基于3GPP R7 HSPA的VoIP技術(shù)

趙紹剛 張煒 2007/11/08

圖1 PDCP層IP包頭的壓縮

3.3GPPR5/R6/R7中的增強(qiáng)技術(shù)

　　1）3GPPR5中的增強(qiáng)技術(shù)

　　3GPPR5中與VoIP相關(guān)的增強(qiáng)技術(shù)有：a）HSDPA技術(shù)，提供高速下行的數(shù)據(jù)傳輸速率。b）幾個(gè)并行用戶的碼字復(fù)用技術(shù)，能同時(shí)支持多個(gè)低速連接。c）從用戶設(shè)備（UE）到NodeB的信道質(zhì)量指示符（CQI），CQI可以用于增強(qiáng)的NodeB分組調(diào)度。d）服務(wù)質(zhì)量（QoS）差別參數(shù)。

　　2）3GPPR6中的增強(qiáng)技術(shù)

　　3GPPR6中與VoIP相關(guān)的增強(qiáng)技術(shù)有：a）HSUPA技術(shù)，提供高速上行的數(shù)據(jù)傳輸速率。b）非調(diào)度的HSUPA傳輸，實(shí)現(xiàn)保證的比特速率，減少信令的分配。c）高級(jí)HSDPA接收機(jī)：2天線Rake與1天線均衡器。d）用于HSDPA的部分專用物理控制信道（DPCH），可以減小低速率下行L1的控制開銷。e）在上行高速專用物理控制信道（HS-DPCCH）中增加了前置碼和后置碼，可以改善HSDPA分組確認(rèn)的可靠性。

　　3）3GPPR7中的增強(qiáng)技術(shù)

　　3GPPR7中與VoIP相關(guān)的增強(qiáng)技術(shù)有：a）HSUPA中的上行門（uplinkgating），用于減小低速數(shù)據(jù)L1的控制開銷，上行門還可以節(jié)省UE終端的功耗。b）高級(jí)HSDPA接收機(jī)：2天線均衡器。c）上行分組捆綁技術(shù)，當(dāng)一起發(fā)送兩個(gè)VoIP分組時(shí)，可以將其進(jìn)行捆綁，從而減小控制開銷，提高VoIP分組的傳輸效率。d）HSDPA的不連續(xù)接收，能降低移動(dòng)終端的功耗。

4.R7中的HSPA的移動(dòng)性

　　HSDPA的切換過程如圖2所示。

圖2 高速下行共享信道（HS-DSCH）切換過程

　　對(duì)于下面的延時(shí)分析，我們假設(shè)信令無線承載（SRB）在下行映射到HS-DSCH信道上，在上行映射到增強(qiáng)上行鏈路專用信道（E-DCH）上，且TTI均為10ms。HS-DSCH是HSDPA的傳輸信道，E-DCH是HSUPA的傳輸信道。首先，當(dāng)滿足測(cè)量觸發(fā)事件1d（最優(yōu)小區(qū)改變）時(shí)，UE在信令無線承載上發(fā)送測(cè)量報(bào)告。傳輸從t1開始，RNC在t2時(shí)刻接收到消息。服務(wù)RNC將為目標(biāo)NodeB保留基站資源和Iub資源。該資源的預(yù)留通過使用預(yù)配置可以完成得非�？�。一旦資源在t3時(shí)刻準(zhǔn)備好，RNC將向UE發(fā)送無線承載重配置消息，此時(shí)UE還是從源NodeB中接收數(shù)據(jù)。當(dāng)UE對(duì)重配置消息進(jìn)行解碼，并且在有效時(shí)刻t4到期前，UE接收數(shù)據(jù)將從源小區(qū)切換到目標(biāo)小區(qū)。UE開始監(jiān)聽目標(biāo)小區(qū)的高速共享控制信道（HS-SCCH），HS-SCCH是HSDPA下行的共享控制信道。UE也會(huì)測(cè)量目標(biāo)小區(qū)的信道質(zhì)量，并發(fā)送目標(biāo)小區(qū)的CQI報(bào)告。源小區(qū)該用戶的MAC-hs在小區(qū)切換后將重置，并將緩存的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）刪除。同時(shí)目標(biāo)小區(qū)MAC-hs中的流控單元開始從服務(wù)RNC中請(qǐng)求PDU，這樣便可以通過HS-DSCH向用戶發(fā)送數(shù)據(jù)。在小區(qū)切換過程中，RNC可以同時(shí)向兩個(gè)Node B發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)RNC從UE接收到重配置完成消息后，它便可以釋放源小區(qū)的資源。

　　圖2中，傳輸時(shí)間間隔用時(shí)刻B表示，該時(shí)間可以忽略，因?yàn)閁E從源小區(qū)到目標(biāo)小區(qū)的切換是與網(wǎng)絡(luò)同步的。因此，對(duì)于像VoIP這樣的低延時(shí)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)來說，HSPA可以提供無縫的移動(dòng)性。

　　過程延時(shí)A定義為從t1開始，此時(shí)UE開始發(fā)送測(cè)量報(bào)告，終止時(shí)刻為t4，此時(shí)UE將從目標(biāo)小區(qū)接收數(shù)據(jù)。該延時(shí)與信道狀態(tài)和衰落變化情況相關(guān)。假設(shè)一個(gè)較低的RLC重傳概率，那么該延時(shí)約為200ms～250ms。網(wǎng)絡(luò)資源預(yù)留延時(shí)t3-t2取決于預(yù)配置的使用和無線網(wǎng)絡(luò)的配置。對(duì)于切換過程來說，各個(gè)延時(shí)預(yù)算大約為t2-t1=50ms，t3-t2=50ms～100ms，t4-t3=100ms，整個(gè)切換延時(shí)約為200ms～250ms。

　　下面簡(jiǎn)單介紹語音業(yè)務(wù)端到端的延時(shí)。上行和下行的調(diào)度傳輸時(shí)延都假設(shè)為80ms。語音編譯碼延時(shí)假設(shè)為40ms，去抖動(dòng)延時(shí)為20ms。網(wǎng)絡(luò)延時(shí)假設(shè)為50ms（不包括空中接口延時(shí)）。這樣整個(gè)延時(shí)為270ms，完全可以滿足ITU的延時(shí)要求。

5.VoIP業(yè)務(wù)仿真的前提假設(shè)

　　1）仿真的環(huán)境是宏蜂窩場(chǎng)景，站址距離為2.6km。多徑屬性為ITUVehicularA3km/h，小區(qū)為滿負(fù)荷。

　　2）語音編解碼為AMR12.2kbps，激活因子為50%。

　　3）容量定義在不超過2%或者5%的中斷率時(shí)每小區(qū)最大的VoIP用戶數(shù)。當(dāng)用戶在10s間隔內(nèi)，如果其在下行方向5%的VoIP分組丟失，那么就認(rèn)為該用戶發(fā)生了中斷。同樣，如果用戶在上行方向其平均誤幀率（FER）超過2%，也認(rèn)為該用戶發(fā)生了中斷。

　　4）仿真滿足會(huì)話QoS類。VoIP代理和UE都可以請(qǐng)求對(duì)話QoS類，網(wǎng)絡(luò)支持調(diào)度和Iub的流控。

　　5）HSDPA假設(shè)：下行分組調(diào)度器和資源分配基于比例公平機(jī)制，支持VoIP業(yè)務(wù)。假設(shè)支持4碼字用戶復(fù)用，CQI周期10ms，最多對(duì)3個(gè)VoIP分組進(jìn)行級(jí)聯(lián)。功率分配：HS-DSCH功率為10W，HS-SCCH最大2W。HS-SCCH平均功率1W。接收機(jī)采用單天線均衡。

　　6）HSUPA假設(shè)：包括HS-DPCCH開銷。HS-DPCCH用于HSDPAL1的反饋（ACK/NAK和CQI。TTI為2ms且?guī)в虚T篩選，基站支持具有天線分集的Rake接收機(jī)。

6.仿真結(jié)果說明及分析

　　本節(jié)主要說明在3GPPR7中上行門篩選、移動(dòng)均衡器和高級(jí)NodeBHSDPA調(diào)度器對(duì)VoIP性能的影響。

　　1）門篩選：在上行方向使用門篩選的主要目的是當(dāng)E-DCH、HS-DPCCH沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，可以停止上行控制信道DPCCH的傳輸，這樣該門篩選便可以減小上行的信號(hào)干擾，從而增加上行的容量。通過仿真可以看出，在2%的中斷概率下，不使用門篩選的用戶數(shù)為85，而使用門篩選時(shí)用戶數(shù)超過120，其增益約為45%。

　　2）終端單天線接收時(shí)不同調(diào)度算法和高級(jí)接收機(jī)對(duì)VoIP容量的影響不同。高級(jí)接收機(jī)在時(shí)域采用線性最小均方誤差（LMMSE）碼片均衡。從仿真結(jié)果可以看出，與robin環(huán)調(diào)度算法相比，VoIP分組優(yōu)化調(diào)度算法帶來的容量增益最大。另外，使用F-DPCH和均衡接收機(jī)可以使容量增加近30%。

　　3）3GPP不同版本間VoIP的容量不同，在5MHz的載頻上，R99承載的電路語音用戶數(shù)為60～70，而R7的HSPA支持的VoIP容量最多可達(dá)R99的兩倍，用戶數(shù)約為120。

　　與電路交換的語音業(yè)務(wù)相比，通過仿真可以發(fā)現(xiàn)通過HSPA可提供更高VoIP容量，其具體原因概括如下：

　　1）分組綁定：當(dāng)對(duì)2～3個(gè)VoIP分組進(jìn)行綁定后，Turbo編碼將更加有效。而電路交換語音通過傳統(tǒng)的卷積碼，在20ms無線幀內(nèi)只能傳送1個(gè)語音分組。

　　2）對(duì)VoIP來說，快速L1信令允許使用L1重傳，從而導(dǎo)致更低的功率需求。而當(dāng)語音使用專用信道時(shí)，由于L2重傳的延時(shí)太大，因此不能采用重傳機(jī)制。

　　3）HSDPA的終端采用了均衡器，均衡器可以減小小區(qū)內(nèi)干擾，從而改善容量。

　　4）使用了部分專用物理控制信道（F-DPCH）和上行的門篩選機(jī)制，可以使L1控制開銷最小化。

　　5）HSDPA采用了優(yōu)化的VoIP調(diào)度器。專用信道上的電路語音交換則沒有采用任何調(diào)度機(jī)制。

7.結(jié)束語

　　從端到端延時(shí)的角度來說，WCDMAR99可以提供VoIP業(yè)務(wù)，但是很明顯，其效率要低于電路交換的語音業(yè)務(wù)。在R5/R6/R7中，由于HSDPA/HSUPA的提出以及相關(guān)協(xié)議的改善，從而能更高效地支持VoIP業(yè)務(wù)。R7的HSPA仿真結(jié)果表明：在5MHz的頻帶上，VoIP的頻率效率非常高，最高可以支持120個(gè)用戶（每個(gè)用戶AMR12.2kbps），而在WCDMA的R99版本中，最高只能支持60～70個(gè)電路交換語音用戶。

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