面，如果更新包個(gè)數(shù)N過(guò)大，就會(huì)導(dǎo)致壓縮效率降低，因此，選擇一個(gè)合適的N值，在確定壓縮效率和魯棒性方面起到重要作用。

本文提出了自適應(yīng)的ROHC優(yōu)化算法(AOPT)，根據(jù)無(wú)線信道狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整樂(lè)觀參數(shù)N值的方法，原理如圖3所示。

圖3 5G系統(tǒng)自適應(yīng)ROHC原理Fig.3 Schematic of adaptive ROHC of 5G system

在提出的方法中，假設(shè)無(wú)線鏈路是穩(wěn)定的，為了改善O模式的性能，設(shè)樂(lè)觀參數(shù)N的初始值是2。用壓縮端分類器對(duì)IP包進(jìn)行分類后，結(jié)合當(dāng)前的調(diào)制方式，通過(guò)建立信噪比(Signal Noise Ratio,SNR)評(píng)價(jià)函數(shù)來(lái)衡量當(dāng)前信道狀態(tài)質(zhì)量的好壞，從而自適應(yīng)地調(diào)整樂(lè)觀參數(shù)N的大小，在壓縮率和魯棒性之間達(dá)到一種平衡。

(1) SNR評(píng)價(jià)函數(shù)

本文采用了文獻(xiàn)[13]提到的3種狀態(tài)來(lái)描述無(wú)線信道質(zhì)量，分別是差狀態(tài)、一般狀態(tài)和好狀態(tài)。通過(guò)SNR評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)其進(jìn)行衡量，SNR評(píng)價(jià)函數(shù)C為：

式中，SNR為當(dāng)前信道的信噪比；SNRmax為歷史信噪比最大值；SNRmin為歷史信噪比最小值。

當(dāng)C=1時(shí)，即信道處于好狀態(tài)，逐漸減小樂(lè)觀參數(shù)N的值，以提高信道的壓縮效率；當(dāng)0

(2) 自適應(yīng)樂(lè)觀參數(shù)調(diào)整

根據(jù)文獻(xiàn)[14]提出的，在樂(lè)觀參數(shù)N=8時(shí)，無(wú)線鏈路的所有丟包率幾乎不會(huì)發(fā)生報(bào)頭解壓縮失敗，因此，在提出的方法中，設(shè)置N的最大值Nmax=8。

在壓縮方與解壓縮方之間的無(wú)線信道上，壓縮方根據(jù)SNR評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)信道狀態(tài)質(zhì)量進(jìn)行判決，從而動(dòng)態(tài)調(diào)整O模式樂(lè)觀參數(shù)的取值，以實(shí)現(xiàn)壓縮率與魯棒性之間的平衡，具體操作流程如下：

① 將樂(lè)觀參數(shù)的初始值Ninit設(shè)置為2。

② 根據(jù)SNR計(jì)算C的值。

③ 若C=1，無(wú)線信道處于好狀態(tài)，則減小樂(lè)觀參數(shù)N到N/2，且不低于初始值Ninit。

④ 若0

N=Ninit+(Nmax-Ninit)×C。

⑤ 若C=0，則無(wú)線信道處于差狀態(tài)，增大樂(lè)觀參數(shù)N到最大值Nmax。

通過(guò)建立SNR評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)樂(lè)觀參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，能夠有效地提高算法的壓縮性能。當(dāng)信道狀態(tài)質(zhì)量處于差狀態(tài)時(shí)，增加樂(lè)觀參數(shù)的取值，保證接收方能夠接收到足夠的上下文，從而減少丟包造成的解壓縮失敗率，提高算法的魯棒性；當(dāng)信道狀態(tài)質(zhì)量處于好狀態(tài)時(shí)，相應(yīng)減少樂(lè)觀參數(shù)的取值，加快向高級(jí)狀態(tài)轉(zhuǎn)移，減少冗余報(bào)頭的發(fā)送，從而提高算法的壓縮效率。由此，不僅可以提高ROHC對(duì)丟包的魯棒性，還減少了不必要更新包的發(fā)送,以減少對(duì)壓縮效率的影響。

3 仿真結(jié)果分析

本文利用SNR反映無(wú)線信道狀態(tài)質(zhì)量，作為樂(lè)觀參數(shù)確定的依據(jù)，提出AOPT算法。為了驗(yàn)證AOPT算法的性能，使用OAI開源平臺(tái)對(duì)該方法進(jìn)行了仿真評(píng)估，并將其性能與IETF提出的靜態(tài)樂(lè)觀(Static Optimistic，SOPT)參數(shù)的ROHC算法進(jìn)行了比較。具體參數(shù)配置如表1所示。

表1 ROHC參數(shù)配置Tab.1 ROHC parameter configuration

數(shù)據(jù)包由包頭和凈荷部分組成，包頭靜態(tài)部分直接賦值，動(dòng)態(tài)部分根據(jù)變化規(guī)律賦值，凈荷部分由隨機(jī)生成的數(shù)據(jù)組成。將接收方解壓縮失敗率以及平均壓縮報(bào)頭長(zhǎng)度作為衡量算法性能的指標(biāo)，給出仿真結(jié)果。

考慮丟包率在10%～50%的情況下，進(jìn)行多次仿真實(shí)驗(yàn)，計(jì)算AOPT算法和SOPT算法在不同樂(lè)觀參數(shù)時(shí)的解壓縮失敗率，取解壓縮失敗率的平均值作為最后的結(jié)果，以保證其準(zhǔn)確性。仿真結(jié)果如圖4所示，2種算法的解壓縮失敗率隨著無(wú)線鏈路丟包率的增加均有著不同程度的增加，在丟包率小于30%時(shí)，AOPT算法解壓縮性能略低于SOPTN=4/8；在丟包率大于30%時(shí)，AOPT算法性能與SOPTN=4算法性能相近，遠(yuǎn)優(yōu)于SOPTN=2，甚至在丟包率大于40%時(shí)，AOPT算法比SOPTN=4具有更低的解壓失敗率。在SOPTN=8時(shí)，解壓縮失敗率趨近于零，但是，圖5的仿真結(jié)果表明，樂(lè)觀參數(shù)N的值越高，平均壓縮報(bào)頭長(zhǎng)度越大，壓縮效率越低。SOPTN=8時(shí)的平均壓縮報(bào)頭長(zhǎng)度最大，壓縮效率遠(yuǎn)低于AOPT算法。SOPTN=4時(shí)，平均壓縮報(bào)頭長(zhǎng)度大于AOPT算法的平均壓縮報(bào)頭長(zhǎng)度，而SOPTN=2時(shí)，平均壓縮報(bào)頭長(zhǎng)度略低于AOPT算法的平均壓縮報(bào)頭長(zhǎng)度。

圖4 不同丟包率下的解壓縮失敗率Fig.4 Decompression failure rate under different packet loss rates

圖5 不同丟包率下的平均壓縮報(bào)頭長(zhǎng)度Fig.5 Average compressed header length under different packet loss rates

將圖4和圖5進(jìn)行對(duì)比分析表明，AOPT算法在較高丟包率的情況下，不僅能夠獲得較低的解壓失敗率，也能極大程度上保證系統(tǒng)的壓縮效率。這是因?yàn)椋谛诺罓顟B(tài)差的情況下，為保證接收端獲得足夠的上下文，AOPT算法將增加樂(lè)觀參數(shù)N的取值，導(dǎo)致平均壓縮報(bào)頭長(zhǎng)度增加，但是當(dāng)無(wú)線信道狀態(tài)好時(shí)，AOPT算法將降低樂(lè)觀參數(shù)N，更快地向高級(jí)狀態(tài)轉(zhuǎn)移，相對(duì)增加了更高壓縮狀態(tài)數(shù)據(jù)包的發(fā)送，從而減少了報(bào)頭壓縮長(zhǎng)度。綜上所述，AOPT算法根據(jù)信道狀態(tài)質(zhì)量動(dòng)態(tài)調(diào)整樂(lè)觀參數(shù)，能夠保證系統(tǒng)在低解壓縮失敗率的同時(shí)具有較高的壓縮效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了有效提高5G通信系統(tǒng)無(wú)線信道帶寬資源的利用率，在5G系統(tǒng)ROHC協(xié)議O模式的基礎(chǔ)上，提出了一種根據(jù)信道狀態(tài)質(zhì)量動(dòng)態(tài)改變樂(lè)觀參數(shù)值的優(yōu)化算法。在無(wú)線鏈路上，本文比較了優(yōu)化算法與固定樂(lè)觀參數(shù)值算法在不同丟包率下的解壓縮失敗率與平均壓縮報(bào)頭長(zhǎng)度，仿真結(jié)果表明，提出的優(yōu)化算法在降低無(wú)線鏈路各種丟包率下的解壓縮失敗率的同時(shí)，具有較高的壓縮效率，從而提高了ROHC O模式對(duì)丟包的魯棒性，進(jìn)而提高5G通信系統(tǒng)的無(wú)線信道帶寬資源的利用率。后續(xù)將研究壓縮機(jī)制的重建，以進(jìn)一步降低報(bào)頭長(zhǎng)度，提高壓縮率。