測(cè)試鏈路自適應(yīng)策略的IP分析技術(shù) - 全文

　　鏈路自適應(yīng)（也稱為調(diào)度），首先是作為3GPP協(xié)議下HSDPA技術(shù)的一個(gè)特點(diǎn)推出的，它是手機(jī)無線網(wǎng)絡(luò)分配射頻資源的一種方法。采用這樣方法，基站采用的射頻協(xié)議在每個(gè)傳輸時(shí)間間隔（TTI）為下行鏈路傳輸提供數(shù)據(jù)及為上行鏈路傳輸分配資源（見圖1）。

　　圖1：每個(gè)TTI必須執(zhí)行的處理功能。

　　由于TTI可短至1ms， 該調(diào)度技術(shù)提供了極大靈活性，以將流量路由和吞吐率與可用資源匹配起來。它是高通量、穩(wěn)定和有效利用帶寬的關(guān)鍵。然而，鏈路自適應(yīng)實(shí)施中的一個(gè)根本問題一直困擾著手機(jī)設(shè)備的發(fā)展：常規(guī)的測(cè)試設(shè)置無法充分查明并定位鏈路自適應(yīng)方法在工作中出現(xiàn)的錯(cuò)誤和失敗。本文提出了一種測(cè)試設(shè)置，它能以精準(zhǔn)到具體TTI的水平檢測(cè)并定位調(diào)度錯(cuò)誤。

　　測(cè)試鏈路自適應(yīng)的常規(guī)策略

　　傳統(tǒng)上，功能和性能測(cè)試是協(xié)議和系統(tǒng)驗(yàn)證過程中兩個(gè)截然不同的部分。調(diào)度通常包括在功能測(cè)試部分，而該功能同時(shí)也對(duì)性能（數(shù)據(jù)吞吐量）有根本性的影響。

　　傳統(tǒng)的功能測(cè)試方法產(chǎn)生巨量的日志記錄（log），因?yàn)槊總€(gè)TTI（也即每1ms）調(diào)度軟件都接收輸入并做出決策。這意味著，日志分析既繁瑣又耗時(shí)，因此并不進(jìn)行該工作。相反，鏈路自適應(yīng)通常是采用簡單但有限配置（與滿足覆蓋現(xiàn)實(shí)使用各可能情況的要求有相當(dāng)差距）實(shí)施的功能測(cè)試。

　　鏈路自適應(yīng)的性能測(cè)試是通過測(cè)量數(shù)據(jù)吞吐量實(shí)現(xiàn)的。因鏈路自適應(yīng)功能測(cè)試的范圍有限，所以必須等到性能測(cè)試開始，才可進(jìn)行完整的功能驗(yàn)證。顯而易見，這通常處在項(xiàng)目開發(fā)的后期。在很多時(shí)候，鏈路自適應(yīng)存在的性能問題，與功能上的錯(cuò)誤息息相關(guān)。如果這些功能問題是在性能測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)的，則必須對(duì)這些問題予以糾錯(cuò)，這可能意味著必須對(duì)設(shè)備的某些部分進(jìn)行重新設(shè)計(jì)并重新進(jìn)行部分驗(yàn)證。因此，精準(zhǔn)的性能測(cè)試數(shù)據(jù)就成為一種寶貴資源，它使開發(fā)工程師能集中精力在確實(shí)較勁的地方調(diào)試差錯(cuò)并反復(fù)驗(yàn)證。

　　不幸的是，今天的常規(guī)性能測(cè)試設(shè)置提供的輸出非常不精確。它們包括運(yùn)行于PC或UNIX工作站上的服務(wù)器應(yīng)用和撥號(hào)PC上運(yùn)行的客戶端應(yīng)用。服務(wù)器和客戶端應(yīng)用實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信協(xié)議（如FTP傳輸）、進(jìn)行測(cè)量并提供結(jié)果。

　　問題是，Windows或Unix操作系統(tǒng)（OS）一般提供的計(jì)時(shí)精度約為500ms。真實(shí)情況是，Windows應(yīng)用中數(shù)據(jù)包的實(shí)際傳輸通常使用NDIS技術(shù)，它具有優(yōu)于Windows本身的計(jì)時(shí)精度，但對(duì)這些傳輸?shù)臏y(cè)量受操作系統(tǒng)的影響。

　　更糟的是，即使這種數(shù)百毫秒水平粗放的計(jì)時(shí)精度，操作系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)制造商也不能保證。因?yàn)長TE（以及HSPA和HSPA+的一些配置）的TTI為1ms，顯然，基于Windows的應(yīng)用可能提供的數(shù)據(jù)流通量不會(huì)超過OSI堆棧應(yīng)用層面的總吞吐量水平。所以，精準(zhǔn)到具體TTI的功能問題的詳細(xì)定位信息就不可能提供。為找出有助于調(diào)試吞吐量問題的這類信息，研究一個(gè)簡化的例子就很有幫助（見圖2）。

　　圖2：包重傳造成的后果是降低了數(shù)據(jù)吞吐率。

　　例如通過基站傳輸?shù)囊粋€(gè)IP數(shù)據(jù)流。采用鏈路自適應(yīng)，調(diào)度器采用最大和最小的可用塊大小；每一塊大小都傳輸相同的塊數(shù)。如果我們分別采用256bit和7，480bit作為最小和最大傳輸塊（TBS），這就將實(shí)現(xiàn)約1，948，000bps（也即約2Mbps）的總數(shù)據(jù)吞吐量。（為簡單起見，計(jì)算中，這個(gè)例子沒包括協(xié)議報(bào)頭；并且選定的IP報(bào)頭和數(shù)據(jù)大小都假定為128bit。）

　　想象一下，下一次實(shí)施相同測(cè)量的情況，射頻協(xié)議的性能已經(jīng)惡化（可能是由于協(xié)議軟件性能的下降），導(dǎo)致每個(gè)第三大的數(shù)據(jù)包都傳丟了。射頻協(xié)議棧必須重發(fā)丟失的數(shù)據(jù)包，這將使數(shù)據(jù)吞吐量降低至約1，504，000bps（約1.5Mbps）。這就比第一次測(cè)量降低了25％。

　　使用常規(guī)性能測(cè)試設(shè)置，工程師不會(huì)了解吞吐量降低的原因或故障所在，他們看到的只是吞吐率。但若測(cè)量系統(tǒng)能提供精準(zhǔn)計(jì)時(shí)，則只需測(cè)量數(shù)據(jù)包延遲便很容易找出問題。

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　　測(cè)試鏈路自適應(yīng)的一種新方法

　　數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域測(cè)量吞吐量的一種替代方法提供了這種能力。在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域（如手機(jī)行業(yè)），吞吐量測(cè)量被用于測(cè)試性能。為此任務(wù)設(shè)計(jì)的精密儀器能提供與被測(cè)系統(tǒng)性能相關(guān)的精確數(shù)據(jù)，如吞吐量（幀計(jì)數(shù)和數(shù)據(jù)包大小精度）、延遲和抖動(dòng)。

　　使用這樣的IP測(cè)試設(shè)置（見圖3）測(cè)試射頻協(xié)議棧的性能會(huì)曝光常規(guī)的基于服務(wù)器的測(cè)試系統(tǒng)無法查證的隱藏在TTI水平的錯(cuò)誤。

　　圖3：安立提出的測(cè)試設(shè)置樣本。

　　安立提出的測(cè)試系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行如下操作：

　　1. 移動(dòng)設(shè)備（手機(jī)或其它用戶設(shè)備）使用射頻協(xié)議棧為基站模擬器（如安立用于LTE的MD8430A）建立一個(gè)撥號(hào)。這就在基站和撥號(hào)PC之間創(chuàng)建了一個(gè)數(shù)據(jù)鏈接。

　　2. 一臺(tái)IP測(cè)試儀器（如Anritsu的MD1230B數(shù)據(jù)流量發(fā)生器和分析儀）生成一個(gè)確定的IP數(shù)據(jù)流。該流經(jīng)過基站模擬器到射頻協(xié)議棧（負(fù)責(zé)調(diào)度數(shù)據(jù)傳輸）和射頻發(fā)射級(jí)。一旦用戶設(shè)備收到IP數(shù)據(jù)，用戶設(shè)備就將數(shù)據(jù)發(fā)送到撥號(hào)PC。

　　3. 撥號(hào)PC內(nèi)的IP軟橋?qū)碜訡OM端口（來自撥號(hào)）的IP數(shù)據(jù)回送至IP儀器（通過以太網(wǎng)端口）。

　　4. IP儀器接收返回的數(shù)據(jù)流?，F(xiàn)在它可以通過比對(duì)每個(gè)接收到的數(shù)據(jù)包與傳輸?shù)臅r(shí)間和內(nèi)容來計(jì)算往返時(shí)間、抖動(dòng)、吞吐量和錯(cuò)誤率。

　　對(duì)上行測(cè)量，過程相同但方向相反。

　　新設(shè)置的優(yōu)勢(shì)

　　對(duì)定時(shí)測(cè)量（往返時(shí)間和抖動(dòng)）和數(shù)據(jù)包的數(shù)量和規(guī)模（吞吐量和包/位錯(cuò)誤率）的測(cè)量來說，IP工具的精度遠(yuǎn)超任何PC/Unix應(yīng)用。通常，此類儀器可提供精確到μs（某些測(cè)量，甚至是ns）的計(jì)時(shí)精度。此外，該計(jì)時(shí)精度是由儀器制造商保證的。

　　IP儀器的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是IP數(shù)據(jù)流的可重復(fù)性。 基于PC/Unix的方案實(shí)現(xiàn)一種真正的數(shù)據(jù)協(xié)議棧（如在FTP應(yīng)用的TCP）時(shí)，會(huì)對(duì)可用傳輸帶寬的變化做出動(dòng)態(tài)反應(yīng)。這使得它不可能在不查看TCP日志的情況下，得到有關(guān)射頻協(xié)議性能的相關(guān)信息。這就使業(yè)已繁瑣的過程益發(fā)麻煩：在這種情況下，用戶在分析射頻協(xié)議日志前，必須要分析TCP日志。而IP儀器，可以永遠(yuǎn)發(fā)送相同的數(shù)據(jù)模式，從而使用戶能夠?qū)Ｗ⒂谏漕l協(xié)議分析。

　　重復(fù)性的另一方面來自這樣一個(gè)事實(shí)：當(dāng)協(xié)議棧處理信息時(shí)，射頻協(xié)議會(huì)對(duì)被傳輸?shù)男畔⒅貜?fù)幾次地進(jìn)行背書和格式重組。該過程如何進(jìn)行取決于提供給射頻協(xié)議的初始IP包的大小。因此，實(shí)現(xiàn)重復(fù)性的關(guān)鍵是：不僅要發(fā)送具有相同抖動(dòng)特性的相同數(shù)量的數(shù)據(jù)包，還要在每次測(cè)量時(shí)重復(fù)IP數(shù)據(jù)包的大小。借助IP分析儀可以做到這點(diǎn)，但基于PC/Unix的應(yīng)用則無法實(shí)現(xiàn)。

　　如果正確定義了IP數(shù)據(jù)流，并了解射頻協(xié)議配置，則這種測(cè)量方法可以很快地給出用戶設(shè)備所用的射頻協(xié)議棧性能的詳細(xì)信息。

　　在射頻傳輸領(lǐng)域采用IP測(cè)試方法

　　就此，一個(gè)明顯的問題是：如果使用現(xiàn)有商用IP分析儀的好處如此明顯，為什么這種技術(shù)尚未被手機(jī)行業(yè)采用？原因在于射頻協(xié)議。

　　比對(duì)數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域的協(xié)議，射頻協(xié)議極其復(fù)雜；采用快速鏈路自適應(yīng)技術(shù)以來，它們變得越發(fā)難以把捉。由于這種更高的復(fù)雜性，所以，為了從先前描述的重復(fù)性和精確錯(cuò)誤定位的好處中獲益，在設(shè)計(jì)IP數(shù)據(jù)流及在將IP測(cè)量結(jié)果與射頻協(xié)議的性能關(guān)聯(lián)時(shí)，就必須倍加小心。

　　所以，為應(yīng)用這種來自數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域的技術(shù)，手機(jī)開發(fā)業(yè)者要有一個(gè)學(xué)習(xí)過程。但若移動(dòng)行業(yè)能夠成功地采用IP分析技術(shù)，則好處就是通過精確定位和協(xié)議層錯(cuò)誤表征來提升手持設(shè)備性能。通過提高設(shè)備的功能完整性，開發(fā)商還可以更快地完成運(yùn)營商的驗(yàn)收測(cè)試，并在其設(shè)備基準(zhǔn)測(cè)試中獲得更高分?jǐn)?shù)。