LTE基站卫星回传优化与测试

陈 玥，卢洪涛，许向东，钱少波，黄毅华，陈秀敏，邓博存

（1.中国电信集团公司，北京 100010；2.中国电信股份有限公司广州研究院，广州 510630）

LTE基站卫星回传优化与测试

陈 玥1，卢洪涛2，许向东2，钱少波2，黄毅华2，陈秀敏2，邓博存2

（1.中国电信集团公司，北京 100010；2.中国电信股份有限公司广州研究院，广州 510630）

本文通过介绍前期中国电信在使用卫星信道回传LTE基站遇到的问题，分析LTE基站的S1接口时延要求和协议栈结构，TCP/IP协议在卫星信道传输的特点，提出在卫星传输链路中引入4G优化设备，使用IP数据压缩、缓存及TCP加速等技术手段，充分利用卫星信道带宽资源，还分析了中国电信在上海卫星地面站开展的验证测试结果。

LTE；卫星；优化；测试

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基站在中国电信移动通信网络中已经被大范围使用,回程链路采用的都是千兆以太网光纤链路。在应急通信和抢险救灾应用中,以及某些偏远地区,往往不具备光纤传输条件,能够使用的传输手段目前看只能是卫星通信。在过去的一年多,中国电信进行了大量的测试证明,4G/LTE基站可以通过卫星通信实现传输,基站能够正常起站,手机也能够正常加入网络。从测试结果分析,发现当卫星信道在5Mb/s以下时,业务下载速率能够达到信道传输速率（接近5Mb/s）,但是当卫星信道带宽大于5Mb/s后,下载速率不但无法超过5Mb/s,反而会出现下降的现象。在卫星传输普通Internet数据（TCP/IP）时,使用良好的TCP加速设备在4G/ LTE卫星传输中使用时没有效果。

2 问题分析

2.1 卫星信道对LTE传输带来的不利影响

目前,通信卫星主要是采用同步轨道的卫星进行通信,链路时延高达230～280ms,会严重影响LTE 4G基站传输效果。由于卫星信道属于误码率较高的信道,也对LTE回传带来不利的影响。LTE协议定义的最大上行带宽为50Mb/s,最大下行带宽为100Mb/s。对于有限的卫星传输信道而言,带宽严重制约LTE的业务能力。

2.2 LTE接口的时延要求

LTE网络是一个纯数据通信网络,包括VoLTE业务也是属于数据业务,LTE业务对时延和抖动都非常敏感。LTE的控制面时延在协议中规定,终端从空闲态到连接态的时延应控制在100ms以内。eNB至S-GW之间的S1接口时延为10ms,eNB之间的X2接口时延为20ms。LTE不同的业务对时延的要求不一,其中要求最高的实时游戏类业务的业务时延要求为50ms。

2.3 原有卫星传输优化方式遇到的问题

LTE手机/终端发起的TCP业务（上网浏览或者下载）首先被封装到GTP协议内（GPRS Tunneling Protocol）,之后再封装成UDP/IP/Ethernet的IP包进行传输。而普通的TCP加速设备检测到的是UDP包,所以也就无法实现TCP协议加速。TCP传输是依靠端到端（4G基站通过卫星通道到核心网）实现协议握手的,卫星传输时延很大,所以造成了尽管卫星带宽较大,但是下载速率无法达到预期效果。Modem的包头压缩是对外层UDP/IP/Ethernet层的包头压缩；Modem的载荷压缩是将用户业务+GTP的整体作为“载荷”进行压缩,压缩效果取决于实际业务的情况。

2.4 TCP协议在卫星传输中遇到的困难

TCP协议负责确保数据在设备之间进行端到端的可靠交付。从这个意义上说,卫星链路对TCP/IP数据传输的影响主要体现在TCP层。TCP存在的慢启动、拥塞控制、数据重传机制,要求反馈以确认数据接收成功。卫星信道的一些固有特性（如较大延迟、较高比特差错率和带宽不对称等）对通过卫星链路进行TCP协议传输造成了负面影响。

2.5 卫星传输4G优化设备的解决方法

在卫星传输中,可以引入4G优化设备,该设备可以直接打开GTP层,直接看到手机用户的Internet业务,并对TCP传输数据进行优化,采用的优化手段有：压缩、缓存、TCP优化。TCP优化的主要手段包括协议欺骗、慢启动机制优化、TCP进程分解和TCP窗口优化等。

图1 使用4G优化设备在卫星信道中传输

2.5.1 IP数据压缩

4G优化设备可以打开UDP包,对内容数据进行压缩。如果内容数据属于可压缩的文件,例如文本文件,通过压缩可以提高发送效率,缺点是如果数据是加密数据,则无法进行压缩。绝大部分Internet业务已经被压缩过了,所以在此压缩的效果不明显,但是对于未经压缩的Internet业务,则可以实现一定的压缩。另外,载荷压缩能够对GTP和用户业务包头（TCP/IP）实施一定程度额外的压缩。

2.5.2 数据缓存

4G优化设备可以对内容数据进行缓存,如果发送的数据仅对上一次发送的数据进行了细微改动,通过内容数据缓存分析,4G优化设备将仅发送改动数据的标签,在对端4G优化设备进行数据合成,将大大提高发送效率。此外,4G优化设备可预先从热门网站上下载数据,进行缓存,一旦有用户需要访问这些网站时,4G优化设备可直接从本地为用户提供数据,提供信道效率。缺点是如果数据是加密数据,则无法进行缓存。

2.5.3 协议欺骗

在确认信息尚未到达时,4G优化设备作为虚拟的目的节点向eNodeB发送确认信息使得eNodeB可以继续发送下一数据包,同时4G优化设备对接收到的数据进行保存,4G优化设备作为虚拟的eNodeB向对端的4G优化设备发送数据,如果数据丢失,则重新发送,直到数据发送成功收到对端4G优化设备的确认后,才丢弃保存的数据。这样对eNodeB可以减少确认信息的往返时延,从而提高eNodeB的发送速率。

2.5.4 慢启动优化

在TCP协议中,基本的TCP拥塞控制过程是在发送数据前期,滑动窗口先使用慢启动策略,在这个阶段,每经过一个数据往返时间,拥塞窗口增加一倍。但卫星信道的时延大造成往返时间长,从而导致使用卫星传输时,TCP协议窗口慢启动时间很长,大量浪费了卫星信道的有效带宽。通过对TCP初始滑动窗口及慢启动机制优化,将提高发送速率。

2.5.5 TCP进程分解

4G优化设备可以打开GTP层,将手机用户与Internet之间的单一TCP连接拆分成3个单独管理的TCP连接。通过4G优化设备,每个单独的TCP进程都具有自己的本地进程管理和重传处理机制。而没有4G优化设备时,整体是单个“端到端”的TCP连接,这样处理的优势是消除了端到端的TCP重传,减小了“延迟”,增加了TCP吞度量。

2.5.6 TCP窗口优化

TCP的初始数据发送窗口大小是固定的,和操作系统等因素相关,如Windows XP操作系统的TCP初始数据发送窗口为16位,即64kbyte大小。如果对TCP窗口进行扩大,根据计算公式最大吞吐率=最大TCP初始数据发送窗口/RTT,假设4G数据在RTT相对固定的卫星信道上传输,TCP初始窗口大小的增大就可以提高TCP的最大吞吐率。

图2 TCP进程分解

图3 测试组网

3 LTE 4G卫星信道优化传输测试

中国电信近期在上海刘行地球站开展LTE 4G卫星信道优化传输测试,测试从位于市内的4G核心网设备通过地面线路传输到刘行地球站,通过光到GE的转换设备将传输转换为以太网电口,再接入到包含4G卫星传输优化设备的Modem链路中。

3.1 测试项目

由于4G卫星传输优化设备具备“旁路”功能,即当设备出现故障甚至关机的情况下,能够保证以太网传输的旁路通过（没有优化,直接通过4G卫星传输优化设备,相当于设备没有接入）。所以测试时4G卫星传输优化设备一直接入,通过对其进行关机和不同的配置,在不同速率的卫星信道场景下,进行PC通过4G上网卡接入4G基站,访问Internet进行文件下载测试。

3.1.1 卫星链路

本次测试对5Mb/s以下的速率没有考虑,仅考虑5Mb/s以上的速率,一共进行了3种速率的测试,分别是：5Mb/s/5Mb/s对称信道；10Mb/s/10Mb/s对称信道；15Mb/s/2Mb/s非对称信道。

测试的卫星链路采用某公司的CDM625调制解调器,未启用载波叠加和IP优化项（包头压缩和载荷压缩）,使用TPC 16QAM 3/4编码方式。链路建立的时候,调整发射功率,确保两端的Eb/ No都在9dB左右。其他测试设备见表1。

表1 测试设备清单

3.1.2 测试终端和测试业务

测试终端使用一只4G上网卡,插到一台PC（Dell6420,Win7操作系统）上,4G上网卡通过测试基站上网。PC上运行FileZilla Client软件,作为FTP客户端,仍然接入上海电信用于下载测试的FTP服务器（与测试手机使用的FTP服务器相同）。

为了达到测试目的并节约测试时间,认真遴选了不同的文件用于下载和上传：

⊙ 文件1：AdbeRdr1100_zh_CN.exe,文件大小：

56,671,376Byte。这个文件是个不可压缩。

⊙ 文件2：ttt2.avi文件,文件大小57,625,

532Byte,这个文件部分可压缩。

⊙ 文件3：fp.log,文件大小20,617,071Byte,这个文件高可压缩。

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

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

测试时主要用文件1和文件2进行测试（一个不可压缩,一个部分可压缩）。

3.1.3 测试项目

在每种Modem速率下,分别测试如下项目：⊙ 优化设备关机时的下载和上传,采用小文件。⊙ 优化设备开机,所有功能相都关闭。⊙ 优化设备仅开启TCP优化。⊙ 优化设备仅开启IP压缩。

⊙ 优化设备仅开启传输缓存。

⊙ 优化设备开启IP压缩和传输缓存。

⊙ 优化设备开启TCP优化、IP压缩和传输缓存。

测量方法：每次测量文件传输结束后,通过FileZilla的日志读取进程时间；通过多次观察验证,得到结论：从优化设备上读取的WAN速率与Modem上的非常一致。为了少侵扰Modem的操作,这里通过优化设备观测实际上星带宽的占用率。

3.2 测试结果

使用FTP软件（FileZilla）从电信机房的文件服务器（101.231.82.82）下载不同文件,测试下载速率,测试结果如表2～表4所示。

图4 测试终端示意图

表2 卫星上下行带宽均为5Mb/s的测试结果

表3 卫星上下行带宽均为10Mb/s的测试结果

表4 卫星上下行带宽分别为15Mb/s/2Mb/s的测试结果

3.3 测试结果分析

从测试结果来看,使用4G优化设备是否,对卫星传输速率影响较大。前期测试中出现的问题,通过加入4G优化设备可以得到有效解决。具体分析有以下几点：

（1）TCP优化功能,可以有效提高卫星带宽的利用率,减少传输时长。

（2）在IP数据压缩优化方面,文件是否可以被压缩,决定了IP数据优化能否取得理想的效果。对于不可压缩的文件,IP数据压缩基本没有效果。

（3）测试结果表格中下载速率是“净载荷速率”,比传输速率（Modem设置速率）要低些。原因是在净载荷基础上还有封装协议开销,以及S1接口中的信令也会消耗掉一定的带宽。

（4）在4G优化设备关机（等同于没有加入优化设备,纯Modem信道）时,当卫星信道低于5Mb/s时,FTP速率还可以随着信道的提高而提高。但是当Modem速率高于5Mb/s后,FTP速率到一定程度后会出现下降。通过在10M和15M是的下载表现可以看出这个结果,这个结论与早期测试结果一致,也有不一致之处：早期测试中,只用Modem的测试中,5Mb/s卫星信道能够获得到5Mb/s的FTP下载速率；但是这次,5M的信道只获得2Mb/s的FTP下载速度,这个原因应该是测试环境（终端）发生了变化,不同的终端TCP窗口大小不一致,造成的这个结果。

（5）4G优化设备开机后,即使所有优化项都关闭,但是仍然可以看到一定程度加速（与不开机相比）。究其原因,应该是设备可关闭的优化项中不包括TCP进程分解和TCP窗口大小这两项功能的关闭。所以,设备会按照缺省的优化功能进行传输,从而出现了一定程度的加速。

（6）数据缓存功能对于被重复下载/浏览的文档/网页非常有效,只要之前有人下载过,那么再次下载就非常快,也不占用任何传输带宽,这一点对于信道优化非常有效。

（7）TCP优化功能和IP优化功能同时使用,能够最大化地在Modem之前增加信道的传输效率；如果再伴以Modem优化技术（高阶调制、IP包头压缩和载波叠加）,那么系统的优化增益将更高。

（8）本次测试条件所限,最大信道设置到了15Mb/s,如果信道设置成为更大的数值,传输速率将会进一步提升。

4 结束语

通过测试分析可以发现,使用4G优化设备可以有效提高LTE 4G基站卫星回传的信道利用率,优化设备可以识别LTE S1接口的GTP协议层,有效对GTP内的手机/终端TCP非压缩和非加密数据进行优化。该设备GTP/TCP优化功能能够实现多种TCP协议优化功能,从而能够在卫星信道的长时延下仍然能够用足信道带宽。4G优化设备可以对上下行信道均实现优化,配合卫星调制解调器原有的带宽压缩功能,可以进一步提高LTE基站的数据在卫星信道的传输效率。

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10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.12.007

TN927+.2，TN929.53 文献标示码：B

1672-7274（2016）12-0025-06