EV-DO網(wǎng)絡(luò)特性測(cè)試研究

陳偉權(quán)，吳鎮(zhèn)邦，王耀光，秦 勇

(1.廣東省東莞市質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心，廣東 東莞 523808；2.東莞理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 東莞 523808)

EV-DO網(wǎng)絡(luò)特性測(cè)試研究

陳偉權(quán)1，吳鎮(zhèn)邦1，王耀光1，秦 勇2

(1.廣東省東莞市質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心，廣東 東莞 523808；2.東莞理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 東莞 523808)

移動(dòng)端應(yīng)用的高速增長(zhǎng)更好地體現(xiàn)了3G EV-DO的重要性。為更加準(zhǔn)確地測(cè)量EV-DO網(wǎng)絡(luò)的帶寬，文中利用EV-DO網(wǎng)絡(luò)嗅探器和Wireshark2工具來捕獲蜂窩網(wǎng)的通信量進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)行了數(shù)據(jù)速率控制、報(bào)文封裝、包到達(dá)時(shí)間、分組丟失模式和隊(duì)列管理等一系列的實(shí)驗(yàn)測(cè)試以更深層次地理解EV-DO。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：非移動(dòng)EV-DO用戶數(shù)據(jù)速率比之前短時(shí)間內(nèi)很少變化及長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)有較多隨機(jī)行為的用戶有更好的穩(wěn)定性，有較頻繁的低級(jí)別數(shù)據(jù)包封裝發(fā)生；定制服務(wù)提供商配置、操作系統(tǒng)差異可以混淆相對(duì)于EVDO規(guī)格的網(wǎng)絡(luò)行為。

3G；EV-DO；帶寬預(yù)算；測(cè)試

0 引 言

到目前為止，沒有專門針對(duì)3G EV-DO網(wǎng)絡(luò)的帶寬預(yù)算技術(shù)[1]，原因是EV-DO網(wǎng)絡(luò)和無線802.11或有線網(wǎng)絡(luò)之間的根本差異，現(xiàn)有的帶寬預(yù)算工具不能準(zhǔn)確地測(cè)量EV-DO網(wǎng)絡(luò)的帶寬[2]。對(duì)于EV-DO網(wǎng)絡(luò)的帶寬預(yù)算根本的挑戰(zhàn)是合理的數(shù)據(jù)包分段和多報(bào)文封裝、均衡公平的調(diào)度、時(shí)分多路復(fù)用前向鏈路和高可變性的傳輸速率[3-4]。

目前只有少數(shù)文獻(xiàn)針對(duì)有線、無線IEEE 802.11和EV-DO網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)有帶寬預(yù)算技術(shù)的可行性進(jìn)行研究[5-10]。例如，文獻(xiàn)[11]在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中比較三種帶寬預(yù)算工具(TOPP，SLoPS和pathChirp)，結(jié)果顯示，pathChirp工具的預(yù)算效果最好。然而，該實(shí)驗(yàn)只是在NS-2平臺(tái)上模擬，并不能呈現(xiàn)NS-2的結(jié)構(gòu)，而且文獻(xiàn)并沒有提供關(guān)于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的研究細(xì)節(jié)(例如，網(wǎng)絡(luò)情況到底是1xRTT，1xEV還是UMTS)。

文獻(xiàn)[12]比較TCP吞吐量通過工具調(diào)用npath得到的帶寬預(yù)算結(jié)果。預(yù)算結(jié)果持續(xù)穩(wěn)定在約525 kbps，TCP吞吐量在300～350 kbps之間變化。雖然作者沒有對(duì)這些不同做出解釋，但是結(jié)果顯示npath沒有準(zhǔn)確地估算出其可達(dá)到的吞吐量。文獻(xiàn)[13]使用WBest來預(yù)算一個(gè)EV-DO終端可達(dá)到的吞吐量。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，WBest未能測(cè)量出可達(dá)到的最大TCP吞吐量或最大UDP吞吐量。該研究的結(jié)論是由于傳輸速率的高可變性只在很小的時(shí)間范圍內(nèi)顯現(xiàn)，所以在EV-DO網(wǎng)絡(luò)的帶寬預(yù)算并不可行[14]。

文中提出目前廣泛使用的3G EV-DO A版本的蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的測(cè)量研究。通過研究EV-DO的特點(diǎn)，有助于實(shí)現(xiàn)開發(fā)用于移動(dòng)流應(yīng)用的高效帶寬預(yù)算技術(shù)的最終目標(biāo)[15]。已發(fā)現(xiàn)的重要的EV-DO的詳細(xì)信息包括EV-DO數(shù)據(jù)包開銷、傳輸數(shù)據(jù)速率的頻率和持續(xù)時(shí)間、EV-DO數(shù)據(jù)包的分組分片和封裝、EV-DO甚至更高層的損耗特性、觀察到的信號(hào)強(qiáng)度。在對(duì)部署EV-DO網(wǎng)絡(luò)的大致了解之后，這些特點(diǎn)有利于EV-DO模擬器的發(fā)展，或者被終端主機(jī)用來改進(jìn)對(duì)EV-DO的應(yīng)用性能[16]。

1 研究背景

文中數(shù)據(jù)包是指EV-DO包，而協(xié)議數(shù)據(jù)包指的是在其他網(wǎng)絡(luò)層(例如IP包)的數(shù)據(jù)包。

典型的EV-DO網(wǎng)絡(luò)由接入終端(AT)連接到一個(gè)接入點(diǎn)(AP)，也稱為無線節(jié)點(diǎn)(RN)。接入點(diǎn)由無線電控制節(jié)點(diǎn)(RNC的)管理，無線電控制節(jié)點(diǎn)提供的服務(wù)包括資源和移動(dòng)性管理，分組數(shù)據(jù)服務(wù)節(jié)點(diǎn)(PDSNs)將RNC連接到因特網(wǎng)并管理用于AT的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議(PPP)會(huì)話[17]。

EV-DO Rev.A的AP傳輸數(shù)據(jù)到ATs的速率取決于所接收到的DRC(數(shù)據(jù)速率控制)索引。每個(gè)EV-DO時(shí)隙(1.667 ms)，根據(jù)AT所測(cè)量得到的信號(hào)干擾噪聲比，估算每個(gè)AT接收單個(gè)數(shù)據(jù)包的DRC的最高可能性，并將DRC索引發(fā)送到AP。更好的無線信道條件產(chǎn)生較高的DRC，其中，DRC14對(duì)應(yīng)于最高的數(shù)據(jù)速率，DRC0對(duì)應(yīng)于最低的數(shù)據(jù)速率[18]。

EV-DO網(wǎng)絡(luò)維護(hù)每個(gè)AT的PPP會(huì)話?；ヂ?lián)網(wǎng)IP報(bào)文封裝在PPP數(shù)據(jù)包，經(jīng)過幾層EV-DO層發(fā)送到合適的AT。PPP包的形成不保留IP數(shù)據(jù)包邊界，即IP包可被EV-DO網(wǎng)絡(luò)組合或分段。

2 測(cè)試方法

文中EV-DO實(shí)驗(yàn)使用一臺(tái)筆記本電腦與3G的EV-DO Rev.A網(wǎng)卡作為移動(dòng)無線客戶端，利用EV-DO網(wǎng)絡(luò)嗅探器和Wireshark2工具來捕獲蜂窩網(wǎng)的通信量進(jìn)行測(cè)量。通過嚴(yán)格控制從一個(gè)連接良好的服務(wù)器下行通信的IP數(shù)據(jù)包大小和數(shù)據(jù)包速率，該測(cè)試與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)層信息和推斷EV-DO的行為相關(guān)。

表1列出了EV-DO測(cè)試所采用的軟件工具。

EV-DO嗅探器在每個(gè)EV-DO時(shí)間片統(tǒng)計(jì)一次DRC_SINR和PER(數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤率)。QCAT出口嗅探器為數(shù)據(jù)包格式分析跟蹤文本文件。由于AirCard進(jìn)入休眠狀態(tài)后的5 s空閑時(shí)間，嗅探器沒有收到信息，自定義地保持活動(dòng)狀態(tài)的工具會(huì)每隔3 s發(fā)送一個(gè)UDP數(shù)據(jù)包到服務(wù)器。自定義通信產(chǎn)生工具用一個(gè)含有序列號(hào)的10字節(jié)大小的UDP數(shù)據(jù)包從服務(wù)器發(fā)到客戶端。

表1 軟件工具

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

文中實(shí)驗(yàn)規(guī)模的局限可能不會(huì)產(chǎn)生普遍存在的具有代表性的結(jié)果。然而，以前所提供的大規(guī)模的研究大移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)大多只能來自網(wǎng)絡(luò)提供商，很可能是因?yàn)锳T需要人工操作來收集數(shù)據(jù)。文中一些實(shí)驗(yàn)(例如吞吐量與采樣時(shí)間)是在同一位置不同的DRC范圍內(nèi)運(yùn)行，從而得出一些更有代表性的數(shù)據(jù)。其他實(shí)驗(yàn)結(jié)果(例如，操作系統(tǒng)所造成的不同的數(shù)據(jù)包間隔時(shí)間)是普遍適用的。

(1)DRC分析。

圖1(a)描述了兩個(gè)90 min實(shí)驗(yàn)所得到的DRC的CDF值。移動(dòng)實(shí)驗(yàn)如前所述,是一輛汽車以30 km/h移動(dòng)和在位置B上的靜止實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行結(jié)果。這兩種情況下，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了近一個(gè)全范圍的DRC值，DRC值從1～13清晰分布。移動(dòng)實(shí)驗(yàn)中DRC的分布稍寬。DRC在移動(dòng)實(shí)驗(yàn)中偶爾出現(xiàn)數(shù)值為14，在靜止實(shí)驗(yàn)中卻從未出現(xiàn)。

DRC的波動(dòng)對(duì)AP傳輸速率的可變性，也就是對(duì)流媒體應(yīng)用和帶寬預(yù)算產(chǎn)生直接影響。一般來說，更穩(wěn)定的DRC分布應(yīng)產(chǎn)生更穩(wěn)定的流數(shù)據(jù)率、更準(zhǔn)確的帶寬預(yù)算和更少的預(yù)算時(shí)間。

為了檢驗(yàn)這個(gè)變化規(guī)律，每個(gè)EV-DO時(shí)隙(1.667 ms)所產(chǎn)生的AT DRC請(qǐng)求被以800 s為一個(gè)周期記錄下來。圖1(b)為這個(gè)DRC在靜止實(shí)驗(yàn)和移動(dòng)實(shí)驗(yàn)中的CDF。在靜止的實(shí)驗(yàn)中，DRC值在較長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)保持不變。對(duì)于靜止的AT，半數(shù)以上的時(shí)間的DRC停留在1 000+時(shí)間片的(大約1.5 s)穩(wěn)定區(qū)域，表現(xiàn)得比先前報(bào)道的更穩(wěn)定。DRC在3 000+時(shí)隙(5 s以上)的穩(wěn)定區(qū)域大約占10%。在移動(dòng)的AT的情況下，DRC保持停留在600+時(shí)隙(超過1 s)穩(wěn)定區(qū)域超過一半以上的實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

(a)DRC的CDF

(b)DRC中CDF的穩(wěn)定性

(2)吞吐量與采樣時(shí)間。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)和工具，確定所需的精確測(cè)量的樣本大小是關(guān)鍵，如帶寬預(yù)算，從采樣的最少數(shù)量實(shí)現(xiàn)吞吐量的預(yù)測(cè)。為此，選擇在三個(gè)位置的三個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡線(代表三種不同的AT吞吐量)進(jìn)行比較。三個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡持續(xù)200 s，在此期間服務(wù)器發(fā)送飽和的UDP通信到AT。

平均吞吐量分別為：位置C是285 kbps，位置B是441 kbps和位置A是813 kbps。用于位置B和C的數(shù)據(jù)包的大小是1 500字節(jié)，用于地點(diǎn)A中的數(shù)據(jù)包大小為33字節(jié)。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)偏差與采樣間隔

圖2是平均吞吐量標(biāo)準(zhǔn)偏差隨著采樣間隔以秒為單位的變化圖。正如預(yù)期那樣，隨著采樣間隔的變化，標(biāo)準(zhǔn)偏差穩(wěn)定不變，然而，即使非常少的樣品，標(biāo)準(zhǔn)偏差也是相當(dāng)?shù)偷摹＿@表明帶寬預(yù)算技術(shù)在相對(duì)較少的測(cè)量情況下也能夠獲得相當(dāng)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。注意，三個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡，變異系數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)偏差除以平均值)大約都為1。

(3)EV-DO數(shù)據(jù)包分析。

IP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)移到EV-DO AT的過程中可以被分割。圖3表示從612字節(jié)到620字節(jié)的UDP包和EV-DO數(shù)據(jù)包每秒到達(dá)量比較的實(shí)驗(yàn)。在大約675 s，一些EV-DO數(shù)據(jù)包到達(dá)量從每秒1個(gè)跳至每秒2個(gè)。這表明，在617個(gè)字節(jié)的IP數(shù)據(jù)包太大，不適合一個(gè)EV-DO數(shù)據(jù)包，必須被分割為兩個(gè)EV-DO數(shù)據(jù)包。除了確認(rèn)的EV-DO數(shù)據(jù)包分片的存在，該數(shù)據(jù)也可提供足夠的信息來計(jì)算EV-DO頭大小。在DRC14，EV-DO每次發(fā)送640個(gè)字節(jié)。

圖3 EV-DO包到達(dá)時(shí)間與IP包大小

(4)應(yīng)用包分析。

圖4表示的是在EV-DO AT的接收筆記本電腦的應(yīng)用層收集到的UDP數(shù)據(jù)包CDF間隔時(shí)間的實(shí)驗(yàn)。該數(shù)據(jù)包的大小被設(shè)置為50字節(jié)，以減少包碎片的可能性。數(shù)據(jù)包到達(dá)間隔時(shí)間受操作系統(tǒng)影響。Windows系統(tǒng)的間隔時(shí)間為1 ms的倍數(shù)。到達(dá)的1 ms間隔的IP數(shù)據(jù)包很可能用同樣的EV-DO數(shù)據(jù)包發(fā)送(EV-DO分組必須至少被一個(gè)EV-DO時(shí)隙分離)。時(shí)間不同有可能是由于在每個(gè)操作系統(tǒng)堆棧緩沖方案或設(shè)備驅(qū)動(dòng)器不同造成。因此，基于毫秒計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)包來推斷應(yīng)用層數(shù)據(jù)包的帶寬不能準(zhǔn)確地確定EV-DO數(shù)據(jù)包的到達(dá)率。

(5)PER和故障包。

當(dāng)一個(gè)AT向AP請(qǐng)求DRC，根據(jù)測(cè)得的SINR，DRC以小于1%的EV-DO數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤率(PER)被選擇接收。在500 s的時(shí)間間隔，在位置B，PER每秒記錄一次。超過500 s時(shí)，只有15 s的非零PER需要觀察。

圖4 應(yīng)用程序包的間隔時(shí)間

圖5表示出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)觀察得到的CDF。圖中大約90%的PER集中在0.20附近。

圖5 PER的CDF

4 結(jié)束語

適于仿真的3G EV-DO分析和對(duì)視頻流的帶寬預(yù)算技術(shù)都沒有很好地建立起來。文中利用EV-DO嗅探器、Wireshark和應(yīng)用程序級(jí)的工具進(jìn)行仔細(xì)的實(shí)驗(yàn)和測(cè)量，深入了解以前未報(bào)告或證明的EV-DO性能。結(jié)果對(duì)建設(shè)EV-DO模擬器或在EV-DO上的流媒體應(yīng)用帶寬預(yù)算工具是有實(shí)際價(jià)值的。未來的工作包括更多的測(cè)量，特別是在不同的環(huán)境(例如城市與郊區(qū))和終端主機(jī)(例如移動(dòng)與靜止)的特點(diǎn)。

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Research on Characterization of a EV-DO Network

CHEN Wei-quan1,WU Zhen-bang1,WANG Yao-guang1,QIN Yong2

(1.Dongguan Quality Supervision and Inspection Center，Dongguan 523808,China; 2.School of Computer Science,Dongguan University of Technology,Dongguan 523808,China)

The growth of mobile streaming applications has increased the importance of a better understanding of 3G EVDO performance.For a more accurate measurement of EV-DO network bandwidth,EVDO network sniffer and Wireshark2 tool is applied to capture cellular network traffic for measurement,carrying on a series of experimental measurements including data rate control,packet encapsulation,packet interarrival time,packet loss pattern and queue management to offer an in-depth,crosslayer understanding of EV-DO.The results demonstrate that data rates for non-mobile EV-DO users are more stable than previously reported with little variance over short time scales and more random behavior over long time scales;low-level packet encapsulation/combination happens frequently;and custom service provider configurations and operating system differences can obfuscate network behavior relative to EV-DO specifications.

3G；EV-DO；bandwidth estimation；test

2015-07-10

2015-10-16

時(shí)間：2016-03-22

廣東省高等院校學(xué)科與專業(yè)建設(shè)專項(xiàng)資金建設(shè)項(xiàng)目(2013KJCX0178);清遠(yuǎn)市產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目(2012D021212005);江門市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2011010050525);東莞市高等院?？蒲袡C(jī)構(gòu)科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012108102035)

陳偉權(quán)(1979-)，男，研究生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾畔⒓夹g(shù)設(shè)備安全質(zhì)量評(píng)估。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160322.1520.064.html

TP31

A

1673-629X(2016)04-0132-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.04.029