基于3GPP R7 HSPA的VoIP技術

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

　　1）3GPPR5中的增強技術

　　3GPPR5中與VoIP相關的增強技術有：a）HSDPA技術，提供高速下行的數(shù)據(jù)傳輸速率。b）幾個并行用戶的碼字復用技術，能同時支持多個低速連接。c）從用戶設備（UE）到NodeB的信道質量指示符（CQI），CQI可以用于增強的NodeB分組調度。d）服務質量（QoS）差別參數(shù)。

　　2）3GPPR6中的增強技術

　　3GPPR6中與VoIP相關的增強技術有：a）HSUPA技術，提供高速上行的數(shù)據(jù)傳輸速率。b）非調度的HSUPA傳輸，實現(xiàn)保證的比特速率，減少信令的分配。c）高級HSDPA接收機：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分組確認的可靠性。

　　3）3GPPR7中的增強技術

　　3GPPR7中與VoIP相關的增強技術有：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HSDPA接收機：2天線均衡器。c）上行分組捆綁技術，當一起發(fā)送兩個VoIP分組時，可以將其進行捆綁，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，能降低移動終端的功耗。

4.R7中的HSPA的移動性

　　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

　　對于下面的延時分析，我們假設信令無線承載（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，當滿足測量觸發(fā)事件1d（最優(yōu)小區(qū)改變）時，UE在信令無線承載上發(fā)送測量報告。傳輸從t1開始，RNC在t2時刻接收到消息。服務RNC將為目標NodeB保留基站資源和Iub資源。該資源的預留通過使用預配置可以完成得非�？臁Ｒ坏┵Y源在t3時刻準備好，RNC將向UE發(fā)送無線承載重配置消息，此時UE還是從源NodeB中接收數(shù)據(jù)。當UE對重配置消息進行解碼，并且在有效時刻t4到期前，UE接收數(shù)據(jù)將從源小區(qū)切換到目標小區(qū)。UE開始監(jiān)聽目標小區(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也會測量目標小區(qū)的信道質量，并發(fā)送目標小區(qū)的CQI報告。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。同時目標小區(qū)MAC-hs中的流控單元開始從服務RNC中請求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可以同時向兩個Node B發(fā)送數(shù)據(jù)。當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，傳輸時間間隔用時刻B表示，該時間可以忽略，因為UE從源小區(qū)到目標小區(qū)的切換是與網絡同步的。因此，對于像VoIP這樣的低延時實時業(yè)務來說，HSPA可以提供無縫的移動性。

　　過程延時A定義為從t1開始，此時UE開始發(fā)送測量報告，終止時刻為t4，此時UE將從目標小區(qū)接收數(shù)據(jù)。該延時與信道狀態(tài)和衰落變化情況相關。假設一個較低的RLC重傳概率，那么該延時約為200ms～250ms。網絡資源預留延時t3-t2取決于預配置的使用和無線網絡的配置。對于切換過程來說，各個延時預算大約為t2-t1=50ms，t3-t2=50ms～100ms，t4-t3=100ms，整個切換延時約為200ms～250ms。

　　下面簡單介紹語音業(yè)務端到端的延時。上行和下行的調度傳輸時延都假設為80ms。語音編譯碼延時假設為40ms，去抖動延時為20ms。網絡延時假設為50ms（不包括空中接口延時）。這樣整個延時為270ms，完全可以滿足ITU的延時要求。

5.VoIP業(yè)務仿真的前提假設

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

　　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%的中斷率時每小區(qū)最大的VoIP用戶數(shù)。當用戶在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%，也認為該用戶發(fā)生了中斷。

　　4）仿真滿足會話QoS類。VoIP代理和UE都可以請求對話QoS類，網絡支持調度和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。假設支持4碼字用戶復用，CQI周期10ms，最多對3個VoIP分組進行級聯(lián)。功率分配：HS-DSCH功率為10W，HS-SCCH最大2W。HS-SCCH平均功率1W。接收機采用單天線均衡。

　　6）HSUPA假設：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。

6.仿真結果說明及分析

　　本節(jié)主要說明在3GPPR7中上行門篩選、移動均衡器和高級NodeBHSDPA調度器對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E-DCH、HS-DPCCH沒有數(shù)據(jù)傳輸時，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，而使用門篩選時用戶數(shù)超過120，其增益約為45%。

　　2）終端單天線接收時不同調度算法和高級接收機對VoIP容量的影響不同。高級接收機在時域采用線性最小均方誤差（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承載的電路語音用戶數(shù)為60～70，而R7的HSPA支持的VoIP容量最多可達R99的兩倍，用戶數(shù)約為120。

　　與電路交換的語音業(yè)務相比，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：當對2～3個VoIP分組進行綁定后，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無線幀內只能傳送1個語音分組。

　　2）對VoIP來說，快速L1信令允許使用L1重傳，從而導致更低的功率需求。而當語音使用專用信道時，由于L2重傳的延時太大，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(qū)內干擾，從而改善容量。

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

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

7.結束語

　　從端到端延時的角度來說，WCDMAR99可以提供VoIP業(yè)務，但是很明顯，其效率要低于電路交換的語音業(yè)務。在R5/R6/R7中，由于HSDPA/HSUPA的提出以及相關協(xié)議的改善，從而能更高效地支持VoIP業(yè)務。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個用戶（每個用戶AMR12.2kbps），而在WCDMA的R99版本中，最高只能支持60～70個電路交換語音用戶。

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