第 22 卷第 4 期 系 统 仿 真 学 报© Vol. 22 No. 4 2010 年 4 月 Journal of System Simulation Apr., 2010

• 962 •

一种HSPA+系统Iub流量控制策略研究 王姝杰 1，高永辉 2，方旭明 1

（1.西南交通大学信息编码与传输省重点实验室，成都 610031；2.北京大学信息科学与技术学院，北京 100871）

摘 要：HSPA+技术是3GPP R7协议引入的新特性，是WCDMA网络的进一步演进和增强。HSPA+系统是一个资源共享的系统，为提高系统无线资源的利用率和网络性能，同时解决网络负载接近饱

和时产生的Iub口（RNC与Node B之间的接口）拥塞问题，提出了一种基于过准入的Iub流量控制策

略。该策略主要分两个过程，首先在Iub口带宽资源一定的情况下通过过准入策略尽可能多的接入

用户，其次是通过拥塞解拥塞处理，及时控制用户第二协议层（L2）的数据速率，在获得用户面

吞吐率的稳定性的同时提高系统资源利用率。仿真结果表明，该流量控制策略能够有效的降低拥

塞、提高网络性能，并在一定程度上保证用户间的公平性及系统的稳定性。 关键词：HSPA+系统; 过准入策略; Iub流量控制; 系统性能 中图分类号： TN91; TN92 文献标识码：A 文章编号：1004-731X (2010) 04-0962-05

Iub Flow Control Scheme for HSPA+ System WANG Shu-jie1, GAO Yong-hui2, FANG Xu-ming1

(1. Provincial Key Lab of Information Coding & Transmission, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. School of Electronics Engineering and Computer Science, Peking University, Beijing 100871, China)

Abstract: HSPA+ is a new feature introduced in 3GPP Release 7, and it is the further enhancement and evolution of WCDMA network with higher peak traffic of user’s downlink transmission rate. HSPA+ system is a shared-resource system. In order to improve the utilization of wireless resource and network performance, and solve the problem of Iub congestion when the network approached to saturation, a second layer (L2) flow control strategy was proposed based on over admission strategy. The purpose of this strategy is to control the congestion and congestion recover immediately, control the traffic rate of L2 instantly, which can make the throughput of L2 fluctuate smoothly, and achieve stability of the throughput of the user’s plane. The stimulated results show that, the novel congestion control strategy can decrease congestion efficiently, enhance network performance, and guarantee the user’s fairness and the system’s stability on a certain extent. Key words: HSPA+ system; over admission strategy; Iub flow control; system performance

引 言1

HSPA+技术是 3GPP R7 协议引入的新特性，是

WCDMA 网络的进一步演进和增强。HSPA+技术能够有效

地利用系统资源，提高系统容量[1]。HSPA+作为 WCDMA

网络的增强和演进，在下行方向可达 28.8Mbps 的峰值速率，

在协议栈上增加了 MAC-ehs 实体。支持靠近物理层空口的

数据分割与串接，支持不同优先级队列同时映射到一个数据

块的 MAC-ehs PDU 中[2]。HSPA+还包含以下几种特性技术：

64QAM、MIMO (Multi Input Multi Output)、CPC (Continuous

Packet Connectivity)、L2 增强及增强 CELL-FACH 技术[3]。

L2 增强技术引入新的 MAC-ehs 实体，并支持可变的 RLC

PDU 大小，在不超过最大 RLC PDU 大小的情况下，RLC

不需要进行分段，因此提高了数据传输的效率。

由于 HSPA+中引入了各项特性技术后，使得 HSPA+支

收稿日期：2008-09-06 修回日期：2008-12-11 基金项目：国家自然科学基金（60772085） 作者简介：王姝杰(1982)，女，内蒙古，硕士，研究方向为无线网络流

量控制策略；高永辉(1972-)，男，河北人，博士生，研究方向为宽带无

线通信及信息处理；方旭明(1962-)，男，浙江人，教授，博导，博士，

研究方向为下一代无线网络的无线资源管理、移动 ad hoc 网络和无线

Mesh 网.

持更高的单用户下行峰值速率，在无线网络中，Iub 带宽资

源相对紧张，然而用户的准入又严格受到 Iub 带宽资源的制

约，因此为满足 HSPA+系统引入更高速率业务后对提高系

统容量的迫切需求，必须采取一种有效的 Iub 口流量控制机

制。目前，对于 Iub 口流量控制的研究相对较少，文献[4]

描述了 HSDPA 系统中，在 RNC 与 NodeB 之间进行流量控

制时对 HSDPA 系统性能的重大影响，并针对 Iub 口流量控

制对 HSDPA 系统性能的影响，提出了一种将调度算法与流

量控制算法相结合的机制，通过将两种机制结合来减小或者

抵消流量控制机制对 HSDPA 系统的影响。文献[5]提出的算

法是对文献[4]中提出的算法的增强，并进一步研究了流量控

制算法的参数选择及相关性能之间的折衷。文献[6]提出一种

在 HSDPA 系统中，在 RNC 和 NodeB 之间采用流量控制信

令的方案，并且在 TDD 模式的小区条件下进行仿真验证 Iub

流量控制的延时性能及与之密切相关的性能问题，该方案几

乎可以达到最小的延时，同时约束了在 NodeB 之间进行切

换时的丢包。文献[7]中提出一种有效的 Iub 流量控制策略，

通过设置和调整控制参数保证 MAC-hs 缓存中的数据不会

溢出，一定程度上限制数据包的时延，并且可以通过调整参

数达到不同时延的要求。文献[8]描述了一种在 HSDPA 系统

DOI:10.16182/j.cnki.joss.2010.04.034

第 22 卷第 4 期 Vol. 22 No. 4 2010年 4月 王姝杰, 等：一种HSPA+系统 Iub流量控制策略研究 Apr., 2010

• 963 •

中，RNC 与 NodeB 之间通过恒定比特率的虚拟信道连接情

况下的 RNC 内部流量控制机制。文献[9]中提出了一种在

UTRAN 传输网络中，当非实时业务承载在专用信道出现过

载时的控制策略。本文提出了一种新的流量控制策略，以解

决过量准入用户时引起的 Iub 口带宽资源受限、进而产生的

Iub 口丢包问题，同时保证业务间的公平性，有效降低拥塞

和提高网络性能，并在一定程度上保证系统的稳定性。

1 算法基本原理

在无线网络中，Iub 口带宽资源相对紧张，而在 R7 中

引入 HSPA+高速业务后，提高系统资源利用率的需求更加

迫切，因此必须合理地利用有限的 Iub 口带宽资源。而对于

大多数业务，Iub 口的数据传输并非是连续的，在没有数据

传输的时候，Iub 口带宽被浪费。因此，对于 Iub 口的带宽，

业务准入时可以只按照业务的保证速率准入，即在相同带宽

资源下，准入更多的用户进而提高 Iub 口带宽利用率，这种

策略称为过准入策略。由于采用这种策略需要满足在 Iub 口

带宽一定的情况下准入更多的用户，并且用户在准入时受到

Iub 口带宽资源的限制，因此对于用户来讲，此时 Iub 口带

宽资源是受限的。尤其在 HSPA+引入的高速业务后，高速

的峰值数据传输速率和较大的业务量使得采用上述策略时

必然会导致 Iub 口带宽资源受限的情况更加显著，进而产生

丢包，影响数据的正常传输。基于此，L2 必须提供一种有

效的流量控制策略，解决上述丢包问题，保证数据的正常传

输，同时提高 Iub 口的带宽利用率。

图 1 流量控制状态转换图

本文基于上述过准入策略提出一种 2 层流量控制策略，

该策略主要包含拥塞信号传递和拥塞信号处理两个过程，对

应于拥塞和解拥塞两个状态。当数传过程中收到拥塞指示信

号时，立即进入拥塞状态；当拥塞过程中收到解拥塞信号时，

立即进入解拥塞状态；当解拥塞过程中收到拥塞指示信号

时，再次进入拥塞状态；当解拥塞状态升速后业务速率达到

业务下行最大速率时，进行正常数传。图 1 为流量控制状态

转换图。

在 Iub 口设置不同的缓存队列，当用户接入后根据其业

务类型不同及不同优先级使其接入到不同的优先级队列。为

了进一步保证业务的 QoS 需求，对于实时业务采用不流控

的策略；对于非实时业务采用本文所提出的基于过准入策略

的流量控制策略。数传过程中，通过实时监测用户数据在缓

存队列中的缓存情况，及时向 L2 发出相应的流量控制信号，

以使得 L2 在较短的时间内响应其收到的流量控制信息。图

2 为流量控制原理图。

开始

发送拥塞

指示信号

拥塞检测

发生拥塞？

进行丢包？

丢包处理

L2降速处理

拥塞解除？发送解拥

塞信号

速率恢复

至最大？

Y

Y

Y

NY

N

N

N

L2升速处理

图 2 流量控制原理图

1.1 拥塞信号传递

针对 Iub 口设置的缓存队列，设置其相应的拥塞门限、

解拥塞门限和丢包门限，各个门限的设置以用户数据包在缓

存中的缓存时间为依据，以避免数据在 Iub 接口的缓存时间

过长，保证数据及时传输给 NodeB 侧的 MAC-ehs 实体。实

时监测数据在缓存队列中的缓存时间，并根据数据缓存的时

间是否超过拥塞门限、解拥塞门限和丢包门限来判断是否拥

塞、解拥塞和丢包。当数据在缓存队列的缓存时间高于拥塞

门限时判定进入拥塞状态，向 L2 发送拥塞指示信号；当数

据的在缓存队列中的缓存时间低于解拥塞门限时判定进入

解拥塞状态，向 L2 发送解拥塞信号；上述两个过程即为拥

塞信号传递过程。当数据在缓存队列中的缓存时间超过丢包

门限时直接丢包，丢包直至缓存包数在拥塞门限之下，因此

解拥塞门限、拥塞门限和丢包门限依次升高。

1.2 拥塞信号处理

在数传过程中，当检测到 Iub 口过流量时，即缓存队列

处于拥塞状态时，则向 L2 发送拥塞指示信号，L2 收到该拥

塞指示信号后，立即进入拥塞状态，并根据业务当前速率乘

以拥塞限速系数作为拥塞状态时业务发送速率进行降速处

理，同时 L2 需要根据当前的业务速率乘以解拥塞限速系数

计算解拥塞状态时业务的发送速率；当缓存队列处于解拥塞

状态时，向 L2 发送解拥塞信号，L2 收到该解拥塞信号后，

立即进入解拥塞状态，并根据解拥塞状态时业务的发送速率

进行升速处理，直到业务速率恢复至拥塞前的最大业务速

率。这一过程即为拥塞信号处理过程。因此，在数传过程中，

解拥 塞态

正常

状态

拥塞 状态

拥塞指示信号

拥塞指示信号

解拥塞信

号

业务速率≥业

务最大速率

第 22 卷第 4 期 Vol. 22 No. 4 2010 年 4 月 系 统 仿 真 学 报 Apr., 2010

• 964 •

当 Iub 口过流量时，正是通过 L2 的这种不断的拥塞－解拥

塞处理来实现 Iub 口不丢包，因此算法既提高了 Iub 口的带

宽利用率，又保证了用户侧业务吞吐率的稳定性。

2 L2 流量控制算法分析

基于过准入的流量控制算法是针对非实时业务进行的

下行流量控制算法，并且算法针对单个业务分别进行流量控

制。通过 L2 限制业务的下行发包速率及增加业务的下行发

包速率来实现拥塞解拥塞处理。下面是对 L2 的流量控制过

程的简要分析。

2.1 拥塞指示信号

在数传过程中，收到拥塞指示信号后，如果此时状态处

于非拥塞状态，则状态跃迁至拥塞状态，L2 进行降速处理；

如果此时状态处于拥塞状态，则状态不发生跃迁。设业务速

率为 R0，业务下行最大速率为 Rmax，降速后下行业务速率

为 Ri，则 Ri 如式(1)所示： 1 ( 1,2,3... )i i iR R C i n−= × = (1)

每个调度周期T 按照式(1)对业务进行降速处理，直至

收到解拥塞信号。其中 Ci 为拥塞降速系数，满足 )2.0,0(U 之

间的均匀分布，以保证收到拥塞指示信号后立即将数据速率

降至非常低，缓解拥塞状态。

2.2 解拥塞信号

数传过程中，收到解拥塞信号后，如果此时状态处于拥

塞状态，则状态跃迁至解拥塞状态，L2 进行升速处理；如

果此时状态处于非拥塞状态，则状态不发生跃迁。设下行业

务速率为 'iR ，下行业务初始速率为 0R ' ，如式(2)所示：

0 0 0R ' = R C× (2)

其中 C0为解拥塞限速系数，满足 (0.9,1)U 之间的均匀分布，

以保证在收到解拥塞信号后，立即以较高的速率进行数传，

提高系统 Iub 口的带宽利用率。以后每个调度周期T 进行一

次升速处理，即下行业务速率增加一个升速步长 *R ，直到

当前业务速率上升到拥塞前的最大业务速率 maxR 。在升速

处理过程中，每间隔 vT (调度周期的整数倍)时间进行一次升

速步长的更新。同时，为满足不同用户不同业务间的公平性

和差异化服务，针对不同用户的不同业务设置相应的加权因

子 ( )F i 。设升速步长的初始值为 *0R ，因此升速步长由式(3)

表示，可以根据所需要的升降速的快慢程度，选取 vt T 所满

足的函数关系， * *

0 (1+ ( ) ( )),( 1,2, , , )v vR R F i t T i n t T R+= ⋅ = ∈ (3)

在解拥塞过程中，业务的下行发送速率由式(4)计算： '

0 0

' ' *1

( 0)( 0)

i

i i

R R C iiR R R−

= ⋅ =⎧⎨ >= +⎩

(4)

在解拥塞过程中，通过式(4)进行升速处理，直到业务

速率达到降速前的最大值。当再次收到拥塞指示信号时，则

状态再次跃迁至拥塞状态,开始又一次的流量控制；否则，业

务进入正常数传。

3 仿真结果及分析

通过上述流量控制算法的分析，本文对 Iub 口带宽受限

情况下，采用基于过准入策略的流量控制策略与不采用流量

控制策略以及采用 3GPP 信令进行基本流量控制策略[10]几

种情况下的用户的吞吐性能进行仿真分析。

图 3 为系统仿真模型，其中箭头表示下行数据流向。 Iub

口带宽为 1Mbps，接入两个 H 业务用户，两用户分别进行

FTP 下载，最大业务速率均为 800Kbps，保证速率为

384Kbps。由于 Iub 口允许的带宽资源为 1Mbps，大于两个

用户的保证速度之和，因此采用过准入策略，按照各个用户

的保证速率，在初始准入情况下准入 UE1 和 UE2 两个用户，

设置 UE1 与 UE2 具有相同的调度优先级。

图 3 系统仿真模型图

图 4 和图 5 为 UE1 与 UE2 在 Iub 口过流量时，进行流

量控制与不进行流量控制的吞吐率曲线图。图示表明，当不

进行流量控制时，由于 RLC 有大量数据待发送，因此会产

生大量的数据突发，L2 的数据吞吐率有较大波动。且此时

UE1 与 UE2 的平均有效吞吐率之和约为 200Kbps，远小于

Iub 口的带宽所允许的流量；当采用流量控制时，由于 L2会对 Iub 口过流量时进行相应的流量控制，因此几乎不会产

生任何数据突发，L2 的数据吞吐率趋于平稳，并且 UE1 与

UE2 两者的平均有效吞吐率之和约为 800Kbps，趋于 Iub 口

允许的带宽流量，因此采用基于过准入的流量控制策略后，

提高了 Iub 口带宽的利用率，使得 Iub 口带宽资源的利用率

达到最优。 图 6 为进行流量控制与不进行流量控制时 UE1 和 UE2

的丢包率曲线图。图示表明，在不采用流量控制时，UE1 和

UE2 均有较高的丢包率；而采用流量控制后，UE1 和 UE2几乎不产生任何丢包。从图 6 的丢包率曲线可以看出，本文

所采用的流量控制策略在保证提高 Iub 口带宽资源利用率的

同时使得用户的丢包率趋于 0，几乎不产生任何丢包。

图7为采用本文提出的基于过准入策略的流量控制策略

与采用 3GPP 信令进行基本流量控制策略时(发生拥塞时协

议中指出通过高层进行流量控制，这里采用通过 RLC 层进

行丢包率检测，进而实现流量控制的策略)[10]，UE1 的吞吐

性能曲线。图示表明，在相同的条件下，采用后者描述的流

量控制策略尽管能够在一定程度上缓解 Iub 口拥塞，提高 Iub

SGSN

（（））

RNC

NodeBUE1

Uu Iub Iu

UE2

核心网侧接入网侧

GGSN

第 22 卷第 4 期 Vol. 22 No. 4 2010年 4月 王姝杰, 等：一种HSPA+系统 Iub流量控制策略研究 Apr., 2010

• 965 •

口的带宽利用率，但是由于该策略是检测到 UE 的丢包率大

于某一阈值时才进行相应的处理，因此会导致 Iub 口上已经

产生大量的拥塞丢包。

图 8 为采用两种流量控制策略时 UE1 的丢包率变化曲

线图。图示表明，在拥塞情况下采用基本流量控制策略，会

在进行流量控制前的一段时间内产生一定的丢包，进行流量

控制后两种策略获得的丢包率基本一致，趋近于 0。

图 9 为采用基于过准入的流量控制策略后，UE1 与 UE2

的吞吐性能比较曲线图，由于在业务准入时，UE1 的优先级

与UE2的优先级一致，因此经过流量控制处理后UE1与UE2

的下行平均吞吐率几乎一致。因此，该流量控制策略能够保

证用户服务的公平性，同时，通过调整不同优先级用户的加

权因子可以满足不同优先级用户间的差异化服务。

综上所述，为了提高 Iub 口带宽利用率，采用过准入策

略后，会导致 Iub 口带宽资源出现受限的情况。当 Iub 口过

流量时，尽管 RLC 有大量数据待下发，但由于受 Iub 口带

宽资源的限制，数据不能及时得到下发，必然会产生大量

第 22 卷第 4 期 Vol. 22 No. 4 2010 年 4 月 系 统 仿 真 学 报 Apr., 2010

• 966 •

的拥塞丢包，因此可能会触发 RLC 层的重传，甚至会导致

数传无法正常进行，使得网络崩溃。当 L2 采用基于过准

入的流量控制策略后，通过拥塞解拥塞处理，及时控制 L2

的业务速率，使得在整个数传过程中，L2 的平均吞吐率趋

于平稳，并且近似等于 Iub 口的带宽所允许的流量。保证

了 Iub 口带宽资源的有效利用，提高了 Iub 口带宽资源的

利用率。采用本文所提出的基于过准入的流量控制策略，

不仅使得数传稳定，L2 的吞吐性能近乎平稳，而且也使得

Iub 口带宽资源得到充分利用，同时满足用户间的公平性

和差异化服务。

4 结论

在 HSPA+系统中，由于其支持更高的数据速率，支持

可变 PDU 大小等，使得数传过程中更容易出现数据突发，

因此提高系统资源利用率的需求更加迫切。同时，在无线网

络中，Iub 口的带宽资源非常宝贵，因此必须充分利用 Iub

口的带宽资源。本文提出了一种基于过准入策略的二层 Iub

口流量控制策略。该策略在实现充分利用 Iub 口带宽资源的

同时减少了数据突发，保证了用户吞吐率的稳定性及不同

用户之间的公平性和差异化服务。对于多用户之间如何选

取加权因子来更好的实现不同用户不同业务之间的公平性

和差异化服务，并且在此基础上，如何避免“捕获效应”问

题等可以通过进一步将流量控制机制与 MAC-ehs 实体的

调度策略结合起来做深入的研究，这些将是本文进一步的

研究方向。

参考文献： [1] Holma H, Toskala A, Ranta-aho K, Pirskanen J. High-Speed Packet

Access Evolution in 3GPP Release 7 [J]. IEEE Communications Magazine (S0163-6804), 2007, 45(12): 29-35.

[2] 3GPP TS 25.321.3rd Generation Partnership Project: Technical Specification Group Radio Access Network. Medium Access Control protocol specification. v7.9.0.2008.5 [S].

[3] Peisa J, Wager S, Sagfors M, Torsner J, Goransson B, Fulghum T, Cozzo C, Grant S. High Speed Packet Access Evolution-Concept and Technologies [C]// 2007 IEEE 65th VTC2007-Spring (S1550-2252). USA: IEEE, 22-25 April 2007: 819-824.

[4] Marc C Necker, Andreas Weber. Impact of Iub Flow Control on HSDPA System Performance [C]// 2005 IEEE 16th International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications. USA: IEEE, 2005, 3(4): 1703-1707.

[5] Necker M C, Weber A. Parameter Selection for HSDPA Iub Flow Control [C]// IEEE 2005 2nd International Symposium on Wireless Communication Systems (ISBN: 0-7803-9206-X), 7-7 Sept. 2005. USA: IEEE, 2005: 233-237.

[6] Peter J Legg. Optimised Iub flow control for UMTS HSDPA [C]// 2005 IEEE 61st VTC 2005-Spring. USA: IEEE, 2005, 4(5): 2389-2393.

[7] Hong Wei, Chen Shuping, Peng Mugen, Wang Wenbo. An efficient Iub flow control algorithm in HSDPA [C]// IEEE 2007 International Symposium on Microwave, Antenna, Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications (ISBN: 978-1-4244- 1045-3). USA: IEEE, 16-17 Aug. 2007: 84-89.

[8] Bajzik L, Korossy L, Veijalainen K, Vulkan C. Cross-Layer Backpressure to Improve HSDPA Performance [C]// Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, 2006 IEEE 17th International Symposium on. USA: IEEE, Sept. 2006: 1-5.

[9] Sagfors M, Virkki V, Kuningas T. Overload Control of Best-Effort Traffic in the UTRAN Transport Network [C]// Vehicular Technology Conference (S1550-2252), VTC (63rd) 2006-Spring. USA: IEEE. 2006, 1: 456-460.

[10] 3GPP TS 25.435.3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; UTRAN Iub Interface User Plane Protocols for Common Transport Channel data streams (Release 7). V7.9.0 (2008-09) [S].