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中的增強技術(shù)

　　1）3GPPR5中的增強技術(shù)

　　3GPPR5中與VoIP相關(guān)的增強技術(shù)有：a）HSDPA技術(shù)，提供高速下行的數據傳輸速率。b）幾個(gè)并行用戶(hù)的碼字復用技術(shù)，能同時(shí)支持多個(gè)低速連接。c）從用戶(hù)設備（UE）到NodeB的信道質(zhì)量指示符（CQI），CQI可以用于增強的NodeB分組調度。d）服務(wù)質(zhì)量（QoS）差別參數。

　　2）3GPPR6中的增強技術(shù)

　　3GPPR6中與VoIP相關(guān)的增強技術(shù)有：a）HSUPA技術(shù)，提供高速上行的數據傳輸速率。b）非調度的HSUPA傳輸，實(shí)現保證的比特速率，減少信令的分配。c）高級HSDPA接收機：2天線(xiàn)Rake與1天線(xiàn)均衡器。d）用于HSDPA的部分專(zhuān)用物理控制信道（DPCH），可以減小低速率下行L1的控制開(kāi)銷(xiāo)。e）在上行高速專(zhuān)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分組確認的可靠性。

　　3）3GPPR7中的增強技術(shù)

　　3GPPR7中與VoIP相關(guān)的增強技術(shù)有：a）HSUPA中的上行門(mén)（uplinkgating），用于減小低速數據L1的控制開(kāi)銷(xiāo)，上行門(mén)還可以節省UE終端的功耗。b）高級HSDPA接收機：2天線(xiàn)均衡器。c）上行分組捆綁技術(shù)，當一起發(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(kāi)銷(xiāo)，提高VoIP分組的傳輸效率。d）HSDPA的不連續接收，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(guò)程如圖2所示。

圖2 高速下行共享信道（HS-DSCH）切換過(guò)程

　　對于下面的延時(shí)分析，我們假設信令無(wú)線(xiàn)承載（SRB）在下行映射到HS-DSCH信道上，在上行映射到增強上行鏈路專(zhuān)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，當滿(mǎn)足測量觸發(fā)事件1d（最優(yōu)小區改變）時(shí)，UE在信令無(wú)線(xiàn)承載上發(fā)送測量報告。傳輸從t1開(kāi)始，RNC在t2時(shí)刻接收到消息。服務(wù)RNC將為目標NodeB保留基站資源和Iub資源。該資源的預留通過(guò)使用預配置可以完成得非常快。一旦資源在t3時(shí)刻準備好，RNC將向UE發(fā)送無(wú)線(xiàn)承載重配置消息，此時(shí)UE還是從源NodeB中接收數據。當UE對重配置消息進(jìn)行解碼，并且在有效時(shí)刻t4到期前，UE接收數據將從源小區切換到目標小區。UE開(kāi)始監聽(tīng)目標小區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 )測量目標小區的信道質(zhì)量，并發(fā)送目標小區的CQI報告。源小區該用戶(hù)的MAC-hs在小區切換后將重置，并將緩存的協(xié)議數據單元（PDU）刪除。同時(shí)目標小區MAC-hs中的流控單元開(kāi)始從服務(wù)RNC中請求PDU，這樣便可以通過(guò)HS-DSCH向用戶(hù)發(fā)送數據。在小區切換過(guò)程中，RNC可以同時(shí)向兩個(gè)Node B發(fā)送數據。當RNC從UE接收到重配置完成消息后，它便可以釋放源小區的資源。

　　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，因為UE從源小區到目標小區的切換是與網(wǎng)絡(luò )同步的。因此，對于像VoIP這樣的低延時(shí)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，HSPA可以提供無(wú)縫的移動(dòng)性。

　　過(guò)程延時(shí)A定義為從t1開(kāi)始，此時(shí)UE開(kāi)始發(fā)送測量報告，終止時(shí)刻為t4，此時(shí)UE將從目標小區接收數據。該延時(shí)與信道狀態(tài)和衰落變化情況相關(guān)。假設一個(gè)較低的RLC重傳概率，那么該延時(shí)約為200ms～250ms。網(wǎng)絡(luò )資源預留延時(shí)t3-t2取決于預配置的使用和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的配置。對于切換過(guò)程來(lái)說(shuō)，各個(gè)延時(shí)預算大約為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(yǔ)音業(yè)務(wù)端到端的延時(shí)。上行和下行的調度傳輸時(shí)延都假設為80ms。語(yǔ)音編譯碼延時(shí)假設為40ms，去抖動(dòng)延時(shí)為20ms。網(wǎng)絡(luò )延時(shí)假設為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(mǎn)足ITU的延時(shí)要求。

5.VoIP業(yè)務(wù)仿真的前提假設

　　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，小區為滿(mǎn)負荷。

　　2）語(yǔ)音編解碼為AMR12.2kbps，激活因子為50%。

　　3）容量定義在不超過(guò)2%或者5%的中斷率時(shí)每小區最大的VoIP用戶(hù)數。當用戶(hù)在10s間隔內，如果其在下行方向5%的VoIP分組丟失，那么就認為該用戶(hù)發(fā)生了中斷。同樣，如果用戶(hù)在上行方向其平均誤幀率（FER）超過(guò)2%，也認為該用戶(hù)發(fā)生了中斷。

　　4）仿真滿(mǎn)足會(huì )話(huà)QoS類(lèi)。VoIP代理和UE都可以請求對話(huà)QoS類(lèi)，網(wǎng)絡(luò )支持調度和Iub的流控。

　　5）HSDPA假設：下行分組調度器和資源分配基于比例公平機制，支持VoIP業(yè)務(wù)。假設支持4碼字用戶(hù)復用，CQI周期10ms，最多對3個(gè)VoIP分組進(jìn)行級聯(lián)。功率分配：HS-DSCH功率為10W，HS-SCCH最大2W。HS-SCCH平均功率1W。接收機采用單天線(xiàn)均衡。

　　6）HSUPA假設：包括HS-DPCCH開(kāi)銷(xiāo)。HS-DPCCH用于HSDPAL1的反饋（ACK/NAK和CQI。TTI為2ms且帶有門(mén)篩選，基站支持具有天線(xiàn)分集的Rake接收機。

6.仿真結果說(shuō)明及分析

　　本節主要說(shuō)明在3GPPR7中上行門(mén)篩選、移動(dòng)均衡器和高級NodeBHSDPA調度器對VoIP性能的影響。

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

　　2）終端單天線(xiàn)接收時(shí)不同調度算法和高級接收機對VoIP容量的影響不同。高級接收機在時(shí)域采用線(xiàn)性最小均方誤差（LMMSE）碼片均衡。從仿真結果可以看出，與robin環(huán)調度算法相比，VoIP分組優(yōu)化調度算法帶來(lái)的容量增益最大。另外，使用F-DPCH和均衡接收機可以使容量增加近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(yǔ)音用戶(hù)數為60～70，而R7的HSPA支持的VoIP容量最多可達R99的兩倍，用戶(hù)數約為120。

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

　　1）分組綁定：當對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(yǔ)音通過(guò)傳統的卷積碼，在20ms無(wú)線(xiàn)幀內只能傳送1個(gè)語(yǔ)音分組。

　　2）對VoIP來(lái)說(shuō)，快速L1信令允許使用L1重傳，從而導致更低的功率需求。而當語(yǔ)音使用專(zhuān)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制。

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

　　4）使用了部分專(zhuān)用物理控制信道（F-DPCH）和上行的門(mén)篩選機制，可以使L1控制開(kāi)銷(xiāo)最小化。

　　5）HSDPA采用了優(yōu)化的VoIP調度器。專(zhuān)用信道上的電路語(yǔ)音交換則沒(méi)有采用任何調度機制。

7.結束語(yǔ)

　　從端到端延時(shí)的角度來(lái)說(shuō)，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(yǔ)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(hù)（每個(gè)用戶(hù)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(yǔ)音用戶(hù)。

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