5G/B5G毫米波網(wǎng)絡(luò)TCP傳輸性能分析①

陳 歡,任勇毛,周 旭,楊望泓,范鵬飛

1(中國科學(xué)院 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心,北京 100190)

2(中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

1 引言

互聯(lián)網(wǎng)從上個(gè)世紀(jì)出現(xiàn)到現(xiàn)在,已經(jīng)發(fā)展了幾十年,移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)從第1 代到現(xiàn)在的第5 代,不僅提升了各個(gè)行業(yè)的運(yùn)行效率,也給人們的工作學(xué)習(xí)和生活方式帶來了巨大轉(zhuǎn)變[1].隨著5G 商用的到來,國際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP 已經(jīng)為5G 定義了3 大應(yīng)用場(chǎng)景:eMBB(大流量移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)),mMTC (大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù))和URLLC (無人駕駛、工業(yè)自動(dòng)化等業(yè)務(wù)),這3 大應(yīng)用場(chǎng)景分別指向不同的領(lǐng)域,涵蓋了我們工作和生活的方方面面.當(dāng)前,5G 主要解決了我們熟悉的高清視頻、傳輸速率等問題.而B5G 將解決一些應(yīng)用場(chǎng)景與技術(shù)的完善過程.虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)、自動(dòng)駕駛、工業(yè)互聯(lián)以及8 K 超高清視頻等業(yè)務(wù)將成為熱點(diǎn),這些業(yè)務(wù)對(duì)計(jì)算速度、傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)延遲和安全可靠等方面有更高的需求.

對(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的需求一直在以驚人的速度增長,保守估計(jì)的流量同比增長40%至70%[2,3].這種飛速的增長意味著在未來幾十年內(nèi),移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)可能需要提供相對(duì)于當(dāng)前水平高達(dá)千倍的容量.同時(shí),無線連接作為智能手機(jī)和平板電腦的優(yōu)勢(shì),許多新設(shè)備將需要無線服務(wù),在以往研究預(yù)估中,到5G/B5G 商用時(shí),全球移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將連接多達(dá)500 億臺(tái)設(shè)備[4].因此,滿足這一需求將是一項(xiàng)艱巨的任務(wù).所以,客觀現(xiàn)實(shí)要求5G/B5G 將具有超高的頻譜利用率和能效,在傳輸速率和資源利用率等方面較4G 移動(dòng)通信提高一個(gè)量級(jí)或更高,其無線覆蓋性能、傳輸時(shí)延、系統(tǒng)安全和用戶體驗(yàn)也將得到顯著的提高.為最終建成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的社會(huì),5G/B5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)需要使用位于不同物理頻段的無線頻譜資源,采用比現(xiàn)有移動(dòng)通信無線接入網(wǎng)絡(luò)物理帶寬大得多的射頻信道以支撐各類應(yīng)用場(chǎng)景,滿足提高業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的需求.5G/B5G 移動(dòng)通信將與其他無線移動(dòng)通信技術(shù)密切結(jié)合,構(gòu)成新一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò),滿足未來10年移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)流量增加千倍的發(fā)展需求[5].

隨著5G/B5G 商用的推進(jìn),毫米波通信的傳輸性能已成為研究熱點(diǎn).最近的研究表明,毫米波網(wǎng)絡(luò)中可實(shí)現(xiàn)的下行鏈路容量大約為每秒千兆比特(Gbps)[6].然而,盡管大多數(shù)終端用戶服務(wù)基于TCP,例如視頻流,文件傳輸和Web 瀏覽,但是對(duì)毫米波網(wǎng)絡(luò)上的傳輸控制協(xié)議(Transmission Control Protocol,TCP)性能的關(guān)注還很有限.與此同時(shí),針對(duì)5G/B5G 端到端傳輸系統(tǒng)的某些性能問題,也缺乏相應(yīng)的研究和解決方案.此外,現(xiàn)有的研究工作基本都是在局域網(wǎng)環(huán)境下做的一些模擬實(shí)驗(yàn),缺乏真實(shí)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中針對(duì)5G/B5G 毫米波網(wǎng)絡(luò)端到端傳輸系統(tǒng)的測(cè)試評(píng)價(jià),而這是實(shí)際應(yīng)用和傳輸性能研究中必不可少的環(huán)節(jié).

本文采用真實(shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備搭建5G/B5G 毫米波網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景,首先測(cè)試局域網(wǎng)環(huán)境下毫米波鏈路在理想狀況和受干擾狀況下的實(shí)時(shí)吞吐率,然后針對(duì)不同接入網(wǎng)和廣域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)對(duì)5G/B5G 毫米波網(wǎng)絡(luò)端到端系統(tǒng)進(jìn)行分段測(cè)量,對(duì)比分析端到端系統(tǒng)的傳輸性能瓶頸.

2 背景及相關(guān)工作

毫米波通信代表了無線網(wǎng)絡(luò)的最前沿[7].由于大量未開發(fā)的頻譜資源的可用性,毫米波通信已成為應(yīng)對(duì)高速流量增長的最熱門的研究課題[8].毫米波是指頻率在30 GHz 到300 GHz 之間、波長在1 mm 至10 mm 之間的電磁波[9],其屬性與光屬性基本相同,即頻率高、波長短,以直射方式傳播,同時(shí)波束窄,具有良好的方向性,是實(shí)現(xiàn)超高吞吐量信道的重要技術(shù)[10].

在5G/B5G 移動(dòng)通信系統(tǒng)中,毫米波通信技術(shù)提供了巨大的潛力的同時(shí)也帶來了許多挑戰(zhàn),這與其嚴(yán)苛的鏈路傳播條件有關(guān),毫米波鏈路的特點(diǎn)是視線(Line Of Sight,LOS)條件下的吞吐量非常高,但由于一些因素,身體或其他障礙物(例如:建筑物、汽車、雨雪等)的遮擋,在非視線(Non Line Of Sight,NLOS)狀態(tài)下信號(hào)與干擾加噪聲比(SINR)可降低至30 dB,丟包率急劇上升,對(duì)鏈路吞吐影響特別大[11,12].

同時(shí),移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入5G/B5G 時(shí)代,無線接入網(wǎng)和高速核心網(wǎng)的融合已經(jīng)是大勢(shì)所趨,但是由于不同的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的物理層、鏈路層特征使得TCP 協(xié)議運(yùn)行在不同的底層網(wǎng)絡(luò)上而出現(xiàn)了各種各樣的問題[13],例如無線側(cè)的丟包需要經(jīng)歷整條鏈路的長時(shí)延重傳,端到端的擁塞控制難以感知核心網(wǎng)絡(luò)中的擁塞狀況等,這對(duì)5G/B5G 網(wǎng)絡(luò)的傳輸造成了極大干擾,使5G/B5G網(wǎng)絡(luò)在高帶寬低時(shí)延的高質(zhì)量鏈路中只表現(xiàn)出了次優(yōu)的傳輸效率.

目前的研究已有一些針對(duì)毫米波傳輸性能的評(píng)價(jià)工作,主要分為兩類,一類是針對(duì)毫米波鏈路特性的測(cè)量分析,一類是對(duì)毫米波鏈路傳輸性能的測(cè)量分析.

毫米波鏈路特性方面,主要針對(duì)鏈路傳輸過程毫米波面臨的一些新問題,比如文獻(xiàn)[14]中介紹了毫米波在不同頻率下戶外傳播的測(cè)量分析,包括基站到移動(dòng)端的接入網(wǎng),基站到基站的回程網(wǎng)絡(luò)和車聯(lián)網(wǎng)等.測(cè)量結(jié)果包括了一些毫米波的信道特性,例如每個(gè)頻率的路徑損耗模型,鏈路的損耗跟信號(hào)的密度、方向和距離有一定的關(guān)系,LOS和NLOS 場(chǎng)景切換對(duì)信號(hào)損耗影響最大,因?yàn)槠鋷砭薮蟮逆溌窌r(shí)延和丟包甚至中斷,但文中的分析側(cè)重于對(duì)鏈路損耗模型的建立,并沒有過多關(guān)注鏈路傳輸性能.同樣文獻(xiàn)[15]中,通過無人機(jī)集群做了毫米波網(wǎng)絡(luò)上行鏈路和下行鏈路的傳輸測(cè)試,根據(jù)鏈路特點(diǎn)建立了LOS和NLOS 鏈路的不同路徑損耗模型,并通過模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了不同鏈路條件下的系統(tǒng)傳輸性能,認(rèn)為小集群,即鏈路串?dāng)_程度小且LOS 程度高的情況下性能得到改善,并分析出最佳參數(shù).文獻(xiàn)[16]利用接入和回程集成(IAB)技術(shù)配置了毫米波異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)(HetNets)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量分析.他們的實(shí)驗(yàn)展示了典型多層IAB 場(chǎng)景對(duì)鏈路傳輸速率的影響.但是他們對(duì)傳輸速率的計(jì)算采用公式做近似估計(jì),缺乏實(shí)際設(shè)備的測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證.

在毫米波鏈路傳輸性能方面,主要是TCP 等傳輸層在毫米波鏈路上行為的分析.文獻(xiàn)[17]中,從帶寬、干擾遮擋和物理速度等方面進(jìn)行測(cè)試,根據(jù)評(píng)估結(jié)果初步揭示了毫米波鏈路傳輸層特性的幾個(gè)可能問題.首先,由于毫米波信道的數(shù)據(jù)傳輸速率非常高,當(dāng)前的慢啟動(dòng)機(jī)制可能需要幾秒鐘才能達(dá)到毫米波 物理層提供的全部吞吐率.這在依賴于短TCP 連接的應(yīng)用程序中可能存在問題.此外,在LOS-NLOS 轉(zhuǎn)換經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致速率大幅下降,從而產(chǎn)生嚴(yán)重的排隊(duì)和緩沖,大大增加延遲.在某些情況下,信號(hào)完全阻塞甚至中斷會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包丟失并觸發(fā)TCP 重傳超時(shí)(RTO),在重傳超時(shí)之后,就算是如CUBIC 一類的積極TCP 協(xié)議也可能需要非常長的時(shí)間來恢復(fù)到全速率.盡管RLC (無線鏈路控制)層和MAC 層重傳可以保護(hù)上層免受數(shù)據(jù)包丟失,但在實(shí)際情況下仍會(huì)發(fā)生RTO.RLC 層負(fù)責(zé)與MAC 層進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,主要任務(wù)是對(duì)數(shù)據(jù)分段/重組、ARQ 糾錯(cuò)和重復(fù)檢測(cè).文獻(xiàn)[18]中,也對(duì)毫米波網(wǎng)絡(luò)中TCP的行為做了測(cè)量分析,并研究了它對(duì)系統(tǒng)級(jí)性能的影響.通過仿真實(shí)驗(yàn),分析了各種NLOS 環(huán)境對(duì)吞吐量和延遲的影響,體現(xiàn)在基于丟包、延遲和混合擁塞控制協(xié)議的各個(gè)方面.文獻(xiàn)[19]也做了相關(guān)工作,實(shí)驗(yàn)認(rèn)為毫米波鏈路上TCP 性能取決于不同類型NLOS的頻率和持續(xù)時(shí)間,也對(duì)不同的鏈路RTT 做了對(duì)比測(cè)試.此外,也有一些針對(duì)毫米波端到端鏈路的測(cè)量分析,文獻(xiàn)[20]中,文中基于詳細(xì)測(cè)量的研究,研究了鏈路阻塞對(duì)毫米波端到端鏈路上性能的影響,提出由于波束搜索延遲和與TCP的交互作用,阻塞確實(shí)會(huì)嚴(yán)重?fù)p害端到端性能,認(rèn)為傳輸架構(gòu)可能是重要原因之一,但該實(shí)驗(yàn)并不能確定真正影響毫米波鏈路端到端功能的瓶頸所在.

以上工作對(duì)毫米波鏈路特性和毫米波鏈路傳輸性能做了初步的測(cè)量分析,但是仍然面臨一些問題.首先這些工作大部分都是針對(duì)毫米波鏈路的測(cè)量,很少涉及端到端鏈路,但是在5G 應(yīng)用中端到端鏈路是最普遍的場(chǎng)景;其次,所有現(xiàn)有的工作都是在NS3 等仿真實(shí)驗(yàn)軟件下進(jìn)行的,缺乏真實(shí)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn)支撐而這是網(wǎng)絡(luò)測(cè)量以及后續(xù)相關(guān)優(yōu)化工作的基礎(chǔ).

因此,本文的實(shí)驗(yàn)在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對(duì)端到端鏈路、無線側(cè)和有線側(cè)進(jìn)行分段測(cè)量,對(duì)毫米波鏈路TCP 傳輸性能全面的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià),對(duì)鏈路的傳輸問題做全面分析.

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為進(jìn)行5G/B5G 毫米波網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)測(cè)試,本文搭建了一個(gè)基本的5G/B5G 毫米波網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng),如圖1.

圖1 5G/B5G 毫米波通信傳輸性能實(shí)驗(yàn)拓?fù)?/p>

實(shí)驗(yàn)采用真實(shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量,實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)置包括一臺(tái)服務(wù)器、一臺(tái)移動(dòng)設(shè)備(客戶端)、一臺(tái)60 GHz的毫米波無線路由器(基站)和一臺(tái)邊緣服務(wù)器.有線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)接口為萬兆網(wǎng)卡,有線側(cè)鏈路帶寬為10 Gbps,無線網(wǎng)絡(luò)部分為毫米波鏈路.實(shí)驗(yàn)中設(shè)備負(fù)載正常,所以設(shè)備的性能對(duì)傳輸性能造成影響可以忽略.實(shí)驗(yàn)中服務(wù)器或毫米波基站作為數(shù)據(jù)發(fā)送端通過Iperf 以TCP流的方式向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù),測(cè)量鏈路的吞吐率,Iperf是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)帶寬測(cè)量工具;通過Linux 操作系統(tǒng)中的TC (Traffic Control)模塊設(shè)置傳輸時(shí)延和丟包參數(shù)以仿真真實(shí)核心網(wǎng)中多種網(wǎng)絡(luò)狀況.

5G/B5G 毫米波端到端傳輸架構(gòu)分為核心網(wǎng)(有線側(cè))和接入網(wǎng)(無線側(cè))兩部分,通過在有線側(cè)和無線側(cè)設(shè)置傳輸時(shí)延、丟包率等影響因素模擬真實(shí)場(chǎng)景中復(fù)雜核心網(wǎng)和毫米波網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)狀況.

在本文的工作中,首先進(jìn)行毫米波基本傳輸性能測(cè)試,測(cè)量毫米波鏈路的吞吐率.然后通過對(duì)5G/B5G毫米波端到端鏈路進(jìn)行分段測(cè)量,對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合理論分析,得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在之前的部分,我們介紹了5G/B5G 毫米波和TCP的背景,以及當(dāng)前使用中面臨的前景和問題.針對(duì)這些焦點(diǎn)問題,我們?cè)O(shè)計(jì)了以下實(shí)驗(yàn).第1 部分是5G/B5G 毫米波基本傳輸性能測(cè)試,驗(yàn)證了毫米波網(wǎng)絡(luò)的一些特征;第2 部分是5G/B5G 毫米波網(wǎng)絡(luò)端到端場(chǎng)景下的傳輸性能及其影響因素的測(cè)試.通過這些實(shí)驗(yàn),我們希望找到一些有價(jià)值的內(nèi)容,以幫助將來研究5G/B5G 毫米波端到端鏈路傳輸性能的優(yōu)化.

4.1 毫米波基本傳輸性能測(cè)試

毫米波由于其高帶寬低時(shí)延等優(yōu)越特性被用于5G/B5G 通信系統(tǒng),本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試?yán)硐肭闆r下5G/B5G毫米波鏈路的吞吐效率.

按照?qǐng)D1中的拓?fù)?本次實(shí)驗(yàn)只測(cè)試毫米波基站到客戶端這一段局域網(wǎng)鏈路,實(shí)驗(yàn)中設(shè)備保持靜止?fàn)顟B(tài),鏈路中隔絕了遮擋等干擾因素,從客戶端通過Iperf向毫米波基站發(fā)送TCP 流量,記錄毫米波鏈路的吞吐率如圖2所示,在相對(duì)理想的狀態(tài)下,毫米波鏈路的吞吐率可以保持在2500 Mbps 以上,遠(yuǎn)大于當(dāng)前主流WiFi (IEEE802.11)的吞吐率.

圖2 毫米波鏈路吞吐率

雖然毫米波技術(shù)提供了高帶寬的鏈路,但是其對(duì)鏈路狀況卻有嚴(yán)苛的需求,由于人為或自然因素的干擾對(duì)鏈路吞吐率的影響非常嚴(yán)重.因此我們?cè)O(shè)計(jì)了下一個(gè)實(shí)驗(yàn)如圖3所示,保持不變的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景,在鏈路傳輸過程中,使用了不同的遮擋介質(zhì)對(duì)毫米波信號(hào)分別在7 s和15 s 進(jìn)行了兩次短暫的人為遮擋,這里選用了日常生活中常見的干擾因素對(duì)毫米波信號(hào)進(jìn)行人為遮擋,分別為3 mm 厚鐵板、5 mm 厚紙板和人體,鐵板和紙板面積為40 cm×40 cm.

圖3 毫米波鏈路遮擋實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

如圖4,實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分明顯,毫米波信號(hào)受到不同介質(zhì)的干擾,鏈路傳輸吞吐率發(fā)生不同程度的下降,其中鐵板干擾最為明顯,急劇下降約80%,丟包率急劇上升,當(dāng)遮擋消失時(shí)毫米波鏈路傳輸吞吐率迅速恢復(fù)正常,因?yàn)楹撩撞ㄓ懈呷萘康膿砣翱?所以對(duì)于鏈路吞吐的恢復(fù)可以很好應(yīng)對(duì).

圖4 不同遮擋介質(zhì)對(duì)毫米波鏈路吞吐率影響

以上實(shí)驗(yàn)表明,毫米波鏈路在視距(LOS)條件下的吞吐率具有很高的峰值,但是由于毫米波嚴(yán)苛的鏈路傳播條件,信號(hào)易受干擾,非視距(NLOS)條件下吞吐率的下降非常劇烈.所以這種高吞吐又敏感的鏈路對(duì)端到端鏈路的傳輸帶來很大的挑戰(zhàn),大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)難以滿足這些應(yīng)用場(chǎng)景.

4.2 端到端場(chǎng)景下傳輸性能測(cè)試

以上實(shí)驗(yàn)在模擬的實(shí)際場(chǎng)景中測(cè)試了毫米波鏈路的性能,后面的實(shí)驗(yàn)我們將關(guān)注5G/B5G 毫米波端到端傳輸鏈路的性能問題.

針對(duì)典型的5G/B5G 毫米波網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景,無線接入網(wǎng)為頻率為60 GHz的毫米波,有線廣域網(wǎng)為10 Gb 帶寬的光纖鏈路.參考在中國科技網(wǎng)CSTNET 中的實(shí)際測(cè)量結(jié)果,實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中典型的RTT 值范圍一般為1 ms(LAN),10 ms (城域),50 ms (跨省),100 ms (國際),300 ms(洲際)[21],因此實(shí)驗(yàn)中把有線網(wǎng)絡(luò)的傳輸時(shí)延設(shè)置為80 ms,丟包率設(shè)置為0.01%,無線局域網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延設(shè)置為1 ms、丟包率設(shè)置為1%.

使用Iperf 由服務(wù)器到客戶端發(fā)送TCP 流量,記錄鏈路吞吐率隨時(shí)間的變化如圖5所示,端到端吞吐率卻只能維持在30 Mbps 左右,雖然鏈路加入了一些干擾因素,但這與4.1 實(shí)驗(yàn)中高吞吐量的毫米波鏈路的吞吐率差異太大.

圖5 端到端典型場(chǎng)景下鏈路吞吐率

為研究端到端鏈路低吞吐的原因,實(shí)驗(yàn)又分別測(cè)試了有線側(cè)和無線側(cè)的鏈路吞吐率,使用Iperf 分別由服務(wù)器到毫米波基站、毫米波基站發(fā)送TCP 流量,記錄鏈路吞吐率.

圖5可以明顯看到,相同條件下有線側(cè)和無線側(cè)的鏈路吞吐率雖然也不是最優(yōu)狀態(tài),但都比端到端鏈路要高很多.有線側(cè)鏈路吞吐率持續(xù)處于300 Mbps 以上,沒有較大抖動(dòng)但處于下降趨勢(shì),這是由于鏈路的高時(shí)延引起擁塞窗口的收縮,導(dǎo)致鏈路吞吐處在較低水平并一直下降.相比之下,無線側(cè)吞吐率維持在800 Mbps以上,并存在較大抖動(dòng),這是因?yàn)橛芯€側(cè)鏈路低吞吐導(dǎo)致無線側(cè)RLC 層緩沖區(qū)等待的數(shù)據(jù)包太多,導(dǎo)致無線鏈路擁塞,大量數(shù)據(jù)包重傳如圖6所示.因此擁塞窗口一直在擁塞避免和快恢復(fù)之間切換,所以吞吐率一直處于次優(yōu)狀態(tài),但相比較有線側(cè)和端到端吞吐率還是處在較高水平.

以往的研究證明,有線鏈路對(duì)傳輸時(shí)延比較敏感,本次實(shí)驗(yàn)控制無線網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延設(shè)置為1 ms、丟包率設(shè)置為1%不變,有線網(wǎng)絡(luò)鏈路丟包還保持在0.01%,傳輸時(shí)延從10 ms 到300 ms 變化,觀察有線側(cè)和端到端的吞吐率隨有線側(cè)傳輸時(shí)延的變化如圖7和圖8所示.

圖6 無線側(cè)數(shù)據(jù)包重傳

圖7 端到端傳輸吞吐率隨有線側(cè)時(shí)延變化

圖8 有線側(cè)傳輸吞吐率隨有線側(cè)時(shí)延變化

圖7、圖8中可以看出有線側(cè)吞吐率和端到端的吞吐率有著相似的趨勢(shì),傳輸時(shí)延從10 ms 到50 ms是吞吐率劇烈下降的一個(gè)階段,之后吞吐率下降趨于平緩;同時(shí)在相同鏈路狀況下,比較有線側(cè)傳輸吞吐率和端到端的傳輸吞吐率也發(fā)現(xiàn),前者基本在后者10 倍以上,所以可以推斷有線側(cè)的鏈路時(shí)延是影響端到端傳輸?shù)闹饕蛩?

在5G/B5G 網(wǎng)絡(luò)中,由于毫米波對(duì)環(huán)境的敏感性,不可避免地會(huì)有大量的丟包重傳.但是,每個(gè)數(shù)據(jù)包的重傳都會(huì)經(jīng)歷核心網(wǎng)絡(luò)的長時(shí)延,這將不可避免地導(dǎo)致端到端鏈路吞吐量的下降.因此,我們可以研究改進(jìn)機(jī)制來修改端到端鏈路的重傳機(jī)制,并盡可能減少重傳時(shí)間.

無線網(wǎng)絡(luò)特別是毫米波網(wǎng)絡(luò)由于存在無法避免的隨即丟包而導(dǎo)致高誤碼率、連接中斷和低吞吐等問題,下面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證無線網(wǎng)絡(luò)鏈路丟包率對(duì)端到端傳輸效率的影響.本次實(shí)驗(yàn)控制有線網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延設(shè)置為80 ms、丟包率設(shè)置為0.01%不變,無線網(wǎng)絡(luò)鏈路傳輸時(shí)延保持在1 ms,鏈路丟包率從0.1%到10%變化,觀察無線側(cè)和端到端的吞吐率隨無線側(cè)鏈路丟包率的變化如圖9和圖10所示.

圖9 端到端傳輸吞吐率隨無線側(cè)丟包率變化

圖10 無線側(cè)傳輸吞吐率隨無線側(cè)丟包率變化

5G/B5G 毫米波端到端網(wǎng)絡(luò)中較差的傳輸性能是由于不可靠信道上的數(shù)據(jù)包丟失,不過一般鏈路的丟包可以由重傳來彌補(bǔ)[22],但是圖9中所示無線側(cè)的丟包率對(duì)端到端的傳輸效率影響是非常的嚴(yán)重,隨著丟包率的增大,TCP 進(jìn)入快速重傳階段,所以也導(dǎo)致鏈路吞吐率劇烈的下降.

但是,通過比較相同鏈路條件下的無線段和端到端鏈路傳輸吞吐量,我們可以發(fā)現(xiàn),盡管較低的無線段的吞吐量隨著丟包率的增加而降低,但它遠(yuǎn)大于端到端吞吐率,如圖11所示.因此,在正常的丟包率水平下,毫米波無線側(cè)丟包對(duì)整個(gè)端到端鏈路傳輸有巨大影響,端到端鏈接沒能完全利用毫米波的高吞吐量?jī)?yōu)勢(shì).

圖11 無線側(cè)和端到端傳輸吞吐率對(duì)比

因此,為了充分利用毫米波的優(yōu)勢(shì),我們可以優(yōu)化無線鏈路上的傳輸控制機(jī)制.如前文所述,因?yàn)楝F(xiàn)有的TCP是為傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的,當(dāng)將其應(yīng)用于毫米波無線網(wǎng)絡(luò)時(shí),該鏈路狀態(tài)將不可避免地被誤判導(dǎo)致出現(xiàn)性能問題.

5 總結(jié)

毫米波由于其豐富的頻譜資源和峰值極高的帶寬容量,非常適合5G/B5G 移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)的未來大規(guī)模連接、高可靠、低時(shí)延通信需求,從而成為5G/B5G移動(dòng)通信系統(tǒng)不可或缺的重要工具.同時(shí),與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)鏈路相比,毫米波鏈路也具有其獨(dú)特的特性,包括高可用帶寬,信道質(zhì)量的高可變性以及由于傳播損耗和不利的大氣吸收而導(dǎo)致的阻塞敏感性,這對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的穩(wěn)定性提出了一些挑戰(zhàn).

本文研究的基本問題就是基于毫米波的5G/B5G網(wǎng)絡(luò)端到端系統(tǒng)TCP 傳輸性能問題,實(shí)驗(yàn)證明,在5G/B5G 毫米波網(wǎng)絡(luò)中,毫米波鏈路具有很大的帶寬容量,但是在端到端網(wǎng)絡(luò)傳輸中卻不能發(fā)揮最優(yōu)化的吞吐率.主要由于有線側(cè)的鏈路傳輸時(shí)延和無線側(cè)的鏈路丟包都能引起了本側(cè)和端到端傳輸效率的下降.在端到端的傳輸鏈路中,通常可能只是由于一側(cè)的鏈路狀況較差從而導(dǎo)致端到端的吞吐率下降;而且相同鏈路條件下,有線側(cè)和無線側(cè)單獨(dú)傳輸時(shí)傳輸效率很高,但連通起來的端到端鏈路的傳輸效率卻很差.因此,對(duì)于長時(shí)延重傳和無線鏈路丟包,應(yīng)該提出針對(duì)性的改進(jìn)機(jī)制.

在未來的工作里,我們將著手優(yōu)化5G/B5G 毫米波網(wǎng)絡(luò)端到端傳輸架構(gòu)和傳輸策略,提升傳輸?shù)母咝院头€(wěn)定性.