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大唐移动无线TCP优化技术，解除TD-SCDMA数据束缚

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引言：

中国移动现有TD-SCDMA用户中，有很大一部分是数据卡用户，手机用户中相当高比例的用户有数据业务使用需求，因此拓展TD-SCDMA用户量及业务收入的一个基础条件就是TD-SCDMA网络建设和部署能够保证终端用户使用数据业务的完美体验。

目前中国移动国内TD-SCDMA网络还没有达到100%完全无缝覆盖，各地TD-SCDMA现网中有大量区域的没有经过很好的规划完善和网络优化，存在着大量的弱信号覆盖和强干扰的区域。移动用户使用TD-SCDMA终端进入这些区域时，在使用数据业务过程中会发生传输速率陡降、速率不稳定甚至断线的情况。这给终端用户的数据业务体验带来了困扰，让TD-SCDMA用户感知体验较差，从而对网络的满意度大大降低，引发投诉，这也成为中国移动进一步拓展TD-SCDMA用户的一大阻碍。

大唐移动针对现网弱覆盖、强干扰区域数据业务体验下降的问题进行了专项技术攻关，提出在RNC侧实施TCP传输功能优化的解决方案，并在浙江移动金华现网进行了规模验证，确认对TD-SCDMA现网数据业务的性能有显著的改善和提升。

TCP协议概述

标准定义

TCP即Transmission Control Protocol（传输控制协议），是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，在OSI基础网络模型中，TCP完成传输层所指定的功能，由IETF的RFC 793定义。

图一 TCP协议在OSI网络模型中的位置

在Internet网络上TCP协议有广泛的应用，主要提供进程间的通信机制，处理端到端的差错控制和流量控制，保证数据传输的可靠性。

基本工作原理

网络通信中，应用层向传输层发送用于网间传输的数据流，然后传输层的TCP协议按照数据链路层的最大传送单元（MTU）的设置，将数据流封装成一个或数个数据包报文，之后TCP将数据包传给网络层，由网络层的IP协议将包传送给接收端的TCP层。

TCP交互中，为了保证通信过程中不发生丢包，传送过程中会对数据包编上序号，并保证传送到接收端的数据包的按序接收；接收端对已成功收到的数据包回发一个确认(ACK)；如果发送端发出数据包后，在预期的时间段(RTT)内未收到确认，那么TCP就认为该数据包丢失，并启动重传机制。

接收到数据包后，TCP采用校验和函数来检验数据传送过程中是否有错误，在发送和接收时都要计算校验和，如果校验错误，TCP也会发起重传。

图二 TCP通信的三步握手机制

可靠性机制

TCP通信的三步握手机制通过以下手段确保数据包准确及时的从发送端传送到接收端：

当发送端的TCP发出一个数据包后，会启动一个定时器（协商好的时间段），等待接收端返回正确接收到数据包的确认信息，如果不能及时收到确认，TCP就会启动重传机制，重新发送这个数据包；

采用端到端的校验和方式（数据包首部和数据的校验和）确保数据包的准确性，如果收到的数据包的校验和有差错，TCP将丢弃这个数据包，并且不会给出确认信息返回；

数据包传送中有可能失序，因此TCP会对收到的数据包进行排序重组，将正确的数据流发给应用层；

对于重复收到的数据包，TCP会丢弃重复的数据包；

TCP连接采用缓冲空间协商的方式提供流量控制，接收端的TCP只允许发送端传送本端缓冲区所能接纳的数据，这可以防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出。

无线TCP传输分析

无线链路特征

TCP通信交互中采用流量控制机制和资源分配策略都有默认的前提：假定底层的物理媒质是高度可靠的，数据传输的可靠性相对较高。这一前提在有线网络中可以充分保证，但对于无线网络基本不适应，因此在无线通信网络中，TCP的相关机制和策略并不一定适用有效。

无线通信链路数据传输的特点是带宽较低、误码率较高，且传输过程易受其他信号干扰、多径传播衰减的影响。无线信道的通信行为和特性会随时间、地理位置、环境而发生随机变化，无线链路层的差错控制对包一级的QoS的影响也是随时间变化的。

无线TCP分析

无线网络环境存在着误码率高、传输带宽低、移动性及终端供电有限等特点，使得原本为固定主机、有线网络设计的TCP协议在这种环境下出现了很多不适应的问题，缺陷主要表现在以下几个方面：

在包含有线网络和无线网络的端到端环境中缺乏有效的错误检测机制。通过校验或超时未接到确认，TCP只能检测到发生了错误，即有数据包被丢弃，而无法检测出错误的性质。TCP对检测到的错误，均假设丢包由于网络拥塞造成。这种假设对于有线网络是成立的，但对无线网络环境不适用；

缺乏有效的错误恢复机制。一旦检测出丢包，TCP便触发拥塞控制处理过程，首先重传未被确认的包，减小拥塞窗口从而降低发送速率；然后激活拥塞控制机制，包括超时指数回退、减小慢启动阈值；最后进入拥塞避免阶段以确保拥塞得以解除。如果丢包是由于无线网络的误码率高或者移动设备切换的原因发生的，而不是网络的拥塞，那么TCP的这种错误恢复机制会导致协议性能下降，包括吞吐量的下降和延迟的增加；

在无线环境下，移动终端可用带宽较有线网络低，从而使得TCP源端的发送速率受到限制，使其用较小的拥塞窗口发送数据。这种情况下，一旦有数据包丢失，发送端不能收到足够多的确认数据包从而触发快速重传，而只能通过超时机制恢复，因而降低了可用带宽的使用效率并且增加了延迟；

由于缺乏有效的错误检测和恢复机制，TCP在无线环境下的能量使用效率也不高。例如，当无线链路上发生了不频繁的随机短暂突发性错误时，TCP源端便降低其拥塞窗口，之后随着无线传输的改善，TCP很保守地逐步增加拥塞窗口的大小。在拥塞窗口缓慢地膨胀过程中，无错传输的机会便被浪费了，并且增加了通讯时间。当错误持续时间较长（例如衰减信道、链路频繁的突发性错误、网络拥塞）时，TCP发送端尽管降低了其拥塞窗口大小，但仍然在反复尝试发送数据，造成更多数据包的丢失。尽管吞吐量会有所增加，但是却消耗了更多的能量，降低了能量使用的效率。也就是说，在有线/无线综合的异质网络环境中，当需要TCP回退更多时，TCP没有这样操作；而不需要时它却这样做了。

综上，在有线网络中表现尚佳的TCP缺乏网络自适应性，在无线链路中并不能取得很好的运行性能，这主要是由于在有线网络中认为链路是相当可靠的，而这一假定的前提在无线网络中并不成立，即无线网络中报文的丢失或时延在很大程度上是由于无线链路本身传输的特性所造成，如噪声的突发性、干扰、频谱有限、高误码率等。

当传统的基于有线的TCP协议应用于无线链路时，可能会导致通信性能严重降低，因此有必要通过引入一些技术来改善和提高无线网络的TCP性能，这对于无线网络的数据业务感知具有十分重要的意义。

TD-SCDMA网络TCP传输分析

在TD-SCDMA网络端到端的数据业务使用过程中，传统TCP传输的不适应性主要表现在以下方面：

无线环境中链路状况发生突变时，TCP会发起慢启动和拥塞避免过程，降低业务服务器的数据发送速率；

当空口环境变好时，慢启动和拥塞避免过程往往并不能及时结束，服务器的数据发送速率不会很快提高上来，会出现无TCP数据传输的情况，从而使得端到端的传输效率变得低下。

图三 TCP慢启动和拥塞避免过程

无线环境的时刻变化，导致无线链路的TCP频繁的进入慢启动和拥塞避免过程，同时这一过程需要较长时间才能恢复，这不可避免的影响到TD-SCDMA终端用户的数据业务体验和感知。

大唐移动无线TCP优化解决方案

图四无线TCP优化方案评估

针对前面关于TCP在无线环境中传输存在的缺陷，可以从多方面进行优化，根据其效能和可操作性进行评估，如下所列：

采用3GPP技术：考虑到无线链路自身的特点，采用现有3GPP的技术（如HSDPA/HSUPA、HSPA+等），尽量提高其空口传输的数据完整性和可靠性，对TCP性能提升有限；

TCP分段连接方案：RNC侧增加TCP代理，把TCP连接的无线部分和有线部分分开，以屏蔽无线侧的高时延高误码等传输特性；

改进移动协议：减少移动终端切换时延，对TCP性能提升有限；

改进目前的TCP协议：RNC与NodeB网元不需要做任何处理。由于涉及UE和服务器端TCP实现修改，可操作性不强。

无线TCP优化方案评估

TCP分段连接方案

TCP分段连接方案通过在RNC侧增加TCP 代理功能，向服务器屏蔽无线环境传输特性差异，通过RNC缓存数据，并根据空口质量向终端以尽可能快的速度发送数据，最大限度的利用空口传输带宽。

RNC中增加TCP代理后，用户业务TCP数据流如下图所示。

图五 TD-SCDMA网络中的TCP传输

TCP分段连接方案充分考虑无线环境下TCP传输的特点，将原来端到端的包含有线、无线两种传输介质的异质网络分为两段，充分利用TCP在有线网络上的传输优势，并显著改善无线部分的缺陷：

将正常的服务器端和UE端的TCP连接分为两段：一段连接服务器端和RNC，另一段连接RNC和UE。从而对服务器端屏蔽无线网络空中接口的传输特性；

方案中服务器端和RNC之间使用标准的TCP连接；在RNC和UE之间则使用改进的TCP连接，以增强在无线环境中的传输性能。

图六 RNC采用TCP Proxy的TCP分段连接方案

通过在RNC上设置TCP代理，在RNC与用户终端间采用改进的TCP连接，可以实现对接收确认ACK数据包的复制和组装、数据包的本地缓存和重传等功能，从而降低重传时间和重传次数，加速拥塞窗口增长，避免由于无线环境变化进入拥塞限流（慢启动或窗口减半），最终显著改善无线TCP传输性能。

无线TCP性能增强原理

大唐移动无线TCP优化技术采用TCP分段连接方案，在RNC上增加TCP代理功能，从链路层RLC增强、分裂TCP两方面多维度技术改进并提升TCP在TD-SCDMA移动通信系统中的传输性能。

RLC增强(链路层技术)

RLC传输纠错：RNC采用多种数据纠错技术和机制，尽量避免将错误数据直接传送至接收端；

RLC可靠传输：RNC采用可靠传输技术，保证空口传输数据的可靠性，避免丢包；

RLC ACK优先发送：无线传输的上行通道吞吐量可以得到有效放大，否则上行方向RLC窗口滑动速度变慢，影响TCP性能；

RLC重传数据包优先发送：放大无线传输上行通道吞吐量。当下行丢失数据包时，丢失数据包如不能及时重发，下行RLC窗口滑动速度变慢。

分裂TCP(分段连接技术)

TCP连接识别：RNC分析PS域数据流，根据TCP连接类型分配资源：

TCP数据流缓存：RNC根据无线传输时延和用户申请业务带宽，结合每用户负荷，分配缓冲区大小；

生成ACK确认：对服务器端及时回复确认，触发快速传送；

服务器端发送控制：对服务器端提供上行确认，确保RNC侧缓存不会发生溢出；

TCP数据本地重传：对于无线空口的丢包，从RNC本地缓存数据中进行重传，数据无损到达终端后才删除本地缓存对应内容；

抑制重复ACK：丢弃重复的丢包ACK信息，避免触发服务器端的拥塞避免机制；

RLC调度速率及缓冲队列长度：根据无线带宽自动调整；

TCP proxy控制块释放：根据服务器端和终端的状态，及时释放控制块及缓存资源；

切换至不支持TCP优化功能的小区：通知释放TCP代理功能，按照正常模式进行切换，不会影响终端的切换时延；

无损重定位：TCP代理接到指示，停止向服务器端发送确认ACK，将缓存数据全部发至终端后，再发起重定位过程，需要核心网也支持无损重定位；

跨系统2G/3G切换：TCP代理接到指示，将缓冲区数据将至0，发起切换流程。

大唐移动无线TCP优化技术优势

大唐移动通过对无线通信系统TCP性能的研究，创造性的提出TCP分段连接的无线TCP优化技术，并结合TD-SCDMA系统传输特点针对TCP协议进行了优化和改进，可以避免由于无线环境变化而进入拥塞限流，从而大大提高TD-SCDMA系统无线TCP传输的性能：

无线信道改善时，通过对接收到的终端发送的TCP ACK的复制，加速服务器端TCP拥塞控制窗口的增长；

当上下行同时存在数据传输时，根据接收到的RLC ACK来组装上行TCP ACK，加速服务器端发送窗口的及时滑动；

TCP数据在服务器端到RNC间丢失时，通过RNC自行触发ACK以请求重传，这样会比通过终端的DupACK触发数据重传快速很多；

RNC支持空口数据包丢失情况下的本地重传，降低重传时间；

无需对终端、基站、核心网设备进行改造，即可显著改善TCP传输特性，提升终端用户的业务体验。

浙江金华现网"无线TCP优化"性能验证

中国移动2010年TD-SCDMA扩容工程非常关注能够改善TD-SCDMA用户业务体验和感知领域的创新技术，针对TD-SCDMA用户在现网部分弱覆盖、强干扰区域内的数据业务速率降低的情况，大唐移动推出无线TCP优化技术解决这一问题，显著改善这部分用户的感知和体验。

2010年11月，大唐移动与浙江移动省公司及金华分公司协作，在金华城区TD-SCDMA现网中对"无线TCP优化"技术进行测试验证。

金华测试主要针对大唐移动TD-SCDMA系统的TDR3000设备在关闭和开启TCP优化功能前后，单用户、多用户在静态、运动以及切换场景下使用HTTP访问网页、FTP下载等数据业务时，监测TCP传输性能及数据传输时延的变化，以及对现网KPI的影响。

通过对不同无线环境和不同业务场景下对TCP承载的各类数据业务性能提升情况的比对、对现网KPI影响的比对及需要增加的相关系统资源量需求的比对。检验TCP优化技术对于带宽利用率、系统性能等方面的提升水平，根据测试结果进行评估，促进TCP优化技术的推广和普及应用。

测试区域场景

经过金华移动TD-SCDMA网优专家和大唐移动技术人员针对测试需求进行详细分析，本次测试需要选择有弱信号覆盖和强干扰的区域环境。

结合金华TD-SCDMA现网情况，测试项目组精心选择了测试在江南区和江北区交界的一片区域内进行，该区域属于密集城区，其中有地下隧道的弱信号覆盖场景和部分强干扰场景，满足技术验证需求。

测试区域场强分布图

测试区域站点地理图

测试区域小区信息：

表一测试区域小区信息表

定点测试中分别有近点和远点两个场景。

定点测试近点全景图和位置图：

近点全景图（照片中可以看到基站天线）

近点在全网位置关系图

定点测试远点全景图和位置图：

远点全景图

近点在全网位置关系图

测试过程及手段

无线TCP优化测试主要针对以下两种场景进行测试：

定点测试

包括单用户/多用户执行FTP下载、HTTP网页打开等数据业务，近点、远点测试均安排在金华化肥厂1小区。

移动/切换测试

在若干个小区内部移动，车速50公里/小时左右。测试地点在金华市化肥厂1小区/2小区/3小区、洪源村委1小区/2小区和人力资源市场1小区/2小区等。

测试终端选用联芯8142和重邮360，以及三星H128、ZTE MU350、ASB T920等商用数据卡进行测试，另外还选用支持HSPA功能的TD路测系统进行数据采集和分析。

测试主要针对打开/关闭TCP优化功能时，单用户/多用户在进行多次数据业务时的相关指标情况：

在小区近点/远点FTP下载数据速率比对；

在小区近点/远点FTP上传/下载数据速率比对；

多用户在运动状态/切换过程中FTP下载数据速率比对；

多用户HTTP网页打开速度比对；

对于不同大小数据包，Ping时延比对；

多用户在小区近点/远点FTP下载数据对于DSP占用率比对；

对于现网KPI的影响情况。

测试结果统计

金华移动及大唐移动测试项目组成员配合，经过两周的紧张测试，顺利的完成了各项测试用例。测试结果统计如下：

表二测试结果统计

在金华移动TD-SCDMA现网的二周左右的测试过程中，测试区域内的网络KPI指标没有发生显著恶化。

无线TCP优化应用部署分析

现网验证结论

从金华测试结果可知，对于当前TD-SCDMA网络主要的无线数据业务，如数据下载和网页浏览等，在RNC上开启使用TCP优化技术，对于数据业务体验相关的时延及速率等性能指标上都有非常明显的提高，尤其是对于中国移动关注的具有高附加值的数据下载业务，速率提升幅度达到一倍以上。

更为关键的是，无线TCP优化技术的使用，将极大的减少无线环境波动对于用户感知造成的干扰，譬如：多个用户同时下载数据，RNC开启TCP优化功能，在小区近点、远点的数据业务用户的平均传输速率分别为247kbps和278.40kbps，速率差别相当小，而不开启TCP优化功能的近点、远点平均传输速率分别为234.4kbps和162.53kbps，有显著差别。

无线环境下，用户的移动导致终端在小区间切换是不可避免的，从前述测试数据可知，RNC开启TCP优化功能对比不开启的情况，切换场景下用户下载数据的平均速率可以提高30%-50%。对用户使用数据业务的感知而言，面对一个平稳且较高的速率体验和面对一个大幅跳变的速率体验，其直观感知的差距是显而易见的。

从金华现网测试结果来看，也暴露了无线TCP优化功能尚存在一些不足，譬如对于同时下载、上传数据及打开网页浏览（上行有一定的数据量）等诸如此类的业务，无线TCP优化功能的提升效果就不如单纯的数据下载那么明显。

另外由于RNC上无线TCP优化功能的开启，业务处理板卡的处理负荷提高，CPU占用率增加了约8%，此项功能的实际部署时，对于RNC业务处理板卡的配置计算方法要加以调整，增配部分RNC业务处理板卡，满足该功能上线后负荷增加的需要。

现网改造需求的分析

系统网络设备改造（硬件）：无

终端改造要求（硬件）：无

TD接入网功能要求（软件）： RNC系统需支持

终端侧功能要求（软件）：无

跨厂家设备兼容性（软、硬件）：标准接口，无影响

2/3G兼容性要求（软硬件及功能）：不涉及

在网设备支持情况：需升级RNC版本，并开启功能

技术引入成本分析