WCDMA網(wǎng)絡(luò)端到端業(yè)務(wù)性能優(yōu)化

摘要　互聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)的融合極大地影響著WCDMA系統(tǒng)所承載的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)性能，因而擴(kuò)展了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維與優(yōu)化的問(wèn)題域，僅關(guān)注空中接口的性能將很難滿足端到端業(yè)務(wù)的需求。本文從網(wǎng)絡(luò)層面、應(yīng)用層面、數(shù)據(jù)鏈路層面、終端層面等角度系統(tǒng)介紹了有利于端到端業(yè)務(wù)性能優(yōu)化的主要技術(shù)。

傳統(tǒng)GSM網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)類型較為單一，WCDMA網(wǎng)絡(luò)則能夠提供更多豐富業(yè)務(wù)，不同業(yè)務(wù)對(duì)無(wú)線資源消耗的差別很大，業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求也不盡相同。這種業(yè)務(wù)上的動(dòng)態(tài)性給網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

從網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量評(píng)估的角度而言，GSM網(wǎng)絡(luò)主要提供的語(yǔ)音業(yè)務(wù)依賴于覆蓋率和接通率等指標(biāo)，WCDMA網(wǎng)絡(luò)中視頻電話等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)則需要綜合考核吞吐量、時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)等指標(biāo)，這些指標(biāo)更多取決于端到端的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量；從網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的角度而言，GSM網(wǎng)絡(luò)主要依賴于天饋工程參數(shù)和無(wú)線資源管理參數(shù)的調(diào)整，而互聯(lián)網(wǎng)與無(wú)線網(wǎng)的融合使得WCDMA網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的范疇超出了單純無(wú)線接入領(lǐng)域。因而，為了提供良好的用戶感知，WCDMA網(wǎng)絡(luò)有必要引入端到端業(yè)務(wù)性能優(yōu)化的新思路。

WCDMA網(wǎng)絡(luò)使用了不同層次的眾多協(xié)議，端到端的性能優(yōu)化并非易事。這些協(xié)議中有的是從固定通信等網(wǎng)絡(luò)中移植而來(lái)，最初設(shè)計(jì)時(shí)并沒(méi)有特別考慮無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的特性（如時(shí)延較大、速率變化劇烈、終端性能不一致等），因而WCDMA端到端的業(yè)務(wù)性能優(yōu)化對(duì)這些協(xié)議進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

1、應(yīng)用層面優(yōu)化策略

1.1　壓縮內(nèi)容

應(yīng)用壓縮技術(shù)可以減少數(shù)據(jù)量，特別是通過(guò)瓶頸鏈路的數(shù)據(jù)量。壓縮技術(shù)可以從不同的角度進(jìn)行分類：從壓縮前后信息量的對(duì)比來(lái)看，可分為有損失的壓縮（如JPEG、MP3或者AMR）和無(wú)損失的壓縮（Huffman編碼或者LZ編碼）；從壓縮的對(duì)象來(lái)看，可分為頭壓縮和內(nèi)容壓縮，內(nèi)容是待傳數(shù)據(jù)的源頭，更應(yīng)該仔細(xì)選擇壓縮方式。

壓縮與解壓縮功能的位置也需要慎重考慮，可以將壓縮和解壓縮功能置放于移動(dòng)設(shè)備和應(yīng)用服務(wù)器中，也可以將壓縮功能從應(yīng)用服務(wù)器移動(dòng)到無(wú)線接口前的獨(dú)立立柜中。后一種方案將給運(yùn)營(yíng)商具備較大的靈活性，但此時(shí)的可升級(jí)性較差。

1.2　改進(jìn)協(xié)議

目前，HTTP協(xié)議是因特網(wǎng)應(yīng)用層所使用的主要協(xié)議之一。其版本對(duì)Web頁(yè)面訪問(wèn)速度有一定影響。通常，網(wǎng)站頁(yè)面包含多個(gè)對(duì)象，對(duì)HTTP1.0來(lái)說(shuō)，每一個(gè)對(duì)象都必須用新的TCP連接來(lái)打開，由于每個(gè)TCP連接至少需要幾秒鐘，并且要經(jīng)過(guò)慢啟動(dòng)后才能達(dá)到較高的速度，因而降低了實(shí)際傳輸速率。HTTP1.1則允許使用TCP打開多個(gè)對(duì)象，提高效率。

還可以使用性能增強(qiáng)代理（PEP，Performance Enhancing Proxies）來(lái)改進(jìn)協(xié)議。PEP是一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體，旨在通過(guò)調(diào)整終端與承載之間協(xié)議或信息提高終端用戶的應(yīng)用性能。通常位于應(yīng)用層或傳輸層：應(yīng)用層PEP功能是緩存、信息壓縮及應(yīng)用層的優(yōu)化，在帶寬較窄和時(shí)延較長(zhǎng)時(shí)效果較好；傳輸層PEP則主要是為了克服TCP自身一些問(wèn)題。

PEP可以位于網(wǎng)絡(luò)中的不同位置。作為獨(dú)立網(wǎng)元時(shí)，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商通常會(huì)將它們放置在網(wǎng)關(guān)之后。另外，PEP功能也可以融入現(xiàn)有網(wǎng)元中（如SGSN、BSC），這有助于在網(wǎng)關(guān)、路由器或者無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)元素中實(shí)現(xiàn)緩沖區(qū)擁塞管理等優(yōu)化方法。同時(shí)安全因素也會(huì)影響到PEP的位置選擇。因?yàn)镮PSec的使用是通過(guò)在端到端對(duì)TCP頭和應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝來(lái)實(shí)現(xiàn)的，PEP無(wú)法理解封裝之后的數(shù)據(jù)。

2、傳輸層面優(yōu)化策略

TCP是因特網(wǎng)上的主要傳輸協(xié)議，有線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包丟失主要是由擁塞引起的，但在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)TCP會(huì)將無(wú)線信道比特差錯(cuò)和切換引起的數(shù)據(jù)包丟失誤也歸于擁塞而采取擁塞控制措施，因而無(wú)謂降低了端到端吞吐量。本節(jié)主要介紹TCP針對(duì)無(wú)線環(huán)境的一些改進(jìn)建議。

2.1　IETF對(duì)于無(wú)線環(huán)境下標(biāo)準(zhǔn)TCP協(xié)議的優(yōu)化建議

IETF提出了一些針對(duì)無(wú)線環(huán)境的TCP優(yōu)化建議，主要體現(xiàn)在以下6個(gè)方面。

2.1.1　合適的窗口大小

無(wú)線鏈路上的TCP應(yīng)當(dāng)基于系統(tǒng)可用帶寬時(shí)延積（BDP，Bandwidth Delay Product）設(shè)定合適的接收方窗口大小。接收方通知窗口應(yīng)當(dāng)至少同BDP一樣大，否則接收方的TCP層將對(duì)最大可用帶寬造成限制。

通知窗口應(yīng)當(dāng)盡可能地設(shè)大一些，使得所有的可用帶寬都有可能使用；但如果通知窗口比BDP大太多，也可能因?yàn)榫彺嬉绯龊碗S后的TCP重傳導(dǎo)致性能惡化。因而，通知窗口應(yīng)當(dāng)比BDP稍大，一方面充分使用容量，另一方面也不會(huì)損害到網(wǎng)絡(luò)處理?yè)砣�和丟報(bào)恢復(fù)的能力。

2.1.2　加大初始窗口

無(wú)線鏈路的高時(shí)延加大了慢啟動(dòng)階段持續(xù)時(shí)間，主要體現(xiàn)在TCP連接建立時(shí)、發(fā)生重傳超時(shí)（RTO，Retransmission Timeout）之后或較長(zhǎng)空閑期后重新啟動(dòng)連接時(shí)。借助于大的初始窗口，慢啟動(dòng)將能更快地將吞吐量抬升至穩(wěn)定狀態(tài)。

2.1.3　受限制的傳輸

旨在擁塞窗口較小時(shí)改善快速重傳和快速恢復(fù)的性能。如一旦發(fā)送方在等待重傳時(shí)尚有未發(fā)送數(shù)據(jù)，那么在收到2個(gè)重復(fù)性ACK后就立即發(fā)送新的報(bào)文。這樣以來(lái)，接收方可以產(chǎn)生第3個(gè)（激活快速重傳/快速恢復(fù)所必須的重復(fù)性ACK個(gè)數(shù)）重復(fù)性確認(rèn)來(lái)觸發(fā)發(fā)送方的快速重傳或快速恢復(fù)，這就避免了RTO及其后的慢啟動(dòng)階段。但該選項(xiàng)依賴于軟件實(shí)施情況。

2.1.4　TCP報(bào)文大小

通常，重復(fù)一定次數(shù)的慢啟動(dòng)過(guò)程之后才能達(dá)到充分發(fā)揮帶寬資源；無(wú)線鏈路的高延遲使得最初幾輪調(diào)整對(duì)終端用戶的吞吐量至關(guān)重要。慢啟動(dòng)階段，發(fā)送方字節(jié)數(shù)的增加是以報(bào)文大小為單位的，因而，如果增大最大報(bào)文段尺寸（MSS，Maximum Segment Size），慢啟動(dòng)階段就可以更快地將吞吐量抬高到充滿帶寬，還能夠提高各層所添加協(xié)議頭的效率、降低往返傳輸?shù)腁CK數(shù)目。但某些時(shí)延要求高、又需要快速糾錯(cuò)的業(yè)務(wù)則適合使用較小的TCP報(bào)文段。

2.1.5　選擇性確認(rèn)

TCP連接期間，接收方將最后一個(gè)成功接收?qǐng)?bào)文段的序號(hào)包含進(jìn)ACK中，此即累積性確認(rèn)。一般而言，選擇性ACK（SACK，Selective Acknowledgement）則是可選項(xiàng)，它允許接收方向發(fā)送方通知所有數(shù)據(jù)段的傳輸狀態(tài)。這樣，發(fā)送方就可以有選擇地重傳，而不是僅僅重傳第一個(gè)丟失分組并等待下一個(gè)ACK（一個(gè)RTT）來(lái)接收新的丟失信息。

在具有較大BDP通道時(shí)，SACK更能發(fā)揮作用，有研究結(jié)果表明它適合于具有中等丟失率（低于窗口大小的50%）的長(zhǎng)延遲網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。這使得SACK比較適合于無(wú)線鏈路。但其不足在于它會(huì)稍微加大報(bào)頭的尺寸（最多增添8byte），且其使用需要客戶機(jī)、服務(wù)器兩端的支持。

2.1.6　TCP時(shí)間戳選項(xiàng)

標(biāo)準(zhǔn)TCP是每個(gè)擁塞窗口才測(cè)量一次RTT，這可能給RTT的估計(jì)帶來(lái)偏差，當(dāng)擁塞窗口增長(zhǎng)時(shí)尤其如此。無(wú)線鏈路特征則要求更準(zhǔn)確地估計(jì)RTT以便盡可能地減少那些偽超時(shí)重傳（spurious RTO）。

使用時(shí)間戳選項(xiàng)時(shí)，發(fā)送端可以每發(fā)一個(gè)報(bào)文段就計(jì)算一次RTT，即使是在發(fā)那些重傳的。這一改進(jìn)使得TCP RTO能夠更快地應(yīng)對(duì)時(shí)延變化，降低偽超時(shí)重傳個(gè)數(shù)。然而，使用該選項(xiàng)時(shí)需要在TCP報(bào)頭添加12byte，同樣要求兩端的支持。

2.2　緩存擁塞管理策略

2.2.1　隨機(jī)早期監(jiān)測(cè)

隨機(jī)早期檢測(cè)（RED，Random Early Detection）是目前研究得最多的主動(dòng)隊(duì)列管理技術(shù)，它采用概率判定機(jī)制有選擇地主動(dòng)丟棄某些分組，利用TCP對(duì)發(fā)送速率的自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力，讓某些源端降低發(fā)送速率，及時(shí)阻止擁塞的惡化，并將平均排隊(duì)時(shí)延控制在一定范圍內(nèi)。但RED也存在一些缺陷：性能對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀況和參數(shù)敏感，很難給出優(yōu)化的參數(shù)配置；穩(wěn)定性和公平性也存在一些問(wèn)題。

2.2.2　快速TCP

快速TCP算法是當(dāng)下行緩存超出一定門限（接近擁塞）時(shí)試圖降低下行分組量。通常，上下行業(yè)務(wù)量的不對(duì)稱導(dǎo)致下行緩存要比上行緩存先可能擁塞。

一旦上行ACK延遲發(fā)送，TCP發(fā)送方就將等待更長(zhǎng)的時(shí)間才滑動(dòng)其傳輸窗口。該機(jī)制為下行緩存脫離擁塞機(jī)制贏得了時(shí)間。同時(shí)，由于ACK的延遲，擁塞窗口的增長(zhǎng)速度也將降低。

2.2.3　窗口調(diào)整

基本思路同快速TCP類似，與延遲ACK不同的是，該方法將降低通知窗口大小，這同樣可以降低傳輸速率。窗口調(diào)整不會(huì)像RED那樣有丟包發(fā)生，因而便不存在無(wú)意識(shí)導(dǎo)致RTO（如同在快速TCP里發(fā)生的那樣）發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。然而，此機(jī)制導(dǎo)致處理負(fù)擔(dān)過(guò)重，因?yàn)榇藭r(shí)TCP報(bào)頭應(yīng)當(dāng)由產(chǎn)生它的網(wǎng)元進(jìn)行修改。此外，使用IPSec協(xié)議時(shí)TCP報(bào)頭被保護(hù)，也不適用。

2.3　數(shù)據(jù)擁塞控制協(xié)議（DCCP）

TCP改進(jìn)算法很難處理大幅增加的UDP業(yè)務(wù)，這些業(yè)務(wù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流同樣需要擁塞控制。而互聯(lián)網(wǎng)電話、視頻流和在線游戲等產(chǎn)生的長(zhǎng)時(shí)間的UDP數(shù)據(jù)量在穩(wěn)定增長(zhǎng)。于是，IETF公布了一個(gè)新的傳輸層協(xié)議草案——數(shù)據(jù)報(bào)擁塞控制協(xié)議（DCCP），它在UDP的基礎(chǔ)上增加了流控和擁塞控制機(jī)制，使數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議能夠更好地用于流媒體業(yè)務(wù)的傳輸。

2.4　頭壓縮技術(shù)

業(yè)務(wù)從傳輸層、IP層、到鏈路層及物理層，每層都會(huì)帶來(lái)額外的協(xié)議開銷。如典型的TCP協(xié)議頭長(zhǎng)20byte，IP協(xié)議頭長(zhǎng)20byte，UDP協(xié)議頭長(zhǎng)8byte。IP包長(zhǎng)480byte。因此，對(duì)于TCP/IP協(xié)議開銷引起的效率降低為8.3%，UDP/IP協(xié)議開銷引起的效率降低為5.8%，可見報(bào)頭引起的開銷并不很小。

為提高傳輸效率，IETF制定了若干頭壓縮機(jī)制，第一個(gè)用于低速系列TCP/IP頭壓縮的IETF建議是由Jacobson開發(fā)的。隨后，Degermark給出了IP頭壓縮算法（IPHC，包括UDP/IP以及TCP/IP），被3GPP標(biāo)準(zhǔn)化后用于WCDMA系統(tǒng)中的PDCP層。較先進(jìn)的頭壓縮技術(shù)還有可靠頭壓縮（ROH C，Robust Header Compression）算法。

3、數(shù)據(jù)鏈路層面優(yōu)化策略

RLC層是數(shù)據(jù)鏈路層的重要功能，旨在為用戶和控制數(shù)據(jù)提供分段和重傳業(yè)務(wù)，其設(shè)置對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體性能（尤其是時(shí)延和吞吐量）影響較大。RLC實(shí)體共有3種操作模式：確認(rèn)模式（AM）、非確認(rèn)模式（UM）和透明模式（TM）。確認(rèn)模式使用選擇重發(fā)ARQ來(lái)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼�確性，該機(jī)制借助于兩個(gè)手段，即探詢（Poll）和狀態(tài)報(bào)告（Status report）。發(fā)送端在協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）中有一個(gè)探詢比特用于探詢鏈路狀態(tài)，接收端根據(jù)接收情況來(lái)設(shè)置探詢比特。若接收端探測(cè)到丟失的PDU，就會(huì)使用狀態(tài)報(bào)告向發(fā)送端報(bào)告哪些幀丟失、哪些幀正常。

應(yīng)當(dāng)精心設(shè)計(jì)探詢和狀態(tài)報(bào)告的頻率，以實(shí)現(xiàn)快速重傳和開銷最小化�？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整一些定時(shí)器的大小來(lái)優(yōu)化狀態(tài)匯報(bào)的頻率，一般認(rèn)為：用于ACK的狀態(tài)匯報(bào)消息所占用帶寬不應(yīng)超出可用帶寬的2%。

此外，RLC層支持順序和無(wú)序傳遞。在很多情況下，高層協(xié)議能重組PDU的順序。只要知道并可控低層的無(wú)序特性，允許使用無(wú)序傳遞能節(jié)省接收端RLC的存貯空間。對(duì)于有些應(yīng)用，尤其是實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)，如果亂序問(wèn)題解決不好，過(guò)多的亂序報(bào)文會(huì)導(dǎo)致很多問(wèn)題。因此3GPP協(xié)議（23.107）規(guī)定，如PDP類型為IPv4或IPv6，RAB/RB QoS的傳輸順序?qū)傩詰?yīng)當(dāng)設(shè)置為“否”。

4、端優(yōu)化策略

移動(dòng)設(shè)備通常受限于屏幕尺寸、解析度以及色澤深度，并且往往是在嘈雜的環(huán)境中進(jìn)行操作。這些因素增大了終端用戶感知壓縮過(guò)程中信息丟失的可能性。此外，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)并不總是清楚信息是傳遞給移動(dòng)設(shè)備還是諸如連接到移動(dòng)設(shè)備的筆記本電腦。因此，有必要使用一些先進(jìn)技術(shù)（如接收分集等）提升終端性能以使用更豐富的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

5、小結(jié)

互聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)的融合極大地影響著WCDMA系統(tǒng)所承載的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)性能，因而擴(kuò)展了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維與優(yōu)化的問(wèn)題域，僅關(guān)注空中接口的性能將很難滿足端到端業(yè)務(wù)的需求。為了保證WCDMA網(wǎng)絡(luò)的端到端業(yè)務(wù)性能，除了傳統(tǒng)的優(yōu)化手段外，有必要針對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)從不同層面調(diào)整端到端傳輸鏈路上的協(xié)議特性。