基于3GPP R7 HSPA的VoIP技术

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摘要　基于高速分组接入（HSPA）的VoIP技术是目前3G研究的热点问题，文章详细探讨了在3GPP R7 HSPA支持下的VoIP技术。研究结果表明，在同样端到端质量前提下，基于3GPP HSPA的VoIP频谱效率要高于基于电路交换的语音呼叫的频谱效率。这个较高的VoIP频谱效率主要是因为3GPP在R5/R6/R7规范中对高级移动接收机算法和VoIP优化无线网络算法进行了优化。研究还表明即使高速下行分组接入（HSDPA）没有软切换，HSPA的移动性解决方案仍然可以满足VoIP的需求。
0、引言
在蜂窝网络中，通常电路交换是提供语音业务的唯一方式。随着3G网络的引入，从WCDMA的R99开始，便可通过蜂窝网络提供通话质量可接受的VoIP业务，其频谱效率要低于基于电路交换的VoIP。3GPP在R5和R6中分别引入了高速下行分组接入（HSDPA）和高速上行分组接入（HSUPA），统称为高速分组接入（HSPA）技术，起初其目的是为了承载对延时不敏感的高速数据业务。随着技术的发展，3GPP在R6和R7中对技术进行了改进，减小了比特传输时延，从而可以在HSPA上实现VoIP业务。本文将详细说明R6和R7的技术改善对VoIP性能的影响。
1、3GPP R4中IP包头的压缩
典型的语音分组30字节，具有RTP/UDP包头的IPv6包头为60字节。因此，在没有包头压缩前提下，分组传输中的2/3都是包头开销。在HSPA中，压缩IP包头能显著改善VoIP的业务效率。在R4中定义了鲁棒包头压缩（ROHC），ROHC可以将数据包头压缩到几个字节。具有完全数据包头与压缩数据包头条件下所需的数据速率不同的特点，压缩数据包头条件下所需的数据速率有所下降。
HSPA的包头压缩在终端UE和无线网络控制器（RNC）的第二层分组数据汇聚协议（PDCP）中进行，因此这种压缩方式不仅能节省空中接口的容量，还能节省Iub接口上的传输容量。数据包头的压缩位置如图1所示。

 

图1　PDCP层IP包头的压缩

2、3GPP R5/R6/R7中的增强技术
1）3GPP R5中的增强技术
3GPP R5中与VoIP相关的增强技术有：a）HSDPA技术，提供高速下行的数据传输速率。b）几个并行用户的码字复用技术，能同时支持多个低速连接。c）从用户设备（UE）到Node B的信道质量指示符（CQI），CQI可以用于增强的Node B分组调度。d）服务质量（QoS）差别参数。
2）3GPP R6中的增强技术
3GPP R6中与VoIP相关的增强技术有：a）HSUPA技术，提供高速上行的数据传输速率。b）非调度的HSUPA传输，实现保证的比特速率，减少信令的分配。c）高级HSDPA接收机：2天线Rake与1天线均衡器。d）用于HSDPA的部分专用物理控制信道（DPCH），可以减小低速率下行L1的控制开销。e）在上行高速专用物理控制信道（HS-DPCCH）中增加了前置码和后置码，可以改善HSDPA分组确认的可靠性。
3）3GPP R7中的增强技术
3GPP R7中与VoIP相关的增强技术有：a）HSUPA中的上行门（uplink gating），用于减小低速数据L1的控制开销，上行门还可以节省UE终端的功耗。b）高级HSDPA接收机：2天线均衡器。c）上行分组捆绑技术，当一起发送两个VoIP分组时，可以将其进行捆绑，从而减小控制开销，提高VoIP分组的传输效率。d）HSDPA的不连续接收，能降低移动终端的功耗。
3、R7中的HSPA的移动性
HSDPA的切换过程如图2所示。

 

图2　高速下行共享信道（HS-DSCH）切换过程

对于下面的延时分析，我们假设信令无线承载（SRB）在下行映射到HS-DSCH信道上，在上行映射到增强上行链路专用信道（E-DCH）上，且TTI均为10ms。HS-DSCH是HSDPA的传输信道，E-DCH是HSUPA的传输信道。首先，当满足测量触发事件1 d（最优小区改变）时，UE在信令无线承载上发送测量报告。传输从t1开始，RNC在t2时刻接收到消息。服务RNC将为目标Node B保留基站资源和Iub资源。该资源的预留通过使用预配置可以完成得非常快。一旦资源在t3时刻准备好，RNC将向UE发送无线承载重配置消息，此时UE还是从源Node B中接收数据。当UE对重配置消息进行解码，并且在有效时刻t4到期前，UE接收数据将从源小区切换到目标小区。UE开始监听目标小区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也会测量目标小区的信道质量，并发送目标小区的CQI报告。源小区该用户的MAC-hs在小区切换后将重置，并将缓存的协议数据单元（PDU）删除。同时目标小区MAC-hs中的流控单元开始从服务RNC中请求PDU，这样便可以通过HS-DSCH向用户发送数据。在小区切换过程中，RNC可以同时向两个Node B发送数据。当RNC从UE接收到重配置完成消息后，它便可以释放源小区的资源。
图2中，传输时间间隔用时刻B表示，该时间可以忽略，因为UE从源小区到目标小区的切换是与网络同步的。因此，对于像VoIP这样的低延时实时业务来说，HSPA可以提供无缝的移动性。
过程延时A定义为从t1开始，此时UE开始发送测量报告，终止时刻为t4，此时UE将从目标小区接收数据。该延时与信道状态和衰落变化情况相关。假设一个较低的RLC重传概率，那么该延时约为200ms～250ms。网络资源预留延时t3-t2取决于预配置的使用和无线网络的配置。对于切换过程来说，各个延时预算大约为t2-t1=50ms，t3-t2=50ms～100ms，t4-t3=100ms，整个切换延时约为200ms～250ms。
下面简单介绍语音业务端到端的延时。上行和下行的调度传输时延都假设为80ms。语音编译码延时假设为40ms，去抖动延时为20ms。网络延时假设为50ms（不包括空中接口延时）。这样整个延时为270ms，完全可以满足ITU的延时要求。
4、VoIP业务仿真的前提假设
1）仿真的环境是宏蜂窝场景，站址距离为2.6km。多径属性为ITU Vehicular A 3km/h，小区为满负荷。
2）语音编解码为AMR 12.2kbps，激活因子为50%。
3）容量定义在不超过2%或者5%的中断率时每小区最大的VoIP用户数。当用户在10s间隔内，如果其在下行方向5%的VoIP分组丢失，那么就认为该用户发生了中断。同样，如果用户在上行方向其平均误帧率（FER）超过2%，也认为该用户发生了中断。
4）仿真满足会话QoS类。VoIP代理和UE都可以请求对话QoS类，网络支持调度和Iub的流控。
5）HSDPA假设：下行分组调度器和资源分配基于比例公平机制，支持VoIP业务。假设支持4码字用户复用，CQI周期10ms，最多对3个VoIP分组进行级联。功率分配：HS-DSCH功率为10W，HS-SCCH最大2W。HS-SCCH平均功率1W。接收机采用单天线均衡。
6）HSUPA假设：包括HS-DPCCH开销。HS-DPCCH用于HSDPA L1的反馈（ACK/NAK和CQI。TTI为2ms且带有门筛选，基站支持具有天线分集的Rake接收机。
5、仿真结果说明及分析
本节主要说明在3GPP R7中上行门筛选、移动均衡器和高级Node B HSDPA调度器对VoIP性能的影响。
1）门筛选：在上行方向使用门筛选的主要目的是当E-DCH、HS-DPCCH没有数据传输时，可以停止上行控制信道DPCCH的传输，这样该门筛选便可以减小上行的信号干扰，从而增加上行的容量。通过仿真可以看出，在2%的中断概率下，不使用门筛选的用户数为85，而使用门筛选时用户数超过120，其增益约为45%。
2）终端单天线接收时不同调度算法和高级接收机对VoIP容量的影响不同。高级接收机在时域采用线性最小均方误差（LMMSE）码片均衡。从仿真结果可以看出，与robin环调度算法相比，VoIP分组优化调度算法带来的容量增益最大。另外，使用F-DPCH和均衡接收机可以使容量增加近30%。
3）3GPP不同版本间VoIP的容量不同，在5MHz的载频上，R99承载的电路语音用户数为60～70，而R7的HSPA支持的VoIP容量最多可达R99的两倍，用户数约为120。
与电路交换的语音业务相比，通过仿真可以发现通过HSPA可提供更高VoIP容量，其具体原因概括如下：
1）分组绑定：当对2～3个VoIP分组进行绑定后，Turbo编码将更加有效。而电路交换语音通过传统的卷积码，在20ms无线帧内只能传送1个语音分组。
2）对VoIP来说，快速L1信令允许使用L1重传，从而导致更低的功率需求。而当语音使用专用信道时，由于L2重传的延时太大，因此不能采用重传机制。
3）HSDPA的终端采用了均衡器，均衡器可以减小小区内干扰，从而改善容量。
4）使用了部分专用物理控制信道（F-DPCH）和上行的门筛选机制，可以使L1控制开销最小化。
5）HSDPA采用了优化的VoIP调度器。专用信道上的电路语音交换则没有采用任何调度机制。
6、结束语
从端到端延时的角度来说，WCDMA R99可以提供VoIP业务，但是很明显，其效率要低于电路交换的语音业务。在R5/R6/R7中，由于HSDPA/HSUPA的提出以及相关协议的改善，从而能更高效地支持VoIP业务。R7的HSPA仿真结果表明：在5MHz的频带上，VoIP的频率效率非常高，最高可以支持120个用户（每个用户AMR 12.2kbps），而在WCDMA的R99版本中，最高只能支持60～70个电路交换语音用户。

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