基于IPv6 W-TCP 代理的空口速率提升策略研究

張 峰 丁 博

1. 中郵建技術有限公司；2. 張志華博士網優工作室

0 引言

隨著近年來無線網絡和應用的快速發展，用戶對無線網絡的質量愈發敏感，主要體現在高清視頻播放、網頁瀏覽、實時互動游戲等業務上。2019 年接到的用戶網頁打開延遲、視頻播放卡頓、游戲時延高等問題的投訴量較往年呈現大幅度增長。為了進一步提升用戶感知，運營商一方面開通5G業務，提升速率、降低時延，一方面對LTE（LongTerm Eveolution 長期演進）網絡進行優化提升。截至2019 年下半年，各大運營商現網基站傳輸設備已經基本完成支持IPv6 的升級改造。IPv6 時代區別于傳統的射頻信號質量、用戶容量等無線網優手段，增加了基于W-TCP（Wireless-TCP 無線TCP）代理的功能等諸多優化策略。深度挖掘這些策略的潛力，實現空口下載速率的進一步增益，有利于提升用戶體驗，為運營商帶來效益。本研究通過基于IPv6 W-TCP 代理的優化方法，對空口速率無線優化方法論進行補充完善，實踐新的優化策略，取得了明顯的成效，并為5G eMBB（5G-Enhance Mobile Broadband 5G-增強移動寬帶）場景下的視頻業務優化提供了可實踐的參考優化方法。

1 W-TCP 代理功能基本算法策略

傳統基于TCP（傳輸控制協議）的網絡傳輸質量優化方法，主要策略是假設網絡傳輸環境是穩定可靠的，這與無線網絡不穩定傳輸的實際情況不相符合。無線網絡環境存在多徑傳播造成的瑞利衰落、陰影阻擋、拐角效應、空口擁塞等問題。在基于TCP 的無線網絡優化策略中，任何數據段的丟失，不區分是無線環境原因還是基站原因，而是都被作為擁塞原因一并處理，處理方法和措施簡單粗暴，這會造成大量的數據包損失，之后再采取無線口重傳等收包失敗處理機制，加劇無線擁塞，導致無線傳輸環境的劣化。

傳統TCP 業務如圖1 所示，在eNodeB（基站）上是透傳的，時延會受限于報文消息在空口的傳輸過程。

圖1 TCP 業務建立流程

引入W-TCP 代理后，eNodeB 對TCP 流初始階段的下行TCP 報文進行代理，對于Server，eNodeB 代理了UE 的角色。eNodeB收到Server的下行TCP報文后，代替UE回TCP ACK包，下行TCP 報文的傳輸時延減小。對于UE，eNodeB 代理了Server 的角色。eNodeB 向UE 發送下行TCP 報文和處理UE的TCP ACK 包。由于傳輸時延減小，Server 向eNodeB 發送數據包的速率更快，eNodeB 上數據量充足，Server 端和eNodeB端發送窗口都會增長得更快，縮短傳輸時長。如圖2 所示。

圖2 引入W-TCP 代理后的業務建立流程

IPv6 W-TCP 代理策略將IPv6 的TCP 包加速與W-TCP 代理策略結合，加速網絡訪問，降低網絡傳輸時延，實現速度的明顯提升。

主要核心策略如下：

（1） 開 啟W-TCP 加 速 功 能，eNodeB 會 對HTTP 或HTTPS 業務類型的TCP 流的報文進行代理，提升TCP 流的下載速率。

（2）開啟IPv6 TCP 統計優化功能，eNodeB 在W-TCP 代理功能啟用時啟動TCP 測量優化。

（3）限制最大代理包個數，設置WTCP 代理功能的下行報文最大代理個數，當代理的TCP 下行報文達到最大代理個數后，WTCP 代理會退出代理狀態。

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

（5）啟動TPE（TCP Proxy Enhancer，TCP 代理增強器）算法開關，TPE 算法通過分裂ACK 提高TCP 業務初始階段的速率。

（6）設置TPE ACK 分裂個數，設置TPE ACK 每次產生AckSplitCount 個分裂ACK，用于限制過多TPE ACK 分裂，避免高掉話、丟包。

（7）啟動W-TCP 增強策略，進一步打開WTCP 開關，主動執行判斷UE 窗口大小，避免丟包，當且代理回復ACK丟失后不攔截重傳包的ACK，避免過多的重傳。

（8）啟動RTO 保護緩存功能，當WTCP 緩存包數達到該參數設置的門限后，WTCP 啟動RTO 超時保護功能，避免發生RTO 超時重傳。

策略核心腳本如下（Python）：

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

N120. #開啟一個代理線程并設置主要遠程通信參數

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. #設置本地監聽、保護參數

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

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

適用場景：

傳輸網絡要求：開通站點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絡中進行TCP 加速，避免吞吐率下降。

重要場景要求：現網不存在與W-TCP 代理功能的RRC重建數據轉發機制不兼容的終端設備，避免引起終端掉話率抬升。如無法避免終端掉話率抬升問題，可使用終端黑名單機制規避。要求開通站點RRC 重建比較低（建議小于2%），避免終端在遠點轉發數據過多，導致誤碼率、掉話率等KPI指標惡化。

移動性要求：eNodeB 之間配置X2 接口，使W-TCP 在遇到站間切換或重建時能夠正常轉發數據，避免TCP 丟包斷鏈。不建議在高速小區等切換頻繁的場景下開通策略，否則頻繁的數據轉發會較高概率導致TCP 丟包斷鏈。要求是異系統重定向少（建議小于5%）的網絡，否則系統間移動會較高概率地導致業務中斷。要求PDCP 層時延小于120ms，時延過高容易引發丟包風險。

TCP 協議兼容性要求：網絡中除eNodeB 以外，要求網絡中沒有部署基于IP 報文頭中TTL 字段檢測和丟棄功能的設備。網絡中除eNodeB 以外，要求沒有部署相關TCP 優化功能的設備。網絡中除eNodeB 以外，要求沒有部署依賴IP 可選項或者其他非常用TCP 可選項（包括窗口擴大因子/最大報文長度/選擇性ACK 允許/時間戳/選擇性ACK/選項表結束/無操作之外的選項）的功能設備。

運用本算法策略后，預計會帶來如下增益與影響：

增益：TCP 業務的下載速率主要由傳輸帶寬和時延決定。在傳輸帶寬穩定的情況下，下行TCP 報文的時延越小，應用服務器的發包速率越快，用戶的下載速率越高。引入W-TCP功能后，每個報文的時延減小，前200 個數據包的傳輸速率更快，TCP 流初始階段的數據傳輸時長減小。

影響：RRC 重建比例較大的網絡中，使用本策略后，由于采用RRC 重建數據轉發功能，提升了重建用戶的數據傳輸不中斷體驗。同時，重建用戶一般是遠點用戶，遠點用戶的數據傳輸時長會變長，邊緣用戶數會變多，由此引發的其他KPI指標（如掉話率、誤碼率等）可能會變差。

2 效果驗證

目前無線網絡影響用戶感知的流量業務主要是網頁瀏覽、視頻流、實時游戲，一般實時游戲每E-RAB 流量100KB 主要是小包業務，網頁瀏覽每E-RAB 流量在100-2000KB，涉及小、中、大包。視頻流業務每E-RAB 流量在1000-2000KB，主要涉及大包。見表1 所示。

表1 主要業務類型與E-RAB 包對應關系

為了精細化啟用W-TCP 代理策略算法功能后評估對空口速率的影響，綜合對空口下載速率、空口響應時延、TCP 建立時延、TCP 下行重傳率指標分別進行效果驗證統計。結合某地市普通城區試點共挑選了1200 個站點，挑選原則遵循本文上節介紹的適用場景部分描述。策略執行前后一周指標對比如表2 所示。

表2 策略應用前后效果對比（前后各7 天平均）

策略實施后，驗證站點的平均空口下載速率從5.1Mbos提升至5.6Mbps，提升幅度約9.58%，空口響應時延從158ms降低至142ms，降幅約9.68%，TCP 建立時延從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比

圖4 策略開啟后時延對比

3 結束語

W-TCP 代理作為提高無線接入TCP 服務的新機制，本策略基于IPv6 W-TCP 包策略的優化算法，并引入了前期實踐驗證過的TCP 包加速改進算法，實施后，能明顯提升空口下載速率，降低空口和TCP 時延，驗證了本策略對提升用戶體驗效果明顯，目前已逐步推廣運用。后期將針對本策略在5G-eMBB 網絡場景下的應用效果展開研究，改進算法，實踐出一套適合5G eMBB 等場景的網絡優化策略。