無線網(wǎng)絡(luò)中ROHC壓縮算法研究

邱宏燕+楊燦+張大明

【摘 要】為了提高無線網(wǎng)絡(luò)的報頭壓縮效率及壓縮魯棒性，針對無線網(wǎng)絡(luò)存在多種窄帶傳輸鏈路且傳輸速率較低、誤碼率較高、節(jié)點移動頻繁等特征，介紹了ROHC報頭壓縮算法，研究了基于無線信道估計與上層業(yè)務(wù)需求、節(jié)點移動和多播三種情況下壓縮算法優(yōu)化改進思路，并通過仿真測試對比和分析，驗證了無線節(jié)點移動情況下ROHC改進算法的可行性。

【關(guān)鍵詞】魯棒性報頭壓縮協(xié)議 自適應(yīng)報頭壓縮 多播傳輸系統(tǒng)

1 引言

隨著無線網(wǎng)絡(luò)和IP技術(shù)的發(fā)展及融合，未來通信系統(tǒng)向全IP網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展，因此IP協(xié)議將成為下一代無線網(wǎng)絡(luò)的核心承載技術(shù)。在無線網(wǎng)絡(luò)中，存在短波、衛(wèi)星、VHF、UHF等多種窄帶無線傳輸手段，鏈路傳輸速率較低，誤碼率較高，而IPv4（20字節(jié)）、IPv6（40字節(jié)）等報頭較長，為了有效提高有限的無線帶寬資源，需對無線分組報頭進行壓縮。

目前應(yīng)用于IPv4/IPv6等報頭的壓縮協(xié)議主要有VJHC、IPHC、CRTP、ROHC等，前三類壓縮協(xié)議都是采用差分編碼，而且簡單修復(fù)機制，壓縮效率容易受到丟包影響，在誤碼率較高的鏈路上反而會降低傳輸效率?；谶@些原因，為了能在無線鏈路上獲得較高的壓縮率和較好的抗差錯魯棒性，IETF工作組于2001年提出了魯棒性報頭壓縮協(xié)議（ROHC，Robust Header Compression）。在2007年、2008年、2013年相繼對ROHC進行修正或補充。ROHC適用于誤碼率高、往返時間較長的無線鏈路，可對RTP/UDP/IPv4/IPv6、UDP/IPv4/IPv6、TCP/IPv4/IPv6等多種報頭進行壓縮。

2 無線網(wǎng)絡(luò)中ROHC壓縮總體設(shè)計

2.1 ROHC壓縮算法總體架構(gòu)

ROHC作為一種單跳點到點壓縮協(xié)議，在無線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用如圖1所示。主要針對其窄帶傳輸通道，利用ROHC壓縮協(xié)議將上層報頭（RTP/UDP/IPv4/IPv6、TCP/IPv4/IPv6）進行有效壓縮，從而減小報頭占用鏈路帶寬，提升有效載荷傳輸能力和服務(wù)質(zhì)量。

ROHC壓縮算法總體框架如圖2所示，由ROHC壓縮和解壓兩個模塊構(gòu)成，主要包括以下八個部分：

（1）根據(jù)報頭確定簡檔類型ID：PID（如RTP PID為0x0101）；

（2）根據(jù)分組流確定上下文CID；

（3）ROHC工作模式：U、O、R模式；

（4）ROHC壓縮器工作狀態(tài)：IR、FO、SO三個狀態(tài)；

（5）ROHC解壓器工作狀態(tài)：NC、SC和FC三個狀態(tài)；

（6）IP、UDP、TCP等各報頭域分類；

（7）ROHC壓縮分組類型：IR、IR-DYN、UOR-2等14類；

（8）W-LSB編解碼和CRC校驗。

2.2 ROHC壓縮算法思路

（1）報頭域的分類

大多數(shù)連續(xù)報文的報頭域并不是隨機變化的，許多域在大部分時間內(nèi)是靜態(tài)不變的，即使有變化的域也是可以預(yù)測或和其他域相關(guān)的。這就使得報頭壓縮是可實現(xiàn)的。當設(shè)計一個壓縮算法之前，必須了解每個域的行為和細節(jié)。在基本的分類中，報頭域分為可推算域、靜態(tài)域、靜態(tài)定義域、靜態(tài)可知域和動態(tài)域?？赏茢嘤虬挠蛑悼梢詮钠渌虻挠蛑抵型茢喑鰜?，這些字段域在所有的壓縮方案中是不傳送的，如IPv6報頭中數(shù)據(jù)長度、TCP報頭中數(shù)據(jù)偏移字段。靜態(tài)域在數(shù)據(jù)流的整個生命周期內(nèi)都是固定值，只在初始化時傳輸一次即可，如IP報頭中的版本號等。靜態(tài)定義域?qū)儆陟o態(tài)域中的一種，該類型的字段域用來區(qū)分不同的數(shù)據(jù)流，在整個數(shù)據(jù)流發(fā)送期間保持不變，如IPv6報頭中的流標記、源IP地址、目的IP地址等。靜態(tài)已知域的字段域是可知的，所以不需要傳送。動態(tài)域的字段域值是改變的，或隨機改變或有規(guī)律地改變，如TCP報頭中的SN字段是有規(guī)律的，但TCP校驗和是無規(guī)律的。

（2）分流器和上下文

在一個包流的生命周期內(nèi)，無線鏈路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包之間并不是各自獨立的，而是具有某些相同的參數(shù)，比如相同的IP版本、源地址和目的地址等。封裝后的數(shù)據(jù)包在經(jīng)過分流器后按照一定的匹配原則分成不同的組，比如音頻流的數(shù)據(jù)包和視頻流的數(shù)據(jù)包。同一個組的包流共享相同的靜態(tài)定義域。

當數(shù)據(jù)流經(jīng)過分流器時，壓縮器首先進行歸類，然后讀取靜態(tài)定義域來區(qū)分不同的流，如表1所示，最后生成上下文并根據(jù)當前的信道狀態(tài)信息分配上下文標識符。不同的包流對應(yīng)著不同的壓縮規(guī)則。同一個流在報頭壓縮器和解壓器中維持一個相同的上下文，上下文由分流器分配的上下文標識符來識別。

（3）ROHC報文類型

ROHC方案中規(guī)定了兩種報文類型：一種是壓縮報頭類型；一種是反饋報文類型。壓縮報頭類型包括初始化類型（IR-header）、FO動態(tài)域類型（FO-DYN）和基于具體協(xié)議族的M-header壓縮報文。

IR-header：用來初始化上下文，傳輸?shù)氖巧舷挛闹械撵o態(tài)信息，有時也傳輸部分動態(tài)信息，如IR或IR-DYN報文。

FO-DYN：一般傳輸上下文中的動態(tài)信息，從不傳輸已經(jīng)初始化過的信息。

M-header：不同的協(xié)議族傳輸?shù)腎R-header和FO-DYN格式基本一樣。但M-header壓縮報文格式由于不同協(xié)議族壓縮策略不一樣，具體格式有所區(qū)別。如RTP/UDP/IP壓縮報頭可以分為三種類型：報文類型0（UO_0）、報文類型1（UO_1_ID、UO_1_TS、UO_1_RTP）、報文類型2（UOR_2、UOR_2_ID、UOR_2_TS、UOR_2_RTP）。

反饋報文類型包括Feedback1、Feedback2兩種類型。其中Feedback2包含ACK、NACK、STATIC-NACK三種類型。ACK表示正反饋，用于上下文正確更新的反饋；NACK表示負反饋，用于上下文沒有正確更新的反饋；STATIC-NACK用于靜態(tài)上下文沒有正確更新的反饋。Feedback1只用于傳輸ACK反饋報文。

（4）ROHC狀態(tài)機和工作模式

ROHC定義了三種工作模式：單向模式（Unidirectional，U-Mode）、雙向樂觀模式（Bidirectional Optimistic，O-Mode）、雙向可靠模式（Bidirectional Reliable，R-Mode）。每種模式下都有不同的壓縮狀態(tài)和解壓狀態(tài)，不同的工作模式對應(yīng)的壓縮/解壓縮狀態(tài)轉(zhuǎn)移方式也不同。

ROHC壓縮器有三種壓縮狀態(tài)，每一種都是不同程度的壓縮，分別為：IR狀態(tài)（Initialization and Refresh）、FO狀態(tài)（First Order）和SO狀態(tài)（Second Order），這三種壓縮狀態(tài)級別依次升高，壓縮器總是從最低壓縮狀態(tài)IR狀態(tài)開始工作，然后根據(jù)轉(zhuǎn)移條件或解壓器反饋情況依次向高壓縮狀態(tài)（FO或SO）轉(zhuǎn)移。ROHC解壓器也有三種狀態(tài)：無上下文狀態(tài)（No Context，NC）、靜態(tài)上下文狀態(tài)（Static Context，SC）、全上下文狀態(tài)（Full Context，F(xiàn)C）。

（5）ROHC編碼算法

最低有效位（LSB，Least Significant Bit）和基于滑動窗口最低有效位（W-LSB，Windows-Least Significant Bit）編碼算法是ROHC協(xié)議中非常重要的壓縮算法，貫穿于ROHC算法的整個壓縮和解壓過程。LSB方法雖然簡單，但每個信頭的解壓需要上一個信頭的正確接收。這種方法不適合于無線鏈路，因為單個分組丟失時，用于下個分組解壓的上下文無效，導(dǎo)致丟棄壓縮/解壓縮上下文同步，于是下一個分組不能正確解壓而被丟棄?；贚SB算法存在的問題，為了提高算法可靠性，提出了W-LSB編碼算法，該算法使用含有多個參考值的滑動窗口，傳輸過程中即使某個參考值丟失，解壓器只要接收到其它參考值中的任意一個，就可以正確解壓LSB編碼的值。

3 無線網(wǎng)絡(luò)中ROHC壓縮算法改進

3.1 基于ROHC的自適應(yīng)報頭壓縮

在無線網(wǎng)絡(luò)中，任意兩節(jié)點間的信道條件隨著地形環(huán)境、干擾情況而變化，同時不同的業(yè)務(wù)需求也不同，有的業(yè)務(wù)對實時性要求很高，有的必須保障可靠傳輸?shù)鹊?，基于這些因素，不能簡單地將具有相同參數(shù)配置的ROHC算法應(yīng)用到無線網(wǎng)絡(luò)中的任何一個節(jié)點中。為此，提出了一種結(jié)合無線信道估計、業(yè)務(wù)需求的基于ROHC的自適應(yīng)報頭壓縮框架，即根據(jù)無線信道狀態(tài)進行信道估計并自適應(yīng)調(diào)整W-LSB算法中SWW滑動窗口大小、壓縮器和解壓器的工作模式以及狀態(tài)轉(zhuǎn)移。當上層業(yè)務(wù)需求改變時，工作模式的選擇由壓縮器控制，具體如圖3所示。

3.2 無線節(jié)點移動情況下ROHC改進

在無線網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點移動頻繁且兩個無線節(jié)點間存在多條鏈路，如圖4所示，如果直接采用表1的分流器匹配類型對分組流（即按照業(yè)務(wù)目的地址和源地址）進行分類，則當某業(yè)務(wù)源和目的節(jié)點間節(jié)點移動或者發(fā)送鏈路斷開時，中間節(jié)點解壓器上下文將失去同步，而從導(dǎo)致頻繁發(fā)送反饋信息占用信道帶寬?；诖饲闆r，通過將表1中的分流器匹配類型增加一個匹配條件即下一跳ID來解決該問題，即根據(jù)業(yè)務(wù)目的地址、源地址、業(yè)務(wù)下一跳ID對數(shù)據(jù)進行分流。通過搭建實際測試平臺驗證了此改進思路的可行性。

3.3 無線網(wǎng)絡(luò)多播環(huán)境下ROHC改進

在無線網(wǎng)絡(luò)多播環(huán)境中，如果采用ROHC算法設(shè)計思路，一旦某一個解壓方解壓失敗，就會導(dǎo)致壓縮方返回到低狀態(tài)上。此時壓縮方的狀態(tài)轉(zhuǎn)移邏輯如圖5所示。

從圖5可以看出，在無線網(wǎng)絡(luò)多播環(huán)境下，如果按照ROHC壓縮方狀態(tài)轉(zhuǎn)移思路，不管是已連接用戶上下文不同步還是新用戶加入多播系統(tǒng)，都會造成壓縮方向較低狀態(tài)轉(zhuǎn)移[10]，從而導(dǎo)致整個系統(tǒng)的壓縮效率降低。

為了解決無線網(wǎng)絡(luò)多播環(huán)境所面臨的這個問題，結(jié)合參考文獻[10]中的思路，提出了一種基于組播鄰居數(shù)的壓縮方周期性發(fā)刷新報文的機制，以完善整個多播系統(tǒng)上下文更新方案，并進一步提升壓縮效率。如圖6所示，組播源節(jié)點S，節(jié)點D、E、F、G為同一個組播組，在S、A節(jié)點（組播鄰居數(shù)為1）還是按照通用ROHC方式發(fā)送壓縮報文，到B節(jié)點（組播鄰居數(shù)大于1）以后，就按照這一方案，壓縮方在不改變壓縮狀態(tài)的情況下，通過周期性地發(fā)送完整報頭來完成多播系統(tǒng)的壓縮上下文同步。這樣一來，解壓失敗的單個解壓方和新加入組播系統(tǒng)的成員在無法正常解壓的情況下都無需向壓縮方主動發(fā)送失敗反饋，而只需等待至多一個刷新周期就能獲取到最新的報頭上下文，從而成功解壓后續(xù)報文。同時，組播鄰居數(shù)為1的用戶還是按照ROHC原先壓縮思路進行工作，不需周期性發(fā)送刷新報文，只有當收到解壓失敗反饋信息時才調(diào)整壓縮器到低狀態(tài)。具體說來，壓縮方按照通用ROHC方式進入FO狀態(tài)再進入SO狀態(tài)。之后除非壓縮方接收到的待壓縮數(shù)據(jù)包的報頭信息出現(xiàn)不規(guī)律變化，否則壓縮方就一直處在SO狀態(tài)。同時，壓縮方還需要設(shè)置一個定時器IR_TIMEOUT，每次超時之后，發(fā)送三個IR數(shù)據(jù)包，用來為新加入的接收方初始化壓縮上下文，也可以作為已經(jīng)加入多播系統(tǒng)的其他接收方檢查上下文是否同步的依據(jù)。同時，這三個IR數(shù)據(jù)包的原始待壓縮數(shù)據(jù)還是按照正常壓縮流程進行相應(yīng)狀態(tài)下的壓縮并發(fā)送，以保證正在傳輸數(shù)據(jù)的鏈路的信息連續(xù)性。改進后的壓縮方狀態(tài)轉(zhuǎn)移流程如圖7所示。

4 仿真結(jié)果與分析

下面以無線節(jié)點移動情況下ROHC算法改進為例，對改進前和改進后的ROHC壓縮性能進行評估（仿真測試場景如圖4所示），其中測試條件、測試業(yè)務(wù)和評估指標如下所示。

（1）測試條件

ROHC采用O工作模式，部分參數(shù)設(shè)置如下：

1）SWW滑動窗口值：C_WINDOW_WIDTH為4；

2）從IR轉(zhuǎn)移到FO狀態(tài)的n1為：#define MAX_IR_COUNT 3；

3）從FO轉(zhuǎn)移到SO狀態(tài)的n2為：#define MAX_FO_COUNT 3；

4）從FO返回到IR的timeout1：#define CHANGE_TO_IR_COUNT 1200；

5）從SO返回到FO的timeout2：#define CHANGE_TO_FO_COUNT 500；

6）解壓器反饋模式參數(shù)設(shè)置：成功解壓一個報文就反饋ACK，3個報文解壓失敗就發(fā)送NACK。

（2）測試業(yè)務(wù)

測試業(yè)務(wù)大小為68字節(jié)報文，其中報頭48字節(jié)（40字節(jié)IPv6報頭+8字節(jié)UDP報頭）；業(yè)務(wù)負載為20字節(jié)的分組話數(shù)據(jù)（假定為分組話，編碼為G.729，編碼速率為8 kbps）。

（3）評估指標

1）平均壓縮報頭長度ACL（Average Compressed header Length）：為成功解壓前的報頭總長度/成功解壓的分組數(shù)；

2）報頭壓縮增益HG（Header Gain）：為1-報頭壓縮長度/未壓縮的報頭長度；

3）分組丟棄百分率RLR（ROHC Lost Rate）：為丟失的分組/總發(fā)送的分組個數(shù)。

假定發(fā)送5個分組報文后，圖4中的節(jié)點A移動出節(jié)點S的無線覆蓋范圍，仿真測試對比ROHC算法和改進后的ROHC壓縮性能，仿真測試結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，改進后的ROHC算法在平均壓縮報文長度、報文壓縮增益和分組丟棄百分率方面優(yōu)于改進前的ROHC算法。

5 結(jié)論

本文針對無線網(wǎng)絡(luò)特征，結(jié)合ROHC報頭壓縮算法，提出的基于無線信道估計與上層業(yè)務(wù)需求、節(jié)點移動和多播三種情況下算法優(yōu)化改進思路，同時通過仿真測試對比和分析，驗證了無線節(jié)點移動情況下ROHC改進算法的可行性，為提高無線網(wǎng)絡(luò)的報頭壓縮效率、壓縮魯棒性提供了技術(shù)解決方案，改進算法適合Ad hoc網(wǎng)絡(luò)、PMP、民用移動通信3G/4G等所有無線網(wǎng)絡(luò)。

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