2024年1月6日发(作者：糜骏桀)
无线环境TCP优化及评估测试
1
新技术介绍
1.1 研究背景和目的
TCP协议：Transmission Control Protocol 传输控制协议TCP是一种面向连接（连接导向）的、可靠的、基于字节流的传输层（Transport layer）通信协议，由IETF的RFC
793说明（specified）。在简化的计算机网络OS或者TCP/IPI模型中，它都完成传输层所指定的功能，它负责对应用层提供服务。TCP应用运行模型如下：
图一、 OSI和TCP/IP模型的传输层
在3G的数据传输网络中主要也是采用中TCP协议来完成数据业务的传输。目前3G无线网络数据处理的机制：NO_DISCARD，最大程度重传，RLC按序发送数据，TCP协议是基于有线网络的协议，其并未考虑现有无线特性。这些机制最终导致与上层TCP超时降低拥塞窗口的机制存在一定的矛盾，很多的情况下，无线侧为了不丢弃数据，无节制的重传最终反而导致TCP的超时。为了解决TCP传输协议在3G无线网络中运用的出现的无线重传超时和TCP抖动问题特做此课题来进行研究如何是TCP协议搞好的在3G无线传输网络中使用。
1.2 实现原理算法功能
首先我们来介绍TCP协议：它提供可靠的连接服务，采用三次握手建立一个连接
第一次握手：建立连接时，客户端发送syn包(syn=j)到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认；SYN：同步序列编号(Synchronize Sequence Numbers)。
第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=j+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；
第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1)，此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，客户端与服务器开始传送数据。
图二、TCP传输数据报文
每个数据报文使用TCP协议传输都要经过上图的传输过程。在无线网络RTT时延会随着信号质量的比较大的波动，因此极易出现TCP超时；切换情况下，RTT会有较剧烈的波动，跨RNC切换存在丢包的特性；因此目前信号质量较差的场景下，数据传输有如下特征：
用户在某个区域信号质量较差(由于信号遮挡的原因)，但是该用户很快的移动出该区域，但是由于前期信号质量差，导致上层TCP认为拥塞减少窗口，导致用户吞吐量并不能及时的恢复；存在较高误码率的情况下，Nodeb有足够的空口资源调度，但是实际上并没有足够的数据量下发，导致用户吞吐量无法达到极致。TCP优化功能主要在RNC解析TCP协议技术，通过监控TCP链路的运行情况进行用户吞吐量的优化，其技术包括：TCP数据包丢失快速重传技术，RLC滑窗加速滑动技术 ，TCP ACK复制技术等等若干技术，提高在无线移动环境下数据吞吐量。
主要流程描述
1. TCP数据包丢失快速重传技术，主要原理描述示意图
图三:快速重传示意图
算法原理：从经典的TCP协议原理来看无线设备是不需要去解析数据的报文内容的，到了设备侧只管转发采用先进先出队列，如果出现丢包需要TCP的接收方和发送方等待TCP定时器超时 之后才向对方去请求在重传一次上一个报文，这样必然增加传输时延。此时我们采用快速重传的话，RNC复制了TCP报文在缓存中当RNC检测到发送方TCP的sn序号不连续就任务发送放到RNC之间丢包直接要求发送方重传，当RNC检测接受方确认SN
不连续认为是RNC 到终端丢包，RNC把缓存中的报文再向终端发送一次。这样可以减少时延。减少时延对提高网络吞吐是很有帮助的。
2. RLC滑动窗口加速技术通过加速下行方向的重传数据和RLC ACK的传递，加速上下行滑动窗口滑动速度，增强上下行吞吐量性能，主要原理描述示意图：
图4：RLC滑动窗口加速技术
滑动窗口是发送方和接受方来协商的最大允许接收和发送数据报文的窗口，在TCP建立之初就要来两端来协商，当在传输过程中出现丢包比较多时了就要协商降低窗口大小，但是如果此时网络不再丢包速率的恢复也比较慢。我们采用RLC滑动窗口加速技术直接给丢包方再重传一次数据报文那么 另一方更本不会检测到网络有丢该也不会降低滑动窗口大小。
3. TCP ACK复制技术，通过在拥塞避免阶段进行TCP Ack复制，增加用户在拥塞避免阶段的吞吐量。
图五：TCP ACK复制
1.3
网管配置描述
开启方法
1、RNC内部TCP优化开关位置：RNC全局资源->RNLU相关配置
图六：TCPack 复制开关
参数说明：TCP ACK复制功能开关：设置为打开后开启TCP ACK复制功能。
2、重定位时邻区所在的RNC的TCP优化开关位置
选中打开了TCP优化的RNC所属的3G外部小区：
图七：重定位TCP优化开关
参数说明：
邻区所在的RNC是否开启TCP优化功能：设置为开启，同时打开该邻区所属RNC内部TCP优化开关，则重定位的时候S侧RNC可以把TCP优化的信息带给D侧RNC。
2
新技术实施方案
2.1 实施场景
在长沙TD网络上打开RNC1792和1798的TCP ACK开关，同时打开下面基站所有小区的邻区TCP优化开关，长沙卓越物业2162PT、长沙凤沅食品长1435PT、长沙市教育局2150PT、长沙金邻小区3栋1单元2266PT、长沙含光路1635PT、观沙岭茶子山2338PT、长沙桔洲移民1259PT、谷峰村1450PT。
在RNC1792和1798的切换边缘地带DT测试，观沙岭茶子山2338PT、长沙凤沅食品长1435PT基站下找弱场做定点CQT测试。
2.2 实施内容
测试分析TCP优化配置对弱场和切换时TCP连接速率的提升效果。选择如下场景做对比测试
弱场下打开TCP优化配置开关对下载速率的影响
同RNC和跨RNC切换时，TCP优化配置对速率的影响。
下载测试文件大小:8M，申请PS384K业务、HSDPA2048K业务。下载完成或掉线后，间隔3分钟进行下一次尝试
1、FTP服务器需具备断点续传功能；2、每次文件必须完整的下载为一个循环；3、每次掉线的应用层速率按照实际传送文件大小计算
测试设备：
鼎利Pioneer3.6.2.2前台测试 1套
TD测试手机 大唐 8130 2部
移动TD测试USIM卡 2张
便携计算机 1台
车载电源 1台
蓝牙GPS 1套
2.3 实施时间
9月13日，上午 9：00-11：00
9月19日，上午9：00-11：00（TCP优化开关打开后）
2.4 实施人员
河西前台优化人员：臧少勇、肖帅帅、向佳
河西后台监控人员：王跃宇
2.5 实施影响及预警预案
测试实施后由于RNC会去检测PS域数据流量中的数据报文而之前的传输方式只是转发而不检测所以打开TCP优化开关后设备的负荷将比原来有一定提高，所以我们在测试时选取的是业务量较少的区域对设备影响不大。
预警预案：在TCP优化参数开关打开之前把数据都要备份指标和告警要求有详细记录。
TCP开关打开后的时间里实时监控设备运行状态，对比如果发现测试区域KPI指标下降或者是设备异常告警将马上恢复原来数据，并提取log给研发分析。
3
测试数据分析
TCP优化由于是对应用层提速所以在后台KPI指标中没有可以量化它的指标，只能从前台应用下载测试来对比效果。
我们分别对河西的测试区域做了对比测试。如下是对比设备地点图。
图八：DT测试线路
CQT测试地点
图九：CQT测试地点
DT测试路线我们选取RNC交汇处，跨RNC切换比较频繁TCP连接波动大。CQT我们选择RSCP在-90db左右，C/I在0左右的弱场地点。
3.1 效果评估
具体测试对比报告如下：
FTP下载测试
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
应用层吞吐量(kbps) 链路层吞吐量(kbps) 链路层平均BLER(%)
测试文件名
DT测试_0913-PS384
DT测试_0919-PS384
DT测试_0913-PS-HS
DT测试_0919-PS-HS
CQT测试_0913-PS384
CQT测试_0919-PS384
CQT测试_0913-PS-HS
CQT测试_0919-PS-HS
HSDPA
1079.68
1080.00
710.00
850.00
R4
342.00
348.00
212.00
243.00
932.00
945.00
HSDPA
1161.45
1150.00
285.00
287.00
R4
364.00
360.00
平均BLER
4.36
4.25
4.36
4.20
9.34
9.25
HSDPA
10.45
10.65
从测试数据表中我们可以发现TCP优化配置对链路层数据的吞吐量基本没有提升，TCP优化主要对应用层的提升比较明显。PS384由于速率小，链路层吞吐量波动不大所以TCP连接抖动有限所以优化提升也不高。在HS高速下载模式下，链路层抖动越大应用层速率提升越明显，在DT测试中覆盖强场中，由于切换时延比较短，抖动的时间比较短对率的影响比较少TCP优化开关作用不明显。在CQT弱场链路层速率抖动很大时TCP优化策略提升非常明显，在场强为-90db左右的弱场下测试中应用层速度提高了17%。此技术只是针对应用层使用TCP协议做传输协议的IP数据传输，对使用UDP做为传输方式的应用没有优化。
4
应用建议和计划
TCP优化课题在PS弱场速率提升上有一定帮助，通过在弱场区域开启TCP优化策略对提升用户感知上有很大帮助。经过长沙河西区域内TCP优化策略发现对其他业务并无影响，设备的负荷也没有明显的提升。
4.1 应用建议
宏站取RRC连接请求小于-90dbm次数占比，占比大于10%的定义为非连续覆盖小区，我们在非连续覆盖小区上开启TCP优化配置策略。
4.2
地市
长沙
湘潭
株洲
岳阳
常德
吉首
张家界
益阳
实施计划
TCP优化开启工作内容
准备及实施完成截止时间
11月9日
11月9日
优化及评估完成截止时间
11月31日
11月31日
11月31日
11月31日
11月31日
11月31日
11月31日
11月31日
1、TCP优化策略开启。
2、完成开启后的监控及测试评估工作。
11月9日
11月9日
11月9日
11月9日
11月9日
11月9日
2024年1月6日发(作者：糜骏桀)
无线环境TCP优化及评估测试
1
新技术介绍
1.1 研究背景和目的
TCP协议：Transmission Control Protocol 传输控制协议TCP是一种面向连接（连接导向）的、可靠的、基于字节流的传输层（Transport layer）通信协议，由IETF的RFC
793说明（specified）。在简化的计算机网络OS或者TCP/IPI模型中，它都完成传输层所指定的功能，它负责对应用层提供服务。TCP应用运行模型如下：
图一、 OSI和TCP/IP模型的传输层
在3G的数据传输网络中主要也是采用中TCP协议来完成数据业务的传输。目前3G无线网络数据处理的机制：NO_DISCARD，最大程度重传，RLC按序发送数据，TCP协议是基于有线网络的协议，其并未考虑现有无线特性。这些机制最终导致与上层TCP超时降低拥塞窗口的机制存在一定的矛盾，很多的情况下，无线侧为了不丢弃数据，无节制的重传最终反而导致TCP的超时。为了解决TCP传输协议在3G无线网络中运用的出现的无线重传超时和TCP抖动问题特做此课题来进行研究如何是TCP协议搞好的在3G无线传输网络中使用。
1.2 实现原理算法功能
首先我们来介绍TCP协议：它提供可靠的连接服务，采用三次握手建立一个连接
第一次握手：建立连接时，客户端发送syn包(syn=j)到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认；SYN：同步序列编号(Synchronize Sequence Numbers)。
第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=j+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；
第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1)，此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，客户端与服务器开始传送数据。
图二、TCP传输数据报文
每个数据报文使用TCP协议传输都要经过上图的传输过程。在无线网络RTT时延会随着信号质量的比较大的波动，因此极易出现TCP超时；切换情况下，RTT会有较剧烈的波动，跨RNC切换存在丢包的特性；因此目前信号质量较差的场景下，数据传输有如下特征：
用户在某个区域信号质量较差(由于信号遮挡的原因)，但是该用户很快的移动出该区域，但是由于前期信号质量差，导致上层TCP认为拥塞减少窗口，导致用户吞吐量并不能及时的恢复；存在较高误码率的情况下，Nodeb有足够的空口资源调度，但是实际上并没有足够的数据量下发，导致用户吞吐量无法达到极致。TCP优化功能主要在RNC解析TCP协议技术，通过监控TCP链路的运行情况进行用户吞吐量的优化，其技术包括：TCP数据包丢失快速重传技术，RLC滑窗加速滑动技术 ，TCP ACK复制技术等等若干技术，提高在无线移动环境下数据吞吐量。
主要流程描述
1. TCP数据包丢失快速重传技术，主要原理描述示意图
图三:快速重传示意图
算法原理：从经典的TCP协议原理来看无线设备是不需要去解析数据的报文内容的，到了设备侧只管转发采用先进先出队列，如果出现丢包需要TCP的接收方和发送方等待TCP定时器超时 之后才向对方去请求在重传一次上一个报文，这样必然增加传输时延。此时我们采用快速重传的话，RNC复制了TCP报文在缓存中当RNC检测到发送方TCP的sn序号不连续就任务发送放到RNC之间丢包直接要求发送方重传，当RNC检测接受方确认SN
不连续认为是RNC 到终端丢包，RNC把缓存中的报文再向终端发送一次。这样可以减少时延。减少时延对提高网络吞吐是很有帮助的。
2. RLC滑动窗口加速技术通过加速下行方向的重传数据和RLC ACK的传递，加速上下行滑动窗口滑动速度，增强上下行吞吐量性能，主要原理描述示意图：
图4：RLC滑动窗口加速技术
滑动窗口是发送方和接受方来协商的最大允许接收和发送数据报文的窗口，在TCP建立之初就要来两端来协商，当在传输过程中出现丢包比较多时了就要协商降低窗口大小，但是如果此时网络不再丢包速率的恢复也比较慢。我们采用RLC滑动窗口加速技术直接给丢包方再重传一次数据报文那么 另一方更本不会检测到网络有丢该也不会降低滑动窗口大小。
3. TCP ACK复制技术，通过在拥塞避免阶段进行TCP Ack复制，增加用户在拥塞避免阶段的吞吐量。
图五：TCP ACK复制
1.3
网管配置描述
开启方法
1、RNC内部TCP优化开关位置：RNC全局资源->RNLU相关配置
图六：TCPack 复制开关
参数说明：TCP ACK复制功能开关：设置为打开后开启TCP ACK复制功能。
2、重定位时邻区所在的RNC的TCP优化开关位置
选中打开了TCP优化的RNC所属的3G外部小区：
图七：重定位TCP优化开关
参数说明：
邻区所在的RNC是否开启TCP优化功能：设置为开启，同时打开该邻区所属RNC内部TCP优化开关，则重定位的时候S侧RNC可以把TCP优化的信息带给D侧RNC。
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新技术实施方案
2.1 实施场景
在长沙TD网络上打开RNC1792和1798的TCP ACK开关，同时打开下面基站所有小区的邻区TCP优化开关，长沙卓越物业2162PT、长沙凤沅食品长1435PT、长沙市教育局2150PT、长沙金邻小区3栋1单元2266PT、长沙含光路1635PT、观沙岭茶子山2338PT、长沙桔洲移民1259PT、谷峰村1450PT。
在RNC1792和1798的切换边缘地带DT测试，观沙岭茶子山2338PT、长沙凤沅食品长1435PT基站下找弱场做定点CQT测试。
2.2 实施内容
测试分析TCP优化配置对弱场和切换时TCP连接速率的提升效果。选择如下场景做对比测试
弱场下打开TCP优化配置开关对下载速率的影响
同RNC和跨RNC切换时，TCP优化配置对速率的影响。
下载测试文件大小:8M，申请PS384K业务、HSDPA2048K业务。下载完成或掉线后，间隔3分钟进行下一次尝试
1、FTP服务器需具备断点续传功能；2、每次文件必须完整的下载为一个循环；3、每次掉线的应用层速率按照实际传送文件大小计算
测试设备：
鼎利Pioneer3.6.2.2前台测试 1套
TD测试手机 大唐 8130 2部
移动TD测试USIM卡 2张
便携计算机 1台
车载电源 1台
蓝牙GPS 1套
2.3 实施时间
9月13日，上午 9：00-11：00
9月19日，上午9：00-11：00（TCP优化开关打开后）
2.4 实施人员
河西前台优化人员：臧少勇、肖帅帅、向佳
河西后台监控人员：王跃宇
2.5 实施影响及预警预案
测试实施后由于RNC会去检测PS域数据流量中的数据报文而之前的传输方式只是转发而不检测所以打开TCP优化开关后设备的负荷将比原来有一定提高，所以我们在测试时选取的是业务量较少的区域对设备影响不大。
预警预案：在TCP优化参数开关打开之前把数据都要备份指标和告警要求有详细记录。
TCP开关打开后的时间里实时监控设备运行状态，对比如果发现测试区域KPI指标下降或者是设备异常告警将马上恢复原来数据，并提取log给研发分析。
3
测试数据分析
TCP优化由于是对应用层提速所以在后台KPI指标中没有可以量化它的指标，只能从前台应用下载测试来对比效果。
我们分别对河西的测试区域做了对比测试。如下是对比设备地点图。
图八：DT测试线路
CQT测试地点
图九：CQT测试地点
DT测试路线我们选取RNC交汇处，跨RNC切换比较频繁TCP连接波动大。CQT我们选择RSCP在-90db左右，C/I在0左右的弱场地点。
3.1 效果评估
具体测试对比报告如下：
FTP下载测试
序号
1
2
3
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5
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7
8
应用层吞吐量(kbps) 链路层吞吐量(kbps) 链路层平均BLER(%)
测试文件名
DT测试_0913-PS384
DT测试_0919-PS384
DT测试_0913-PS-HS
DT测试_0919-PS-HS
CQT测试_0913-PS384
CQT测试_0919-PS384
CQT测试_0913-PS-HS
CQT测试_0919-PS-HS
HSDPA
1079.68
1080.00
710.00
850.00
R4
342.00
348.00
212.00
243.00
932.00
945.00
HSDPA
1161.45
1150.00
285.00
287.00
R4
364.00
360.00
平均BLER
4.36
4.25
4.36
4.20
9.34
9.25
HSDPA
10.45
10.65
从测试数据表中我们可以发现TCP优化配置对链路层数据的吞吐量基本没有提升，TCP优化主要对应用层的提升比较明显。PS384由于速率小，链路层吞吐量波动不大所以TCP连接抖动有限所以优化提升也不高。在HS高速下载模式下，链路层抖动越大应用层速率提升越明显，在DT测试中覆盖强场中，由于切换时延比较短，抖动的时间比较短对率的影响比较少TCP优化开关作用不明显。在CQT弱场链路层速率抖动很大时TCP优化策略提升非常明显，在场强为-90db左右的弱场下测试中应用层速度提高了17%。此技术只是针对应用层使用TCP协议做传输协议的IP数据传输，对使用UDP做为传输方式的应用没有优化。
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应用建议和计划
TCP优化课题在PS弱场速率提升上有一定帮助，通过在弱场区域开启TCP优化策略对提升用户感知上有很大帮助。经过长沙河西区域内TCP优化策略发现对其他业务并无影响，设备的负荷也没有明显的提升。
4.1 应用建议
宏站取RRC连接请求小于-90dbm次数占比，占比大于10%的定义为非连续覆盖小区，我们在非连续覆盖小区上开启TCP优化配置策略。
4.2
地市
长沙
湘潭
株洲
岳阳
常德
吉首
张家界
益阳
实施计划
TCP优化开启工作内容
准备及实施完成截止时间
11月9日
11月9日
优化及评估完成截止时间
11月31日
11月31日
11月31日
11月31日
11月31日
11月31日
11月31日
11月31日
1、TCP优化策略开启。
2、完成开启后的监控及测试评估工作。
11月9日
11月9日
11月9日
11月9日
11月9日
11月9日