GPRS 仿真实现及其性能优化

1. GPRS仿真实现及其性能优化 求钦龙 2009年4月10日

2. 内容提要 • 相关背景 • GPRS • TCP • GPRS模型 • 在NS 2上的实现 • 优化算法的原理及其测试结果： • Window Pacing • Redundancy Elimination • Fast TCP • 总结

3. 相关背景 • GSM和GPRS网络 • 3G演变 • GPRS协议栈

4. GGSN SGSN PCU 相关背景（1） — GSM和GPRS网络

5. 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。

6. 相关背景（3） — GPRS协议栈 Um和Gb接口是我们GPRS模型实现的重点

7. GPRS模型

8. 在NS 2的实现

9. Um接口 • 无线资源的分配 • 无线资源的调度 • 无线资源的释放

10. TBF 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 TS CS Territory GPRS Territory Um接口（1）—无线资源的分配 • 接入控制（Admission Control） • 不建立TBF，直接告诉系统创建失败 • 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 • 考虑TBF的优先级，删除优先级低的TBF

11. Um接口（2）—无线资源的调度 Weighted Round Robin (WRR) 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

12. 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。

13. Gb接口 交互式的HTTP业务 信令，短消息等高优先级业务，不需要RED算法 优先级最低的FTP背景业务 WFQ：Weighted Fair Queue体现各类业务的不同权重

14. 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

15. Bursty Traffic Leak Buffer Regulated Flow Gb接口（2） — 流控 这个算法的主要目的是防止PCU（Packet Control Unit）的缓冲溢出。 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。

16. Gb接口（3） — WFQ

17. 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 。

18. 优化算法的原理及其测试结果 • Window Pacing • Redundancy Elimination • Fast TCP

19. Window Pacing原理

20. Window Pacing测试结果

21. Redundancy Elimination原理

22. Redundancy Elimination测试结果(1) 吞吐量比较图

23. Redundancy Elimination测试结果(2) 平均时延比较图

24. Redundancy Elimination测试结果(3) 丢包率比较图

25. Fast TCP原理

26. Fast TCP测试结果

27. 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。

28. 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。

29. 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.

30. 谢谢大家!