張 峰 丁 博

1. 中郵建技術(shù)有限公司；2. 張志華博士網(wǎng)優(yōu)工作室

0 引言

隨著近年來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用的快速發(fā)展，用戶對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量愈發(fā)敏感，主要體現(xiàn)在高清視頻播放、網(wǎng)頁(yè)瀏覽、實(shí)時(shí)互動(dòng)游戲等業(yè)務(wù)上。2019 年接到的用戶網(wǎng)頁(yè)打開延遲、視頻播放卡頓、游戲時(shí)延高等問(wèn)題的投訴量較往年呈現(xiàn)大幅度增長(zhǎng)。為了進(jìn)一步提升用戶感知，運(yùn)營(yíng)商一方面開通5G業(yè)務(wù)，提升速率、降低時(shí)延，一方面對(duì)LTE（LongTerm Eveolution 長(zhǎng)期演進(jìn)）網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化提升。截至2019 年下半年，各大運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)網(wǎng)基站傳輸設(shè)備已經(jīng)基本完成支持IPv6 的升級(jí)改造。IPv6 時(shí)代區(qū)別于傳統(tǒng)的射頻信號(hào)質(zhì)量、用戶容量等無(wú)線網(wǎng)優(yōu)手段，增加了基于W-TCP（Wireless-TCP 無(wú)線TCP）代理的功能等諸多優(yōu)化策略。深度挖掘這些策略的潛力，實(shí)現(xiàn)空口下載速率的進(jìn)一步增益，有利于提升用戶體驗(yàn)，為運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)效益。本研究通過(guò)基于IPv6 W-TCP 代理的優(yōu)化方法，對(duì)空口速率無(wú)線優(yōu)化方法論進(jìn)行補(bǔ)充完善，實(shí)踐新的優(yōu)化策略，取得了明顯的成效，并為5G eMBB（5G-Enhance Mobile Broadband 5G-增強(qiáng)移動(dòng)寬帶）場(chǎng)景下的視頻業(yè)務(wù)優(yōu)化提供了可實(shí)踐的參考優(yōu)化方法。

1 W-TCP 代理功能基本算法策略

傳統(tǒng)基于TCP（傳輸控制協(xié)議）的網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量?jī)?yōu)化方法，主要策略是假設(shè)網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境是穩(wěn)定可靠的，這與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定傳輸?shù)膶?shí)際情況不相符合。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境存在多徑傳播造成的瑞利衰落、陰影阻擋、拐角效應(yīng)、空口擁塞等問(wèn)題。在基于TCP 的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化策略中，任何數(shù)據(jù)段的丟失，不區(qū)分是無(wú)線環(huán)境原因還是基站原因，而是都被作為擁塞原因一并處理，處理方法和措施簡(jiǎn)單粗暴，這會(huì)造成大量的數(shù)據(jù)包損失，之后再采取無(wú)線口重傳等收包失敗處理機(jī)制，加劇無(wú)線擁塞，導(dǎo)致無(wú)線傳輸環(huán)境的劣化。

傳統(tǒng)TCP 業(yè)務(wù)如圖1 所示，在eNodeB（基站）上是透?jìng)鞯?，時(shí)延會(huì)受限于報(bào)文消息在空口的傳輸過(guò)程。

圖1 TCP 業(yè)務(wù)建立流程

引入W-TCP 代理后，eNodeB 對(duì)TCP 流初始階段的下行TCP 報(bào)文進(jìn)行代理，對(duì)于Server，eNodeB 代理了UE 的角色。eNodeB收到Server的下行TCP報(bào)文后，代替UE回TCP ACK包，下行TCP 報(bào)文的傳輸時(shí)延減小。對(duì)于UE，eNodeB 代理了Server 的角色。eNodeB 向UE 發(fā)送下行TCP 報(bào)文和處理UE的TCP ACK 包。由于傳輸時(shí)延減小，Server 向eNodeB 發(fā)送數(shù)據(jù)包的速率更快，eNodeB 上數(shù)據(jù)量充足，Server 端和eNodeB端發(fā)送窗口都會(huì)增長(zhǎng)得更快，縮短傳輸時(shí)長(zhǎng)。如圖2 所示。

圖2 引入W-TCP 代理后的業(yè)務(wù)建立流程

IPv6 W-TCP 代理策略將IPv6 的TCP 包加速與W-TCP 代理策略結(jié)合，加速網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)，降低網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延，實(shí)現(xiàn)速度的明顯提升。

主要核心策略如下：

（1） 開 啟W-TCP 加 速 功 能，eNodeB 會(huì) 對(duì)HTTP 或HTTPS 業(yè)務(wù)類型的TCP 流的報(bào)文進(jìn)行代理，提升TCP 流的下載速率。

（2）開啟IPv6 TCP 統(tǒng)計(jì)優(yōu)化功能，eNodeB 在W-TCP 代理功能啟用時(shí)啟動(dòng)TCP 測(cè)量?jī)?yōu)化。

（3）限制最大代理包個(gè)數(shù)，設(shè)置WTCP 代理功能的下行報(bào)文最大代理個(gè)數(shù)，當(dāng)代理的TCP 下行報(bào)文達(dá)到最大代理個(gè)數(shù)后，WTCP 代理會(huì)退出代理狀態(tài)。

（4）啟動(dòng)IPv6 TCP ACK 流控，開啟ACK 限速，有利于避免上行ACK 突發(fā)引起的下行流量突發(fā)，在承載網(wǎng)帶寬緩存受限時(shí)，可以減少流量突發(fā)引起的丟包，提升吞吐率。

（5）啟動(dòng)TPE（TCP Proxy Enhancer，TCP 代理增強(qiáng)器）算法開關(guān)，TPE 算法通過(guò)分裂ACK 提高TCP 業(yè)務(wù)初始階段的速率。

（6）設(shè)置TPE ACK 分裂個(gè)數(shù)，設(shè)置TPE ACK 每次產(chǎn)生AckSplitCount 個(gè)分裂ACK，用于限制過(guò)多TPE ACK 分裂，避免高掉話、丟包。

（7）啟動(dòng)W-TCP 增強(qiáng)策略，進(jìn)一步打開WTCP 開關(guān)，主動(dòng)執(zhí)行判斷UE 窗口大小，避免丟包，當(dāng)且代理回復(fù)ACK丟失后不攔截重傳包的ACK，避免過(guò)多的重傳。

（8）啟動(dòng)RTO 保護(hù)緩存功能，當(dāng)WTCP 緩存包數(shù)達(dá)到該參數(shù)設(shè)置的門限后，WTCP 啟動(dòng)RTO 超時(shí)保護(hù)功能，避免發(fā)生RTO 超時(shí)重傳。

策略核心腳本如下（Python）：

N119. print（"[==>] Received tempincoming connection from PointPA）

N120. #開啟一個(gè)代理線程并設(shè)置主要遠(yuǎn)程通信參數(shù)

N121. proxy_Ture=threading.Ture（target=proxy_1，args=（client_socket， TCPSwitchStatistics = “ON”， TcpTempAccelerationSwitch= “ON”））

N122. proxy_thread.start（）

N123. def main（）：

N124. if len（sys.argv[RtoProtectionBufferThld]）!=2048：

N125. TcpAsSchWeightFactor = 4

N126. print（"Usage： ./proxy. MaxRttStatisticsThd= [int（receive_PointPA）]"）

N127. print（"Example：./proxy.py WtcpEnhancementSwitch =”True"）

N128. #設(shè)置本地監(jiān)聽、保護(hù)參數(shù)

N129. MaxProxyPktNum = { int （sys.argv[1]）

N130. AckSplitCount ={ int （sys.argv[2]）

適用場(chǎng)景：

傳輸網(wǎng)絡(luò)要求：開通站點(diǎn)TCP 層上游丟包率和亂序率較低（建議上游丟包率小于0.1%，上游亂序率小于2%），避免W-TCP 代理功能在高亂序和丟包傳輸網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行TCP 加速，避免吞吐率下降。

重要場(chǎng)景要求：現(xiàn)網(wǎng)不存在與W-TCP 代理功能的RRC重建數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制不兼容的終端設(shè)備，避免引起終端掉話率抬升。如無(wú)法避免終端掉話率抬升問(wèn)題，可使用終端黑名單機(jī)制規(guī)避。要求開通站點(diǎn)RRC 重建比較低（建議小于2%），避免終端在遠(yuǎn)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)過(guò)多，導(dǎo)致誤碼率、掉話率等KPI指標(biāo)惡化。

移動(dòng)性要求：eNodeB 之間配置X2 接口，使W-TCP 在遇到站間切換或重建時(shí)能夠正常轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，避免TCP 丟包斷鏈。不建議在高速小區(qū)等切換頻繁的場(chǎng)景下開通策略，否則頻繁的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)會(huì)較高概率導(dǎo)致TCP 丟包斷鏈。要求是異系統(tǒng)重定向少（建議小于5%）的網(wǎng)絡(luò)，否則系統(tǒng)間移動(dòng)會(huì)較高概率地導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷。要求PDCP 層時(shí)延小于120ms，時(shí)延過(guò)高容易引發(fā)丟包風(fēng)險(xiǎn)。

TCP 協(xié)議兼容性要求：網(wǎng)絡(luò)中除eNodeB 以外，要求網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有部署基于IP 報(bào)文頭中TTL 字段檢測(cè)和丟棄功能的設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)中除eNodeB 以外，要求沒(méi)有部署相關(guān)TCP 優(yōu)化功能的設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)中除eNodeB 以外，要求沒(méi)有部署依賴IP 可選項(xiàng)或者其他非常用TCP 可選項(xiàng)（包括窗口擴(kuò)大因子/最大報(bào)文長(zhǎng)度/選擇性ACK 允許/時(shí)間戳/選擇性ACK/選項(xiàng)表結(jié)束/無(wú)操作之外的選項(xiàng)）的功能設(shè)備。

運(yùn)用本算法策略后，預(yù)計(jì)會(huì)帶來(lái)如下增益與影響：

增益：TCP 業(yè)務(wù)的下載速率主要由傳輸帶寬和時(shí)延決定。在傳輸帶寬穩(wěn)定的情況下，下行TCP 報(bào)文的時(shí)延越小，應(yīng)用服務(wù)器的發(fā)包速率越快，用戶的下載速率越高。引入W-TCP功能后，每個(gè)報(bào)文的時(shí)延減小，前200 個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸速率更快，TCP 流初始階段的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)長(zhǎng)減小。

影響：RRC 重建比例較大的網(wǎng)絡(luò)中，使用本策略后，由于采用RRC 重建數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，提升了重建用戶的數(shù)據(jù)傳輸不中斷體驗(yàn)。同時(shí)，重建用戶一般是遠(yuǎn)點(diǎn)用戶，遠(yuǎn)點(diǎn)用戶的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)長(zhǎng)會(huì)變長(zhǎng)，邊緣用戶數(shù)會(huì)變多，由此引發(fā)的其他KPI指標(biāo)（如掉話率、誤碼率等）可能會(huì)變差。

2 效果驗(yàn)證

目前無(wú)線網(wǎng)絡(luò)影響用戶感知的流量業(yè)務(wù)主要是網(wǎng)頁(yè)瀏覽、視頻流、實(shí)時(shí)游戲，一般實(shí)時(shí)游戲每E-RAB 流量100KB 主要是小包業(yè)務(wù)，網(wǎng)頁(yè)瀏覽每E-RAB 流量在100-2000KB，涉及小、中、大包。視頻流業(yè)務(wù)每E-RAB 流量在1000-2000KB，主要涉及大包。見表1 所示。

表1 主要業(yè)務(wù)類型與E-RAB 包對(duì)應(yīng)關(guān)系

為了精細(xì)化啟用W-TCP 代理策略算法功能后評(píng)估對(duì)空口速率的影響，綜合對(duì)空口下載速率、空口響應(yīng)時(shí)延、TCP 建立時(shí)延、TCP 下行重傳率指標(biāo)分別進(jìn)行效果驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)。結(jié)合某地市普通城區(qū)試點(diǎn)共挑選了1200 個(gè)站點(diǎn)，挑選原則遵循本文上節(jié)介紹的適用場(chǎng)景部分描述。策略執(zhí)行前后一周指標(biāo)對(duì)比如表2 所示。

表2 策略應(yīng)用前后效果對(duì)比（前后各7 天平均）

策略實(shí)施后，驗(yàn)證站點(diǎn)的平均空口下載速率從5.1Mbos提升至5.6Mbps，提升幅度約9.58%，空口響應(yīng)時(shí)延從158ms降低至142ms，降幅約9.68%，TCP 建立時(shí)延從63.7ms 降至51.2ms，降幅約19.6%，TCP 下行重傳率從1.8%降至1.5%，降幅約19.4%。

圖3 策略開啟后空口下載速率對(duì)比

圖4 策略開啟后時(shí)延對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

W-TCP 代理作為提高無(wú)線接入TCP 服務(wù)的新機(jī)制，本策略基于IPv6 W-TCP 包策略的優(yōu)化算法，并引入了前期實(shí)踐驗(yàn)證過(guò)的TCP 包加速改進(jìn)算法，實(shí)施后，能明顯提升空口下載速率，降低空口和TCP 時(shí)延，驗(yàn)證了本策略對(duì)提升用戶體驗(yàn)效果明顯，目前已逐步推廣運(yùn)用。后期將針對(duì)本策略在5G-eMBB 網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下的應(yīng)用效果展開研究，改進(jìn)算法，實(shí)踐出一套適合5G eMBB 等場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化策略。