TD—SCDMA系统HSPA数据性能分析

来源 :中国新通信 | 被引量 : 0次 | 上传用户:caoshaohua2009
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  【摘要】 目前中国移动TD-SCDMA系统相对于GSM系统的主要优势是数据业务,TD的H业务相对于GSM的EDGE业务的速率有明显的优势。在TD的网络优化过程中,对数据业务性能提升非常关键,无速率,速率慢,速率不稳定等影响因素比较大,需要详细的了解数据业务传输过程,才能有效的分析数据业务受影响的方面,使数据业务的性能得到有效的提升。
  【关键字】 TCP层数传机制 RLC层数传机制 HSPA数传机制 TCP层时延底层数据传输
  一、前言
  数据业务在传输过程中一般会经历TCP/UDP,RLC及HSPA这几层,其分别在移动通信系统中的位置见图1。这些数据传输协议一般都具有复杂的数传机制,如果配合不好会降低移动网络传输效率。本文在介绍这几类协议传输机制的基础上,重点介绍网络优化过程中无线侧对RLC层和HSPA数据传输的影响,提出常见问题的解决方案和措施以指导数据业务的优化。(图1)
  二、TCP层数传机制
  TCP层主要是为上层提供面向连接的、可靠的按序传送数据的服务。
  TCP层主要采用“可变发送窗口机制”和“重传机制”,“可变发送窗口机制”能够自适应底层带宽、时延的变化。主要有“发送窗口”,“通知窗口”和“拥塞窗口”。
  “通知窗口”的调整机制如图2所示,通知窗口的大小会因为传输包的错误而不断缩小。
  “拥塞窗口”的调整可总结为三点:“慢启动”,“加速递减”及“拥塞避免”,如图3所示。
  TCP层的重传机制设置,TCP每发送一个报文段都会设置重传定时器,如果定时器超时还收不到确认消息则重传该报文段。一旦发生重传,就会导致拥塞窗口的变化,进而导致发送窗口变小,影响到业务速率。
  三、RLC层数传机制(AM)
  RLC层主要是3G系统的无线接入网为高层提供的面向连接,可靠且有序发送的服务。该层主要的机制是轮询(Polling)和状态报告(Status Report)。
  协议中共定义了7种触发轮询的机制,分别是:Every Poll_PDUPDU、Every Poll_SDU SDU、Window based、Last PDU in buffer、Last PDU in Retransmission buffer、PollTimer、Timer based。同时,为防止频繁地触发轮询,协议中还定义了轮询禁止定时器(Poll Prohibit Timer),该定时器超时前不发送轮询比特。如果是轮询触发状态报告,则只配置一种轮询机制是不够的,需要其中的几种机制配合,如果配合不好同样会影响RLC层的数传性能。
  这7种轮询机制的配置参数如下:
  LASTTXPDUPOLL=TRUE,LASTRETXPDUPOLL=TRUE, TIMERPOLLPROHIBIT=D100, TIMERPOLL=D200, POLLPDU=D4, POLLSDU=D1, POLLWINDOW=D50, TIMERPOLLPERIODIC=D200;这几种机制是配合使用的,由于RLC层的传输采用AM不丢弃模式传输,在發送了轮询比特后启动禁止定时器,如果在Poll Timer定时器超时前收不到轮询响应要重传轮询,最终不是无限制的重传,在达到最大不丢弃次数后停止重传,启动TRB RESET,Reset成功则重新建立业务的连接并传输数据,超时失败则PS业务掉线。
  RLC层接收端通过状态报告通知发送端已接收报文段正确与否。状态报告有两种触发方式,一是基于定时器周期性发送状态报告;二是轮询触发。为避免频繁触发,协议中定义了状态报告禁止周期定时器,在定时器超时后才发送状态报告。同时状态报告发送周期应该大于RLC层的环回时延(Round Trip Time)。
  状态报告机制目前使用的是轮询触发模式,基于定时器周期性发送状态报告机制目前不使用。而且接收端在发现丢失的PDU后会生成状态报告进行上报,通知发送端重新发送。
  四、HSPA数传机制
  本节描述HSPA的与数据传输关系密切的快速调度和HARQ重传机制。
  4.1快速调度
  在HSPA架构中,用户间无线资源的分配是NodeB(基站)完成。基站能够及时获取用户信道状况,实现快速的用户间调度及资源分配。常用策略包括循环调度(Round Robin),最大信噪比(Max C/I)及比例公平(Proportion Fairness)。循环调度比较平均但是不公平,信道利用率太低,最大信噪比调度可以最大化调度率但是有可能“饿死”其它用户导致部分用户感知比较差。所以目前使用最多的是比例公平调度策略,对信道状况较差的用户,如果某时段调度机会较少,平均吞吐量降低,过一段时间其调度优先级会因此而提高。该策略兼顾效率与公平性。可见信道状况的变化会导致用户调度时间的不确定性,会影响到用户的调度次数,进而影响到速率,同时也给高层的时延带来影响,影响上层数据的充足性。
  4.2 HARQ重传
  HARQ重传是在物理层进行的,采用N信道停-等机制,如图4所示。
  每个HARQ进程必须在收到接收端的ACK(或NACK)反馈后才能发送新的数据(或重传数据)。HSPA需向上层提供按序递交服务,但为避免无限地等待重传,(HSDPA)引入了T1定时器机制以及滑窗机制,两种机制目前的实现基本上比较成熟,配合上出问题的概率很低,在数据业务优化过程中一般不需要考虑。
  相对于TCP/RLC重传,HSPA重传有显著优势:
  ◆重传时延小,HSPA重传是在物理层完成,重传时延相对较小,从而降低高层数据传输时延。
  ◆合并增益,HSPA重传能够合并接收数据,而TCP/RLC重传不成功就丢弃,没有合并增益。   由此可见,从无线侧降低下行数据发送的BLER,提高终端反馈ACK(NACK)的成功率,也就是改善下行信道和上行信道的信道质量,保证数据快速调度和重传的准确性是最根本也是最有效的优化手段。
  五、移动数据业务类型及原因分析
  5.1 常见业务适用的数据传输协议
  数据业务传输的各个层面的机制以及对数据业务传输的影响范围了解后,针对数据业务的优化就要从每个层面进行系统分析。FTP下载、HTTP下载、HTTP浏览,Email及BT下载等业务对数据可靠性要求非常高,一般需用TCP来承载。而交互式聊天及视频点播对数据及时性要求高,因此数据可靠性要求适当降低,可以用UDP承载。实际网络中各业务类型也基本符合该规律。
  不论是TCP还是UDP承载的业务,都应尽量用确认模式RLC来承载,因为无线传输误块率远高于有线网络。在下行HSDPA+上行DPCH承载时,下行HSDPA采用快速调度和能够保证数据传输速率,HARQ重传合并可以保证较低的残留误块率,但是下行PDSCH信道质量是数据传输的根本。上行用DPCH承载误块率难以保证,相对于下行来说就更加依赖上行确认模式的RLC重传,如果上行HS-SICH以及DPCH信道的质量能够得到保证,能够尽可能避免重传发生,保证数据的环回时延,对速率的提升非常关键。
  5.2 数据业务优化方法
  前TD-SCDMA系统,采用下行HSDPA+上行专用信道承载的方案。对下载而言,用户对下行速率更敏感,下行速率与TCP层反馈时延有关,而TCP层反馈数据与上行影响关系密切,目前按照FIFO原则传输,如果限制上行带宽会增大TCP反馈时延。
  如上述第2节所述,影响TCP层数据发送的主要因素就是窗口的变化和往返时延的影响。
  ◆窗口受限一般会是通知窗口受限,应该增大通知窗口。
  ◆时延过大一方面有可能是路由环节太多或者防火墙存在问题,应该减少路由或者更新防火墙。另一方面可能是TCP下层网络环境的带宽、时延变化范围很大,进而表现为往返时延的方差很大,很容易导致超时定时器的超时而引起重传。底层的影响主要表现在网络拥塞、HSPA进行多用户调度或者无线环境的变化导致时延不稳定,应该通过优化手段尽量保持时延的稳定,即时延要尽量小且方差要尽量小,这样能够减少对TCP层窗口变化的影响,稳定速率。
  5.2.1 TCP层时延的影响
  从无线网优侧对TCP层时延的影响有如下因素和解决方案:
  1、针对网络拥塞和用户数比较多的小区及时进行扩容处理,避免用户太多调度不及时或者上行码资源不足引起用户接收数据和反馈不及时带来TCP层无法及时收到确认消息而进行无谓的重传,发送窗口缩小而影响传输效率。
  2、无线环境不稳定的区域应及时通过相应的优化手段进行解决,通过覆盖调整来解决由于覆盖导致误块率高的问题,通过频率调整来规避干扰,功率调整来提升上下行的信道质量等。
  3、RNC侧通过软件进行调整,目前TD-SCDMA系统RNC产品中的TPE的特性能够对无线侧不稳定带来的TCP不适应问题进行处理,TPE特性能够根据不同情况加速拥塞窗口增长进而增大发送窗口,同时也能缩短重传时间,避免了慢启动和拥塞窗口减半的发生,提升TCP层的传输效率。
  5.2.2底层数据传输影响
  底层主要表现为无速率和速率低,从Node B侧的调度机制出发,以下载无速率为例进行详细介绍:
  从Node B快速调度机制方面进行下载无速率的情况分析流程如图6。
  按照上图所示,从Node B侧分析下行不调度情况:
  ◆如果RLC BO为空,说明RLC层从上层没有接收到数据,影响因素主要是TCP层的数据量不足(需要CN侧配合分析)或者中间IP连接有问题或者无线侧的上行导致TCP层的发送窗口变小影响数据的下发。无线侧首先要检查上行信道质量是否存在干扰或者功率不足的情况。
  ◆如果RLC BO不为空而Node B的PQ却获取不到数据,有可能是RLC层的窗口满导致数据溢出,产生该现象有可能是RLC層的发送端窗口和接收端窗口配置不合适,RLC层数据一直重传导致。
  ◆如果PQ中有数据而无调度,只能说明上行或者下行链路有问题,断链导致下行调度数据发送失败或者上行收不到反馈消息而重传超时。
  Node B侧分析下行有调度的情况:
  ◆HS-SCCH接收失败,UE收不到SCCH调度信息,无法准确检测到PDSCH信道而无法接收数据,需要检查SCCH的功率配置是否合理,下行时隙的干扰是否有问题。
  ◆HS-PDSCH接收失败,这种情况表示UE按照调度信息从PDSCH信道上接收到的数据都是错误的,UE会返回NACK消息给Node B,HARQ会不断进行重传。
  ◆HS-SICH接收失败,因为UE收到Node B侧调度的数据块后,需要通过SICH信道反馈ACK或者NACK消息,SICH的信道质量不好很容易导致Node B收不到UE的反馈消息,会不停重传同样数据块,导致UE侧无速率。
  同理,下载速率慢和下载速率不稳定问题分析思路也主要从Node B侧和空口环境进行系统分析:
  1、针对干扰:上行方向针对HS-SICH分析,如果HS-SICH的接收到的 No signal Num较多,并且HS-SICH的C/I 和SIR较差,可以判断为HS_SICH质量比较差,需要重点调整如下参数:1)HS-SICH ACK/NACK功率偏置;2)调整HS-SICH的目标SIR值;3)HS-SICH 期望接收功率。
  2、针对下行方向:分析HS-PDSCH C/I和SIR和HS-SCCH C/I和SIR,并统计HS-SICH上报的ACK和NACK的比例,如果HS-PDSCH和HS-SCCH的 C/I和SIR比较差,而且HS-SICH上报的NACK比较比较高,可以说明:
  1)下行干扰比较严重,空口质量差,检查NodeB功率配置和UE的功率参数配置是否合理,可以进行参数优化,提升HSDPA速率。
  2)在空口质量不好的场景下,需要进一步排查是否是同频干扰导致,需要进一步判断,可以调整HSDPA载波的频点,如果HSDPA速率有明显的提升,可以判断是同频干扰导致速率下降。3)可以通过CQI和调度模式分析16QAM和QPSK所占的比例,如果16QAM调制模式所占比例较少,也可以判断是空口质量较差,导致HSDPA速率较低,优化功率配置参数。
  3、如果空口质量不存在问题,通过TPCWin统计PQ队列里的缓存数据,以及流控相关的Credits,判断RNC和NodeB之间IUB 接口是否异常;
  4、如果HSDPA载波用户多,优先对H载波进行扩容,然后分析每个用户的对应的空口信号质量是否有问题,分析整体的调度次数是否充足,带宽是否充分利用。如果NodeB的PQ缓存数据较少,这时需要查找RNC数据缓存的情况,如果在RNC出现RLC BO一直为0,可能是数据源数据不足,这时需要查看核心网和IUPS链路有没有问题(是否拥塞或者连接不稳定),排除IUPS链路问题和PS域CN的问题。
  5、如果核心网和IUPS链路都没有问题,可以检查PS业务服务器是否存在问题,可以采取更换FTP服务器的方式排除。
  参 考 文 献
  [1]谢希仁编著“计算机网络” (第二版)
  [2] 3GPP TS 25.322 - 750
  [3] 3GPP TS 25.222 - 750
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