Ping包时延优化

黄 航 中国联合网络通信集团有限公司深圳分公司

1 引言

深圳联通WCDMA网络正式运行以来，网络规模不断扩大，网络负荷与复杂程度也不断提高。随着智能终端使用的普及，特别是使用iPhone手机用户群数量的不断扩大，导致数据用户的迅速增长。如何有效解决数据用户的数据包传输时延、提升数据用户的感知成为当务之急。

2 研究背景

深圳WCDMA网络在建网初期，由于用户数量较少，网络上下行的干扰水平相对较低。但随着现网规模越来越大，智能终端的普及，特别是HSUPA用户数量的急骤增长，导致现网干扰水平升高越来越明显，特别是局部话务热点区域，基站小区RTWP普遍偏高，呼吸效应明显。

Ping（Packet Internet Groper）是网络层协议，使用ICMP的超时机制来发现一个数据包在穿越互联网络时所经历的路径，其时延大小决定了网络IP包经无线空口至对端服务器之间的实际时延。这就意味着有效地优化Ping包的时延，可以有效减少用户终端到网络服务器之间的IP数据包的端至端时延，从而提升用户网络感知、降低投诉率、提升网络质量。

通过开展专项优化方案实施，显著地减少了现网IP包传输时延，明显提升了深圳WCDMA网络质量，满足了公司“降本增效、节能减排”的经营策略与思想导向。

3 Ping时延优化分析

为了有效降低Ping包时延，先从理论分析影响用户终端至服务器之间引起时延的各个因素，包括限制HSUPA用户上行数据调度的因素、小区无线资源与NodeB处理资源等各类因素，也包括TCP/IP协议层的因素等。

3.1 HSUPA快速调度

HSUPA分组调度算法主要功能是根据RNC通过NBAP的配置上行底噪参考Reference Received Total Wideband Power（RefRTWP）、上行干扰目标Maximum Target Received Total Wideband Power（MaxRTWP）、Target Non-serving E-DCH to Total E-DCH Power Ratio（NServToTotalPwr）、UE上报状态信息、RNC通过NBAP的配置的UE QoS参数、小区无线资源、NodeB处理资源等信息，确定系统资源使用情况和系统负荷，通过一定的优先级策略，分配系统资源给不同的UE，从而达到调度的目的，其调度流程如图1所示。

3.2 影响HSUPA调度的因素

（1）小区负载

从上图HSUPA调度流程，正确地评估UE、空中接口无线资源和NodeB资源和负载使用情况，可以为解决上行HSUPA用户数据调度问题提供很好的优化思路。

假设用归一化变量Cell_Load_current（百分比）表示小区上行负载，Cell_Load_max（百分比）表示小区最大的负载容量，有以下公式：

Itotal是基站处包括底噪功率在内的总的接收宽带功率，取值为RTWPcurrent；Pn为底噪，取值RefRTWP，根据3GPP TS 255.133协议的定义，在理想的情况下，在空载的时候RTWP为-106.4dBm；MaxRTWP是小区目标干扰门限最大值，其值与厂家芯片解调能力有关，这里取-55dbm；RoT是噪声提升（Rise over Thermal）。

根据上述的（1）～（3）公式，当Itotal取值范围从-105dbm至-60dbm时，可以得到三者的趋势如图2所示。

从图2中可以观察出底躁负荷的两个规律：

图1 HSUPA调度流程

图2 小区负荷与RoT之间趋势图

1）当RoT从不断的增加时，Cell_Load_current不断接近Cell_Load_max；

2）当Itotal在-105dbm至-100dbm时，Cell_Load_current急骤增长；当Itotal大于-100dbm以上时，增加速度放缓，Cell_Load_current缓慢向Cell_Load_max靠近。

（2）单UE负载贡献

对于每个TTI，Node B解调E-DPDCH后，获得MAC-e PDU、调度信息SI和Eb/No，把MAC-e PDU复用信息等参数送往调度器，定义调度器根据下面公式近似计算单个UE对NodeB的贡献负载。

这里R是UE的比特速率，W是WCDMA码片速率。

当无线模型PB3时，不同的3G业务在对应的BLER下Eb/No如表1所示：

表1 不同3G业务的UEload

为了将UE的贡献负载UEload映射为UE的授权SG，两者之间存在如公式（5）的对应关系：

上式说明可以从UE的贡献负载得到UE的服务授权，也可以通过UE的服务授权得到UE的贡献负载。

（3）UE调度优先级

HSUPA调度器优先级采用增强的比例公平算法（Enhanced Proportional Fair Algorithm），调度优先级与UE当前上行待传输数据量成正比，调度优先级与UE的上行平均吞吐量成反比。

调度优先级高的UE优先获得更多的资源，而优先级低的用户在剩余资源受限时，原来分配的资源将会被抢占。当前优先级低的用户会因为资源被抢占而速率变低，但在后面的调度中由于其速率太低而计算得到比较高的调度优先级，进而优先被调度，获取资源，这样就保证了各用户的公平性。

UE的调度优先级与UE当前手机的状态有关，包括与UE当前上行待传输数据量（或当前可以传输的速率）成正比，与UE的上行平均吞吐量成反比，单个UE的优先级可由以下公式推出：

其中Rn代表单个用户在第n个TTI前（n为当前时刻）获得的上行平均吞吐量；

Dn是UE当前上行可以传输的速率；FairnessWgt是公平因子，取值1；

UE_buffer_status是UE上报的SI中的缓冲区大小信息；

QoSweight是考虑用户SPI（Scheduling Priority Indicator），GBR（MAC-es Guaranteed Bit Rate）等RNC配置的业务QoS信息后的业务综合权重，有以下关系：

其中SPI由RNC配置，共有0至15个等级；

当UE的Rn大于等于GBR，则GBRweight=0；当Rn小于GBR，则GBRweight=MaxGBRWeightValue。

（4）NodeB处理资源

目前限制Ping包时延的NodeB处理资源主要包括：

1）Iub口传输带宽

HSUPA上行业务信道需要上层的流控制机制来保证不同的用户共享Iub带宽。当E-DCH承载的业务实时速率较高导致Iub口传输利用率过高或者拥塞时，可能会造成数据乱序、丢弃、或者延迟，严重时会导致小区分组域RAB指派建立成功率低、小区接纳拒绝次数突增，从而直接影响Ping包上行数据的调度效率与成功率。

HSUPA的流量控制主要分为两个部分：

（a）由RNC检测拥塞情况并通知基站NodeB侧，以降低UE的实际速率，减轻拥塞的程度，避免对其他业务造成影响，NodeB侧调度器在收到传输层拥塞指示后限制对UE的授权。

（b）由Node B的主控模块测量Iub口的数据流量，把带宽利用率发送给调度器，调度器根据带宽利用率决定是否限制UE的授权，从而降低Iub口的数据流量。

2）CE资源

HSUPA上传速率与上行CE消耗成正比，如表2所示：当上行速率越来越大，CE的消耗也是成倍的增长。

表2 HSUPA不同速率的CE使用率

如果系统当前可用负载或CE资源小于所有UE请求发送速率贡献的负载之和，系统会先根据调度优先级从低到高，逐个释放优先级低的用户的授权，并计算降低授权后所贡献的负载，直到调度优先级低的用户释放出来的负载和CE资源满足优先级最高的用户的需求。

对于上行CE受限的站点，将会直接影响优先级较低的用户上行数据调度；受限严重的站点将会使小区的分组域RAB的建立成功率严重降低、分组域的接纳拒绝次数突增，导致Ping包成功率与传输时延恶化。

（5）无线空口质量

对于城市之中的一些覆盖盲点、小区边缘的无线信号强度不稳定，导致基站侧有可能接收误码率较高，或者无法收到终端侧的反馈消息，空口流程超时导致无线数据业务链路失败；部分射频直放站由于设备原因，导致上下行空口质量不稳定，直接引起上下行无线链路质量恶化，甚至无线链路失败。

这些原因都将直接导致Ping包发送成功率与传输时延恶化。

（6）其它原因

部分基站小区退服、Iub传输故障，是导致空口质量恶化与小区性能变差的主要原因；其次是基站设备类告警，包括IR口链路告警、硬件告警与功率异常告警、温度告警、电源告警；最后还有天馈类的告警，如驻波比告警与RRU功率异常等等，都会成为导致Ping包成功率低与时延较长的客观原因。

3.3 TCP/IP协议栈中影响IP包传输效率的因素

在各协议层，由于加入数据包头等处理，均会花费一定的开销。除了物理层外，主要是TCP/IP、RLC层开销比较大。

TCP协议利用可变窗口进行流量控制。在TCP重传率较小的情况下，可以通过修改服务器接收窗口的方法来提升数据业务传输的效率。

如果IP层的数据报大小比链路层的MTU还要大，那么IP层需要进行分片处理。从提高效率方面来说，在保证一定的重传率的情况下，应使MTU尽量可能大，以避免出现IP分段和重组。

4 优化方案实施与效果

4.1 降低上行负荷，提升上行容量

从式（1）至（3）可以得出结论，降低全网的上行干扰水平，可以有效地提升上行容量。对单个小区来说，在相同数量的终端接入情况下，降低小区RTWP，可以将更多的上行负荷余量腾出给单个终端，再根据公式（5），平均至每个UE的授权SG等级都可以相应提升，HSUPA调度的速率将会得到提高。

如图3所示，导致小区RTWP水平较高的原因主要有以下几种：

（a）小区用户数量多导致RTWP总体提升；

（b）外部存在干扰源，主要是电信市话通站点与直放站点干扰；

（c）天馈或者基站侧内部器件故障；

（d）其它原因，主要是突发的话务量增多与不明干扰源。

图3 RTWP高原因分布图

通过对近3个月现网后台的统计，RTWP水平保持在-90dbm以上的较高的小区个数为389个。通过扫频与指标分析，确定因小区用户数量多导致RTWP抬升的有186个，占总数的47.8%；外部干扰导致小区底躁提升的有129个，占总数的33.2%；66个小区是由于天馈或者基站侧内部器件故障导致底噪提升，占总数的17.0%；8个小区由于其它原因导致底噪提升，占总数的2.0%。

4.2 基站资源扩容

针对基站上行CE受限、Iub口传输拥塞所带来对Ping包传送成功率与时延大小的影响，通过收集现网近3个月KPI指标CE受限与Iub口传输拥塞严重的站点进行BPC板件扩容与传输扩容。通过统计，现网总共确定需扩容站点共有426个，其中需要BPC板件361块，需新增156对E1，新增16M FE链路共126条。图4表明了扩容前后受限与拥塞小区个数的变化情况。

图4 扩容前后对比

4.3 站点效能整改

对于现网存在的覆盖弱区与盲区，主要采取几种方法提升覆盖：

（1）小区整改：提升站点覆盖效能，有效地提升部分遮挡较为严重区域的覆盖率；

（2）光纤拉远：解决部分区域覆盖盲区，有效提升覆盖率；

（3）室分外引信源整改：提升区域覆盖率与覆盖质量。

通过对现网164个站点进行天线整改、52个站点新增拉远小区、39个室分外引进行信源整改，有效提升了现网无线覆盖率与质量，图5表明进行站点效能整改后对网络覆盖质量提升水平。

图5 整改前后网络覆盖对比

4.4 设备维护与告警修复

及时解决现网所存在的告警，对保持站点性能与减轻网络负荷水平都起着重要的作用。通过对后台告警梳理，现网总共存在356个影响业务的告警。其中小区退服39个，断站26个，设备告警121个，天馈类告警156个，其它告警14个。经修复维护，截止目前已经消除92%的告警，如图6所示：

图6 告警修复前后对比

4.5 提升用户优先级

HSUPA资源分配采用SPI加权因子映射机制。用户的SPI_WEIGHT越高，那么所获得的调度优先级越高。

目前用户可划分为3个等级，取值为（1、2、3），分别代表金、银、铜三个等级。缺省的映射关系如表3所示：

表3 用户优先级ARP映射表

同时SPI_WEIGHT与SPI的映射关系如表4所示：

表4 SPI_WEIGHT与SPI映射表

从表3与表4可以看出，对于语音业务、流业务、交互类业务、背景类业务，相同的业务中当SPI取值越大，SPI_WEIGHT取值就越大，再根据公式（5）、（6）、（7），单个用户终端的上行调度优先级Priority也会提升10%至20%。

通过对同一个用户USIM卡的优先级做铜→银→金的修改后，对相同的服务器FTP做100Mb文件上传测试，结果如表5所示：

表5 不同用户等级上传速率对比

4.6 TCP接收窗与IP的MTU优化

WINDOWS系统默认的TcpWindowSize为64000Byte，通过注册表将其修改为168000Byte；MTU由1492Byte修改为1600Byte。

通过在RNC11下面定点不同字节长度的Ping测试，每个分别采样50次，然后取平均，得到平均时延如表6所示：

表6 Ping包时延对比

从表6可以看出，在Ping包长度较小时，并不能体现出明显的差别，但随着字节的越来越大，时延缩短较为明显。

通过在相同时间与相同的无线环境下，对修改过TCP窗口大小与MTU长度的服务器1，与无做任何修改的服务器2，进行不同大小文件的下载对比，如表7所示。从测试的结果看来，下载速率有5%至10%的增长空间。

表7 下载速率对比

5 结束语

本文从剖析限制Ping包传输时延的原理开始，提出了降低Ping时延的几种有效措施，并由此开展对深圳WCDMA网络专项尖峰行动。针对提升Ping包时延的优化方案进行实施后，通过对关内总共9个RNC进行定点Ping测试，测试规则为Ping包长度保持为1024字节，每个RNC随机抽取100个点，每个点50次Ping试验，实施的前后对比如图7所示。

图7 优化前后PING包时延对比

从优化前后来看，几乎所有RNC的Ping时延均有不同程度的下降，最高时延降低25%，有效优化了目前WCDMA网络数据包传送时延。此次专项尖峰行动达到了提升数据用户感知、减少投诉量、提升网络水平的目的，为后期网络优化提供了思路。

[1]中兴通讯股份有限公司. ZTE UMTS HSUPA Packet Scheduling功能指导[Z].

[2]窦中兆,雷湘. WCDMA系统原理与无线网络优化[M]. 北京: 清华大学出版社, 2009.

[3]中兴通讯股份有限公司. UMTS PS业务分析指导书.V1.0[Z].

[4]张新程,关山. HSUPA/HSPA网络技术[M]. 北京: 人民邮电出版社,2008. ★