LTE基站衛星回傳優化與測試

陳 玥，盧洪濤，許向東，錢少波，黃毅華，陳秀敏，鄧博存

（1.中國電信集團公司，北京 100010；2.中國電信股份有限公司廣州研究院，廣州 510630）

LTE基站衛星回傳優化與測試

陳 玥1，盧洪濤2，許向東2，錢少波2，黃毅華2，陳秀敏2，鄧博存2

（1.中國電信集團公司，北京 100010；2.中國電信股份有限公司廣州研究院，廣州 510630）

本文通過介紹前期中國電信在使用衛星信道回傳LTE基站遇到的問題，分析LTE基站的S1接口時延要求和協議棧結構，TCP/IP協議在衛星信道傳輸的特點，提出在衛星傳輸鏈路中引入4G優化設備，使用IP數據壓縮、緩存及TCP加速等技術手段，充分利用衛星信道帶寬資源，還分析了中國電信在上海衛星地面站開展的驗證測試結果。

LTE；衛星；優化；測試

Optimization and Test of Satellite Backhaul for LTE Base Stations

Chen Yue1, Lu Hongtao2, Xu Xiangdong2, Qian Shaobo2,

Huang Yihua2, Chen Xiumin2, Deng Bocun2(China Telecom Corporation, Beijing, 100010; 2.Guangzhou Research Institute of China Telecom Corporation, Guangzhou, 510630)

1 引言

4G LTE基站在中國電信移動通信網絡中已經被大范圍使用,回程鏈路采用的都是千兆以太網光纖鏈路。在應急通信和搶險救災應用中,以及某些偏遠地區,往往不具備光纖傳輸條件,能夠使用的傳輸手段目前看只能是衛星通信。在過去的一年多,中國電信進行了大量的測試證明,4G/LTE基站可以通過衛星通信實現傳輸,基站能夠正常起站,手機也能夠正常加入網絡。從測試結果分析,發現當衛星信道在5Mb/s以下時,業務下載速率能夠達到信道傳輸速率（接近5Mb/s）,但是當衛星信道帶寬大于5Mb/s后,下載速率不但無法超過5Mb/s,反而會出現下降的現象。在衛星傳輸普通Internet數據（TCP/IP）時,使用良好的TCP加速設備在4G/ LTE衛星傳輸中使用時沒有效果。

2 問題分析

2.1 衛星信道對LTE傳輸帶來的不利影響

目前,通信衛星主要是采用同步軌道的衛星進行通信,鏈路時延高達230～280ms,會嚴重影響LTE 4G基站傳輸效果。由于衛星信道屬于誤碼率較高的信道,也對LTE回傳帶來不利的影響。LTE協議定義的最大上行帶寬為50Mb/s,最大下行帶寬為100Mb/s。對于有限的衛星傳輸信道而言,帶寬嚴重制約LTE的業務能力。

2.2 LTE接口的時延要求

LTE網絡是一個純數據通信網絡,包括VoLTE業務也是屬于數據業務,LTE業務對時延和抖動都非常敏感。LTE的控制面時延在協議中規定,終端從空閑態到連接態的時延應控制在100ms以內。eNB至S-GW之間的S1接口時延為10ms,eNB之間的X2接口時延為20ms。LTE不同的業務對時延的要求不一,其中要求最高的實時游戲類業務的業務時延要求為50ms。

2.3 原有衛星傳輸優化方式遇到的問題

LTE手機/終端發起的TCP業務（上網瀏覽或者下載）首先被封裝到GTP協議內（GPRS Tunneling Protocol）,之后再封裝成UDP/IP/Ethernet的IP包進行傳輸。而普通的TCP加速設備檢測到的是UDP包,所以也就無法實現TCP協議加速。TCP傳輸是依靠端到端（4G基站通過衛星通道到核心網）實現協議握手的,衛星傳輸時延很大,所以造成了盡管衛星帶寬較大,但是下載速率無法達到預期效果。Modem的包頭壓縮是對外層UDP/IP/Ethernet層的包頭壓縮；Modem的載荷壓縮是將用戶業務+GTP的整體作為“載荷”進行壓縮,壓縮效果取決于實際業務的情況。

2.4 TCP協議在衛星傳輸中遇到的困難

TCP協議負責確保數據在設備之間進行端到端的可靠交付。從這個意義上說,衛星鏈路對TCP/IP數據傳輸的影響主要體現在TCP層。TCP存在的慢啟動、擁塞控制、數據重傳機制,要求反饋以確認數據接收成功。衛星信道的一些固有特性（如較大延遲、較高比特差錯率和帶寬不對稱等）對通過衛星鏈路進行TCP協議傳輸造成了負面影響。

2.5 衛星傳輸4G優化設備的解決方法

在衛星傳輸中,可以引入4G優化設備,該設備可以直接打開GTP層,直接看到手機用戶的Internet業務,并對TCP傳輸數據進行優化,采用的優化手段有：壓縮、緩存、TCP優化。TCP優化的主要手段包括協議欺騙、慢啟動機制優化、TCP進程分解和TCP窗口優化等。

圖1 使用4G優化設備在衛星信道中傳輸

2.5.1 IP數據壓縮

4G優化設備可以打開UDP包,對內容數據進行壓縮。如果內容數據屬于可壓縮的文件,例如文本文件,通過壓縮可以提高發送效率,缺點是如果數據是加密數據,則無法進行壓縮。絕大部分Internet業務已經被壓縮過了,所以在此壓縮的效果不明顯,但是對于未經壓縮的Internet業務,則可以實現一定的壓縮。另外,載荷壓縮能夠對GTP和用戶業務包頭（TCP/IP）實施一定程度額外的壓縮。

2.5.2 數據緩存

4G優化設備可以對內容數據進行緩存,如果發送的數據僅對上一次發送的數據進行了細微改動,通過內容數據緩存分析,4G優化設備將僅發送改動數據的標簽,在對端4G優化設備進行數據合成,將大大提高發送效率。此外,4G優化設備可預先從熱門網站上下載數據,進行緩存,一旦有用戶需要訪問這些網站時,4G優化設備可直接從本地為用戶提供數據,提供信道效率。缺點是如果數據是加密數據,則無法進行緩存。

2.5.3 協議欺騙

在確認信息尚未到達時,4G優化設備作為虛擬的目的節點向eNodeB發送確認信息使得eNodeB可以繼續發送下一數據包,同時4G優化設備對接收到的數據進行保存,4G優化設備作為虛擬的eNodeB向對端的4G優化設備發送數據,如果數據丟失,則重新發送,直到數據發送成功收到對端4G優化設備的確認后,才丟棄保存的數據。這樣對eNodeB可以減少確認信息的往返時延,從而提高eNodeB的發送速率。

2.5.4 慢啟動優化

在TCP協議中,基本的TCP擁塞控制過程是在發送數據前期,滑動窗口先使用慢啟動策略,在這個階段,每經過一個數據往返時間,擁塞窗口增加一倍。但衛星信道的時延大造成往返時間長,從而導致使用衛星傳輸時,TCP協議窗口慢啟動時間很長,大量浪費了衛星信道的有效帶寬。通過對TCP初始滑動窗口及慢啟動機制優化,將提高發送速率。

2.5.5 TCP進程分解

4G優化設備可以打開GTP層,將手機用戶與Internet之間的單一TCP連接拆分成3個單獨管理的TCP連接。通過4G優化設備,每個單獨的TCP進程都具有自己的本地進程管理和重傳處理機制。而沒有4G優化設備時,整體是單個“端到端”的TCP連接,這樣處理的優勢是消除了端到端的TCP重傳,減小了“延遲”,增加了TCP吞度量。

2.5.6 TCP窗口優化

TCP的初始數據發送窗口大小是固定的,和操作系統等因素相關,如Windows XP操作系統的TCP初始數據發送窗口為16位,即64kbyte大小。如果對TCP窗口進行擴大,根據計算公式最大吞吐率=最大TCP初始數據發送窗口/RTT,假設4G數據在RTT相對固定的衛星信道上傳輸,TCP初始窗口大小的增大就可以提高TCP的最大吞吐率。

圖2 TCP進程分解

圖3 測試組網

3 LTE 4G衛星信道優化傳輸測試

中國電信近期在上海劉行地球站開展LTE 4G衛星信道優化傳輸測試,測試從位于市內的4G核心網設備通過地面線路傳輸到劉行地球站,通過光到GE的轉換設備將傳輸轉換為以太網電口,再接入到包含4G衛星傳輸優化設備的Modem鏈路中。

3.1 測試項目

由于4G衛星傳輸優化設備具備“旁路”功能,即當設備出現故障甚至關機的情況下,能夠保證以太網傳輸的旁路通過（沒有優化,直接通過4G衛星傳輸優化設備,相當于設備沒有接入）。所以測試時4G衛星傳輸優化設備一直接入,通過對其進行關機和不同的配置,在不同速率的衛星信道場景下,進行PC通過4G上網卡接入4G基站,訪問Internet進行文件下載測試。

3.1.1 衛星鏈路

本次測試對5Mb/s以下的速率沒有考慮,僅考慮5Mb/s以上的速率,一共進行了3種速率的測試,分別是：5Mb/s/5Mb/s對稱信道；10Mb/s/10Mb/s對稱信道；15Mb/s/2Mb/s非對稱信道。

測試的衛星鏈路采用某公司的CDM625調制解調器,未啟用載波疊加和IP優化項（包頭壓縮和載荷壓縮）,使用TPC 16QAM 3/4編碼方式。鏈路建立的時候,調整發射功率,確保兩端的Eb/ No都在9dB左右。其他測試設備見表1。

表1 測試設備清單

3.1.2 測試終端和測試業務

測試終端使用一只4G上網卡,插到一臺PC（Dell6420,Win7操作系統）上,4G上網卡通過測試基站上網。PC上運行FileZilla Client軟件,作為FTP客戶端,仍然接入上海電信用于下載測試的FTP服務器（與測試手機使用的FTP服務器相同）。

為了達到測試目的并節約測試時間,認真遴選了不同的文件用于下載和上傳：

⊙ 文件1：AdbeRdr1100_zh_CN.exe,文件大小：

56,671,376Byte。這個文件是個不可壓縮。

⊙ 文件2：ttt2.avi文件,文件大小57,625,

532Byte,這個文件部分可壓縮。

⊙ 文件3：fp.log,文件大小20,617,071Byte,這個文件高可壓縮。

⊙ 文件4：escrime-final-france.bmp,文件大小9,288,056Byte,部分可壓縮。

⊙ 文件5：dscpc-CIR.avi,文件大小112.432128Byte,部分可壓縮。

測試時主要用文件1和文件2進行測試（一個不可壓縮,一個部分可壓縮）。

3.1.3 測試項目

在每種Modem速率下,分別測試如下項目：⊙ 優化設備關機時的下載和上傳,采用小文件。⊙ 優化設備開機,所有功能相都關閉。⊙ 優化設備僅開啟TCP優化。⊙ 優化設備僅開啟IP壓縮。

⊙ 優化設備僅開啟傳輸緩存。

⊙ 優化設備開啟IP壓縮和傳輸緩存。

⊙ 優化設備開啟TCP優化、IP壓縮和傳輸緩存。

測量方法：每次測量文件傳輸結束后,通過FileZilla的日志讀取進程時間；通過多次觀察驗證,得到結論：從優化設備上讀取的WAN速率與Modem上的非常一致。為了少侵擾Modem的操作,這里通過優化設備觀測實際上星帶寬的占用率。

3.2 測試結果

使用FTP軟件（FileZilla）從電信機房的文件服務器（101.231.82.82）下載不同文件,測試下載速率,測試結果如表2～表4所示。

圖4 測試終端示意圖

表2 衛星上下行帶寬均為5Mb/s的測試結果

表3 衛星上下行帶寬均為10Mb/s的測試結果

表4 衛星上下行帶寬分別為15Mb/s/2Mb/s的測試結果

3.3 測試結果分析

從測試結果來看,使用4G優化設備是否,對衛星傳輸速率影響較大。前期測試中出現的問題,通過加入4G優化設備可以得到有效解決。具體分析有以下幾點：

（1）TCP優化功能,可以有效提高衛星帶寬的利用率,減少傳輸時長。

（2）在IP數據壓縮優化方面,文件是否可以被壓縮,決定了IP數據優化能否取得理想的效果。對于不可壓縮的文件,IP數據壓縮基本沒有效果。

（3）測試結果表格中下載速率是“凈載荷速率”,比傳輸速率（Modem設置速率）要低些。原因是在凈載荷基礎上還有封裝協議開銷,以及S1接口中的信令也會消耗掉一定的帶寬。

（4）在4G優化設備關機（等同于沒有加入優化設備,純Modem信道）時,當衛星信道低于5Mb/s時,FTP速率還可以隨著信道的提高而提高。但是當Modem速率高于5Mb/s后,FTP速率到一定程度后會出現下降。通過在10M和15M是的下載表現可以看出這個結果,這個結論與早期測試結果一致,也有不一致之處：早期測試中,只用Modem的測試中,5Mb/s衛星信道能夠獲得到5Mb/s的FTP下載速率；但是這次,5M的信道只獲得2Mb/s的FTP下載速度,這個原因應該是測試環境（終端）發生了變化,不同的終端TCP窗口大小不一致,造成的這個結果。

（5）4G優化設備開機后,即使所有優化項都關閉,但是仍然可以看到一定程度加速（與不開機相比）。究其原因,應該是設備可關閉的優化項中不包括TCP進程分解和TCP窗口大小這兩項功能的關閉。所以,設備會按照缺省的優化功能進行傳輸,從而出現了一定程度的加速。

（6）數據緩存功能對于被重復下載/瀏覽的文檔/網頁非常有效,只要之前有人下載過,那么再次下載就非常快,也不占用任何傳輸帶寬,這一點對于信道優化非常有效。

（7）TCP優化功能和IP優化功能同時使用,能夠最大化地在Modem之前增加信道的傳輸效率；如果再伴以Modem優化技術（高階調制、IP包頭壓縮和載波疊加）,那么系統的優化增益將更高。

（8）本次測試條件所限,最大信道設置到了15Mb/s,如果信道設置成為更大的數值,傳輸速率將會進一步提升。

4 結束語

通過測試分析可以發現,使用4G優化設備可以有效提高LTE 4G基站衛星回傳的信道利用率,優化設備可以識別LTE S1接口的GTP協議層,有效對GTP內的手機/終端TCP非壓縮和非加密數據進行優化。該設備GTP/TCP優化功能能夠實現多種TCP協議優化功能,從而能夠在衛星信道的長時延下仍然能夠用足信道帶寬。4G優化設備可以對上下行信道均實現優化,配合衛星調制解調器原有的帶寬壓縮功能,可以進一步提高LTE基站的數據在衛星信道的傳輸效率。

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10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.12.007

TN927+.2，TN929.53 文獻標示碼：B

1672-7274（2016）12-0025-06