4.3 RLC层的ARQ机制
4.3.1 RLC层的3种模式浅说
在控制层面，RLC层向高层（RRC）提供的服务为信令无线承载（SRB）；在用户层面，RLC向高层提供的服务为无线承载。RLC层为高层提供3种模式的数据传输服务：透明模式、确认模式和非确认模式。
1.透明模式
通过该模式传输数据，RLC层将不需要增加任何协议信息，也就是说，RLC层不需要对高层传输的数据进行任何处理（但可能包含分段/重组功能）。透明模式无法纠错，不能向高层提供QoS保障，但处理时延小，适合实时业务，比较典型的应用场景是CS域的用户平面。当然，CS业务虽然无法通过RLC层进行重传纠错，但可以通过空口严格的功率控制来尽可能保障QoS。TM模式无法对数据进行分段，必须在一个TTI内把数据发完，因为没有包头编号，接收端也无法对数据包进行重组，因此，一般只用于发一些格式相对固定的、短小的数据包。
2.确认模式
在确认模式下，RLC将保证把接收到的高层数据传输到对等层。当RLC接收端无法正确接收数据时，RLC发送端将得到通知。确认模式虽然可以提供完善的重传纠错机制，但处理时延较长，因此多用于对实时性要求不是很高的业务。比较典型的应用场景是PS业务。在各类PS业务中，RLC层通过有效的重传机制确保向上层（TCP层）提供最小差错率的数据包，使得到达TCP层的数据差错率处于一个可接受的范围。换句话说，RLC层相当于下层（物理层、MAC层）与上层（TCP层）之间的缓冲。本章重点介绍确认模式的工作原理，及其对网络优化的影响。
3.非确认模式
非确认（UM）模式也不需要保证数据可靠地传输到对等层。但与透明模式相比，非确认模式可以检测出错的数据。非确认模式用于必须按次序接收包，但不太关注时延和差错的情形。例如流媒体和某些类型的信令（如RRC Connection Request）。如果检测到出错，不能请求重传。对UM数据包的处理，通常仅限于排序、加密或分段/拼接。UM模式有包头和包尾，用于分段和串接，接收端可由此得知哪些PDU属于一个SDU。SRB1一般采用UM模式，因此诸如RRC Connection Release、RRC Connection Release Complete、Cell Update Confirm这些信令都是采用UM模式传输的。
4.3.2 确认模式的工作原理
从网络优化的角度来看，确认模式的核心内容是ARQ机制和流控机制，RLC层通过轮询来实现ARQ，通过滑动窗口实现流量控制。对于RLC层参数优化的讨论，也将围绕这两个问题展开。
当高层服务数据单元（SDU）到达时，AM RLC将所有SDU进行分段，并为每个RLC分段加包头、串接为AM PDU（协议数据单元）在空口上发送，如图4.2所示。
图4.2 RLC层分段示意图
当一个AM PDU被发出后，同时也被保存在发送端的缓存中，等待来自收端的确认信息。如果来自接收端的Status PDU指示这一PDU未被成功接收，那么该PDU将被重传（Status PDU中携带了处于发送窗口内的AM PDU的接收情况，发送端将根据Status PDU中的信息移动发送窗口）。AM RLC配置了多种机制用于触发接收端发送Status PDU，其中一种即为轮询（Polling）机制，即AM PDU中携带一个轮询比特位（Pollingbit）。发送端检测到轮询条件满足时，即发送一个轮询比特位为1的AM PDU，同时启动Timer_Poll和Timer_Poll_Prohibit；接收端接收时，一旦检测到某一轮询比特为1，即向发端发送Status PDU，报告对AM PDU的接收情况。在发端，当下一次的轮询条件满足时（或者Timer_Poll超时），仅当Timer_ Poll_ Prohibit超时后才可再一次将PDU轮询比特置1。如果轮询的频率太高，有利于尽早发现丢包问题，及时重传，从而改善传输时延，但带来的副作用是造成上行过多的Status PDU，并产生一系列不必要的重传，影响吞吐率。轮询参数的优化也是折中和平衡的过程。RLC层规定了使用确认模式发送AM PDU的最大重传次数。如果重传次数达到了最大值，根据配置协议可以丢弃包含该AM PDU的RLC SDU。这时，需要使用Status PDU通知接收端更新PDU的相应接收窗口。反过来，协议也可以不丢弃RLC SDU，在这种情况下，需要在发送实体和接收实体之间启动RLC复位流程。下面对RLC层相关参数进行简单介绍。
1.定时器与计数器
RLC AM模式比较重要的定时器和计数器包括Timer_Poll、Timer_Poll_Prohibit、Timer_Status_Prohibit等。
1）Timer_poll
Timer_Poll表示发送Polling PDU后等待接收端ACK的定时器时长。定时器超时后重发Polling PDU。也就是说，在某个Pollingbit等于1的AM PDU被发送后，启动该定时器。定时器超时则意味着载有Polling请求的数据包丢失，发送端会重发这个PDU。
Timer_Poll的设置需要考虑多重因素之间的相互影响。若Timer_Poll设置过小，例如小于RLC层RTT，会引起过于频繁的轮询：在Timer_Poll超时后，接收端反馈的Status PDU尚未到达发送端，发送端就再次重发polling PDU，而接收端也不得不再次反馈Status PDU，浪费上/下行带宽。当然，在实际情况下，如果Timer Poll设置小于RTT，只要Timer_Poll_ Prohibit和Timer_Status_Prohibit的设置较为合理，也会对频繁的轮询进行限制。此外，Timer_Poll的取值一般情况下应大于Timer_Poll_ Prohibit。如果Timer_Poll的值小于Timer_Poll_ Prohibit，则很难对吞吐量的变化产生影响，这是因为即使Timer_Poll超时，发送端未能收到Status PDU反馈，但必须等待Timer_Poll_Prohibit超时后才可以设置轮询。因而这种场景下实际上触发轮询的是同一个定时器——Timer_Poll_Prohibit。
另一方面，如果Timer_Poll设置过大，吞吐量将下降，这是因为长时间不允许轮询会导致发端长时间收不到Status PDU，发送窗无法滑动，随着发送窗变量VT(S)的移动，发端可以发送的数据量将越来越少。如果继续增大Timer_Poll，超过某一门限之后，这个参数就不再发挥作用，即使Timer_Poll的值继续增大，吞吐量变化也不大，这是因为当Timer_Poll超过某一值后，在Timer_Poll还未超时之前，其他的轮询机制Last PDU in transmit buffer、Last PDU in retransmit buffer、Window based polling等已经触发了轮询，使发端收到Status PDU反馈。
2）Timer_Poll_Prohibit
该定时器用于保证两次Polling 之间的时间间隔大于一定周期（即该定时器时长），也就是规定了两次发送包含Polling的PDU的最小时间间隔。在某个Pollingbit等于1的AM PDU被发送后，启动该定时器。在该定时器超时前，将不允许新的Polling功能被使用。如果该定时器超时前，又启动新的Polling要求，则必须等到该定时器超时后才能启动Polling功能。
当Timer_Poll_Prohibit的值很小时，基本不会限制RLC发端的各种轮询，频繁的轮询将导致收端不断地向发端发送Status PDU，产生不必要的重传，浪费了上/下行带宽。Timer_Poll_Prohibit的值设置过大也会影响吞吐量，这是因为长时间不允许轮询会导致发端长时间收不到Status PDU，随着发送窗变量VT(S)的移动，发端可以发送的数据量将会越来越小。Timer_Poll_Prohibit设得过大或过小都会对系统的性能产生影响，适当的Timer_Poll_ Prohibit值既可以避免不必要的重传又不会导致发送窗停滞。若要使Timer_Poll事实上起作用并且不产生不必要的重发，其值首先应该大于Timer_Poll_Prohibit的值并且至少应该保证大于RLC RTT的时间。
3）Timer_Status_Prohibit
Timer_Status_Prohibit用于控制接收端连续反馈Status PDU的节奏，也就是两个连续的Status PDU之间的最短时间。只有在上层进行了相应配置的情况下，才使用该定时器，它用于禁止接收端在短时间内连续发送Status PDU。定时器的值由上层信令指示。在UE端，当下层指示一个确认状态报告的最后一个Status PDU被成功或者不成功发送时，该定时器启动。在UTRAN端，当一个确认状态报告的最后一个Status PDU被发送给下层时，该定时器启动。在定时器运行期间，接收端暂停发送任何确认接收的Status PDU。
若Timer_Status_Prohibit设置过小，小于单程时延（RTT/2），接收端反馈的第一个Status PDU尚未到达发送端，又发出了第二个Status PDU，过于频繁。此时Timer_Status_Prohibit很难起到控制反馈节奏的作用。若Timer_Status_Prohibit设置得过大，虽然可以避免不必要的RLC层重传，但会引起RLC层时延增大，甚至会触发TCP层重传，引起TCP层RTT抖动，使TCP性能降低。在链路质量较好的情况下，可以将Timer_Status_Prohibit设置为略大于RTT。如果链路质量较差，一般设置RTT/2<Timer_Status_Prohibit<RTT ，也就是介于单程时延和环回时延之间。
4）MaxDAT
MaxDAT等于某个AMD PDU的最大发送次数+1，是VT(DAT)的上限。当VT(DAT)等于MaxDAT时，RLC复位过程或者SDU丢弃通知过程将被触发。
5）MaxRST
MaxRST等于RESET PDU的最大发送次数+1。MaxRST是变量VT（RST）的上限。当VT（RST）等于MaxRST时，说明发生了RLC不可恢复错误。该参数仅用于RLC AM实体的发送侧。当RLC AM实体进行复位时，若链路通信质量太差，发送端因不能及时收到对端的RESET ACK PDU而重发RESET PDU达到一定的次数（Max_RST -1）后，即向高层报告“不可恢复错误”，不再重发。如果一个PDU重传了MaxDAT次，将触发RLC复位过程。发送端发送一个复位PDU并等待确认。如果链路仍然恶化，使RLC复位PDU不能达到目标，那么在定时器Timer RST超时后发送第二个复位PDU，最多发送MaxRST次，此后向上层报告RLC Unrecoverable error，其结果是触发Cell Update（如图4.3所示）或释放信道，可能导致用户掉话。
图4.3 Cell Update流程
2.其他定时器和计数器
此外，RLC层还有一些定时器和计数器，调整的频率并不高，并且必须在打开相关功能项之后，这些参数才会发挥作用。举例如下。
Poll_PDU：表示两次发送Polling PDU之间最多能够发送PDU的数量，即每发送Poll_PDU个PDU就必须触发一次Polling功能。
Poll_SDU：表示两次发送Polling PDU之间最多能够发送SDU的数量，即每发送Poll_SDU个SDU就必须触发一次Polling功能。
Last transmission PDU poll：如果设置为TRUE，当发送缓冲区的最后一个PDU时，触发Polling功能。
Last retransmission PDU poll：如果设置为TRUE，当发送重传缓冲区的最后一个PDU时，触发Polling功能。
Poll_Window：当发送窗口的使用比例超过本项的值时，触发Polling功能。
Timer_poll_periodic：指示周期性触发Polling功能的周期。该定时器超时且存在AM PDU将被发送和重传，则触发Polling功能；如果该参数不存在，则表示不支持周期性Polling。
3.滑动窗口与状态变量
图4.4是一个滑动发送窗的原理简图，下面结合几个状态变量来说明其工作原理。
图4.4 滑动发送窗原理简图
VT(S)是下一个需要发送的AMD PDU的序号。在发送一个新的AMD PDU后，VT(S)加1；VT(A)是下一个期待被确认的序列号，或者说是已被接收方连续确认的最大的AMD PDU序号加1，是发送窗口的下边沿。VT(MS)是尚未允许接收的首个PDU的序列号，或者说，是接收方拒绝接收的第一个AMD PDU序号。VT(MS)=VT(A) + VT(WS)，其中VT(WS)是发送窗口的大小。VT(MS)代表发送窗口的上限，初始值为Configured_Tx_Window_size。这个上限“右边”的，来自于高层的SDU分段，需要等待发送窗向“右边”滑动之后，才能进入发送队列。
图4.5是一个滑动接收窗的原理简图。
VR(R)表示下一个按序接收的AMD PDU的序号，是接收窗口的下边沿。VR(R)在收到序号等于VR(R)的AMD PDU后进行更新。VR(MR)表示被接收方拒绝的AMD PDU的最小序号，是接收窗口的上边沿。VR(MR)=VR(R) + Configured_Rx_Window_Size。VR(H) 是最大的期待接收的PDU的序列号，设接收方已接收的所有AMD PDU的最大序号为x，如果收到一个序号大于x且小于VR(MR)的AMD PDU，则将VR(H)置为该AMD PDU的序号+1。VR(H)的初始值为0。这个状态变量包含接收到的最高AMD PDU“Sequence Number”后的序列号。当接收到“Sequence Number”x满足VR(H)≤x<VR(MR)的AMD PDU时，这个状态变量会变为x+1。
图4.5 滑动接收窗的原理简图
1）Transmit Window Size
Transmit Window Size表示在没有收到对方确认信息的情况下，发送端最多可以发送的RLC数据PDU的个数。该参数仅用于RLC AM实体的发送侧，发送窗口的大小与RLC数据吞吐率相关。一般来说，窗口越大，RLC吞吐率越高，但也会消耗更多的系统内存空间。若窗口设置得过小，会降低RLC吞吐率，并导致业务数据传输时延增大。通过调整窗口大小可以对发送端进行流量控制。发送窗口过小，容易导致在发端未接收到Status PDU移动发送窗口时，发送窗即被占满，此时发端存储了大量PDU但不能发送，这种情况称为发送窗停滞。发送窗停滞将直接导致链路吞吐量下降。若窗口过大，由于序列号的重复性，接收端可能收到具有相同序列号的不同RLC数据包而无法区分，导致Reset。
2）Receive Window Size
参数Receive window size指示了在一次连续接收过程中，允许接收的最大RLC数据PDU的数目。该参数仅用于RLC AM实体的接收侧，定义接收窗口大小。接收滑动窗口大小一般不小于发送滑动窗口大小。
下行RLC参数优化的主要思路是尽量延长它的定时器参数，以便让HARQ的快速重传恢复尽可能多的误块，即选取定时器参数大于HARQ定时器参数的取值。引入HSDPA后，下行RLC定时器参数的变化很小，原因就是前面讲到的其作用的弱化。上行的情况就有所不同，HSDPA虽然复用R4的上行业务信道，但RLC层的作用发生了变化。它既不同于下行的情形，又不是简单地重复R4，需要考虑环回时延显著降低的因素来优化RLC上行的定时器参数。具体地说，优化取值的思路使定时器参数与环回时延相匹配。