公共HSPA网络延迟测量及应用考量

### 公共 HSPA 网络延迟测量及应用考量 #### 1. 研究概述 本次研究聚焦于公共 HSPA 网络中与有效负载相关的往返、上行和下行延迟测量结果，旨在揭示移动网络资源分配对期望确定性流量条件的实时应用的影响。 #### 2. 测量方法 测量 HSPA 网络延迟的方法依赖两个随机性因素： - **随机有效负载大小**：使用具有随机有效负载大小的 Internet Control Message Protocol (ICMP) 数据包。随机有效负载大小可将临时网络过载的影响分散到整个测量有效负载空间。 - **随机发送时间**：ICMP 数据包在随机的起始时间发送，这消除了发送时间与周期性网络行为之间的相关性。 测量设置如下： - 移动客户端：一台使用华为 E870 HSPA 调制解调器连接到公共 HSPA 网络的笔记本电脑。 - 测量服务器：连接到宽带通信研究所的交换以太网网络。 根据测量方法，ICMP 消息可由移动客户端发送并由测量服务器反射，反之亦然。对于单向测量，移动客户端和测量服务器的时钟会持续且准确地与一个公共全球时间基准同步，同时使用 tcpdump 记录两台主机上的传入和传出数据包及其头部和时间戳。通过关联两个 tcpdump 跟踪文件中存储的信息，可得到准确的上行和下行延迟值，精度优于 0.5 毫秒。不过，仅使用 ICMP 请求消息进行单向延迟计算。 在所有测量过程中，移动终端的位置保持固定，这种静态测量方式可最大程度减少可变测量参数（如因终端移动导致的不同无线电条件和切换）对测量结果的影响。 #### 3. 测量结果 ##### 3.1 往返延迟测量结果 对三个奥地利公共 HSPA 网络（运营商 A、B、C）进行往返延迟测量。结果显示，三个网络的与有效负载相关的 ICMP 响应模式存在显著差异。由于采用随机测量方法，编码和调度的临时变化会影响广泛的有效负载大小。所有图表都显示出可由直线近似的延迟值聚类组，部分具有明显的块结构，这些组被称为延迟线。 以运营商 A 为例，其图表显示三条主要延迟线： | 延迟线 | 起始有效负载大小（字节） | 起始延迟偏移（毫秒） | 结束有效负载大小（字节） | 结束延迟值（毫秒） | 块大小（字节） | | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | | 延迟线 1 | 12 | 约 75 | 439 | 200 | 40 | | 延迟线 2 | 440 | 160 | - | - | 160 | | 延迟线 3 | 12 | 75 | 1450 | 250 | - | 此外，延迟线 3 下方的稀疏测量结果表明存在第四条虚线表示的高性能、低延迟延迟线 4，但在测试负载配置文件中很少使用。 由于平均值函数对异常值敏感，因此选择中位数作为“常见”网络行为的代表函数。将整个测量有效负载范围划分为每组包含 10 个相邻有效负载大小的集合，计算这些集合的中位数延迟值，并将这些点用直线连接起来得到中位数曲线。 运营商 B 和 C 的往返延迟图表虽然基本结构与运营商 A 相似，但大有效负载大小下的“典型”延迟明显低于运营商 A（运营商 B 和 C 为 150 毫秒，运营商 A 为 200 - 250 毫秒）。 延迟线的斜率值等于信道传输容量的倒数，高斜率值代表低带宽信道，低斜率值对应高带宽信道。这引发了一个问题：为何图表中会出现两条传输容量相同但延迟偏移超过 50 毫秒的延迟线？这需要将 HSPA 往返延迟测量值分解为单向延迟分量进行分析。 ##### 3.2 单向延迟测量结果 以运营商 A 为例，上行和下行延迟测量结果及直方图显示，HSPA 上行链路导致了往返延迟图表中的多层结构。延迟线可映射到特定的 HSUPA 上行链路授权。 - 最左上角的延迟线使用 E - TFCI 4，携带 372 位的 RLC 有效负载。 - 较低的延迟线可映射到 E - TFCI 15，在 10 毫秒传输时间间隔（TTI）内支持 1362 位的有效负载。 当当前授权为 E - TFCI 4 且要发送有效负载大于 440 字节的数据包时，移动网络会授予 E - TFCI 15。终端会先使用 E - TFCI 4 开始传输，同时切换到 E - TFCI 15 并继续使用。这种“慢启动”导致右上角 E - TFCI 15 延迟线相对于较低的 E - TFCI 15 层存在延迟和有效负载偏移。 上行延迟测量结果的直方图分析表明，左上角和右上角的延迟线占所有测量值的大部分。例如，对于 1420 - 1469 字节的有效负载区间，约 30% 的测量值属于较低延迟线，55% 属于较高延迟线。这可能是因为运营商 A 积极优化网络，在数据包传输后不久就将终端授权从 E - TFCI 15 降级到 E - TFCI 4。