基于IPv6 W-TCP 代理的空口速率提升策略研究

张 峰 丁 博

1. 中邮建技术有限公司；2. 张志华博士网优工作室

0 引言

随着近年来无线网络和应用的快速发展，用户对无线网络的质量愈发敏感，主要体现在高清视频播放、网页浏览、实时互动游戏等业务上。2019 年接到的用户网页打开延迟、视频播放卡顿、游戏时延高等问题的投诉量较往年呈现大幅度增长。为了进一步提升用户感知，运营商一方面开通5G业务，提升速率、降低时延，一方面对LTE（LongTerm Eveolution 长期演进）网络进行优化提升。截至2019 年下半年，各大运营商现网基站传输设备已经基本完成支持IPv6 的升级改造。IPv6 时代区别于传统的射频信号质量、用户容量等无线网优手段，增加了基于W-TCP（Wireless-TCP 无线TCP）代理的功能等诸多优化策略。深度挖掘这些策略的潜力，实现空口下载速率的进一步增益，有利于提升用户体验，为运营商带来效益。本研究通过基于IPv6 W-TCP 代理的优化方法，对空口速率无线优化方法论进行补充完善，实践新的优化策略，取得了明显的成效，并为5G eMBB（5G-Enhance Mobile Broadband 5G-增强移动宽带）场景下的视频业务优化提供了可实践的参考优化方法。

1 W-TCP 代理功能基本算法策略

传统基于TCP（传输控制协议）的网络传输质量优化方法，主要策略是假设网络传输环境是稳定可靠的，这与无线网络不稳定传输的实际情况不相符合。无线网络环境存在多径传播造成的瑞利衰落、阴影阻挡、拐角效应、空口拥塞等问题。在基于TCP 的无线网络优化策略中，任何数据段的丢失，不区分是无线环境原因还是基站原因，而是都被作为拥塞原因一并处理，处理方法和措施简单粗暴，这会造成大量的数据包损失，之后再采取无线口重传等收包失败处理机制，加剧无线拥塞，导致无线传输环境的劣化。

传统TCP 业务如图1 所示，在eNodeB（基站）上是透传的，时延会受限于报文消息在空口的传输过程。

图1 TCP 业务建立流程

引入W-TCP 代理后，eNodeB 对TCP 流初始阶段的下行TCP 报文进行代理，对于Server，eNodeB 代理了UE 的角色。eNodeB收到Server的下行TCP报文后，代替UE回TCP ACK包，下行TCP 报文的传输时延减小。对于UE，eNodeB 代理了Server 的角色。eNodeB 向UE 发送下行TCP 报文和处理UE的TCP ACK 包。由于传输时延减小，Server 向eNodeB 发送数据包的速率更快，eNodeB 上数据量充足，Server 端和eNodeB端发送窗口都会增长得更快，缩短传输时长。如图2 所示。

图2 引入W-TCP 代理后的业务建立流程

IPv6 W-TCP 代理策略将IPv6 的TCP 包加速与W-TCP 代理策略结合，加速网络访问，降低网络传输时延，实现速度的明显提升。

主要核心策略如下：

（1） 开 启W-TCP 加 速 功 能，eNodeB 会 对HTTP 或HTTPS 业务类型的TCP 流的报文进行代理，提升TCP 流的下载速率。

（2）开启IPv6 TCP 统计优化功能，eNodeB 在W-TCP 代理功能启用时启动TCP 测量优化。

（3）限制最大代理包个数，设置WTCP 代理功能的下行报文最大代理个数，当代理的TCP 下行报文达到最大代理个数后，WTCP 代理会退出代理状态。

（4）启动IPv6 TCP ACK 流控，开启ACK 限速，有利于避免上行ACK 突发引起的下行流量突发，在承载网带宽缓存受限时，可以减少流量突发引起的丢包，提升吞吐率。

（5）启动TPE（TCP Proxy Enhancer，TCP 代理增强器）算法开关，TPE 算法通过分裂ACK 提高TCP 业务初始阶段的速率。

（6）设置TPE ACK 分裂个数，设置TPE ACK 每次产生AckSplitCount 个分裂ACK，用于限制过多TPE ACK 分裂，避免高掉话、丢包。

（7）启动W-TCP 增强策略，进一步打开WTCP 开关，主动执行判断UE 窗口大小，避免丢包，当且代理回复ACK丢失后不拦截重传包的ACK，避免过多的重传。

（8）启动RTO 保护缓存功能，当WTCP 缓存包数达到该参数设置的门限后，WTCP 启动RTO 超时保护功能，避免发生RTO 超时重传。

策略核心脚本如下（Python）：

N119. print（"[==>] Received tempincoming connection from PointPA）

N120. #开启一个代理线程并设置主要远程通信参数

N121. proxy_Ture=threading.Ture（target=proxy_1，args=（client_socket， TCPSwitchStatistics = “ON”， TcpTempAccelerationSwitch= “ON”））

N122. proxy_thread.start（）

N123. def main（）：

N124. if len（sys.argv[RtoProtectionBufferThld]）!=2048：

N125. TcpAsSchWeightFactor = 4

N126. print（"Usage： ./proxy. MaxRttStatisticsThd= [int（receive_PointPA）]"）

N127. print（"Example：./proxy.py WtcpEnhancementSwitch =”True"）

N128. #设置本地监听、保护参数

N129. MaxProxyPktNum = { int （sys.argv[1]）

N130. AckSplitCount ={ int （sys.argv[2]）

适用场景：

传输网络要求：开通站点TCP 层上游丢包率和乱序率较低（建议上游丢包率小于0.1%，上游乱序率小于2%），避免W-TCP 代理功能在高乱序和丢包传输网络中进行TCP 加速，避免吞吐率下降。

重要场景要求：现网不存在与W-TCP 代理功能的RRC重建数据转发机制不兼容的终端设备，避免引起终端掉话率抬升。如无法避免终端掉话率抬升问题，可使用终端黑名单机制规避。要求开通站点RRC 重建比较低（建议小于2%），避免终端在远点转发数据过多，导致误码率、掉话率等KPI指标恶化。

移动性要求：eNodeB 之间配置X2 接口，使W-TCP 在遇到站间切换或重建时能够正常转发数据，避免TCP 丢包断链。不建议在高速小区等切换频繁的场景下开通策略，否则频繁的数据转发会较高概率导致TCP 丢包断链。要求是异系统重定向少（建议小于5%）的网络，否则系统间移动会较高概率地导致业务中断。要求PDCP 层时延小于120ms，时延过高容易引发丢包风险。

TCP 协议兼容性要求：网络中除eNodeB 以外，要求网络中没有部署基于IP 报文头中TTL 字段检测和丢弃功能的设备。网络中除eNodeB 以外，要求没有部署相关TCP 优化功能的设备。网络中除eNodeB 以外，要求没有部署依赖IP 可选项或者其他非常用TCP 可选项（包括窗口扩大因子/最大报文长度/选择性ACK 允许/时间戳/选择性ACK/选项表结束/无操作之外的选项）的功能设备。

运用本算法策略后，预计会带来如下增益与影响：

增益：TCP 业务的下载速率主要由传输带宽和时延决定。在传输带宽稳定的情况下，下行TCP 报文的时延越小，应用服务器的发包速率越快，用户的下载速率越高。引入W-TCP功能后，每个报文的时延减小，前200 个数据包的传输速率更快，TCP 流初始阶段的数据传输时长减小。

影响：RRC 重建比例较大的网络中，使用本策略后，由于采用RRC 重建数据转发功能，提升了重建用户的数据传输不中断体验。同时，重建用户一般是远点用户，远点用户的数据传输时长会变长，边缘用户数会变多，由此引发的其他KPI指标（如掉话率、误码率等）可能会变差。

2 效果验证

目前无线网络影响用户感知的流量业务主要是网页浏览、视频流、实时游戏，一般实时游戏每E-RAB 流量100KB 主要是小包业务，网页浏览每E-RAB 流量在100-2000KB，涉及小、中、大包。视频流业务每E-RAB 流量在1000-2000KB，主要涉及大包。见表1 所示。

表1 主要业务类型与E-RAB 包对应关系

为了精细化启用W-TCP 代理策略算法功能后评估对空口速率的影响，综合对空口下载速率、空口响应时延、TCP 建立时延、TCP 下行重传率指标分别进行效果验证统计。结合某地市普通城区试点共挑选了1200 个站点，挑选原则遵循本文上节介绍的适用场景部分描述。策略执行前后一周指标对比如表2 所示。

表2 策略应用前后效果对比（前后各7 天平均）

策略实施后，验证站点的平均空口下载速率从5.1Mbos提升至5.6Mbps，提升幅度约9.58%，空口响应时延从158ms降低至142ms，降幅约9.68%，TCP 建立时延从63.7ms 降至51.2ms，降幅约19.6%，TCP 下行重传率从1.8%降至1.5%，降幅约19.4%。

图3 策略开启后空口下载速率对比

图4 策略开启后时延对比

3 结束语

W-TCP 代理作为提高无线接入TCP 服务的新机制，本策略基于IPv6 W-TCP 包策略的优化算法，并引入了前期实践验证过的TCP 包加速改进算法，实施后，能明显提升空口下载速率，降低空口和TCP 时延，验证了本策略对提升用户体验效果明显，目前已逐步推广运用。后期将针对本策略在5G-eMBB 网络场景下的应用效果展开研究，改进算法，实践出一套适合5G eMBB 等场景的网络优化策略。