TD-SCDMA网络TCP性能优化技术

王晓东 张晟

（中国移动通信集团公司 北京 100032）

1 如何解决TD-SCDMA网络中TCP层数据传输面临的问题

TD-SCDMA现网的如下数据传输问题是一般无线资源管理算法不能够有效解决的，必须依赖TCP层特有增强技术来解决的：

第一， 当无线传输环境发生比较剧烈的变化时发现，即使空口环境很好，但是数据传输速率一样很低。其主要原因在于当空口无线环境变差时，可能发生丢失分组而引起超时，这种情况下，TCP即会进入“慢启动阶段”而降低Server的发送速率，从而自适应的“适配”网络环境的变化，而当空口环境再次变好时，Server的发送速度不会很快补充上，这时可能会出现RNC缓存排空，空口无数据可发的情况，导致无线环境较好情况下的E2E传输速率得不到提升。

第二，现网用户访问部分Internet站点时，发现平均速率较低，当Internet Server不在中国移动的骨干网上时，RNC到Server的RTT较大，TCP的“自适应”特性导致RNC缓存经常发生排空，在空口出现数据不够发的现象，UE侧的接收窗口配置过小时通常也会导致吞吐量不理想。

第三，在多终端调度场景下，无线空口各UE之间数据包快速调度也会导致部分低优先级UE的调度速率降低，而当高优先级UE数据发送完毕，低优先级UE得到更多无线资源时可能发生缓存排空现象。

中国移动经过研究，借鉴其他系统成熟经验，提出了TPE（TCP（Transmission Control Protocol）Performance Enhance）技术，使TCP协议与无线环境相适配，有效提升TD网络中的TCP数据传输性能，改善无线环境下TCP的处理机制上的限制。

2 TPE在TD-SCDMA系统中的实现

TPE是一种提升无线网络中TCP数传性能的算法方案，在TD-SCDMA系统中由TPE功能模块对TCP/IP分组进行解析和额外的处理，提升了TCP数传效率和数据业务吞吐率；可以在RNC实现TPE功能，对TCP分组进行解析。图1示意了TPE在GTPU和PDCP之间的实现。

图1 TPE实现位置

通过对TCP/IP包进行解析和处理，采用下行数据缓存排序、分裂ACK、复制Dup-ACK以及RAN侧本地重传等TCP性能优化技术，加速下行数传过程中服务器的慢启动和快速重传，快速恢复过程，避免数据传输过程中TCP进入慢启动流程，从而减轻无线侧时延过大和时延抖动、分组丢失、核心网分组丢失、乱序等因素对TCP数传性能的影响。

从TPE技术返回ACK的方式来看，TPE有两种基本的实现机制——非提前回ACK方式和提前回ACK方式。

两种方式的共同点都是通过中间网元进行TCP机制的优化。不同的是，提前回ACK方式，是指将原数据业务的TCP连接分裂成两个连接，即Server<->TCP代理的TCP连接和TCP代理<->UE的TCP连接，Server和UE之间变成“互不相见”，各自看到的就是TCP代理；非提前回ACK方式下，中间网元的TPE功能并没有将原TCP连接完全截断，即仍维持Server<->UE的端到端TCP连接。

使用提前回ACK能够很好地实现对Server屏蔽无线侧情况，也即Server的数据发送独立于UE的数据接收。TCP代理能够提前从Server获取数据，而不管UE是否已经应答。在这种情况下，通常能保证RNC RLC Buffer不会出现排空现象，也即使得空口总是有数据发送，这就避免了之前TD-SCDMA外场测试中的RNC RLC Buffer排空问题，从而提高了空口吞吐率。但使用提前回ACK方式，当发生越RNC的切换时，如果不开启无损迁移功能，将出现可靠性问题，即Server认为数据已经成功发送，而UE却没有收到该数据；而如果开启无损迁移，则通常不存在可靠性问题，因为数据能够搬移到目标RNC，但是需要搬移的数据流很大，而目标RNC负载也较重时，目标RNC将可能出现缓存不够的问题，这仍然可能导致可靠性问题。

使用非提前回ACK则可避免上述由于提前回ACK而引起的RNC间切换导致的数据传输问题，因而TPE技术采用了非提前回ACK方式。

3 TPE功能集

TPE解决方案中包含如下主要功能集，分裂ACK，复制DupACK，本地重传，上行数据分组处理，实际使用过程中应当根据网络实际情况灵活配置，从而达到性能的最优化，如图2所示。

图2 TPE 功能集

分裂ACK：利用TCP中根据收到的ACK数来更新拥塞窗口的特点，通过增加ACK数来加速拥塞窗口的膨胀。使得TCP发送端的拥塞窗口能短时间内增长到较大值。当服务器发生慢启动时，使用分裂 ACK，可以快速膨胀拥塞窗口，而当服务器处于快速重传和拥塞避免时，使用分裂 ACK，同样能够加速拥塞窗口的增长。该功能中TPE收到一个UE过来的ACK时，将这个变成几个ACK。例如，TPE收到ACK请求2921，分裂ACK数目为3，从TPE发出的ACK就为ACK请求2918，ACK请求2919，ACK请求2920，ACK请求2921，这样可以加快CWND的快速增加，提升服务器向UE发送数据的速率。

复制DupACK：根据TCP机制收到3个DupACK就快速重传丢失分组的特点，代理收到UE的ACK后，如果检测到ACK所请求包不在缓存中，那么立即复制3个DupACK给服务器，从而缩短分组重传所花费的时间，整体上提升了TCP数传性能。

本地发送和重传：服务器发送的数据分组，首先在TPE中缓存，再由TPE发送给UE，当TPE到UE之间丢失分组后，UE会发DupACK，TPE会对其进行拦截，当这些DupACK达到一定次数后，TPE向UE进行本地重传，而不是通过Server的重传来进行，从而缩短了重传时间，另外也较大程度的避免了快速重传中Server拥塞窗口的减半操作。

对上行数据包的处理：对上行数据分组进行排序，使得上传的数据按序向核心网递交，到达Server接收端后，TCP数据分组乱序的可能性就减小，从而很大程度的避免发送不必要的DupACK。

捎带分组分离ACK：对于上行捎带分组，如果确认了新的下行数据，那么从该分组分离出一个纯ACK，该ACK除了序号比捎带分组的序号小外，所有信息和捎带分组的头部信息完全一致。对于下行捎带分组，同样，如果确认了新的上行数据，那么也从该分组中分离出一个ACK。

TPE虽没有加快TCP发送窗口的滑动速度，但通过增长拥塞窗口而增加了发送窗口，从而提高了数据的发送速度；通过本地缓存和重传，减轻和避免了空口原因造成的服务器慢启动或窗口减半，即使发生了重传也可以加速该过程；从而形成了接入网中对数据业务的性能优化方案。

4 TPE应用前景

由于WCDMA和TD-SCDMA采用完全相同的上层协议技术，WCDMA也面临TCP协议无法完全和空口环境相适应的问题，TPE已经在WCDMA中得到广泛的应用。WCDMA的TPE技术已经在海外各大运营商得到推广。中国移动也积极在TD-SCDMA产业引入TPE技术。