EV-DO網絡特性測試研究

陳偉權，吳鎮邦，王耀光，秦 勇

(1.廣東省東莞市質量監督檢測中心，廣東 東莞 523808；2.東莞理工學院 計算機學院，廣東 東莞 523808)

EV-DO網絡特性測試研究

陳偉權1，吳鎮邦1，王耀光1，秦 勇2

(1.廣東省東莞市質量監督檢測中心，廣東 東莞 523808；2.東莞理工學院 計算機學院，廣東 東莞 523808)

移動端應用的高速增長更好地體現了3G EV-DO的重要性。為更加準確地測量EV-DO網絡的帶寬，文中利用EV-DO網絡嗅探器和Wireshark2工具來捕獲蜂窩網的通信量進行測量，進行了數據速率控制、報文封裝、包到達時間、分組丟失模式和隊列管理等一系列的實驗測試以更深層次地理解EV-DO。實驗結果表明：非移動EV-DO用戶數據速率比之前短時間內很少變化及長時間內有較多隨機行為的用戶有更好的穩定性，有較頻繁的低級別數據包封裝發生；定制服務提供商配置、操作系統差異可以混淆相對于EVDO規格的網絡行為。

3G；EV-DO；帶寬預算；測試

0 引 言

到目前為止，沒有專門針對3G EV-DO網絡的帶寬預算技術[1]，原因是EV-DO網絡和無線802.11或有線網絡之間的根本差異，現有的帶寬預算工具不能準確地測量EV-DO網絡的帶寬[2]。對于EV-DO網絡的帶寬預算根本的挑戰是合理的數據包分段和多報文封裝、均衡公平的調度、時分多路復用前向鏈路和高可變性的傳輸速率[3-4]。

目前只有少數文獻針對有線、無線IEEE 802.11和EV-DO網絡的現有帶寬預算技術的可行性進行研究[5-10]。例如，文獻[11]在移動網絡中比較三種帶寬預算工具(TOPP，SLoPS和pathChirp)，結果顯示，pathChirp工具的預算效果最好。然而，該實驗只是在NS-2平臺上模擬，并不能呈現NS-2的結構，而且文獻并沒有提供關于移動網絡的研究細節(例如，網絡情況到底是1xRTT，1xEV還是UMTS)。

文獻[12]比較TCP吞吐量通過工具調用npath得到的帶寬預算結果。預算結果持續穩定在約525 kbps，TCP吞吐量在300～350 kbps之間變化。雖然作者沒有對這些不同做出解釋，但是結果顯示npath沒有準確地估算出其可達到的吞吐量。文獻[13]使用WBest來預算一個EV-DO終端可達到的吞吐量。該實驗結果表明，WBest未能測量出可達到的最大TCP吞吐量或最大UDP吞吐量。該研究的結論是由于傳輸速率的高可變性只在很小的時間范圍內顯現，所以在EV-DO網絡的帶寬預算并不可行[14]。

文中提出目前廣泛使用的3G EV-DO A版本的蜂窩網絡技術的測量研究。通過研究EV-DO的特點，有助于實現開發用于移動流應用的高效帶寬預算技術的最終目標[15]。已發現的重要的EV-DO的詳細信息包括EV-DO數據包開銷、傳輸數據速率的頻率和持續時間、EV-DO數據包的分組分片和封裝、EV-DO甚至更高層的損耗特性、觀察到的信號強度。在對部署EV-DO網絡的大致了解之后，這些特點有利于EV-DO模擬器的發展，或者被終端主機用來改進對EV-DO的應用性能[16]。

1 研究背景

文中數據包是指EV-DO包，而協議數據包指的是在其他網絡層(例如IP包)的數據包。

典型的EV-DO網絡由接入終端(AT)連接到一個接入點(AP)，也稱為無線節點(RN)。接入點由無線電控制節點(RNC的)管理，無線電控制節點提供的服務包括資源和移動性管理，分組數據服務節點(PDSNs)將RNC連接到因特網并管理用于AT的點對點協議(PPP)會話[17]。

EV-DO Rev.A的AP傳輸數據到ATs的速率取決于所接收到的DRC(數據速率控制)索引。每個EV-DO時隙(1.667 ms)，根據AT所測量得到的信號干擾噪聲比，估算每個AT接收單個數據包的DRC的最高可能性，并將DRC索引發送到AP。更好的無線信道條件產生較高的DRC，其中，DRC14對應于最高的數據速率，DRC0對應于最低的數據速率[18]。

EV-DO網絡維護每個AT的PPP會話。互聯網IP報文封裝在PPP數據包，經過幾層EV-DO層發送到合適的AT。PPP包的形成不保留IP數據包邊界，即IP包可被EV-DO網絡組合或分段。

2 測試方法

文中EV-DO實驗使用一臺筆記本電腦與3G的EV-DO Rev.A網卡作為移動無線客戶端，利用EV-DO網絡嗅探器和Wireshark2工具來捕獲蜂窩網的通信量進行測量。通過嚴格控制從一個連接良好的服務器下行通信的IP數據包大小和數據包速率，該測試與整個網絡層信息和推斷EV-DO的行為相關。

表1列出了EV-DO測試所采用的軟件工具。

EV-DO嗅探器在每個EV-DO時間片統計一次DRC_SINR和PER(數據包錯誤率)。QCAT出口嗅探器為數據包格式分析跟蹤文本文件。由于AirCard進入休眠狀態后的5 s空閑時間，嗅探器沒有收到信息，自定義地保持活動狀態的工具會每隔3 s發送一個UDP數據包到服務器。自定義通信產生工具用一個含有序列號的10字節大小的UDP數據包從服務器發到客戶端。

表1 軟件工具

3 實驗結果分析

文中實驗規模的局限可能不會產生普遍存在的具有代表性的結果。然而，以前所提供的大規模的研究大移動網絡的數據大多只能來自網絡提供商，很可能是因為AT需要人工操作來收集數據。文中一些實驗(例如吞吐量與采樣時間)是在同一位置不同的DRC范圍內運行，從而得出一些更有代表性的數據。其他實驗結果(例如，操作系統所造成的不同的數據包間隔時間)是普遍適用的。

(1)DRC分析。

圖1(a)描述了兩個90 min實驗所得到的DRC的CDF值。移動實驗如前所述,是一輛汽車以30 km/h移動和在位置B上的靜止實驗的運行結果。這兩種情況下，實驗產生了近一個全范圍的DRC值，DRC值從1～13清晰分布。移動實驗中DRC的分布稍寬。DRC在移動實驗中偶爾出現數值為14，在靜止實驗中卻從未出現。

DRC的波動對AP傳輸速率的可變性，也就是對流媒體應用和帶寬預算產生直接影響。一般來說，更穩定的DRC分布應產生更穩定的流數據率、更準確的帶寬預算和更少的預算時間。

為了檢驗這個變化規律，每個EV-DO時隙(1.667 ms)所產生的AT DRC請求被以800 s為一個周期記錄下來。圖1(b)為這個DRC在靜止實驗和移動實驗中的CDF。在靜止的實驗中，DRC值在較長的時間段內保持不變。對于靜止的AT，半數以上的時間的DRC停留在1 000+時間片的(大約1.5 s)穩定區域，表現得比先前報道的更穩定。DRC在3 000+時隙(5 s以上)的穩定區域大約占10%。在移動的AT的情況下，DRC保持停留在600+時隙(超過1 s)穩定區域超過一半以上的實驗時間。

(a)DRC的CDF

(b)DRC中CDF的穩定性

(2)吞吐量與采樣時間。

對于實驗和工具，確定所需的精確測量的樣本大小是關鍵，如帶寬預算，從采樣的最少數量實現吞吐量的預測。為此，選擇在三個位置的三個運動軌跡線(代表三種不同的AT吞吐量)進行比較。三個運動軌跡持續200 s，在此期間服務器發送飽和的UDP通信到AT。

平均吞吐量分別為：位置C是285 kbps，位置B是441 kbps和位置A是813 kbps。用于位置B和C的數據包的大小是1 500字節，用于地點A中的數據包大小為33字節。

圖2 標準偏差與采樣間隔

圖2是平均吞吐量標準偏差隨著采樣間隔以秒為單位的變化圖。正如預期那樣，隨著采樣間隔的變化，標準偏差穩定不變，然而，即使非常少的樣品，標準偏差也是相當低的。這表明帶寬預算技術在相對較少的測量情況下也能夠獲得相當準確的預測。注意，三個運動軌跡，變異系數(標準偏差除以平均值)大約都為1。

(3)EV-DO數據包分析。

IP數據包轉移到EV-DO AT的過程中可以被分割。圖3表示從612字節到620字節的UDP包和EV-DO數據包每秒到達量比較的實驗。在大約675 s，一些EV-DO數據包到達量從每秒1個跳至每秒2個。這表明，在617個字節的IP數據包太大，不適合一個EV-DO數據包，必須被分割為兩個EV-DO數據包。除了確認的EV-DO數據包分片的存在，該數據也可提供足夠的信息來計算EV-DO頭大小。在DRC14，EV-DO每次發送640個字節。

圖3 EV-DO包到達時間與IP包大小

(4)應用包分析。

圖4表示的是在EV-DO AT的接收筆記本電腦的應用層收集到的UDP數據包CDF間隔時間的實驗。該數據包的大小被設置為50字節，以減少包碎片的可能性。數據包到達間隔時間受操作系統影響。Windows系統的間隔時間為1 ms的倍數。到達的1 ms間隔的IP數據包很可能用同樣的EV-DO數據包發送(EV-DO分組必須至少被一個EV-DO時隙分離)。時間不同有可能是由于在每個操作系統堆棧緩沖方案或設備驅動器不同造成。因此，基于毫秒計時數據包來推斷應用層數據包的帶寬不能準確地確定EV-DO數據包的到達率。

(5)PER和故障包。

當一個AT向AP請求DRC，根據測得的SINR，DRC以小于1%的EV-DO數據包錯誤率(PER)被選擇接收。在500 s的時間間隔，在位置B，PER每秒記錄一次。超過500 s時，只有15 s的非零PER需要觀察。

圖4 應用程序包的間隔時間

圖5表示出現錯誤時觀察得到的CDF。圖中大約90%的PER集中在0.20附近。

圖5 PER的CDF

4 結束語

適于仿真的3G EV-DO分析和對視頻流的帶寬預算技術都沒有很好地建立起來。文中利用EV-DO嗅探器、Wireshark和應用程序級的工具進行仔細的實驗和測量，深入了解以前未報告或證明的EV-DO性能。結果對建設EV-DO模擬器或在EV-DO上的流媒體應用帶寬預算工具是有實際價值的。未來的工作包括更多的測量，特別是在不同的環境(例如城市與郊區)和終端主機(例如移動與靜止)的特點。

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Research on Characterization of a EV-DO Network

CHEN Wei-quan1,WU Zhen-bang1,WANG Yao-guang1,QIN Yong2

(1.Dongguan Quality Supervision and Inspection Center，Dongguan 523808,China; 2.School of Computer Science,Dongguan University of Technology,Dongguan 523808,China)

The growth of mobile streaming applications has increased the importance of a better understanding of 3G EVDO performance.For a more accurate measurement of EV-DO network bandwidth,EVDO network sniffer and Wireshark2 tool is applied to capture cellular network traffic for measurement,carrying on a series of experimental measurements including data rate control,packet encapsulation,packet interarrival time,packet loss pattern and queue management to offer an in-depth,crosslayer understanding of EV-DO.The results demonstrate that data rates for non-mobile EV-DO users are more stable than previously reported with little variance over short time scales and more random behavior over long time scales;low-level packet encapsulation/combination happens frequently;and custom service provider configurations and operating system differences can obfuscate network behavior relative to EV-DO specifications.

3G；EV-DO；bandwidth estimation；test

2015-07-10

2015-10-16

時間：2016-03-22

廣東省高等院校學科與專業建設專項資金建設項目(2013KJCX0178);清遠市產學研結合項目(2012D021212005);江門市科技計劃項目(2011010050525);東莞市高等院校科研機構科技計劃項目(2012108102035)

陳偉權(1979-)，男，研究生，高級工程師，研究方向為信息技術設備安全質量評估。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160322.1520.064.html

TP31

A

1673-629X(2016)04-0132-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.04.029