基于TCP的微波回程链路自适应优化技术研究

廖俊锋+朱晓光+周文端

由于微波的方便部署和低成本，使得越来越多的移动回程网通过微波传输实现。为了提高微波回程链路的传输性能，通过对误码率的性能统计，提出了相关TCP优化参数、自适应优化架构和处理方法，从而改善微波传输的高误码特性，提升移动网络系统的稳定性。

微波 回程链路 TCP 自适应优化

Research on Adaptive Optimization Technology of Microwave Backhaul Link

Based on TCP

LIAO Jun-feng， ZHU Xiao-guang， ZHOU Wen-duan

（Zhongxing Telecommunication Equipment Corporation， Shenzhen 518057， China）

Because of the convenient deployment and low cost of microwave， more and more mobile backhaul networks are achieved by microwave transmission. In order to enhance the transmission performance of microwave backhaul link， the TCP optimization parameters， adaptive optimization framework and processing method are proposed through the performance statistics on the bit error rate， which improves the high bit error performance of microwave transmission and enhances the stability of mobile network system.

microwave backhaul link TCP adaptive optimization

1 概述

近年来，移动通信服务飞速发展并在世界范围得到广泛普及。以国内为例，截止到2013年6月底，移动通信用户数达11.8亿。移动通信技术演进也从基于电路域的2G技术到基于电路域和分组域的3G技术，再到当前完全基于分组域的移动宽带LTE技术，以满足移动用户对移动业务，尤其是对当前移动互联网服务的迫切需求，因此移动运营商分别部署了从2G到3G再到LTE的网络，基站数量猛增。以中国移动TD-SCDMA基站数量为例，经历五期建设后已达到29万个，预计2014年将达到40万个，但这仅仅是其2G网络覆盖的60%的区域。

移动通信网络部署如图1所示。由分布多个不同覆盖区域的基站通过回程网连接到汇聚网元，如2G系统中，多个BTS（Base Transceiver Station，基站收发台）通过回程网汇聚到BSC（Base Station Controller，基站控制器），BSC再与核心网通讯；3G系统中，多个Node B通过回程网汇聚到RNC（Radio Network Controller，无线网络控制器），RNC再与核心网通讯；LTE系统中，多个eNodeB通过回程网汇聚到核心网。回程网可以通过有线作为传输链路传送通讯数据（如光纤或电缆），也可以通过无线作为传输链路传送通讯数据（如微波），或者一部分无线和一部分有线混合方式作为传输链路。

图1 移动通信网络部署

针对移动运营商选择微波方式作为回程网传输链路，一方面受网络部署的客观地理因素影响，如海岛、河流或山川等地区，架设电缆和光缆比较困难；另一方面受网络部署的主观成本因素影响，移动基站站址选择后，架设光缆成本高于微波，如农村和城市郊区等。然而，微波传输系统也有其缺点，微波传输属于无线传输，有无线传输的一些弱点，如微波不能被阻挡、易受干扰、衰落和反射等因素的影响导致高误码率等，其信号质量不如电缆和光缆传输那样稳定易受控制，在极端天气情况下微波传输的误帧率（FER）超过5%，远大于有线网络的0.1%误帧率。因此，相比有线网络来说，微波构建的网络有其特有的链路特性。

基于微波传输的回程网与有线网络类似，可以采用传统的TCP算法。本文针对微波回程链路传输高误码率特性，提出基于TCP的自适应优化技术以满足微波回程传输环境，并根据误码率数据统计自动调整优化参数。

2 微波回程链路的TCP优化参数

TCP即传输层协议，对应OSI中的传输控制层。与UDP不同，它提供的是一种面向连接的、可靠的字节流服务，保证了数据传输的可靠性。TCP层实现数据可靠传输是通过复杂严密的算法来保证的，如采用滑动窗口、超时重传、拥塞控制等机制，并通过对应的滑动窗口、慢启动算法与拥塞控制、快速重传与快速恢复、RTO（Retransmission Time Out，重传超时时间）等算法来实现网络吞吐量的最大化。根据OSI分层原则，TCP层须对等通信，尽管TCP协议层并不需要了解底层的网络环境，但要通过底层的IP层、物理层等协议层来实现，因此TCP的性能不可避免地受到底层链路特性的影响。

微波回程链路的高误码率对TCP性能的影响有：高误码率导致的丢帧会使TCP层认为网络发生了拥塞而启动严厉的慢启动算法来降低吞吐量，从而无法利用微波提供的传输带宽；快速启动和快速重传算法是假设收到连续3个重复ACK后，判断存在丢包，这个假设很符合微波传输高误码率场景，因此这两种算法可以应用在基于微波传输的回程网；持续的较高的误码率将导致TCP频繁拆建，而每次TCP拆建都会导致应用报文被丢弃，并要求应用重新发送应用报文，因此高误码率情况下需要尽量避免TCP的频繁拆建。endprint

高误码率的微波回程链路对TCP参数影响较大，因此需要优化TCP参数。表1罗列了高误码率微波回程链路的TCP参数优化。

3 基于TCP的微波回程链路的自适应优化

微波回程链路的TCP参数优化主要依据的性能数据是微波传输链路的误码率，而自适应优化是在无人为干预的情况下，根据误码率的变化自动优化TCP参数，提高微波回程链路的传输性能。

基于TCP的微波回程链路的自适应优化架构如图2所示。为了降低基站的性能统计参数处理负荷（如果基站负荷可以承担，也可以把自适应算法分布部署到基站上控制，图2中以部署在操作维护中心O&M上进行自适应），基站将性能参数上报到O&M，O&M根据优化策略（算法）对每个基站的误码率统计并集中实施TCP参数优化控制，每个基站对TCP参数进行功能控制。由于每个基站的微波回程传输环境不同，因此每个基站的微波传输的TCP参数也不同。即使同一个基站，在不同时间段其微波回程传输环境也不同，所以需要O&M根据误码率定期优化TCP参数。

微波回程链路的TCP参数自优化处理过程如图3所示。基站统计微波链路的误码率并通过南向接口上报到O&M的性能管理，由性能管理根据优化策略算法对TCP参数进行优化处理，并同步到O&M的配置管理数据库，由配置管理将TCP优化参数同步到对应基站，形成一个TCP参数的闭环优化处理过程。

图3 微波回程链路的TCP参数自优化处理

4 系统模拟数据对比

4.1 实验室模拟的对比验证

针对上述自优化方法，在实验室中采用CDMA基站系统进行实验验证，具体验证方案和对比数据包括：回程传输链路采用E1链路，误码情况通过各种粒度以及包长进行模拟，如粒度从0.000 1s到2.5s，应用包长从100Byte到2 000Byte。结果好坏对比是根据数据同步成功率来判断。

为了简化说明各误码情况，只取一组数据进行说明，具体如表2所示：

表2 TCP参数优化前后对比序

号 误码

场景 优化前 优化后

误

码

率 数据同步成功率/% 误帧率/% 数据同步成功率/% TCP优化确定的主要参数情况

最小cwnd/Byte MTU/Byte RTO是否指数退避 TCP断链的重传次数

1 10-2 0 100 95 1 200 50 否 20

2 10-3 0 8 100 1 200 50 否 20

3 10-4 5 2 100 1 200 50 否 20

4 10-6 10 0.1 100 536

（缺省最小值） 1 500 是 3

（1）误码率10-2：对于一条2M的E1，如通过每0.000 1s插入2bit错误来仿真10-2的误码（2/0.000 1/（2*106）=10-2）。

（2）误码率10-3：对于一条2M的E1，如通过每0.025s插入50bit错误来仿真10-3的误码（50/0.025/（2*106）=10-3）。

（3）误码率10-4：对于一条2M的E1，如通过每0.25s插入50bit错误来仿真10-4的误码（50/0.25/（2*106）=10-4）。

（4）误码率10-6：对于一条2M的E1，如通过每2.5s插入5bit错误来仿真10-6的误码（5/2.5/（2*106）=10-6）。

（5）数据同步成功率是指连续操作20次，如果成功10次，则是50%的成功率。

（6）误帧率=（1-链路层统计的接收HDLC好帧/链路层统计的接收的所有帧）*100%。

（7）测试时的优化策略主要如下：

◆根据误码率来动态调整MTU（测试中是基站上报原始数据，O&M根据策略来动态调整）。通过采样最近15分钟的误帧率来进行动态调整，选择的一个简单策略为：误帧率>5%时，MTU为50；误帧率<1%时，MTU为1 500。

◆RTO是否指数退避通过采样最近15分钟的误帧率来进行动态调整：误帧率>5%时，RTO一直不退避；误帧率<1%时，RTO指数退避。

◆TCP断链的重传次数通过采样最近15分钟的误帧率来进行动态调整：误帧率>5%时，TCP断链的重传次数为20；误帧率<1%时，TCP断链的重传次数为3。

4.2 系统测试和外场商用环境验证

TCP参数优化前后的实验室链路系统测试对比如表3和图4所示。其中，TCP参数优化前，回程网单向误帧率大于5%时，基站与汇聚网元之间的传输链路异常告警，基站失控，当回程网单向误帧率大于10%时，进一步TCP不能建立，当链路处于10-4误码时，O&M向基站同步数据失败；TCP参数优化后，双向环回误帧率小于60%（单向误帧率<40%）时，基站与汇聚网元之间的链路状态无异常告警。

在某实际商用网络中的验证结果是：TCP参数优化前，当遇到打雷下雨天气时，O&M中的告警管理多次统计到微波传输链路通讯异常告警信息，运营商也收到多起用户打不通电话投诉；TCP参数优化后，相同环境下的3个月内，O&M的告警管理没有统计到微波传输链路通讯异常告警信息，也未收到用户投诉。

5 结论

微波作为移动通信的回程传输链路，有其部署便利和低成本的优势，但高误码率传输影响移动通讯系统的稳定性。通过性能统计误码率，自适应优化TCP相关参数，可提高微波的传输性能，改善微波作为回程网的高误码率特性，对提升移动通信网络系统的稳定性至关重要。

参考文献：

[1] W Richard Stevens. TCP/IP详解（卷1：协议）[M]. 范建华，等译. 北京： 机械工业出版社， 2000.

[2] Allman M， Stevens W. TCP Congestion Control[S]. IETF RFC 2581， 1999.

[3] Mathis M， Mahdavi J. TCP Selective Acknowledgment Options[S]. IETF RFC 2018， 1996.

[4] 谢大雄，朱晓光，江华. 移动宽带技术——LTE[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2012.

[5] Ishac J， Allman M. On the Performance of TCP Spoofing in Satellite Networks[J]. Proceedings of IEEE MILCOM'01， 2001： 700-704.

[6] Xylomenos G， Polyzos GC， Mahonen P， et al. TCP Performance Issues over Wireless Links[J]. IEEE Communications Magazine 2001， 2001，39（4）： 52-58.

[7] 陈康. TCP协议在卫星通信网络中的运用优化[J]. 煤炭技术， 2011（7）： 149-151.endprint

高误码率的微波回程链路对TCP参数影响较大，因此需要优化TCP参数。表1罗列了高误码率微波回程链路的TCP参数优化。

3 基于TCP的微波回程链路的自适应优化

微波回程链路的TCP参数优化主要依据的性能数据是微波传输链路的误码率，而自适应优化是在无人为干预的情况下，根据误码率的变化自动优化TCP参数，提高微波回程链路的传输性能。

基于TCP的微波回程链路的自适应优化架构如图2所示。为了降低基站的性能统计参数处理负荷（如果基站负荷可以承担，也可以把自适应算法分布部署到基站上控制，图2中以部署在操作维护中心O&M上进行自适应），基站将性能参数上报到O&M，O&M根据优化策略（算法）对每个基站的误码率统计并集中实施TCP参数优化控制，每个基站对TCP参数进行功能控制。由于每个基站的微波回程传输环境不同，因此每个基站的微波传输的TCP参数也不同。即使同一个基站，在不同时间段其微波回程传输环境也不同，所以需要O&M根据误码率定期优化TCP参数。

微波回程链路的TCP参数自优化处理过程如图3所示。基站统计微波链路的误码率并通过南向接口上报到O&M的性能管理，由性能管理根据优化策略算法对TCP参数进行优化处理，并同步到O&M的配置管理数据库，由配置管理将TCP优化参数同步到对应基站，形成一个TCP参数的闭环优化处理过程。

图3 微波回程链路的TCP参数自优化处理

4 系统模拟数据对比

4.1 实验室模拟的对比验证

针对上述自优化方法，在实验室中采用CDMA基站系统进行实验验证，具体验证方案和对比数据包括：回程传输链路采用E1链路，误码情况通过各种粒度以及包长进行模拟，如粒度从0.000 1s到2.5s，应用包长从100Byte到2 000Byte。结果好坏对比是根据数据同步成功率来判断。

为了简化说明各误码情况，只取一组数据进行说明，具体如表2所示：

表2 TCP参数优化前后对比序

号 误码

场景 优化前 优化后

误

码

率 数据同步成功率/% 误帧率/% 数据同步成功率/% TCP优化确定的主要参数情况

最小cwnd/Byte MTU/Byte RTO是否指数退避 TCP断链的重传次数

1 10-2 0 100 95 1 200 50 否 20

2 10-3 0 8 100 1 200 50 否 20

3 10-4 5 2 100 1 200 50 否 20

4 10-6 10 0.1 100 536

（缺省最小值） 1 500 是 3

（1）误码率10-2：对于一条2M的E1，如通过每0.000 1s插入2bit错误来仿真10-2的误码（2/0.000 1/（2*106）=10-2）。

（2）误码率10-3：对于一条2M的E1，如通过每0.025s插入50bit错误来仿真10-3的误码（50/0.025/（2*106）=10-3）。

（3）误码率10-4：对于一条2M的E1，如通过每0.25s插入50bit错误来仿真10-4的误码（50/0.25/（2*106）=10-4）。

（4）误码率10-6：对于一条2M的E1，如通过每2.5s插入5bit错误来仿真10-6的误码（5/2.5/（2*106）=10-6）。

（5）数据同步成功率是指连续操作20次，如果成功10次，则是50%的成功率。

（6）误帧率=（1-链路层统计的接收HDLC好帧/链路层统计的接收的所有帧）*100%。

（7）测试时的优化策略主要如下：

◆根据误码率来动态调整MTU（测试中是基站上报原始数据，O&M根据策略来动态调整）。通过采样最近15分钟的误帧率来进行动态调整，选择的一个简单策略为：误帧率>5%时，MTU为50；误帧率<1%时，MTU为1 500。

◆RTO是否指数退避通过采样最近15分钟的误帧率来进行动态调整：误帧率>5%时，RTO一直不退避；误帧率<1%时，RTO指数退避。

◆TCP断链的重传次数通过采样最近15分钟的误帧率来进行动态调整：误帧率>5%时，TCP断链的重传次数为20；误帧率<1%时，TCP断链的重传次数为3。

4.2 系统测试和外场商用环境验证

TCP参数优化前后的实验室链路系统测试对比如表3和图4所示。其中，TCP参数优化前，回程网单向误帧率大于5%时，基站与汇聚网元之间的传输链路异常告警，基站失控，当回程网单向误帧率大于10%时，进一步TCP不能建立，当链路处于10-4误码时，O&M向基站同步数据失败；TCP参数优化后，双向环回误帧率小于60%（单向误帧率<40%）时，基站与汇聚网元之间的链路状态无异常告警。

在某实际商用网络中的验证结果是：TCP参数优化前，当遇到打雷下雨天气时，O&M中的告警管理多次统计到微波传输链路通讯异常告警信息，运营商也收到多起用户打不通电话投诉；TCP参数优化后，相同环境下的3个月内，O&M的告警管理没有统计到微波传输链路通讯异常告警信息，也未收到用户投诉。

5 结论

微波作为移动通信的回程传输链路，有其部署便利和低成本的优势，但高误码率传输影响移动通讯系统的稳定性。通过性能统计误码率，自适应优化TCP相关参数，可提高微波的传输性能，改善微波作为回程网的高误码率特性，对提升移动通信网络系统的稳定性至关重要。

参考文献：

[1] W Richard Stevens. TCP/IP详解（卷1：协议）[M]. 范建华，等译. 北京： 机械工业出版社， 2000.

[2] Allman M， Stevens W. TCP Congestion Control[S]. IETF RFC 2581， 1999.

[3] Mathis M， Mahdavi J. TCP Selective Acknowledgment Options[S]. IETF RFC 2018， 1996.

[4] 谢大雄，朱晓光，江华. 移动宽带技术——LTE[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2012.

[5] Ishac J， Allman M. On the Performance of TCP Spoofing in Satellite Networks[J]. Proceedings of IEEE MILCOM'01， 2001： 700-704.

[6] Xylomenos G， Polyzos GC， Mahonen P， et al. TCP Performance Issues over Wireless Links[J]. IEEE Communications Magazine 2001， 2001，39（4）： 52-58.

[7] 陈康. TCP协议在卫星通信网络中的运用优化[J]. 煤炭技术， 2011（7）： 149-151.endprint

高误码率的微波回程链路对TCP参数影响较大，因此需要优化TCP参数。表1罗列了高误码率微波回程链路的TCP参数优化。

3 基于TCP的微波回程链路的自适应优化

微波回程链路的TCP参数优化主要依据的性能数据是微波传输链路的误码率，而自适应优化是在无人为干预的情况下，根据误码率的变化自动优化TCP参数，提高微波回程链路的传输性能。

基于TCP的微波回程链路的自适应优化架构如图2所示。为了降低基站的性能统计参数处理负荷（如果基站负荷可以承担，也可以把自适应算法分布部署到基站上控制，图2中以部署在操作维护中心O&M上进行自适应），基站将性能参数上报到O&M，O&M根据优化策略（算法）对每个基站的误码率统计并集中实施TCP参数优化控制，每个基站对TCP参数进行功能控制。由于每个基站的微波回程传输环境不同，因此每个基站的微波传输的TCP参数也不同。即使同一个基站，在不同时间段其微波回程传输环境也不同，所以需要O&M根据误码率定期优化TCP参数。

微波回程链路的TCP参数自优化处理过程如图3所示。基站统计微波链路的误码率并通过南向接口上报到O&M的性能管理，由性能管理根据优化策略算法对TCP参数进行优化处理，并同步到O&M的配置管理数据库，由配置管理将TCP优化参数同步到对应基站，形成一个TCP参数的闭环优化处理过程。

图3 微波回程链路的TCP参数自优化处理

4 系统模拟数据对比

4.1 实验室模拟的对比验证

针对上述自优化方法，在实验室中采用CDMA基站系统进行实验验证，具体验证方案和对比数据包括：回程传输链路采用E1链路，误码情况通过各种粒度以及包长进行模拟，如粒度从0.000 1s到2.5s，应用包长从100Byte到2 000Byte。结果好坏对比是根据数据同步成功率来判断。

为了简化说明各误码情况，只取一组数据进行说明，具体如表2所示：

表2 TCP参数优化前后对比序

号 误码

场景 优化前 优化后

误

码

率 数据同步成功率/% 误帧率/% 数据同步成功率/% TCP优化确定的主要参数情况

最小cwnd/Byte MTU/Byte RTO是否指数退避 TCP断链的重传次数

1 10-2 0 100 95 1 200 50 否 20

2 10-3 0 8 100 1 200 50 否 20

3 10-4 5 2 100 1 200 50 否 20

4 10-6 10 0.1 100 536

（缺省最小值） 1 500 是 3

（1）误码率10-2：对于一条2M的E1，如通过每0.000 1s插入2bit错误来仿真10-2的误码（2/0.000 1/（2*106）=10-2）。

（2）误码率10-3：对于一条2M的E1，如通过每0.025s插入50bit错误来仿真10-3的误码（50/0.025/（2*106）=10-3）。

（3）误码率10-4：对于一条2M的E1，如通过每0.25s插入50bit错误来仿真10-4的误码（50/0.25/（2*106）=10-4）。

（4）误码率10-6：对于一条2M的E1，如通过每2.5s插入5bit错误来仿真10-6的误码（5/2.5/（2*106）=10-6）。

（5）数据同步成功率是指连续操作20次，如果成功10次，则是50%的成功率。

（6）误帧率=（1-链路层统计的接收HDLC好帧/链路层统计的接收的所有帧）*100%。

（7）测试时的优化策略主要如下：

◆根据误码率来动态调整MTU（测试中是基站上报原始数据，O&M根据策略来动态调整）。通过采样最近15分钟的误帧率来进行动态调整，选择的一个简单策略为：误帧率>5%时，MTU为50；误帧率<1%时，MTU为1 500。

◆RTO是否指数退避通过采样最近15分钟的误帧率来进行动态调整：误帧率>5%时，RTO一直不退避；误帧率<1%时，RTO指数退避。

◆TCP断链的重传次数通过采样最近15分钟的误帧率来进行动态调整：误帧率>5%时，TCP断链的重传次数为20；误帧率<1%时，TCP断链的重传次数为3。

4.2 系统测试和外场商用环境验证

TCP参数优化前后的实验室链路系统测试对比如表3和图4所示。其中，TCP参数优化前，回程网单向误帧率大于5%时，基站与汇聚网元之间的传输链路异常告警，基站失控，当回程网单向误帧率大于10%时，进一步TCP不能建立，当链路处于10-4误码时，O&M向基站同步数据失败；TCP参数优化后，双向环回误帧率小于60%（单向误帧率<40%）时，基站与汇聚网元之间的链路状态无异常告警。

在某实际商用网络中的验证结果是：TCP参数优化前，当遇到打雷下雨天气时，O&M中的告警管理多次统计到微波传输链路通讯异常告警信息，运营商也收到多起用户打不通电话投诉；TCP参数优化后，相同环境下的3个月内，O&M的告警管理没有统计到微波传输链路通讯异常告警信息，也未收到用户投诉。

5 结论

微波作为移动通信的回程传输链路，有其部署便利和低成本的优势，但高误码率传输影响移动通讯系统的稳定性。通过性能统计误码率，自适应优化TCP相关参数，可提高微波的传输性能，改善微波作为回程网的高误码率特性，对提升移动通信网络系统的稳定性至关重要。

参考文献：

[1] W Richard Stevens. TCP/IP详解（卷1：协议）[M]. 范建华，等译. 北京： 机械工业出版社， 2000.

[2] Allman M， Stevens W. TCP Congestion Control[S]. IETF RFC 2581， 1999.

[3] Mathis M， Mahdavi J. TCP Selective Acknowledgment Options[S]. IETF RFC 2018， 1996.

[4] 谢大雄，朱晓光，江华. 移动宽带技术——LTE[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2012.

[5] Ishac J， Allman M. On the Performance of TCP Spoofing in Satellite Networks[J]. Proceedings of IEEE MILCOM'01， 2001： 700-704.

[6] Xylomenos G， Polyzos GC， Mahonen P， et al. TCP Performance Issues over Wireless Links[J]. IEEE Communications Magazine 2001， 2001，39（4）： 52-58.

[7] 陈康. TCP协议在卫星通信网络中的运用优化[J]. 煤炭技术， 2011（7）： 149-151.endprint