TD—SCDMA系統HSPA數據性能分析

陳濤　蘇玉珍

【摘要】 目前中國移動TD-SCDMA系統相對于GSM系統的主要優勢是數據業務，TD的H業務相對于GSM的EDGE業務的速率有明顯的優勢。在TD的網絡優化過程中，對數據業務性能提升非常關鍵，無速率，速率慢，速率不穩定等影響因素比較大，需要詳細的了解數據業務傳輸過程，才能有效的分析數據業務受影響的方面，使數據業務的性能得到有效的提升。

【關鍵字】 TCP層數傳機制 RLC層數傳機制 HSPA數傳機制 TCP層時延底層數據傳輸

一、前言

數據業務在傳輸過程中一般會經歷TCP/UDP，RLC及HSPA這幾層，其分別在移動通信系統中的位置見圖1。這些數據傳輸協議一般都具有復雜的數傳機制，如果配合不好會降低移動網絡傳輸效率。本文在介紹這幾類協議傳輸機制的基礎上，重點介紹網絡優化過程中無線側對RLC層和HSPA數據傳輸的影響，提出常見問題的解決方案和措施以指導數據業務的優化。（圖1）

二、TCP層數傳機制

TCP層主要是為上層提供面向連接的、可靠的按序傳送數據的服務。

TCP層主要采用“可變發送窗口機制”和“重傳機制”，“可變發送窗口機制”能夠自適應底層帶寬、時延的變化。主要有“發送窗口”，“通知窗口”和“擁塞窗口”。

“通知窗口”的調整機制如圖2所示，通知窗口的大小會因為傳輸包的錯誤而不斷縮小。

“擁塞窗口”的調整可總結為三點：“慢啟動”，“加速遞減”及“擁塞避免”，如圖3所示。

TCP層的重傳機制設置，TCP每發送一個報文段都會設置重傳定時器，如果定時器超時還收不到確認消息則重傳該報文段。一旦發生重傳，就會導致擁塞窗口的變化，進而導致發送窗口變小，影響到業務速率。

三、RLC層數傳機制（AM）

RLC層主要是3G系統的無線接入網為高層提供的面向連接，可靠且有序發送的服務。該層主要的機制是輪詢（Polling）和狀態報告（Status Report）。

協議中共定義了7種觸發輪詢的機制，分別是：Every Poll_PDUPDU、Every Poll_SDU SDU、Window based、Last PDU in buffer、Last PDU in Retransmission buffer、PollTimer、Timer based。同時，為防止頻繁地觸發輪詢，協議中還定義了輪詢禁止定時器（Poll Prohibit Timer），該定時器超時前不發送輪詢比特。如果是輪詢觸發狀態報告，則只配置一種輪詢機制是不夠的，需要其中的幾種機制配合，如果配合不好同樣會影響RLC層的數傳性能。

這7種輪詢機制的配置參數如下：

LASTTXPDUPOLL=TRUE，LASTRETXPDUPOLL=TRUE， TIMERPOLLPROHIBIT=D100， TIMERPOLL=D200， POLLPDU=D4， POLLSDU=D1， POLLWINDOW=D50， TIMERPOLLPERIODIC=D200；這幾種機制是配合使用的，由于RLC層的傳輸采用AM不丟棄模式傳輸，在發送了輪詢比特后啟動禁止定時器，如果在Poll Timer定時器超時前收不到輪詢響應要重傳輪詢，最終不是無限制的重傳，在達到最大不丟棄次數后停止重傳，啟動TRB RESET，Reset成功則重新建立業務的連接并傳輸數據，超時失敗則PS業務掉線。

RLC層接收端通過狀態報告通知發送端已接收報文段正確與否。狀態報告有兩種觸發方式，一是基于定時器周期性發送狀態報告；二是輪詢觸發。為避免頻繁觸發，協議中定義了狀態報告禁止周期定時器，在定時器超時后才發送狀態報告。同時狀態報告發送周期應該大于RLC層的環回時延（Round Trip Time）。

狀態報告機制目前使用的是輪詢觸發模式，基于定時器周期性發送狀態報告機制目前不使用。而且接收端在發現丟失的PDU后會生成狀態報告進行上報，通知發送端重新發送。

四、HSPA數傳機制

本節描述HSPA的與數據傳輸關系密切的快速調度和HARQ重傳機制。

4.1快速調度

在HSPA架構中，用戶間無線資源的分配是NodeB（基站）完成。基站能夠及時獲取用戶信道狀況，實現快速的用戶間調度及資源分配。常用策略包括循環調度（Round Robin），最大信噪比（Max C/I）及比例公平（Proportion Fairness）。循環調度比較平均但是不公平，信道利用率太低，最大信噪比調度可以最大化調度率但是有可能“餓死”其它用戶導致部分用戶感知比較差。所以目前使用最多的是比例公平調度策略，對信道狀況較差的用戶，如果某時段調度機會較少，平均吞吐量降低，過一段時間其調度優先級會因此而提高。該策略兼顧效率與公平性。可見信道狀況的變化會導致用戶調度時間的不確定性，會影響到用戶的調度次數，進而影響到速率，同時也給高層的時延帶來影響，影響上層數據的充足性。

4.2 HARQ重傳

HARQ重傳是在物理層進行的，采用N信道停-等機制，如圖4所示。

每個HARQ進程必須在收到接收端的ACK（或NACK）反饋后才能發送新的數據（或重傳數據）。HSPA需向上層提供按序遞交服務，但為避免無限地等待重傳，（HSDPA）引入了T1定時器機制以及滑窗機制，兩種機制目前的實現基本上比較成熟，配合上出問題的概率很低，在數據業務優化過程中一般不需要考慮。

相對于TCP/RLC重傳，HSPA重傳有顯著優勢：

◆重傳時延小，HSPA重傳是在物理層完成，重傳時延相對較小，從而降低高層數據傳輸時延。

◆合并增益，HSPA重傳能夠合并接收數據，而TCP/RLC重傳不成功就丟棄，沒有合并增益。

由此可見，從無線側降低下行數據發送的BLER，提高終端反饋ACK（NACK）的成功率，也就是改善下行信道和上行信道的信道質量，保證數據快速調度和重傳的準確性是最根本也是最有效的優化手段。

五、移動數據業務類型及原因分析

5.1 常見業務適用的數據傳輸協議

數據業務傳輸的各個層面的機制以及對數據業務傳輸的影響范圍了解后，針對數據業務的優化就要從每個層面進行系統分析。FTP下載、HTTP下載、HTTP瀏覽，Email及BT下載等業務對數據可靠性要求非常高，一般需用TCP來承載。而交互式聊天及視頻點播對數據及時性要求高，因此數據可靠性要求適當降低，可以用UDP承載。實際網絡中各業務類型也基本符合該規律。

不論是TCP還是UDP承載的業務，都應盡量用確認模式RLC來承載，因為無線傳輸誤塊率遠高于有線網絡。在下行HSDPA+上行DPCH承載時，下行HSDPA采用快速調度和能夠保證數據傳輸速率，HARQ重傳合并可以保證較低的殘留誤塊率，但是下行PDSCH信道質量是數據傳輸的根本。上行用DPCH承載誤塊率難以保證，相對于下行來說就更加依賴上行確認模式的RLC重傳，如果上行HS-SICH以及DPCH信道的質量能夠得到保證，能夠盡可能避免重傳發生，保證數據的環回時延，對速率的提升非常關鍵。

5.2 數據業務優化方法

前TD-SCDMA系統，采用下行HSDPA+上行專用信道承載的方案。對下載而言，用戶對下行速率更敏感，下行速率與TCP層反饋時延有關，而TCP層反饋數據與上行影響關系密切，目前按照FIFO原則傳輸，如果限制上行帶寬會增大TCP反饋時延。

如上述第2節所述，影響TCP層數據發送的主要因素就是窗口的變化和往返時延的影響。

◆窗口受限一般會是通知窗口受限，應該增大通知窗口。

◆時延過大一方面有可能是路由環節太多或者防火墻存在問題，應該減少路由或者更新防火墻。另一方面可能是TCP下層網絡環境的帶寬、時延變化范圍很大，進而表現為往返時延的方差很大，很容易導致超時定時器的超時而引起重傳。底層的影響主要表現在網絡擁塞、HSPA進行多用戶調度或者無線環境的變化導致時延不穩定，應該通過優化手段盡量保持時延的穩定，即時延要盡量小且方差要盡量小，這樣能夠減少對TCP層窗口變化的影響，穩定速率。

5.2.1 TCP層時延的影響

從無線網優側對TCP層時延的影響有如下因素和解決方案：

1、針對網絡擁塞和用戶數比較多的小區及時進行擴容處理，避免用戶太多調度不及時或者上行碼資源不足引起用戶接收數據和反饋不及時帶來TCP層無法及時收到確認消息而進行無謂的重傳，發送窗口縮小而影響傳輸效率。

2、無線環境不穩定的區域應及時通過相應的優化手段進行解決，通過覆蓋調整來解決由于覆蓋導致誤塊率高的問題，通過頻率調整來規避干擾，功率調整來提升上下行的信道質量等。

3、RNC側通過軟件進行調整，目前TD-SCDMA系統RNC產品中的TPE的特性能夠對無線側不穩定帶來的TCP不適應問題進行處理，TPE特性能夠根據不同情況加速擁塞窗口增長進而增大發送窗口，同時也能縮短重傳時間，避免了慢啟動和擁塞窗口減半的發生，提升TCP層的傳輸效率。

5.2.2底層數據傳輸影響

底層主要表現為無速率和速率低，從Node B側的調度機制出發，以下載無速率為例進行詳細介紹：

從Node B快速調度機制方面進行下載無速率的情況分析流程如圖6。

按照上圖所示，從Node B側分析下行不調度情況：

◆如果RLC BO為空，說明RLC層從上層沒有接收到數據，影響因素主要是TCP層的數據量不足（需要CN側配合分析）或者中間IP連接有問題或者無線側的上行導致TCP層的發送窗口變小影響數據的下發。無線側首先要檢查上行信道質量是否存在干擾或者功率不足的情況。

◆如果RLC BO不為空而Node B的PQ卻獲取不到數據，有可能是RLC層的窗口滿導致數據溢出，產生該現象有可能是RLC層的發送端窗口和接收端窗口配置不合適，RLC層數據一直重傳導致。

◆如果PQ中有數據而無調度，只能說明上行或者下行鏈路有問題，斷鏈導致下行調度數據發送失敗或者上行收不到反饋消息而重傳超時。

Node B側分析下行有調度的情況：

◆HS-SCCH接收失敗，UE收不到SCCH調度信息，無法準確檢測到PDSCH信道而無法接收數據，需要檢查SCCH的功率配置是否合理，下行時隙的干擾是否有問題。

◆HS-PDSCH接收失敗，這種情況表示UE按照調度信息從PDSCH信道上接收到的數據都是錯誤的，UE會返回NACK消息給Node B，HARQ會不斷進行重傳。

◆HS-SICH接收失敗，因為UE收到Node B側調度的數據塊后，需要通過SICH信道反饋ACK或者NACK消息，SICH的信道質量不好很容易導致Node B收不到UE的反饋消息，會不停重傳同樣數據塊，導致UE側無速率。

同理，下載速率慢和下載速率不穩定問題分析思路也主要從Node B側和空口環境進行系統分析：

1、針對干擾：上行方向針對HS-SICH分析，如果HS-SICH的接收到的 No signal Num較多，并且HS-SICH的C/I 和SIR較差，可以判斷為HS_SICH質量比較差，需要重點調整如下參數：1）HS-SICH ACK/NACK功率偏置；2）調整HS-SICH的目標SIR值；3）HS-SICH 期望接收功率。

2、針對下行方向：分析HS-PDSCH C/I和SIR和HS-SCCH C/I和SIR，并統計HS-SICH上報的ACK和NACK的比例，如果HS-PDSCH和HS-SCCH的 C/I和SIR比較差，而且HS-SICH上報的NACK比較比較高，可以說明：

1）下行干擾比較嚴重，空口質量差，檢查NodeB功率配置和UE的功率參數配置是否合理，可以進行參數優化，提升HSDPA速率。

2）在空口質量不好的場景下，需要進一步排查是否是同頻干擾導致，需要進一步判斷，可以調整HSDPA載波的頻點，如果HSDPA速率有明顯的提升，可以判斷是同頻干擾導致速率下降。3）可以通過CQI和調度模式分析16QAM和QPSK所占的比例，如果16QAM調制模式所占比例較少，也可以判斷是空口質量較差，導致HSDPA速率較低，優化功率配置參數。

3、如果空口質量不存在問題，通過TPCWin統計PQ隊列里的緩存數據，以及流控相關的Credits，判斷RNC和NodeB之間IUB 接口是否異常；

4、如果HSDPA載波用戶多，優先對H載波進行擴容，然后分析每個用戶的對應的空口信號質量是否有問題，分析整體的調度次數是否充足，帶寬是否充分利用。如果NodeB的PQ緩存數據較少，這時需要查找RNC數據緩存的情況，如果在RNC出現RLC BO一直為0，可能是數據源數據不足，這時需要查看核心網和IUPS鏈路有沒有問題（是否擁塞或者連接不穩定），排除IUPS鏈路問題和PS域CN的問題。

5、如果核心網和IUPS鏈路都沒有問題，可以檢查PS業務服務器是否存在問題，可以采取更換FTP服務器的方式排除。

參 考 文 獻

[1]謝希仁編著“計算機網絡” （第二版）

[2] 3GPP TS 25.322 - 750

[3] 3GPP TS 25.222 - 750