Ummi
2011-05-06, 10:37 PM
TCP Performance over UMTS-HSDPA Systems
AUERBACH | 0849368383 | 2006 | PDF | 211p
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
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
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
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
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
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
AUERBACH | 0849368383 | 2006 | PDF | 211p
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
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
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
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
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
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