移动互联网时代，以蜂窝网络和WiFi为代表的移动网络已经成了工作生活的必需品。随着高清视频、VR/AR等前沿产业兴起、5G及WiFi6高速通信模式普及，日常生活和商业领域都对数据的传输量、传输速度和稳定性等要求越来越高。

然而，目前是多个代际并存的混乱时期。蜂窝网络从2G到5G并行工作，WiFi路由器从单工4代到多工6代同时存在，“乱花渐欲迷人眼”，选择太多实际上给移动网络的设计者和用户都带来诸多困难。因此，在代际交错的新背景下，如何保障“高质量移动网络”的稳定支撑与安全应用尤为重要。

清华大学软件学院李振华副教授研究团队一直聚焦于移动网络和操作系统、虚拟化的研究。其自主创新的快速、准确、轻量带宽测量技术，极大提高了网络测量效率，精细定位网络传输瓶颈，为金融、互联网等领域和政府相关应用提供创新技术支持。同时团队在网络的终端用户使用可靠性、安全性等方面有多项重要研究成果，被小米、腾讯、华为、百度等企业实际采用，受益用户过亿。

【科学家介绍】

李振华，清华大学软件学院副教授、博导、特别研究员，主要研究移动网络和虚拟化技术。主持了国家自然科学基金优青和面上项目、北京信息学国家研究中心青年创新项目、华为和字节跳动创新研发项目、CCF-腾讯犀牛鸟基金科研和创新项目等。

【快速带宽测量保障网络质量】

全民互联网时代，网络走进千家万户，网速快慢是人们在选择网络供应商时最为关心的因素，直接影响着日常使用体验。

网络带宽便是决定网速快慢、保障网络应用质量的重要前提，带宽的快速测量有助于实时评估网络状态、有效发现及修正网络问题。

测量带宽即测量单位时间内能传输的数据量。目前市面上有不少测量网站、软件等供个人用户免费使用。带宽测量公司以及对网络响应速率、传输通量要求较高的企业等，对网络带宽的准确测量、实时监测、问题优化和稳定输出都会格外重视。

免费测速网站示例

影响带宽测量准确性的关键因素是信道噪音的存在，简单来讲就是信号传输中的干扰噪声，如外部电磁波、设备噪声、电路噪声等等，这些噪声如同清水中的杂质，影响着水的质量。

长期以来，主流测带宽技术致力于从时间或空间的角度来降低信道噪声的影响，要么延长测量时间直到噪声变得很弱，要么使用临近的多个测量服务器以避免空间距离带来的噪音，后者的典型代表是美国Speedtest技术。无论哪种方法，都会造成人力、物力等成本的高昂，也难适用于越来越高密度的数据传输场景。

李振华研究团队便是在现有技术基础上进行了统计采样技术创新和传输算法升级，只需几台服务器便可实现快速准确、轻量低耗、远距离、高密度传输的带宽测试，克服了时间和空间限制。

【换个思路化被动为主动，噪声也可以利用】

运动是绝对的，噪声无处不在，延长等待时间和缩减空间距离都是被动方法。研究团队则化被动为主动——“打不过就加入”，无法屏蔽噪声，便利用噪声。

团队从统计分析的角度，通过“接受拒绝抽样”模型容纳和利用噪声，收集吞吐量样本。噪声虽然分散在整个样本中，但在很小范围内也存在无噪声的真实样本，团队便基于计算几何学和离散控制论研发了 “模糊拒绝抽样”技术，从而滤除测量噪声引起的假样本，寻找到真实的吞吐量区间。

技术路径图

“目前这项技术仅用3秒钟、使用100多MB流量就能完成5G高密度传输的带宽测量，现在市场上通用技术基本都需要15秒、占用1GB流量。”李振华介绍，“我们同时达成了快速、轻量、准确这三个在传统意义上看似矛盾的目标。”

解决了带宽测量难题，在带宽优化方向，团队也进行了算法创新。

决定带宽多少的关键技术是拥塞控制算法，Cubic拥塞控制算法是目前国内常用的传输控制技术；而Google在5年多前就已经开发出新的BBR拥塞控制算法，被认为是迄今为止跨越不同路由发送数据的高效方法，但种种原因还未在国内广泛使用。团队基于对BBR算法的学习研究，并在其基础上进行算法创新升级，进一步提升传输效率。

创新算法近期被公安部第三研究所现场测试并实际采用，未来有望大幅改善全国摄像头数据向公安部网络传输过程中的各种不畅问题。

上述带宽测量技术成果已发表于网络系统领域顶尖会议NSDI 2021并获得国家发明专利授权，相关代码全部开源(https://FastBTS.github.io)，并已部署在线原型系统(http://FastBTS.thucloud.com)供用户一键测速，广泛检验和持续优化创新设计的实际效果。

原型系统测量图示

研究团队在带宽测量技术及传输算法上的创新，不仅为专业测速公司提供更优技术选择，也为其他商业应用提供技术支撑，如金融、互联网、超高清直播、视频、AR/VR等对数据传输、网络质量要求高的领域。

“国内用户量最多的app‘测网速’在试用我们这项技术，从每天超100万的测试用户量中分配一部分给我们试用，”李振华说道，“另外也有其他的测速公司、金融大数据公司正在沟通合作。”

测网速app

【多项研究成果，解决实际问题】

团队涉猎广泛，除前沿网络传输技术研究外，还曾与多个手机厂商、互联网公司等合作，解决企业的技术难题，在移动网络系统可靠性、安全性等方面有突出研究成果。

信号不稳定、网络异常断开是手机使用中常出现的问题，为提升终端用户的使用体验，团队与小米手机合作，对34种不同硬件型号的7000多万部安卓手机进行长达8个月的研究，为网络应用可靠性寻找优化方案。

这也是国内首次对蜂窝网络可靠性的大规模长时间研究，结果显示，手机异常断网主要是由软件的设计缺陷造成的，由此团队提出基于「非齐次时变马尔科夫过程」的最优化方法以及稳定性兼容的4G/5G双连接机制，从而让小米手机异常断网持续时间缩短36%、5G手机异常断网次数减少40%。

本研究成果不仅对小米手机用户，同时对其他手机厂商用户都有重要借鉴意义，对应论文获得了国际网络通信领域顶尖会议ACM SIGCOMM 2021唯一最佳学生论文奖，清华大学也因此成为首个获得该奖的亚洲科研院校。

获奖奖牌

研究团队为百度手机卫士研发的云-端协同的透明第三方流量压缩代理系统“百度流量卫士”，在不影响用户体验、兼容所有安卓应用的前提下，节省了36%蜂窝流量，避免90%用户出现流量超支，受益用户超千万。

百度流量卫士系统架构

此外，为提高移动网络应用的安全性，团队曾与百度、WiFi万能钥匙合作，分别开发了“伪基站雷达”和WiFi安全检查系统，识别过滤数百万条伪基站短信，有效打击以攻击WiFi安全而盈利的地下黑色广告产业链条。

WiFi安全攻击地下黑色产业

移动虚拟运营商是我们熟知三大传统运营商的经销渠道，团队利用人工智能预测技术优化了“小米移动”的用户运营，同时对诈骗电话等有效标记和拦截，降低用户风险，也为移动虚拟运营商的利润提升和长期发展奠定了坚实而完备的基础。

此外已被“腾讯手游助手”采用的极速移动模拟器，能够在x86架构的Windows操作系统上直接运行安卓应用，模拟运行流畅度持平或接近高端手机直接运行，目前用户量超过1亿。对应论文发表于国际移动计算领域顶尖会议ACM MobiCom 2019，对应系统也获得本届会议最佳演示奖。

获奖证书 获奖证书

最新研制的三位一体移动模拟器更是移动虚拟化领域的一大进步，可对内存数据、显存数据、图形渲染调用整合管理、集中调度，在国际上首次实现三个关键维度——模拟效率、安全和兼容的同时兼顾，解决了我国基础软件领域的一个“卡脖子”问题。

对于典型高交互三维移动应用，其模拟效率1.6倍于腾讯手游助手、3倍于谷歌安卓模拟器，目前已被华为公司采用，作为其移动开发环境的重要组成部分。

代表性工业移动模拟器三维渲染性能对比

研究成果能够得到实际应用、造福千家万户，是科研工作者的共同期望，李振华教授有同样的理解：“我们做科研的第一原则是实事求是，成果能实际解决问题、让老百姓直接受益是最好的。”

对此次公开的技术成果，李振华希望能实现产业落地：“我们的技术成果，无论是对大企业还是小公司，如果能在某些方面有所帮助，合作方式可以是多样灵活的，最终能让科研成果踏实落地、产生实际应用价值最重要。”

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