5G/B5G毫米波網絡TCP傳輸性能分析①

陳 歡,任勇毛,周 旭,楊望泓,范鵬飛

1(中國科學院 計算機網絡信息中心,北京 100190)

2(中國科學院大學,北京 100049)

1 引言

互聯網從上個世紀出現到現在,已經發展了幾十年,移動通信網絡從第1 代到現在的第5 代,不僅提升了各個行業的運行效率,也給人們的工作學習和生活方式帶來了巨大轉變[1].隨著5G 商用的到來,國際標準化組織3GPP 已經為5G 定義了3 大應用場景:eMBB(大流量移動寬帶業務),mMTC (大規模物聯網業務)和URLLC (無人駕駛、工業自動化等業務),這3 大應用場景分別指向不同的領域,涵蓋了我們工作和生活的方方面面.當前,5G 主要解決了我們熟悉的高清視頻、傳輸速率等問題.而B5G 將解決一些應用場景與技術的完善過程.虛擬現實(VR)/增強現實(AR)、自動駕駛、工業互聯以及8 K 超高清視頻等業務將成為熱點,這些業務對計算速度、傳輸速率、網絡延遲和安全可靠等方面有更高的需求.

對移動數據流量的需求一直在以驚人的速度增長,保守估計的流量同比增長40%至70%[2,3].這種飛速的增長意味著在未來幾十年內,移動網絡可能需要提供相對于當前水平高達千倍的容量.同時,無線連接作為智能手機和平板電腦的優勢,許多新設備將需要無線服務,在以往研究預估中,到5G/B5G 商用時,全球移動網絡將連接多達500 億臺設備[4].因此,滿足這一需求將是一項艱巨的任務.所以,客觀現實要求5G/B5G 將具有超高的頻譜利用率和能效,在傳輸速率和資源利用率等方面較4G 移動通信提高一個量級或更高,其無線覆蓋性能、傳輸時延、系統安全和用戶體驗也將得到顯著的提高.為最終建成一個網絡化的社會,5G/B5G 移動通信網絡需要使用位于不同物理頻段的無線頻譜資源,采用比現有移動通信無線接入網絡物理帶寬大得多的射頻信道以支撐各類應用場景,滿足提高業務服務質量的需求.5G/B5G 移動通信將與其他無線移動通信技術密切結合,構成新一代移動通信網絡,滿足未來10年移動互聯網流量增加千倍的發展需求[5].

隨著5G/B5G 商用的推進,毫米波通信的傳輸性能已成為研究熱點.最近的研究表明,毫米波網絡中可實現的下行鏈路容量大約為每秒千兆比特(Gbps)[6].然而,盡管大多數終端用戶服務基于TCP,例如視頻流,文件傳輸和Web 瀏覽,但是對毫米波網絡上的傳輸控制協議(Transmission Control Protocol,TCP)性能的關注還很有限.與此同時,針對5G/B5G 端到端傳輸系統的某些性能問題,也缺乏相應的研究和解決方案.此外,現有的研究工作基本都是在局域網環境下做的一些模擬實驗,缺乏真實網絡場景中針對5G/B5G 毫米波網絡端到端傳輸系統的測試評價,而這是實際應用和傳輸性能研究中必不可少的環節.

本文采用真實網絡設備搭建5G/B5G 毫米波網絡場景,首先測試局域網環境下毫米波鏈路在理想狀況和受干擾狀況下的實時吞吐率,然后針對不同接入網和廣域網網絡狀態對5G/B5G 毫米波網絡端到端系統進行分段測量,對比分析端到端系統的傳輸性能瓶頸.

2 背景及相關工作

毫米波通信代表了無線網絡的最前沿[7].由于大量未開發的頻譜資源的可用性,毫米波通信已成為應對高速流量增長的最熱門的研究課題[8].毫米波是指頻率在30 GHz 到300 GHz 之間、波長在1 mm 至10 mm 之間的電磁波[9],其屬性與光屬性基本相同,即頻率高、波長短,以直射方式傳播,同時波束窄,具有良好的方向性,是實現超高吞吐量信道的重要技術[10].

在5G/B5G 移動通信系統中,毫米波通信技術提供了巨大的潛力的同時也帶來了許多挑戰,這與其嚴苛的鏈路傳播條件有關,毫米波鏈路的特點是視線(Line Of Sight,LOS)條件下的吞吐量非常高,但由于一些因素,身體或其他障礙物(例如:建筑物、汽車、雨雪等)的遮擋,在非視線(Non Line Of Sight,NLOS)狀態下信號與干擾加噪聲比(SINR)可降低至30 dB,丟包率急劇上升,對鏈路吞吐影響特別大[11,12].

同時,移動互聯網進入5G/B5G 時代,無線接入網和高速核心網的融合已經是大勢所趨,但是由于不同的網絡體系結構的物理層、鏈路層特征使得TCP 協議運行在不同的底層網絡上而出現了各種各樣的問題[13],例如無線側的丟包需要經歷整條鏈路的長時延重傳,端到端的擁塞控制難以感知核心網絡中的擁塞狀況等,這對5G/B5G 網絡的傳輸造成了極大干擾,使5G/B5G網絡在高帶寬低時延的高質量鏈路中只表現出了次優的傳輸效率.

目前的研究已有一些針對毫米波傳輸性能的評價工作,主要分為兩類,一類是針對毫米波鏈路特性的測量分析,一類是對毫米波鏈路傳輸性能的測量分析.

毫米波鏈路特性方面,主要針對鏈路傳輸過程毫米波面臨的一些新問題,比如文獻[14]中介紹了毫米波在不同頻率下戶外傳播的測量分析,包括基站到移動端的接入網,基站到基站的回程網絡和車聯網等.測量結果包括了一些毫米波的信道特性,例如每個頻率的路徑損耗模型,鏈路的損耗跟信號的密度、方向和距離有一定的關系,LOS和NLOS 場景切換對信號損耗影響最大,因為其帶來巨大的鏈路時延和丟包甚至中斷,但文中的分析側重于對鏈路損耗模型的建立,并沒有過多關注鏈路傳輸性能.同樣文獻[15]中,通過無人機集群做了毫米波網絡上行鏈路和下行鏈路的傳輸測試,根據鏈路特點建立了LOS和NLOS 鏈路的不同路徑損耗模型,并通過模擬實驗驗證了不同鏈路條件下的系統傳輸性能,認為小集群,即鏈路串擾程度小且LOS 程度高的情況下性能得到改善,并分析出最佳參數.文獻[16]利用接入和回程集成(IAB)技術配置了毫米波異構蜂窩網絡(HetNets)進行了實驗測量分析.他們的實驗展示了典型多層IAB 場景對鏈路傳輸速率的影響.但是他們對傳輸速率的計算采用公式做近似估計,缺乏實際設備的測量結果驗證.

在毫米波鏈路傳輸性能方面,主要是TCP 等傳輸層在毫米波鏈路上行為的分析.文獻[17]中,從帶寬、干擾遮擋和物理速度等方面進行測試,根據評估結果初步揭示了毫米波鏈路傳輸層特性的幾個可能問題.首先,由于毫米波信道的數據傳輸速率非常高,當前的慢啟動機制可能需要幾秒鐘才能達到毫米波 物理層提供的全部吞吐率.這在依賴于短TCP 連接的應用程序中可能存在問題.此外,在LOS-NLOS 轉換經常會導致速率大幅下降,從而產生嚴重的排隊和緩沖,大大增加延遲.在某些情況下,信號完全阻塞甚至中斷會產生數據包丟失并觸發TCP 重傳超時(RTO),在重傳超時之后,就算是如CUBIC 一類的積極TCP 協議也可能需要非常長的時間來恢復到全速率.盡管RLC (無線鏈路控制)層和MAC 層重傳可以保護上層免受數據包丟失,但在實際情況下仍會發生RTO.RLC 層負責與MAC 層進行數據交互,主要任務是對數據分段/重組、ARQ 糾錯和重復檢測.文獻[18]中,也對毫米波網絡中TCP的行為做了測量分析,并研究了它對系統級性能的影響.通過仿真實驗,分析了各種NLOS 環境對吞吐量和延遲的影響,體現在基于丟包、延遲和混合擁塞控制協議的各個方面.文獻[19]也做了相關工作,實驗認為毫米波鏈路上TCP 性能取決于不同類型NLOS的頻率和持續時間,也對不同的鏈路RTT 做了對比測試.此外,也有一些針對毫米波端到端鏈路的測量分析,文獻[20]中,文中基于詳細測量的研究,研究了鏈路阻塞對毫米波端到端鏈路上性能的影響,提出由于波束搜索延遲和與TCP的交互作用,阻塞確實會嚴重損害端到端性能,認為傳輸架構可能是重要原因之一,但該實驗并不能確定真正影響毫米波鏈路端到端功能的瓶頸所在.

以上工作對毫米波鏈路特性和毫米波鏈路傳輸性能做了初步的測量分析,但是仍然面臨一些問題.首先這些工作大部分都是針對毫米波鏈路的測量,很少涉及端到端鏈路,但是在5G 應用中端到端鏈路是最普遍的場景;其次,所有現有的工作都是在NS3 等仿真實驗軟件下進行的,缺乏真實網絡場景的實驗支撐而這是網絡測量以及后續相關優化工作的基礎.

因此,本文的實驗在真實網絡環境下對端到端鏈路、無線側和有線側進行分段測量,對毫米波鏈路TCP 傳輸性能全面的實驗評價,對鏈路的傳輸問題做全面分析.

3 實驗設計

為進行5G/B5G 毫米波網絡的相關測試,本文搭建了一個基本的5G/B5G 毫米波網絡傳輸系統,如圖1.

圖1 5G/B5G 毫米波通信傳輸性能實驗拓撲

實驗采用真實網絡設備進行測量,實驗場景設置包括一臺服務器、一臺移動設備(客戶端)、一臺60 GHz的毫米波無線路由器(基站)和一臺邊緣服務器.有線網絡的網絡接口為萬兆網卡,有線側鏈路帶寬為10 Gbps,無線網絡部分為毫米波鏈路.實驗中設備負載正常,所以設備的性能對傳輸性能造成影響可以忽略.實驗中服務器或毫米波基站作為數據發送端通過Iperf 以TCP流的方式向客戶端發送數據,測量鏈路的吞吐率,Iperf是一個網絡帶寬測量工具;通過Linux 操作系統中的TC (Traffic Control)模塊設置傳輸時延和丟包參數以仿真真實核心網中多種網絡狀況.

5G/B5G 毫米波端到端傳輸架構分為核心網(有線側)和接入網(無線側)兩部分,通過在有線側和無線側設置傳輸時延、丟包率等影響因素模擬真實場景中復雜核心網和毫米波網絡的網絡狀況.

在本文的工作中,首先進行毫米波基本傳輸性能測試,測量毫米波鏈路的吞吐率.然后通過對5G/B5G毫米波端到端鏈路進行分段測量,對實驗數據結合理論分析,得出實驗結論.

4 實驗結果與分析

在之前的部分,我們介紹了5G/B5G 毫米波和TCP的背景,以及當前使用中面臨的前景和問題.針對這些焦點問題,我們設計了以下實驗.第1 部分是5G/B5G 毫米波基本傳輸性能測試,驗證了毫米波網絡的一些特征;第2 部分是5G/B5G 毫米波網絡端到端場景下的傳輸性能及其影響因素的測試.通過這些實驗,我們希望找到一些有價值的內容,以幫助將來研究5G/B5G 毫米波端到端鏈路傳輸性能的優化.

4.1 毫米波基本傳輸性能測試

毫米波由于其高帶寬低時延等優越特性被用于5G/B5G 通信系統,本次實驗測試理想情況下5G/B5G毫米波鏈路的吞吐效率.

按照圖1中的拓撲,本次實驗只測試毫米波基站到客戶端這一段局域網鏈路,實驗中設備保持靜止狀態,鏈路中隔絕了遮擋等干擾因素,從客戶端通過Iperf向毫米波基站發送TCP 流量,記錄毫米波鏈路的吞吐率如圖2所示,在相對理想的狀態下,毫米波鏈路的吞吐率可以保持在2500 Mbps 以上,遠大于當前主流WiFi (IEEE802.11)的吞吐率.

圖2 毫米波鏈路吞吐率

雖然毫米波技術提供了高帶寬的鏈路,但是其對鏈路狀況卻有嚴苛的需求,由于人為或自然因素的干擾對鏈路吞吐率的影響非常嚴重.因此我們設計了下一個實驗如圖3所示,保持不變的實驗場景,在鏈路傳輸過程中,使用了不同的遮擋介質對毫米波信號分別在7 s和15 s 進行了兩次短暫的人為遮擋,這里選用了日常生活中常見的干擾因素對毫米波信號進行人為遮擋,分別為3 mm 厚鐵板、5 mm 厚紙板和人體,鐵板和紙板面積為40 cm×40 cm.

圖3 毫米波鏈路遮擋實驗場景

如圖4,實驗結果十分明顯,毫米波信號受到不同介質的干擾,鏈路傳輸吞吐率發生不同程度的下降,其中鐵板干擾最為明顯,急劇下降約80%,丟包率急劇上升,當遮擋消失時毫米波鏈路傳輸吞吐率迅速恢復正常,因為毫米波有高容量的擁塞窗口,所以對于鏈路吞吐的恢復可以很好應對.

圖4 不同遮擋介質對毫米波鏈路吞吐率影響

以上實驗表明,毫米波鏈路在視距(LOS)條件下的吞吐率具有很高的峰值,但是由于毫米波嚴苛的鏈路傳播條件,信號易受干擾,非視距(NLOS)條件下吞吐率的下降非常劇烈.所以這種高吞吐又敏感的鏈路對端到端鏈路的傳輸帶來很大的挑戰,大規模的網絡抖動難以滿足這些應用場景.

4.2 端到端場景下傳輸性能測試

以上實驗在模擬的實際場景中測試了毫米波鏈路的性能,后面的實驗我們將關注5G/B5G 毫米波端到端傳輸鏈路的性能問題.

針對典型的5G/B5G 毫米波網絡場景,無線接入網為頻率為60 GHz的毫米波,有線廣域網為10 Gb 帶寬的光纖鏈路.參考在中國科技網CSTNET 中的實際測量結果,實際網絡中典型的RTT 值范圍一般為1 ms(LAN),10 ms (城域),50 ms (跨省),100 ms (國際),300 ms(洲際)[21],因此實驗中把有線網絡的傳輸時延設置為80 ms,丟包率設置為0.01%,無線局域網絡傳輸時延設置為1 ms、丟包率設置為1%.

使用Iperf 由服務器到客戶端發送TCP 流量,記錄鏈路吞吐率隨時間的變化如圖5所示,端到端吞吐率卻只能維持在30 Mbps 左右,雖然鏈路加入了一些干擾因素,但這與4.1 實驗中高吞吐量的毫米波鏈路的吞吐率差異太大.

圖5 端到端典型場景下鏈路吞吐率

為研究端到端鏈路低吞吐的原因,實驗又分別測試了有線側和無線側的鏈路吞吐率,使用Iperf 分別由服務器到毫米波基站、毫米波基站發送TCP 流量,記錄鏈路吞吐率.

圖5可以明顯看到,相同條件下有線側和無線側的鏈路吞吐率雖然也不是最優狀態,但都比端到端鏈路要高很多.有線側鏈路吞吐率持續處于300 Mbps 以上,沒有較大抖動但處于下降趨勢,這是由于鏈路的高時延引起擁塞窗口的收縮,導致鏈路吞吐處在較低水平并一直下降.相比之下,無線側吞吐率維持在800 Mbps以上,并存在較大抖動,這是因為有線側鏈路低吞吐導致無線側RLC 層緩沖區等待的數據包太多,導致無線鏈路擁塞,大量數據包重傳如圖6所示.因此擁塞窗口一直在擁塞避免和快恢復之間切換,所以吞吐率一直處于次優狀態,但相比較有線側和端到端吞吐率還是處在較高水平.

以往的研究證明,有線鏈路對傳輸時延比較敏感,本次實驗控制無線網絡傳輸時延設置為1 ms、丟包率設置為1%不變,有線網絡鏈路丟包還保持在0.01%,傳輸時延從10 ms 到300 ms 變化,觀察有線側和端到端的吞吐率隨有線側傳輸時延的變化如圖7和圖8所示.

圖6 無線側數據包重傳

圖7 端到端傳輸吞吐率隨有線側時延變化

圖8 有線側傳輸吞吐率隨有線側時延變化

圖7、圖8中可以看出有線側吞吐率和端到端的吞吐率有著相似的趨勢,傳輸時延從10 ms 到50 ms是吞吐率劇烈下降的一個階段,之后吞吐率下降趨于平緩;同時在相同鏈路狀況下,比較有線側傳輸吞吐率和端到端的傳輸吞吐率也發現,前者基本在后者10 倍以上,所以可以推斷有線側的鏈路時延是影響端到端傳輸的主要因素.

在5G/B5G 網絡中,由于毫米波對環境的敏感性,不可避免地會有大量的丟包重傳.但是,每個數據包的重傳都會經歷核心網絡的長時延,這將不可避免地導致端到端鏈路吞吐量的下降.因此,我們可以研究改進機制來修改端到端鏈路的重傳機制,并盡可能減少重傳時間.

無線網絡特別是毫米波網絡由于存在無法避免的隨即丟包而導致高誤碼率、連接中斷和低吞吐等問題,下面實驗驗證無線網絡鏈路丟包率對端到端傳輸效率的影響.本次實驗控制有線網絡傳輸時延設置為80 ms、丟包率設置為0.01%不變,無線網絡鏈路傳輸時延保持在1 ms,鏈路丟包率從0.1%到10%變化,觀察無線側和端到端的吞吐率隨無線側鏈路丟包率的變化如圖9和圖10所示.

圖9 端到端傳輸吞吐率隨無線側丟包率變化

圖10 無線側傳輸吞吐率隨無線側丟包率變化

5G/B5G 毫米波端到端網絡中較差的傳輸性能是由于不可靠信道上的數據包丟失,不過一般鏈路的丟包可以由重傳來彌補[22],但是圖9中所示無線側的丟包率對端到端的傳輸效率影響是非常的嚴重,隨著丟包率的增大,TCP 進入快速重傳階段,所以也導致鏈路吞吐率劇烈的下降.

但是,通過比較相同鏈路條件下的無線段和端到端鏈路傳輸吞吐量,我們可以發現,盡管較低的無線段的吞吐量隨著丟包率的增加而降低,但它遠大于端到端吞吐率,如圖11所示.因此,在正常的丟包率水平下,毫米波無線側丟包對整個端到端鏈路傳輸有巨大影響,端到端鏈接沒能完全利用毫米波的高吞吐量優勢.

圖11 無線側和端到端傳輸吞吐率對比

因此,為了充分利用毫米波的優勢,我們可以優化無線鏈路上的傳輸控制機制.如前文所述,因為現有的TCP是為傳統的有線網絡設計的,當將其應用于毫米波無線網絡時,該鏈路狀態將不可避免地被誤判導致出現性能問題.

5 總結

毫米波由于其豐富的頻譜資源和峰值極高的帶寬容量,非常適合5G/B5G 移動通信系統對的未來大規模連接、高可靠、低時延通信需求,從而成為5G/B5G移動通信系統不可或缺的重要工具.同時,與傳統的網絡鏈路相比,毫米波鏈路也具有其獨特的特性,包括高可用帶寬,信道質量的高可變性以及由于傳播損耗和不利的大氣吸收而導致的阻塞敏感性,這對網絡性能的穩定性提出了一些挑戰.

本文研究的基本問題就是基于毫米波的5G/B5G網絡端到端系統TCP 傳輸性能問題,實驗證明,在5G/B5G 毫米波網絡中,毫米波鏈路具有很大的帶寬容量,但是在端到端網絡傳輸中卻不能發揮最優化的吞吐率.主要由于有線側的鏈路傳輸時延和無線側的鏈路丟包都能引起了本側和端到端傳輸效率的下降.在端到端的傳輸鏈路中,通常可能只是由于一側的鏈路狀況較差從而導致端到端的吞吐率下降;而且相同鏈路條件下,有線側和無線側單獨傳輸時傳輸效率很高,但連通起來的端到端鏈路的傳輸效率卻很差.因此,對于長時延重傳和無線鏈路丟包,應該提出針對性的改進機制.

在未來的工作里,我們將著手優化5G/B5G 毫米波網絡端到端傳輸架構和傳輸策略,提升傳輸的高效性和穩定性.