基于TCP的微波回程鏈路自適應優化技術研究

廖俊鋒+朱曉光+周文端

由于微波的方便部署和低成本，使得越來越多的移動回程網通過微波傳輸實現。為了提高微波回程鏈路的傳輸性能，通過對誤碼率的性能統計，提出了相關TCP優化參數、自適應優化架構和處理方法，從而改善微波傳輸的高誤碼特性，提升移動網絡系統的穩定性。

微波 回程鏈路 TCP 自適應優化

Research on Adaptive Optimization Technology of Microwave Backhaul Link

Based on TCP

LIAO Jun-feng， ZHU Xiao-guang， ZHOU Wen-duan

（Zhongxing Telecommunication Equipment Corporation， Shenzhen 518057， China）

Because of the convenient deployment and low cost of microwave， more and more mobile backhaul networks are achieved by microwave transmission. In order to enhance the transmission performance of microwave backhaul link， the TCP optimization parameters， adaptive optimization framework and processing method are proposed through the performance statistics on the bit error rate， which improves the high bit error performance of microwave transmission and enhances the stability of mobile network system.

microwave backhaul link TCP adaptive optimization

1 概述

近年來，移動通信服務飛速發展并在世界范圍得到廣泛普及。以國內為例，截止到2013年6月底，移動通信用戶數達11.8億。移動通信技術演進也從基于電路域的2G技術到基于電路域和分組域的3G技術，再到當前完全基于分組域的移動寬帶LTE技術，以滿足移動用戶對移動業務，尤其是對當前移動互聯網服務的迫切需求，因此移動運營商分別部署了從2G到3G再到LTE的網絡，基站數量猛增。以中國移動TD-SCDMA基站數量為例，經歷五期建設后已達到29萬個，預計2014年將達到40萬個，但這僅僅是其2G網絡覆蓋的60%的區域。

移動通信網絡部署如圖1所示。由分布多個不同覆蓋區域的基站通過回程網連接到匯聚網元，如2G系統中，多個BTS（Base Transceiver Station，基站收發臺）通過回程網匯聚到BSC（Base Station Controller，基站控制器），BSC再與核心網通訊；3G系統中，多個Node B通過回程網匯聚到RNC（Radio Network Controller，無線網絡控制器），RNC再與核心網通訊；LTE系統中，多個eNodeB通過回程網匯聚到核心網。回程網可以通過有線作為傳輸鏈路傳送通訊數據（如光纖或電纜），也可以通過無線作為傳輸鏈路傳送通訊數據（如微波），或者一部分無線和一部分有線混合方式作為傳輸鏈路。

圖1 移動通信網絡部署

針對移動運營商選擇微波方式作為回程網傳輸鏈路，一方面受網絡部署的客觀地理因素影響，如海島、河流或山川等地區，架設電纜和光纜比較困難；另一方面受網絡部署的主觀成本因素影響，移動基站站址選擇后，架設光纜成本高于微波，如農村和城市郊區等。然而，微波傳輸系統也有其缺點，微波傳輸屬于無線傳輸，有無線傳輸的一些弱點，如微波不能被阻擋、易受干擾、衰落和反射等因素的影響導致高誤碼率等，其信號質量不如電纜和光纜傳輸那樣穩定易受控制，在極端天氣情況下微波傳輸的誤幀率（FER）超過5%，遠大于有線網絡的0.1%誤幀率。因此，相比有線網絡來說，微波構建的網絡有其特有的鏈路特性。

基于微波傳輸的回程網與有線網絡類似，可以采用傳統的TCP算法。本文針對微波回程鏈路傳輸高誤碼率特性，提出基于TCP的自適應優化技術以滿足微波回程傳輸環境，并根據誤碼率數據統計自動調整優化參數。

2 微波回程鏈路的TCP優化參數

TCP即傳輸層協議，對應OSI中的傳輸控制層。與UDP不同，它提供的是一種面向連接的、可靠的字節流服務，保證了數據傳輸的可靠性。TCP層實現數據可靠傳輸是通過復雜嚴密的算法來保證的，如采用滑動窗口、超時重傳、擁塞控制等機制，并通過對應的滑動窗口、慢啟動算法與擁塞控制、快速重傳與快速恢復、RTO（Retransmission Time Out，重傳超時時間）等算法來實現網絡吞吐量的最大化。根據OSI分層原則，TCP層須對等通信，盡管TCP協議層并不需要了解底層的網絡環境，但要通過底層的IP層、物理層等協議層來實現，因此TCP的性能不可避免地受到底層鏈路特性的影響。

微波回程鏈路的高誤碼率對TCP性能的影響有：高誤碼率導致的丟幀會使TCP層認為網絡發生了擁塞而啟動嚴厲的慢啟動算法來降低吞吐量，從而無法利用微波提供的傳輸帶寬；快速啟動和快速重傳算法是假設收到連續3個重復ACK后，判斷存在丟包，這個假設很符合微波傳輸高誤碼率場景，因此這兩種算法可以應用在基于微波傳輸的回程網；持續的較高的誤碼率將導致TCP頻繁拆建，而每次TCP拆建都會導致應用報文被丟棄，并要求應用重新發送應用報文，因此高誤碼率情況下需要盡量避免TCP的頻繁拆建。endprint

高誤碼率的微波回程鏈路對TCP參數影響較大，因此需要優化TCP參數。表1羅列了高誤碼率微波回程鏈路的TCP參數優化。

3 基于TCP的微波回程鏈路的自適應優化

微波回程鏈路的TCP參數優化主要依據的性能數據是微波傳輸鏈路的誤碼率，而自適應優化是在無人為干預的情況下，根據誤碼率的變化自動優化TCP參數，提高微波回程鏈路的傳輸性能。

基于TCP的微波回程鏈路的自適應優化架構如圖2所示。為了降低基站的性能統計參數處理負荷（如果基站負荷可以承擔，也可以把自適應算法分布部署到基站上控制，圖2中以部署在操作維護中心O&M上進行自適應），基站將性能參數上報到O&M，O&M根據優化策略（算法）對每個基站的誤碼率統計并集中實施TCP參數優化控制，每個基站對TCP參數進行功能控制。由于每個基站的微波回程傳輸環境不同，因此每個基站的微波傳輸的TCP參數也不同。即使同一個基站，在不同時間段其微波回程傳輸環境也不同，所以需要O&M根據誤碼率定期優化TCP參數。

微波回程鏈路的TCP參數自優化處理過程如圖3所示。基站統計微波鏈路的誤碼率并通過南向接口上報到O&M的性能管理，由性能管理根據優化策略算法對TCP參數進行優化處理，并同步到O&M的配置管理數據庫，由配置管理將TCP優化參數同步到對應基站，形成一個TCP參數的閉環優化處理過程。

圖3 微波回程鏈路的TCP參數自優化處理

4 系統模擬數據對比

4.1 實驗室模擬的對比驗證

針對上述自優化方法，在實驗室中采用CDMA基站系統進行實驗驗證，具體驗證方案和對比數據包括：回程傳輸鏈路采用E1鏈路，誤碼情況通過各種粒度以及包長進行模擬，如粒度從0.000 1s到2.5s，應用包長從100Byte到2 000Byte。結果好壞對比是根據數據同步成功率來判斷。

為了簡化說明各誤碼情況，只取一組數據進行說明，具體如表2所示：

表2 TCP參數優化前后對比序

號 誤碼

場景 優化前 優化后

誤

碼

率 數據同步成功率/% 誤幀率/% 數據同步成功率/% TCP優化確定的主要參數情況

最小cwnd/Byte MTU/Byte RTO是否指數退避 TCP斷鏈的重傳次數

1 10-2 0 100 95 1 200 50 否 20

2 10-3 0 8 100 1 200 50 否 20

3 10-4 5 2 100 1 200 50 否 20

4 10-6 10 0.1 100 536

（缺省最小值） 1 500 是 3

（1）誤碼率10-2：對于一條2M的E1，如通過每0.000 1s插入2bit錯誤來仿真10-2的誤碼（2/0.000 1/（2*106）=10-2）。

（2）誤碼率10-3：對于一條2M的E1，如通過每0.025s插入50bit錯誤來仿真10-3的誤碼（50/0.025/（2*106）=10-3）。

（3）誤碼率10-4：對于一條2M的E1，如通過每0.25s插入50bit錯誤來仿真10-4的誤碼（50/0.25/（2*106）=10-4）。

（4）誤碼率10-6：對于一條2M的E1，如通過每2.5s插入5bit錯誤來仿真10-6的誤碼（5/2.5/（2*106）=10-6）。

（5）數據同步成功率是指連續操作20次，如果成功10次，則是50%的成功率。

（6）誤幀率=（1-鏈路層統計的接收HDLC好幀/鏈路層統計的接收的所有幀）*100%。

（7）測試時的優化策略主要如下：

◆根據誤碼率來動態調整MTU（測試中是基站上報原始數據，O&M根據策略來動態調整）。通過采樣最近15分鐘的誤幀率來進行動態調整，選擇的一個簡單策略為：誤幀率>5%時，MTU為50；誤幀率<1%時，MTU為1 500。

◆RTO是否指數退避通過采樣最近15分鐘的誤幀率來進行動態調整：誤幀率>5%時，RTO一直不退避；誤幀率<1%時，RTO指數退避。

◆TCP斷鏈的重傳次數通過采樣最近15分鐘的誤幀率來進行動態調整：誤幀率>5%時，TCP斷鏈的重傳次數為20；誤幀率<1%時，TCP斷鏈的重傳次數為3。

4.2 系統測試和外場商用環境驗證

TCP參數優化前后的實驗室鏈路系統測試對比如表3和圖4所示。其中，TCP參數優化前，回程網單向誤幀率大于5%時，基站與匯聚網元之間的傳輸鏈路異常告警，基站失控，當回程網單向誤幀率大于10%時，進一步TCP不能建立，當鏈路處于10-4誤碼時，O&M向基站同步數據失敗；TCP參數優化后，雙向環回誤幀率小于60%（單向誤幀率<40%）時，基站與匯聚網元之間的鏈路狀態無異常告警。

在某實際商用網絡中的驗證結果是：TCP參數優化前，當遇到打雷下雨天氣時，O&M中的告警管理多次統計到微波傳輸鏈路通訊異常告警信息，運營商也收到多起用戶打不通電話投訴；TCP參數優化后，相同環境下的3個月內，O&M的告警管理沒有統計到微波傳輸鏈路通訊異常告警信息，也未收到用戶投訴。

5 結論

微波作為移動通信的回程傳輸鏈路，有其部署便利和低成本的優勢，但高誤碼率傳輸影響移動通訊系統的穩定性。通過性能統計誤碼率，自適應優化TCP相關參數，可提高微波的傳輸性能，改善微波作為回程網的高誤碼率特性，對提升移動通信網絡系統的穩定性至關重要。

參考文獻：

[1] W Richard Stevens. TCP/IP詳解（卷1：協議）[M]. 范建華，等譯. 北京： 機械工業出版社， 2000.

[2] Allman M， Stevens W. TCP Congestion Control[S]. IETF RFC 2581， 1999.

[3] Mathis M， Mahdavi J. TCP Selective Acknowledgment Options[S]. IETF RFC 2018， 1996.

[4] 謝大雄，朱曉光，江華. 移動寬帶技術——LTE[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2012.

[5] Ishac J， Allman M. On the Performance of TCP Spoofing in Satellite Networks[J]. Proceedings of IEEE MILCOM'01， 2001： 700-704.

[6] Xylomenos G， Polyzos GC， Mahonen P， et al. TCP Performance Issues over Wireless Links[J]. IEEE Communications Magazine 2001， 2001，39（4）： 52-58.

[7] 陳康. TCP協議在衛星通信網絡中的運用優化[J]. 煤炭技術， 2011（7）： 149-151.endprint

高誤碼率的微波回程鏈路對TCP參數影響較大，因此需要優化TCP參數。表1羅列了高誤碼率微波回程鏈路的TCP參數優化。

3 基于TCP的微波回程鏈路的自適應優化

微波回程鏈路的TCP參數優化主要依據的性能數據是微波傳輸鏈路的誤碼率，而自適應優化是在無人為干預的情況下，根據誤碼率的變化自動優化TCP參數，提高微波回程鏈路的傳輸性能。

基于TCP的微波回程鏈路的自適應優化架構如圖2所示。為了降低基站的性能統計參數處理負荷（如果基站負荷可以承擔，也可以把自適應算法分布部署到基站上控制，圖2中以部署在操作維護中心O&M上進行自適應），基站將性能參數上報到O&M，O&M根據優化策略（算法）對每個基站的誤碼率統計并集中實施TCP參數優化控制，每個基站對TCP參數進行功能控制。由于每個基站的微波回程傳輸環境不同，因此每個基站的微波傳輸的TCP參數也不同。即使同一個基站，在不同時間段其微波回程傳輸環境也不同，所以需要O&M根據誤碼率定期優化TCP參數。

微波回程鏈路的TCP參數自優化處理過程如圖3所示。基站統計微波鏈路的誤碼率并通過南向接口上報到O&M的性能管理，由性能管理根據優化策略算法對TCP參數進行優化處理，并同步到O&M的配置管理數據庫，由配置管理將TCP優化參數同步到對應基站，形成一個TCP參數的閉環優化處理過程。

圖3 微波回程鏈路的TCP參數自優化處理

4 系統模擬數據對比

4.1 實驗室模擬的對比驗證

針對上述自優化方法，在實驗室中采用CDMA基站系統進行實驗驗證，具體驗證方案和對比數據包括：回程傳輸鏈路采用E1鏈路，誤碼情況通過各種粒度以及包長進行模擬，如粒度從0.000 1s到2.5s，應用包長從100Byte到2 000Byte。結果好壞對比是根據數據同步成功率來判斷。

為了簡化說明各誤碼情況，只取一組數據進行說明，具體如表2所示：

表2 TCP參數優化前后對比序

號 誤碼

場景 優化前 優化后

誤

碼

率 數據同步成功率/% 誤幀率/% 數據同步成功率/% TCP優化確定的主要參數情況

最小cwnd/Byte MTU/Byte RTO是否指數退避 TCP斷鏈的重傳次數

1 10-2 0 100 95 1 200 50 否 20

2 10-3 0 8 100 1 200 50 否 20

3 10-4 5 2 100 1 200 50 否 20

4 10-6 10 0.1 100 536

（缺省最小值） 1 500 是 3

（1）誤碼率10-2：對于一條2M的E1，如通過每0.000 1s插入2bit錯誤來仿真10-2的誤碼（2/0.000 1/（2*106）=10-2）。

（2）誤碼率10-3：對于一條2M的E1，如通過每0.025s插入50bit錯誤來仿真10-3的誤碼（50/0.025/（2*106）=10-3）。

（3）誤碼率10-4：對于一條2M的E1，如通過每0.25s插入50bit錯誤來仿真10-4的誤碼（50/0.25/（2*106）=10-4）。

（4）誤碼率10-6：對于一條2M的E1，如通過每2.5s插入5bit錯誤來仿真10-6的誤碼（5/2.5/（2*106）=10-6）。

（5）數據同步成功率是指連續操作20次，如果成功10次，則是50%的成功率。

（6）誤幀率=（1-鏈路層統計的接收HDLC好幀/鏈路層統計的接收的所有幀）*100%。

（7）測試時的優化策略主要如下：

◆根據誤碼率來動態調整MTU（測試中是基站上報原始數據，O&M根據策略來動態調整）。通過采樣最近15分鐘的誤幀率來進行動態調整，選擇的一個簡單策略為：誤幀率>5%時，MTU為50；誤幀率<1%時，MTU為1 500。

◆RTO是否指數退避通過采樣最近15分鐘的誤幀率來進行動態調整：誤幀率>5%時，RTO一直不退避；誤幀率<1%時，RTO指數退避。

◆TCP斷鏈的重傳次數通過采樣最近15分鐘的誤幀率來進行動態調整：誤幀率>5%時，TCP斷鏈的重傳次數為20；誤幀率<1%時，TCP斷鏈的重傳次數為3。

4.2 系統測試和外場商用環境驗證

TCP參數優化前后的實驗室鏈路系統測試對比如表3和圖4所示。其中，TCP參數優化前，回程網單向誤幀率大于5%時，基站與匯聚網元之間的傳輸鏈路異常告警，基站失控，當回程網單向誤幀率大于10%時，進一步TCP不能建立，當鏈路處于10-4誤碼時，O&M向基站同步數據失敗；TCP參數優化后，雙向環回誤幀率小于60%（單向誤幀率<40%）時，基站與匯聚網元之間的鏈路狀態無異常告警。

在某實際商用網絡中的驗證結果是：TCP參數優化前，當遇到打雷下雨天氣時，O&M中的告警管理多次統計到微波傳輸鏈路通訊異常告警信息，運營商也收到多起用戶打不通電話投訴；TCP參數優化后，相同環境下的3個月內，O&M的告警管理沒有統計到微波傳輸鏈路通訊異常告警信息，也未收到用戶投訴。

5 結論

微波作為移動通信的回程傳輸鏈路，有其部署便利和低成本的優勢，但高誤碼率傳輸影響移動通訊系統的穩定性。通過性能統計誤碼率，自適應優化TCP相關參數，可提高微波的傳輸性能，改善微波作為回程網的高誤碼率特性，對提升移動通信網絡系統的穩定性至關重要。

參考文獻：

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[6] Xylomenos G， Polyzos GC， Mahonen P， et al. TCP Performance Issues over Wireless Links[J]. IEEE Communications Magazine 2001， 2001，39（4）： 52-58.

[7] 陳康. TCP協議在衛星通信網絡中的運用優化[J]. 煤炭技術， 2011（7）： 149-151.endprint

高誤碼率的微波回程鏈路對TCP參數影響較大，因此需要優化TCP參數。表1羅列了高誤碼率微波回程鏈路的TCP參數優化。

3 基于TCP的微波回程鏈路的自適應優化

微波回程鏈路的TCP參數優化主要依據的性能數據是微波傳輸鏈路的誤碼率，而自適應優化是在無人為干預的情況下，根據誤碼率的變化自動優化TCP參數，提高微波回程鏈路的傳輸性能。

基于TCP的微波回程鏈路的自適應優化架構如圖2所示。為了降低基站的性能統計參數處理負荷（如果基站負荷可以承擔，也可以把自適應算法分布部署到基站上控制，圖2中以部署在操作維護中心O&M上進行自適應），基站將性能參數上報到O&M，O&M根據優化策略（算法）對每個基站的誤碼率統計并集中實施TCP參數優化控制，每個基站對TCP參數進行功能控制。由于每個基站的微波回程傳輸環境不同，因此每個基站的微波傳輸的TCP參數也不同。即使同一個基站，在不同時間段其微波回程傳輸環境也不同，所以需要O&M根據誤碼率定期優化TCP參數。

微波回程鏈路的TCP參數自優化處理過程如圖3所示。基站統計微波鏈路的誤碼率并通過南向接口上報到O&M的性能管理，由性能管理根據優化策略算法對TCP參數進行優化處理，并同步到O&M的配置管理數據庫，由配置管理將TCP優化參數同步到對應基站，形成一個TCP參數的閉環優化處理過程。

圖3 微波回程鏈路的TCP參數自優化處理

4 系統模擬數據對比

4.1 實驗室模擬的對比驗證

針對上述自優化方法，在實驗室中采用CDMA基站系統進行實驗驗證，具體驗證方案和對比數據包括：回程傳輸鏈路采用E1鏈路，誤碼情況通過各種粒度以及包長進行模擬，如粒度從0.000 1s到2.5s，應用包長從100Byte到2 000Byte。結果好壞對比是根據數據同步成功率來判斷。

為了簡化說明各誤碼情況，只取一組數據進行說明，具體如表2所示：

表2 TCP參數優化前后對比序

號 誤碼

場景 優化前 優化后

誤

碼

率 數據同步成功率/% 誤幀率/% 數據同步成功率/% TCP優化確定的主要參數情況

最小cwnd/Byte MTU/Byte RTO是否指數退避 TCP斷鏈的重傳次數

1 10-2 0 100 95 1 200 50 否 20

2 10-3 0 8 100 1 200 50 否 20

3 10-4 5 2 100 1 200 50 否 20

4 10-6 10 0.1 100 536

（缺省最小值） 1 500 是 3

（1）誤碼率10-2：對于一條2M的E1，如通過每0.000 1s插入2bit錯誤來仿真10-2的誤碼（2/0.000 1/（2*106）=10-2）。

（2）誤碼率10-3：對于一條2M的E1，如通過每0.025s插入50bit錯誤來仿真10-3的誤碼（50/0.025/（2*106）=10-3）。

（3）誤碼率10-4：對于一條2M的E1，如通過每0.25s插入50bit錯誤來仿真10-4的誤碼（50/0.25/（2*106）=10-4）。

（4）誤碼率10-6：對于一條2M的E1，如通過每2.5s插入5bit錯誤來仿真10-6的誤碼（5/2.5/（2*106）=10-6）。

（5）數據同步成功率是指連續操作20次，如果成功10次，則是50%的成功率。

（6）誤幀率=（1-鏈路層統計的接收HDLC好幀/鏈路層統計的接收的所有幀）*100%。

（7）測試時的優化策略主要如下：

◆根據誤碼率來動態調整MTU（測試中是基站上報原始數據，O&M根據策略來動態調整）。通過采樣最近15分鐘的誤幀率來進行動態調整，選擇的一個簡單策略為：誤幀率>5%時，MTU為50；誤幀率<1%時，MTU為1 500。

◆RTO是否指數退避通過采樣最近15分鐘的誤幀率來進行動態調整：誤幀率>5%時，RTO一直不退避；誤幀率<1%時，RTO指數退避。

◆TCP斷鏈的重傳次數通過采樣最近15分鐘的誤幀率來進行動態調整：誤幀率>5%時，TCP斷鏈的重傳次數為20；誤幀率<1%時，TCP斷鏈的重傳次數為3。

4.2 系統測試和外場商用環境驗證

TCP參數優化前后的實驗室鏈路系統測試對比如表3和圖4所示。其中，TCP參數優化前，回程網單向誤幀率大于5%時，基站與匯聚網元之間的傳輸鏈路異常告警，基站失控，當回程網單向誤幀率大于10%時，進一步TCP不能建立，當鏈路處于10-4誤碼時，O&M向基站同步數據失敗；TCP參數優化后，雙向環回誤幀率小于60%（單向誤幀率<40%）時，基站與匯聚網元之間的鏈路狀態無異常告警。

在某實際商用網絡中的驗證結果是：TCP參數優化前，當遇到打雷下雨天氣時，O&M中的告警管理多次統計到微波傳輸鏈路通訊異常告警信息，運營商也收到多起用戶打不通電話投訴；TCP參數優化后，相同環境下的3個月內，O&M的告警管理沒有統計到微波傳輸鏈路通訊異常告警信息，也未收到用戶投訴。

5 結論

微波作為移動通信的回程傳輸鏈路，有其部署便利和低成本的優勢，但高誤碼率傳輸影響移動通訊系統的穩定性。通過性能統計誤碼率，自適應優化TCP相關參數，可提高微波的傳輸性能，改善微波作為回程網的高誤碼率特性，對提升移動通信網絡系統的穩定性至關重要。

參考文獻：

[1] W Richard Stevens. TCP/IP詳解（卷1：協議）[M]. 范建華，等譯. 北京： 機械工業出版社， 2000.

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[3] Mathis M， Mahdavi J. TCP Selective Acknowledgment Options[S]. IETF RFC 2018， 1996.

[4] 謝大雄，朱曉光，江華. 移動寬帶技術——LTE[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2012.

[5] Ishac J， Allman M. On the Performance of TCP Spoofing in Satellite Networks[J]. Proceedings of IEEE MILCOM'01， 2001： 700-704.

[6] Xylomenos G， Polyzos GC， Mahonen P， et al. TCP Performance Issues over Wireless Links[J]. IEEE Communications Magazine 2001， 2001，39（4）： 52-58.

[7] 陳康. TCP協議在衛星通信網絡中的運用優化[J]. 煤炭技術， 2011（7）： 149-151.endprint