【資料名稱】：TCP Performance over UMTS-HSDPA Systems

【資料作者】：Mohamad Assaad,Djamal Zeghlache (Author)

【資料日期】：1 edition (July 20, 2006)

【資料語言】：中文

【資料格式】：DOC

【資料目錄和簡介】：

TCP Performance over UMTS-HSDPA Systems

Editorial Reviews
Product Description
The evolution of the mobile communication market is causing a major increase in data traffic demands. This could lead to disrupted mobility and intermittent degraded channel conditions that contribute to poor transmission control protocol (TCP) performance. TCP Performance over UMTS-HSDPA Systems presents a comprehensive study of the effect of TCP on achieved application bit rate performance and system capacity, and shows how to reduce the interaction of wireless networks on TCP with minimal cost.

With self-contained chapters, the book consists of two main sections. The first several chapters provide background and describe the state of the art for wireless networks, emphasizing one of the third-generation (3G) wireless technologies: the universal mobile telecommunications system (UMTS). These chapters also include an analysis of the overall cell capacity for UMTS Release 99 and high-speed downlink packet access (HSDPA) systems. The second section focuses on the interaction of TCP with wireless systems, presenting an exhaustive list of TCP versions and link layer solutions that adapt TCP (often modifying the original TCP) to a wireless network. This section also displays mathematical modeling of the interaction of hybrid automatic repeat request (HARQ) and TCP in UMTS networks.

While offering information for advanced undergraduate students who are unfamiliar with code division multiple access (CDMA) wireless systems as well as UMTS and HSDPA cellular systems, the book also provides extensive coverage of TCP over wireless systems problems and solutions for researchers, developers, and graduate students.

Product Details
Hardcover: 211 pages
Publisher: AUERBACH; 1 edition (July 20, 2006)
Language: English
ISBN-10: 0849368383
ISBN-13: 978-0849368387
Product Dimensions: 9.3 x 6.3 x 0.7 inches
Contents
The Authors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
1 Wireless Radio Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Large-Scale Fading Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.1 Path Loss Models for UMTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.1.1 Path Loss Model for Indoor
Office Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.1.2 Path Loss Model for Urban and
Suburban Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.1.3 Path Loss Model for Outdoor to Indoor and
Pedestrian Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2 Small-Scale Fading Characterization and Channel Model . . . . . . . . 7
1.2.1 Statistics of the Received Signal Envelope . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.2 Characterization of the Radio Channel Response . . . . . . . . 10
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
2 CDMA in Cellular Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1 CDMA Principle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
2.2 Benefits of CDMA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
2.3 CDMA Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.1 Orthogonal Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.2 Scrambling Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.2.1 Scrambling Codes of UMTS Uplink Channels. . . .20
2.3.2.2 Scrambling Codes of UMTS
Downlink Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4 CDMA Receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24
vii
viii
Contents
3 Universal Mobile for Telecommunications System . . . . . . . . . . 25
3.1 UMTS Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1.1 Conversational Class Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1.2 Streaming Class Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.3 Interactive Class Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.1.4 Background Class Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.1.5 Quality of Service (QoS) Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2 General Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.1 User Equipment Domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.2 UTRAN Domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.3 Core Network Domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2.4 Interfaces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
3.2.4.1 Iu Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.4.2 Iur Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2.4.3 Iub Interface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37
3.3 UTRAN Protocol Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37
3.4 UMTS Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4.1 Logical Channels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
3.4.1.1 Logical Control Channels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
3.4.2 Transport Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4.3 Physical Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.4.3.1 Dedicated Physical Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.5 Physical Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.6 Medium Access Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.6.1 MAC Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.6.2 Protocol Data Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.7 Radio Link Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.7.1 Transparent Mode (TM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.7.2 Unacknowledged Mode (UM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.7.3 Acknowledged Mode (AM). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56
3.7.4 SDU Discard at the RLC Sender . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.7.4.1 Timer-Based Discard with Explicit Signaling . . . . 58
3.7.4.2 Timer-Based Discard without
Explicit Signaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.7.4.3 SDU Discard after MaxDAT Transmissions . . . . . . 59
3.7.4.4 No Discard after MaxDAT Transmissions . . . . . . . . 59
3.8 Packet Data Convergence Protocol (PDCP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.9 Broadcast/Multicast Control (BMC) and Multimedia
Broadcast/Multicast Service (MBMS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.10 Radio Resource Control (RRC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.11 Automatic Repeat Request Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.11.1 SW Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.11.2 Sliding Window Protocol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64
Contents
ix
3.12 Power Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.12.1 Open-Loop Power Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.12.2 Closed-Loop Power Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.13 Handover. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67
3.14 Modeling and Cell Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.14.1 Uplink Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.14.2 Downlink Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72
4 High-Speed Downlink Packet Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.1 HSDPA Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2 HSDPA Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.3 Channels Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.3.1 HS-DSCH Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.3.2 HS-SCCH Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.3.3 HS-DPCCH Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.3.4 Timing of HSDPA Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.4 MAC-hs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87
4.4.1 MAC Architecture at the UTRAN Side . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.4.2 MAC Architecture at the User Equipment Side . . . . . . . . . . 91
4.5 Fast Link Adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.6 Adaptive Modulation and Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.7 HARQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.7.1 HARQ Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.7.2 HARQ Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.7.3 HARQ Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.8 Packet Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.8.1 Scheduling Constraints and Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.8.2 Selected Scheduling Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.8.2.1 Round Robin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.8.2.2 Fair Throughput . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.8.2.3 Max C/I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.8.2.4 Proportional Fair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.9 HSDPA Modeling and Cell Throughput . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.9.1 HARQ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106
4.9.2 AMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.9.3 Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.9.3.1 Round Robin Scheduler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.9.3.2 Fair Throughput Scheduler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.9.3.3 Max C/I Scheduler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.9.3.4 Proportional Fair Scheduler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.9.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111
x
Contents
5 Applications and Transport Control Protocol . . . . . . . . . . . . . . 115
5.1 UDP Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.2 TCP Services. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116
5.2.1 World Wide Web . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.3 TCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.3.1 Connection Establishment and Termination . . . . . . . . . . . . 120
5.3.2 TCP Segmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.3.3 Flow Control and Sliding Window Mechanisms . . . . . . . . 124
5.3.4 Acknowledgment and Error Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.3.5 Congestion Control and Retransmission Mechanism . . . . 127
5.3.5.1 Slow Start . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.3.5.2 Congestion Avoidance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.3.5.3 Retransmission Timeout. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .128
5.3.5.4 Triple Duplicate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.4 TCP Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.4.1 Independent Packet Loss Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.4.2 Random Loss Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.4.3 Network Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.4.4 Control System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .135
6 TCP over Wireless Systems: Problems
and Enhancements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.1 Wireless Environment Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.1.1 Limited Bandwidth and Long RTT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.1.2 High Loss Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.1.3 Mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
6.1.4 Asymmetric Links Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
6.2 TCP Performance Enhancements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.2.1 Link-Layer Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.2.1.1 Snoop Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
6.2.1.2 Transport Unaware Link Improvement
Protocol (TULIP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.2.1.3 Delayed Duplicate Acknowledgments . . . . . . . . . 146
6.2.1.4 Scheduling over Reliable Shared Channel . . . . . . 147
6.2.1.5 Other Link-Layer Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
6.2.2 Split Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
6.2.2.1 Indirect-TCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
6.2.2.2 Mobile-TCP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .151
6.2.2.3 Mobile End Transport Protocol (METP) . . . . . . . . 152
6.2.3 End-to-End Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Contents
xi
6.2.3.1 TCP SACK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
6.2.3.2 Forward Acknowledgment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
6.2.3.3 SMART Retransmissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
6.2.3.4 Eiffel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
6.2.3.5 Explicit Congestion Notification . . . . . . . . . . . . . . . 155
6.2.3.6 Explicit Bad State Notification (EBSN) . . . . . . . . . 156
6.2.3.7 Explicit Loss Notification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
6.2.3.8 TCP over Wireless Using ICMP
Control Messages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
6.2.3.9 Noncongestion Packet Loss
Detection (NCPLD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
6.2.3.10 Explicit Transport Error Notification . . . . . . . . . . 159
6.2.3.11 Multiple Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
6.2.3.12 Negative Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.2.3.13 Freeze TCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.2.3.14 TCP Probing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .161
6.2.3.15 Wireless TCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
6.2.3.16 TCP Peach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6.2.3.17 TCP Vegas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164
6.2.3.18 TCP Santa Cruz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.2.3.19 TCP Westwood . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.2.3.20 TCP Veno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.2.3.21 TCP Jersey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.2.3.22 TCP Pacing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.2.3.23 TCP Real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.2.3.24 Ad Hoc TCP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169
7 TCP Performance over UMTS-HSDPA System . . . . . . . . . . . . . . . 177
7.1 TCP Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
7.2 General Architecture of TCP Connection
over UMTS-HSDPA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
7.3 Comparison among RLC, MAC-hs, and TCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
7.3.1 Reliability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
7.3.2 Flow Control and Sliding Window. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .184
7.3.3 Segmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
7.4 Modeling of TCP over UMTS-HSDPA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
7.4.1 Timeout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
7.4.1.1 Proposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
7.4.1.2 Proof . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
7.4.2 Slow Start . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
7.4.3 Recovery Time of the First Loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
xii
Contents
7.4.4 Steady-State Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
7.4.5 Effect of TCP on Wireless Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
7.5 Other Analyses of TCP over UMTS-HSDPA. . . . . . . . . . . . . . . . . . .193
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .195
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199