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摘要 互联网和无线网的融合极大地影响着WCDMA系统所承载的数据业务性能，因而扩展了无线网络运维与优化的问题域，仅关注空中接口的性能将很难满足端到端业务的需求。本文从网络层面、应用层面、数据链路层面、终端层面等角度系统介绍了有利于端到端业务性能优化的主要技术。
传统GSM网络的业务类型较为单一，WCDMA网络则能够提供更多丰富业务，不同业务对无线资源消耗的差别很大，业务服务质量（QoS）要求也不尽相同。这种业务上的动态性给网络运维带来了新的挑战。
从网络质量评估的角度而言，GSM网络主要提供的语音业务依赖于覆盖率和接通率等指标，WCDMA网络中视频电话等数据业务则需要综合考核吞吐量、时延、时延抖动等指标，这些指标更多取决于端到端的网络质量；从网络优化的角度而言，GSM网络主要依赖于天馈工程参数和无线资源管理参数的调整，而互联网与无线网的融合使得WCDMA网络优化的范畴超出了单纯无线接入领域。因而，为了提供良好的用户感知，WCDMA网络有必要引入端到端业务性能优化的新思路。
WCDMA网络使用了不同层次的众多协议，端到端的性能优化并非易事。这些协议中有的是从固定通信等网络中移植而来，最初设计时并没有特别考虑无线网络的特性（如时延较大、速率变化剧烈、终端性能不一致等），因而WCDMA端到端的业务性能优化对这些协议进行适当调整。
1、应用层面优化策略
1.1 压缩内容
应用压缩技术可以减少数据量，特别是通过瓶颈链路的数据量。压缩技术可以从不同的角度进行分类：从压缩前后信息量的对比来看，可分为有损失的压缩（如JPEG、MP3或者AMR）和无损失的压缩（Huffman编码或者LZ编码）；从压缩的对象来看，可分为头压缩和内容压缩，内容是待传数据的源头，更应该仔细选择压缩方式。
压缩与解压缩功能的位置也需要慎重考虑，可以将压缩和解压缩功能置放于移动设备和应用服务器中，也可以将压缩功能从应用服务器移动到无线接口前的独立立柜中。后一种方案将给运营商具备较大的灵活性，但此时的可升级性较差。
1.2 改进协议
目前，HTTP协议是因特网应用层所使用的主要协议之一。其版本对Web页面访问速度有一定影响。通常，网站页面包含多个对象，对HTTP1.0来说，每一个对象都必须用新的TCP连接来打开，由于每个TCP连接至少需要几秒钟，并且要经过慢启动后才能达到较高的速度，因而降低了实际传输速率。HTTP1.1则允许使用TCP打开多个对象，提高效率。
还可以使用性能增强代理（PEP，Performance Enhancing Proxies）来改进协议。PEP是一个新的网络实体，旨在通过调整终端与承载之间协议或信息提高终端用户的应用性能。通常位于应用层或传输层：应用层PEP功能是缓存、信息压缩及应用层的优化，在带宽较窄和时延较长时效果较好；传输层PEP则主要是为了克服TCP自身一些问题。
PEP可以位于网络中的不同位置。作为独立网元时，移动网络运营商通常会将它们放置在网关之后。另外，PEP功能也可以融入现有网元中（如SGSN、BSC），这有助于在网关、路由器或者无线接入网络元素中实现缓冲区拥塞管理等优化方法。同时安全因素也会影响到PEP的位置选择。因为IPSec的使用是通过在端到端对TCP头和应用数据进行封装来实现的，PEP无法理解封装之后的数据。
2、传输层面优化策略
TCP是因特网上的主要传输协议，有线网络的数据包丢失主要是由拥塞引起的，但在无线网络中，传统TCP会将无线信道比特差错和切换引起的数据包丢失误也归于拥塞而采取拥塞控制措施，因而无谓降低了端到端吞吐量。本节主要介绍TCP针对无线环境的一些改进建议。
2.1 IETF对于无线环境下标准TCP协议的优化建议
IETF提出了一些针对无线环境的TCP优化建议，主要体现在以下6个方面。
2.1.1 合适的窗口大小
无线链路上的TCP应当基于系统可用带宽时延积（BDP，Bandwidth Delay Product）设定合适的接收方窗口大小。接收方通知窗口应当至少同BDP一样大，否则接收方的TCP层将对最大可用带宽造成限制。
通知窗口应当尽可能地设大一些，使得所有的可用带宽都有可能使用；但如果通知窗口比BDP大太多，也可能因为缓存溢出和随后的TCP重传导致性能恶化。因而，通知窗口应当比BDP稍大，一方面充分使用容量，另一方面也不会损害到网络处理拥塞和丢报恢复的能力。
2.1.2 加大初始窗口
无线链路的高时延加大了慢启动阶段持续时间，主要体现在TCP连接建立时、发生重传超时（RTO，Retransmission Timeout）之后或较长空闲期后重新启动连接时。借助于大的初始窗口，慢启动将能更快地将吞吐量抬升至稳定状态。
2.1.3 受限制的传输
旨在拥塞窗口较小时改善快速重传和快速恢复的性能。如一旦发送方在等待重传时尚有未发送数据，那么在收到2个重复性ACK后就立即发送新的报文。这样以来，接收方可以产生第3个（激活快速重传/快速恢复所必须的重复性ACK个数）重复性确认来触发发送方的快速重传或快速恢复，这就避免了RTO及其后的慢启动阶段。但该选项依赖于软件实施情况。
2.1.4 TCP报文大小
通常，重复一定次数的慢启动过程之后才能达到充分发挥带宽资源；无线链路的高延迟使得最初几轮调整对终端用户的吞吐量至关重要。慢启动阶段，发送方字节数的增加是以报文大小为单位的，因而，如果增大最大报文段尺寸（MSS，Maximum Segment Size），慢启动阶段就可以更快地将吞吐量抬高到充满带宽，还能够提高各层所添加协议头的效率、降低往返传输的ACK数目。但某些时延要求高、又需要快速纠错的业务则适合使用较小的TCP报文段。
2.1.5 选择性确认
TCP连接期间，接收方将最后一个成功接收报文段的序号包含进ACK中，此即累积性确认。一般而言，选择性ACK（SACK，Selective Acknowledgement）则是可选项，它允许接收方向发送方通知所有数据段的传输状态。这样，发送方就可以有选择地重传，而不是仅仅重传第一个丢失分组并等待下一个ACK（一个RTT）来接收新的丢失信息。
在具有较大BDP通道时，SACK更能发挥作用，有研究结果表明它适合于具有中等丢失率（低于窗口大小的50%）的长延迟网络环境。这使得SACK比较适合于无线链路。但其不足在于它会稍微加大报头的尺寸（最多增添8byte），且其使用需要客户机、服务器两端的支持。
2.1.6 TCP时间戳选项
标准TCP是每个拥塞窗口才测量一次RTT，这可能给RTT的估计带来偏差，当拥塞窗口增长时尤其如此。无线链路特征则要求更准确地估计RTT以便尽可能地减少那些伪超时重传（spurious RTO）。
使用时间戳选项时，发送端可以每发一个报文段就计算一次RTT，即使是在发那些重传的。这一改进使得TCP RTO能够更快地应对时延变化，降低伪超时重传个数。然而，使用该选项时需要在TCP报头添加12byte，同样要求两端的支持。
2.2 缓存拥塞管理策略
2.2.1 随机早期监测
随机早期检测（RED，Random Early Detection）是目前研究得最多的主动队列管理技术，它采用概率判定机制有选择地主动丢弃某些分组，利用TCP对发送速率的自适应调节能力，让某些源端降低发送速率，及时阻止拥塞的恶化，并将平均排队时延控制在一定范围内。但RED也存在一些缺陷：性能对网络状况和参数敏感，很难给出优化的参数配置；稳定性和公平性也存在一些问题。
2.2.2 快速TCP
快速TCP算法是当下行缓存超出一定门限（接近拥塞）时试图降低下行分组量。通常，上下行业务量的不对称导致下行缓存要比上行缓存先可能拥塞。
一旦上行ACK延迟发送，TCP发送方就将等待更长的时间才滑动其传输窗口。该机制为下行缓存脱离拥塞机制赢得了时间。同时，由于ACK的延迟，拥塞窗口的增长速度也将降低。
2.2.3 窗口调整
基本思路同快速TCP类似，与延迟ACK不同的是，该方法将降低通知窗口大小，这同样可以降低传输速率。窗口调整不会像RED那样有丢包发生，因而便不存在无意识导致RTO（如同在快速TCP里发生的那样）发生的风险。然而，此机制导致处理负担过重，因为此时TCP报头应当由产生它的网元进行修改。此外，使用IPSec协议时TCP报头被保护，也不适用。
2.3 数据拥塞控制协议（DCCP）
TCP改进算法很难处理大幅增加的UDP业务，这些业务产生的数据流同样需要拥塞控制。而互联网电话、视频流和在线游戏等产生的长时间的UDP数据量在稳定增长。于是，IETF公布了一个新的传输层协议草案——数据报拥塞控制协议（DCCP），它在UDP的基础上增加了流控和拥塞控制机制，使数据报协议能够更好地用于流媒体业务的传输。
2.4 头压缩技术
业务从传输层、IP层、到链路层及物理层，每层都会带来额外的协议开销。如典型的TCP协议头长20byte，IP协议头长20byte，UDP协议头长8byte。IP包长480byte。因此，对于TCP/IP协议开销引起的效率降低为8.3%，UDP/IP协议开销引起的效率降低为5.8%，可见报头引起的开销并不很小。
为提高传输效率，IETF制定了若干头压缩机制，第一个用于低速系列TCP/IP头压缩的IETF建议是由Jacobson开发的。随后，Degermark给出了IP头压缩算法（IPHC，包括UDP/IP以及TCP/IP），被3GPP标准化后用于WCDMA系统中的PDCP层。较先进的头压缩技术还有可靠头压缩（ROH C，Robust Header Compression）算法。
3、数据链路层面优化策略
RLC层是数据链路层的重要功能，旨在为用户和控制数据提供分段和重传业务，其设置对网络整体性能（尤其是时延和吞吐量）影响较大。RLC实体共有3种操作模式：确认模式（AM）、非确认模式（UM）和透明模式（TM）。确认模式使用选择重发ARQ来保证数据传输的正确性，该机制借助于两个手段，即探询（Poll）和状态报告（Status report）。发送端在协议数据单元（PDU）中有一个探询比特用于探询链路状态，接收端根据接收情况来设置探询比特。若接收端探测到丢失的PDU，就会使用状态报告向发送端报告哪些帧丢失、哪些帧正常。
应当精心设计探询和状态报告的频率，以实现快速重传和开销最小化。可以通过调整一些定时器的大小来优化状态汇报的频率，一般认为：用于ACK的状态汇报消息所占用带宽不应超出可用带宽的2%。
此外，RLC层支持顺序和无序传递。在很多情况下，高层协议能重组PDU的顺序。只要知道并可控低层的无序特性，允许使用无序传递能节省接收端RLC的存贮空间。对于有些应用，尤其是实时性业务，如果乱序问题解决不好，过多的乱序报文会导致很多问题。因此3GPP协议（23.107）规定，如PDP类型为IPv4或IPv6，RAB/RB QoS的传输顺序属性应当设置为“否”。
4、端优化策略
移动设备通常受限于屏幕尺寸、解析度以及色泽深度，并且往往是在嘈杂的环境中进行操作。这些因素增大了终端用户感知压缩过程中信息丢失的可能性。此外，移动网络并不总是清楚信息是传递给移动设备还是诸如连接到移动设备的笔记本电脑。因此，有必要使用一些先进技术（如接收分集等）提升终端性能以使用更丰富的数据业务。
5、小结
互联网和无线网的融合极大地影响着WCDMA系统所承载的数据业务性能，因而扩展了无线网络运维与优化的问题域，仅关注空中接口的性能将很难满足端到端业务的需求。为了保证WCDMA网络的端到端业务性能，除了传统的优化手段外，有必要针对无线网络的特点从不同层面调整端到端传输链路上的协议特性。
