劉光敬，程立杰，施 濤

(重慶市信息通信咨詢設(shè)計院有限公司，重慶 400041)

0 引言

隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，5G時代已經(jīng)到來，5G系統(tǒng)具有比以往無線系統(tǒng)更高的數(shù)據(jù)速率和帶寬，以應(yīng)對5G中三大主要的應(yīng)用場景[1]。IP是一種常用的數(shù)據(jù)傳輸方式，未來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等報頭過長，IP協(xié)議的報頭開銷過大，為了在無線鏈路中更有效地利用有限帶寬，需要對無線分組進(jìn)行壓縮處理?，F(xiàn)有的報頭壓縮機(jī)制有CRTP，IPHC，VJHC和魯棒性報頭壓縮(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，它對無線鏈路具有很強(qiáng)的容錯能力。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報頭壓縮。ROHC有3種模式，仿真結(jié)果表明，ROHC雙向樂觀(O)模式的壓縮效率和對丟包的魯棒性最好[6]。文獻(xiàn)[6]通過考察影響ROHC O模式性能的樂觀參數(shù)，證實了樂觀參數(shù)在壓縮效率和對丟包的魯棒性之間起到了均衡作用。本文對ROHC中的O模式進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種動態(tài)調(diào)整樂觀參數(shù)的方法，該方法會同時影響壓縮效率和魯棒性，提高ROHC O模式的性能。經(jīng)過仿真測試證明，本文提出的方法具有較高的壓縮效率，且降低了無線鏈路各種丟包率下的解壓失敗率，提高了ROHC O模式對丟包的魯棒性，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線鏈路。

1 ROHC協(xié)議

1.1 ROHC基本壓縮原理

無線通信中，數(shù)據(jù)流經(jīng)過RTP/UDP/IP協(xié)議棧處理后，增加了多個不同含義的域，主要可劃分為靜態(tài)域、動態(tài)域及推測域。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，靜態(tài)域攜帶的信息變化小或者保持不變，動態(tài)域信息按照一定規(guī)則變化，推測域的字段可由其他字段進(jìn)行計算得到[7]。對數(shù)據(jù)進(jìn)行分組傳輸時，每一個分組會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，將增加報頭開銷，降低了信道利用率。因此，ROHC協(xié)議利用IP報頭的冗余特性，僅在必要時刻傳輸全部信息，后續(xù)發(fā)送分組流時只傳送報頭中發(fā)生變化的有效信息域，以減少傳輸?shù)膱箢^長度，從而提高無線信道帶寬資源利用率[8]。

當(dāng)發(fā)送第一個分組流時，壓縮方按照相應(yīng)的字段信息將完整的信息存儲在上下文中，并對不同的數(shù)據(jù)流配置上下文標(biāo)識符(Context Identification，CID)，以唯一標(biāo)識此數(shù)據(jù)流，最后發(fā)送包含全部必要信息的分組流，實現(xiàn)壓縮初始化流程[9-10]。解壓縮方收到第一個分組流后，建立上下文，實現(xiàn)解壓縮的初始化流程。在后續(xù)分組發(fā)送的過程中，壓縮方以上下文作為參考，只發(fā)送報頭中產(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(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，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)送完整的報頭信息包，其中包含所有未壓縮格式的動態(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)的解壓過程中能夠正確解壓數(shù)據(jù)包，或者在解壓失敗時，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，或者收到來自解壓縮方的ACK反饋信息時，按照不同的工作模式，向更高級的狀態(tài)轉(zhuǎn)移[12]。

相比于IR狀態(tài)傳輸報頭的完整信息，在一級壓縮(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報頭中的動態(tài)信息域部分。FO狀態(tài)作為IR和二級壓縮(Second Order，SO)狀態(tài)的過渡狀態(tài)，能夠有效地傳輸動態(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，解壓縮方已獲得足夠的靜態(tài)信息并掌握動態(tài)信息變化規(guī)律，IP報頭中的靜態(tài)字段和動態(tài)字段都被壓縮，壓縮方只需要發(fā)送動態(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

在無上下文(No Context，NC)狀態(tài)時，解壓縮方?jīng)]有報頭信息，接收IR數(shù)據(jù)包，當(dāng)IR數(shù)據(jù)包成功解壓時，解壓縮方建立上下文，并向更高級狀態(tài)躍遷。靜態(tài)上下文(Static Context，SC)狀態(tài)時，解壓縮方根據(jù)包含完整動態(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)是最高級的壓縮狀態(tài)，此時完整的上下文已經(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率的樂觀逼近原則[17-18]。

雙向可靠模式(Reliable Mode，R-Mode)通過保證魯棒性來降低丟包率和錯誤率，只有收到解壓縮方的反饋時，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，壓縮端向高級狀態(tài)進(jìn)行躍遷;當(dāng)收到負(fù)反饋時，向低級狀態(tài)進(jìn)行躍遷。

雙向樂觀模式(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模式采用樂觀逼近原則，壓縮方發(fā)送N個數(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)將向更高級解壓狀態(tài)躍遷，當(dāng)接收到解壓縮方的負(fù)反饋時，表示解壓錯誤，需要發(fā)送信息量更多的壓縮包更新上下文，此時壓縮方向低級狀態(tài)躍遷。相比于U模式的無反饋，O模式可以接收反饋信息，極大地提高了傳輸?shù)目煽啃?，且相比于R模式，O模式只在收到解壓縮方反饋時才進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移，有著更高的傳輸速率。

2 一種樂觀參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整方法

ROHC工作在O模式時，壓縮方發(fā)送連續(xù)N個更新包后，假設(shè)解壓縮方至少收到其中一個更新包，并且獲得轉(zhuǎn)換到更高壓縮狀態(tài)的置信度。無線信道并非一直都是穩(wěn)定的，有時會經(jīng)歷傳播損耗或衰落，所以可能會出現(xiàn)一段時間的連續(xù)丟包。包丟失可能包括無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)送的更新包個數(shù)N過小，可能會增加由丟包導(dǎo)致的報頭解壓縮失敗。另一方面，如果更新包個數(shù)N過大，就會導(dǎo)致壓縮效率降低，因此，選擇一個合適的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)無線信道狀態(tài)動態(tài)調(diào)整樂觀參數(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)無線鏈路是穩(wěn)定的，為了改善O模式的性能，設(shè)樂觀參數(shù)N的初始值是2。用壓縮端分類器對IP包進(jìn)行分類后，結(jié)合當(dāng)前的調(diào)制方式，通過建立信噪比(Signal Noise Ratio,SNR)評價函數(shù)來衡量當(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評價函數(shù)

本文采用了文獻(xiàn)[13]提到的3種狀態(tài)來描述無線信道質(zhì)量，分別是差狀態(tài)、一般狀態(tài)和好狀態(tài)。通過SNR評價函數(shù)對其進(jìn)行衡量，SNR評價函數(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，即信道處于好狀態(tài)，逐漸減小樂觀參數(shù)N的值，以提高信道的壓縮效率；當(dāng)0

(2) 自適應(yīng)樂觀參數(shù)調(diào)整

根據(jù)文獻(xiàn)[14]提出的，在樂觀參數(shù)N=8時，無線鏈路的所有丟包率幾乎不會發(fā)生報頭解壓縮失敗，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線信道上，壓縮方根據(jù)SNR評價函數(shù)對信道狀態(tài)質(zhì)量進(jìn)行判決，從而動態(tài)調(diào)整O模式樂觀參數(shù)的取值，以實現(xiàn)壓縮率與魯棒性之間的平衡，具體操作流程如下：

① 將樂觀參數(shù)的初始值Ninit設(shè)置為2。

② 根據(jù)SNR計算C的值。

③ 若C=1，無線信道處于好狀態(tài)，則減小樂觀參數(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，則無線信道處于差狀態(tài)，增大樂觀參數(shù)N到最大值Nmax。

通過建立SNR評價函數(shù)對樂觀參數(shù)的動態(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，增加樂觀參數(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，相應(yīng)減少樂觀參數(shù)的取值，加快向高級狀態(tài)轉(zhuǎn)移，減少冗余報頭的發(fā)送，從而提高算法的壓縮效率。由此，不僅可以提高ROHC對丟包的魯棒性，還減少了不必要更新包的發(fā)送,以減少對壓縮效率的影響。

3 仿真結(jié)果分析

本文利用SNR反映無線信道狀態(tài)質(zhì)量，作為樂觀參數(shù)確定的依據(jù)，提出AOPT算法。為了驗證AOPT算法的性能，使用OAI開源平臺對該方法進(jìn)行了仿真評估，并將其性能與IETF提出的靜態(tài)樂觀(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頭長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)行多次仿真實驗，計算AOPT算法和SOPT算法在不同樂觀參數(shù)時的解壓縮失敗率，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，AOPT算法解壓縮性能略低于SOPTN=4/8；在丟包率大于30%時，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，AOPT算法比SOPTN=4具有更低的解壓失敗率。在SOPTN=8時，解壓縮失敗率趨近于零，但是，圖5的仿真結(jié)果表明，樂觀參數(shù)N的值越高，平均壓縮報頭長度越大，壓縮效率越低。SOPTN=8時的平均壓縮報頭長度最大，壓縮效率遠(yuǎn)低于AOPT算法。SOPTN=4時，平均壓縮報頭長度大于AOPT算法的平均壓縮報頭長度，而SOPTN=2時，平均壓縮報頭長度略低于AOPT算法的平均壓縮報頭長度。

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頭長度Fig.5 Average compressed header length under different packet loss rates

將圖4和圖5進(jìn)行對比分析表明，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。這是因為，在信道狀態(tài)差的情況下，為保證接收端獲得足夠的上下文，AOPT算法將增加樂觀參數(shù)N的取值，導(dǎo)致平均壓縮報頭長度增加，但是當(dāng)無線信道狀態(tài)好時，AOPT算法將降低樂觀參數(shù)N，更快地向高級狀態(tài)轉(zhuǎn)移，相對增加了更高壓縮狀態(tài)數(shù)據(jù)包的發(fā)送，從而減少了報頭壓縮長度。綜上所述，AOPT算法根據(jù)信道狀態(tài)質(zhì)量動態(tài)調(diào)整樂觀參數(shù)，能夠保證系統(tǒng)在低解壓縮失敗率的同時具有較高的壓縮效率。

4 結(jié)束語

為了有效提高5G通信系統(tǒng)無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)量動態(tài)改變樂觀參數(shù)值的優(yōu)化算法。在無線鏈路上，本文比較了優(yōu)化算法與固定樂觀參數(shù)值算法在不同丟包率下的解壓縮失敗率與平均壓縮報頭長度，仿真結(jié)果表明，提出的優(yōu)化算法在降低無線鏈路各種丟包率下的解壓縮失敗率的同時，具有較高的壓縮效率，從而提高了ROHC O模式對丟包的魯棒性，進(jìn)而提高5G通信系統(tǒng)的無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)一步降低報頭長度，提高壓縮率。