黃 航 中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信集團有限公司深圳分公司

1 引言

深圳聯(lián)通WCDMA網(wǎng)絡正式運行以來，網(wǎng)絡規(guī)模不斷擴大，網(wǎng)絡負荷與復雜程度也不斷提高。隨著智能終端使用的普及，特別是使用iPhone手機用戶群數(shù)量的不斷擴大，導致數(shù)據(jù)用戶的迅速增長。如何有效解決數(shù)據(jù)用戶的數(shù)據(jù)包傳輸時延、提升數(shù)據(jù)用戶的感知成為當務之急。

2 研究背景

深圳WCDMA網(wǎng)絡在建網(wǎng)初期，由于用戶數(shù)量較少，網(wǎng)絡上下行的干擾水平相對較低。但隨著現(xiàn)網(wǎng)規(guī)模越來越大，智能終端的普及，特別是HSUPA用戶數(shù)量的急驟增長，導致現(xiàn)網(wǎng)干擾水平升高越來越明顯，特別是局部話務熱點區(qū)域，基站小區(qū)RTWP普遍偏高，呼吸效應明顯。

Ping（Packet Internet Groper）是網(wǎng)絡層協(xié)議，使用ICMP的超時機制來發(fā)現(xiàn)一個數(shù)據(jù)包在穿越互聯(lián)網(wǎng)絡時所經(jīng)歷的路徑，其時延大小決定了網(wǎng)絡IP包經(jīng)無線空口至對端服務器之間的實際時延。這就意味著有效地優(yōu)化Ping包的時延，可以有效減少用戶終端到網(wǎng)絡服務器之間的IP數(shù)據(jù)包的端至端時延，從而提升用戶網(wǎng)絡感知、降低投訴率、提升網(wǎng)絡質量。

通過開展專項優(yōu)化方案實施，顯著地減少了現(xiàn)網(wǎng)IP包傳輸時延，明顯提升了深圳WCDMA網(wǎng)絡質量，滿足了公司“降本增效、節(jié)能減排”的經(jīng)營策略與思想導向。

3 Ping時延優(yōu)化分析

為了有效降低Ping包時延，先從理論分析影響用戶終端至服務器之間引起時延的各個因素，包括限制HSUPA用戶上行數(shù)據(jù)調度的因素、小區(qū)無線資源與NodeB處理資源等各類因素，也包括TCP/IP協(xié)議層的因素等。

3.1 HSUPA快速調度

HSUPA分組調度算法主要功能是根據(jù)RNC通過NBAP的配置上行底噪?yún)⒖糝eference Received Total Wideband Power（RefRTWP）、上行干擾目標Maximum Target Received Total Wideband Power（MaxRTWP）、Target Non-serving E-DCH to Total E-DCH Power Ratio（NServToTotalPwr）、UE上報狀態(tài)信息、RNC通過NBAP的配置的UE QoS參數(shù)、小區(qū)無線資源、NodeB處理資源等信息，確定系統(tǒng)資源使用情況和系統(tǒng)負荷，通過一定的優(yōu)先級策略，分配系統(tǒng)資源給不同的UE，從而達到調度的目的，其調度流程如圖1所示。

3.2 影響HSUPA調度的因素

（1）小區(qū)負載

從上圖HSUPA調度流程，正確地評估UE、空中接口無線資源和NodeB資源和負載使用情況，可以為解決上行HSUPA用戶數(shù)據(jù)調度問題提供很好的優(yōu)化思路。

假設用歸一化變量Cell_Load_current（百分比）表示小區(qū)上行負載，Cell_Load_max（百分比）表示小區(qū)最大的負載容量，有以下公式：

Itotal是基站處包括底噪功率在內的總的接收寬帶功率，取值為RTWPcurrent；Pn為底噪，取值RefRTWP，根據(jù)3GPP TS 255.133協(xié)議的定義，在理想的情況下，在空載的時候RTWP為-106.4dBm；MaxRTWP是小區(qū)目標干擾門限最大值，其值與廠家芯片解調能力有關，這里取-55dbm；RoT是噪聲提升（Rise over Thermal）。

根據(jù)上述的（1）～（3）公式，當Itotal取值范圍從-105dbm至-60dbm時，可以得到三者的趨勢如圖2所示。

從圖2中可以觀察出底躁負荷的兩個規(guī)律：

圖1 HSUPA調度流程

圖2 小區(qū)負荷與RoT之間趨勢圖

1）當RoT從不斷的增加時，Cell_Load_current不斷接近Cell_Load_max；

2）當Itotal在-105dbm至-100dbm時，Cell_Load_current急驟增長；當Itotal大于-100dbm以上時，增加速度放緩，Cell_Load_current緩慢向Cell_Load_max靠近。

（2）單UE負載貢獻

對于每個TTI，Node B解調E-DPDCH后，獲得MAC-e PDU、調度信息SI和Eb/No，把MAC-e PDU復用信息等參數(shù)送往調度器，定義調度器根據(jù)下面公式近似計算單個UE對NodeB的貢獻負載。

這里R是UE的比特速率，W是WCDMA碼片速率。

當無線模型PB3時，不同的3G業(yè)務在對應的BLER下Eb/No如表1所示：

表1 不同3G業(yè)務的UEload

為了將UE的貢獻負載UEload映射為UE的授權SG，兩者之間存在如公式（5）的對應關系：

上式說明可以從UE的貢獻負載得到UE的服務授權，也可以通過UE的服務授權得到UE的貢獻負載。

（3）UE調度優(yōu)先級

HSUPA調度器優(yōu)先級采用增強的比例公平算法（Enhanced Proportional Fair Algorithm），調度優(yōu)先級與UE當前上行待傳輸數(shù)據(jù)量成正比，調度優(yōu)先級與UE的上行平均吞吐量成反比。

調度優(yōu)先級高的UE優(yōu)先獲得更多的資源，而優(yōu)先級低的用戶在剩余資源受限時，原來分配的資源將會被搶占。當前優(yōu)先級低的用戶會因為資源被搶占而速率變低，但在后面的調度中由于其速率太低而計算得到比較高的調度優(yōu)先級，進而優(yōu)先被調度，獲取資源，這樣就保證了各用戶的公平性。

UE的調度優(yōu)先級與UE當前手機的狀態(tài)有關，包括與UE當前上行待傳輸數(shù)據(jù)量（或當前可以傳輸?shù)乃俾剩┏烧龋cUE的上行平均吞吐量成反比，單個UE的優(yōu)先級可由以下公式推出：

其中Rn代表單個用戶在第n個TTI前（n為當前時刻）獲得的上行平均吞吐量；

Dn是UE當前上行可以傳輸?shù)乃俾剩籉airnessWgt是公平因子，取值1；

UE_buffer_status是UE上報的SI中的緩沖區(qū)大小信息；

QoSweight是考慮用戶SPI（Scheduling Priority Indicator），GBR（MAC-es Guaranteed Bit Rate）等RNC配置的業(yè)務QoS信息后的業(yè)務綜合權重，有以下關系：

其中SPI由RNC配置，共有0至15個等級；

當UE的Rn大于等于GBR，則GBRweight=0；當Rn小于GBR，則GBRweight=MaxGBRWeightValue。

（4）NodeB處理資源

目前限制Ping包時延的NodeB處理資源主要包括：

1）Iub口傳輸帶寬

HSUPA上行業(yè)務信道需要上層的流控制機制來保證不同的用戶共享Iub帶寬。當E-DCH承載的業(yè)務實時速率較高導致Iub口傳輸利用率過高或者擁塞時，可能會造成數(shù)據(jù)亂序、丟棄、或者延遲，嚴重時會導致小區(qū)分組域RAB指派建立成功率低、小區(qū)接納拒絕次數(shù)突增，從而直接影響Ping包上行數(shù)據(jù)的調度效率與成功率。

HSUPA的流量控制主要分為兩個部分：

（a）由RNC檢測擁塞情況并通知基站NodeB側，以降低UE的實際速率，減輕擁塞的程度，避免對其他業(yè)務造成影響，NodeB側調度器在收到傳輸層擁塞指示后限制對UE的授權。

（b）由Node B的主控模塊測量Iub口的數(shù)據(jù)流量，把帶寬利用率發(fā)送給調度器，調度器根據(jù)帶寬利用率決定是否限制UE的授權，從而降低Iub口的數(shù)據(jù)流量。

2）CE資源

HSUPA上傳速率與上行CE消耗成正比，如表2所示：當上行速率越來越大，CE的消耗也是成倍的增長。

表2 HSUPA不同速率的CE使用率

如果系統(tǒng)當前可用負載或CE資源小于所有UE請求發(fā)送速率貢獻的負載之和，系統(tǒng)會先根據(jù)調度優(yōu)先級從低到高，逐個釋放優(yōu)先級低的用戶的授權，并計算降低授權后所貢獻的負載，直到調度優(yōu)先級低的用戶釋放出來的負載和CE資源滿足優(yōu)先級最高的用戶的需求。

對于上行CE受限的站點，將會直接影響優(yōu)先級較低的用戶上行數(shù)據(jù)調度；受限嚴重的站點將會使小區(qū)的分組域RAB的建立成功率嚴重降低、分組域的接納拒絕次數(shù)突增，導致Ping包成功率與傳輸時延惡化。

（5）無線空口質量

對于城市之中的一些覆蓋盲點、小區(qū)邊緣的無線信號強度不穩(wěn)定，導致基站側有可能接收誤碼率較高，或者無法收到終端側的反饋消息，空口流程超時導致無線數(shù)據(jù)業(yè)務鏈路失??；部分射頻直放站由于設備原因，導致上下行空口質量不穩(wěn)定，直接引起上下行無線鏈路質量惡化，甚至無線鏈路失敗。

這些原因都將直接導致Ping包發(fā)送成功率與傳輸時延惡化。

（6）其它原因

部分基站小區(qū)退服、Iub傳輸故障，是導致空口質量惡化與小區(qū)性能變差的主要原因；其次是基站設備類告警，包括IR口鏈路告警、硬件告警與功率異常告警、溫度告警、電源告警；最后還有天饋類的告警，如駐波比告警與RRU功率異常等等，都會成為導致Ping包成功率低與時延較長的客觀原因。

3.3 TCP/IP協(xié)議棧中影響IP包傳輸效率的因素

在各協(xié)議層，由于加入數(shù)據(jù)包頭等處理，均會花費一定的開銷。除了物理層外，主要是TCP/IP、RLC層開銷比較大。

TCP協(xié)議利用可變窗口進行流量控制。在TCP重傳率較小的情況下，可以通過修改服務器接收窗口的方法來提升數(shù)據(jù)業(yè)務傳輸?shù)男省?/p>

如果IP層的數(shù)據(jù)報大小比鏈路層的MTU還要大，那么IP層需要進行分片處理。從提高效率方面來說，在保證一定的重傳率的情況下，應使MTU盡量可能大，以避免出現(xiàn)IP分段和重組。

4 優(yōu)化方案實施與效果

4.1 降低上行負荷，提升上行容量

從式（1）至（3）可以得出結論，降低全網(wǎng)的上行干擾水平，可以有效地提升上行容量。對單個小區(qū)來說，在相同數(shù)量的終端接入情況下，降低小區(qū)RTWP，可以將更多的上行負荷余量騰出給單個終端，再根據(jù)公式（5），平均至每個UE的授權SG等級都可以相應提升，HSUPA調度的速率將會得到提高。

如圖3所示，導致小區(qū)RTWP水平較高的原因主要有以下幾種：

（a）小區(qū)用戶數(shù)量多導致RTWP總體提升；

（b）外部存在干擾源，主要是電信市話通站點與直放站點干擾；

（c）天饋或者基站側內部器件故障；

（d）其它原因，主要是突發(fā)的話務量增多與不明干擾源。

圖3 RTWP高原因分布圖

通過對近3個月現(xiàn)網(wǎng)后臺的統(tǒng)計，RTWP水平保持在-90dbm以上的較高的小區(qū)個數(shù)為389個。通過掃頻與指標分析，確定因小區(qū)用戶數(shù)量多導致RTWP抬升的有186個，占總數(shù)的47.8%；外部干擾導致小區(qū)底躁提升的有129個，占總數(shù)的33.2%；66個小區(qū)是由于天饋或者基站側內部器件故障導致底噪提升，占總數(shù)的17.0%；8個小區(qū)由于其它原因導致底噪提升，占總數(shù)的2.0%。

4.2 基站資源擴容

針對基站上行CE受限、Iub口傳輸擁塞所帶來對Ping包傳送成功率與時延大小的影響，通過收集現(xiàn)網(wǎng)近3個月KPI指標CE受限與Iub口傳輸擁塞嚴重的站點進行BPC板件擴容與傳輸擴容。通過統(tǒng)計，現(xiàn)網(wǎng)總共確定需擴容站點共有426個，其中需要BPC板件361塊，需新增156對E1，新增16M FE鏈路共126條。圖4表明了擴容前后受限與擁塞小區(qū)個數(shù)的變化情況。

圖4 擴容前后對比

4.3 站點效能整改

對于現(xiàn)網(wǎng)存在的覆蓋弱區(qū)與盲區(qū)，主要采取幾種方法提升覆蓋：

（1）小區(qū)整改：提升站點覆蓋效能，有效地提升部分遮擋較為嚴重區(qū)域的覆蓋率；

（2）光纖拉遠：解決部分區(qū)域覆蓋盲區(qū)，有效提升覆蓋率；

（3）室分外引信源整改：提升區(qū)域覆蓋率與覆蓋質量。

通過對現(xiàn)網(wǎng)164個站點進行天線整改、52個站點新增拉遠小區(qū)、39個室分外引進行信源整改，有效提升了現(xiàn)網(wǎng)無線覆蓋率與質量，圖5表明進行站點效能整改后對網(wǎng)絡覆蓋質量提升水平。

圖5 整改前后網(wǎng)絡覆蓋對比

4.4 設備維護與告警修復

及時解決現(xiàn)網(wǎng)所存在的告警，對保持站點性能與減輕網(wǎng)絡負荷水平都起著重要的作用。通過對后臺告警梳理，現(xiàn)網(wǎng)總共存在356個影響業(yè)務的告警。其中小區(qū)退服39個，斷站26個，設備告警121個，天饋類告警156個，其它告警14個。經(jīng)修復維護，截止目前已經(jīng)消除92%的告警，如圖6所示：

圖6 告警修復前后對比

4.5 提升用戶優(yōu)先級

HSUPA資源分配采用SPI加權因子映射機制。用戶的SPI_WEIGHT越高，那么所獲得的調度優(yōu)先級越高。

目前用戶可劃分為3個等級，取值為（1、2、3），分別代表金、銀、銅三個等級。缺省的映射關系如表3所示：

表3 用戶優(yōu)先級ARP映射表

同時SPI_WEIGHT與SPI的映射關系如表4所示：

表4 SPI_WEIGHT與SPI映射表

從表3與表4可以看出，對于語音業(yè)務、流業(yè)務、交互類業(yè)務、背景類業(yè)務，相同的業(yè)務中當SPI取值越大，SPI_WEIGHT取值就越大，再根據(jù)公式（5）、（6）、（7），單個用戶終端的上行調度優(yōu)先級Priority也會提升10%至20%。

通過對同一個用戶USIM卡的優(yōu)先級做銅→銀→金的修改后，對相同的服務器FTP做100Mb文件上傳測試，結果如表5所示：

表5 不同用戶等級上傳速率對比

4.6 TCP接收窗與IP的MTU優(yōu)化

WINDOWS系統(tǒng)默認的TcpWindowSize為64000Byte，通過注冊表將其修改為168000Byte；MTU由1492Byte修改為1600Byte。

通過在RNC11下面定點不同字節(jié)長度的Ping測試，每個分別采樣50次，然后取平均，得到平均時延如表6所示：

表6 Ping包時延對比

從表6可以看出，在Ping包長度較小時，并不能體現(xiàn)出明顯的差別，但隨著字節(jié)的越來越大，時延縮短較為明顯。

通過在相同時間與相同的無線環(huán)境下，對修改過TCP窗口大小與MTU長度的服務器1，與無做任何修改的服務器2，進行不同大小文件的下載對比，如表7所示。從測試的結果看來，下載速率有5%至10%的增長空間。

表7 下載速率對比

5 結束語

本文從剖析限制Ping包傳輸時延的原理開始，提出了降低Ping時延的幾種有效措施，并由此開展對深圳WCDMA網(wǎng)絡專項尖峰行動。針對提升Ping包時延的優(yōu)化方案進行實施后，通過對關內總共9個RNC進行定點Ping測試，測試規(guī)則為Ping包長度保持為1024字節(jié)，每個RNC隨機抽取100個點，每個點50次Ping試驗，實施的前后對比如圖7所示。

圖7 優(yōu)化前后PING包時延對比

從優(yōu)化前后來看，幾乎所有RNC的Ping時延均有不同程度的下降，最高時延降低25%，有效優(yōu)化了目前WCDMA網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包傳送時延。此次專項尖峰行動達到了提升數(shù)據(jù)用戶感知、減少投訴量、提升網(wǎng)絡水平的目的，為后期網(wǎng)絡優(yōu)化提供了思路。

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