舞台剧 道具门制作:基于3GPP R7 HSPA的VoIP技术

图1 PDCP层IP包头的压缩

3.3GPPR5/R6/R7中的增强技术

1）3GPPR5中的增强技术

3GPPR5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NodeB的信道质量指示符（CQI），CQI可以用于增强的NodeB分组调度。d）服务质量（QoS）差别参数。

2）3GPPR6中的增强技术

3GPPR6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）3GPPR7中的增强技术

3GPPR7中与VoIP相关的增强技术有：a）HSUPA中的上行门（uplinkgating），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。

4.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1d（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NodeB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NodeB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。

5.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ITUVehicularA3km/h，小区为满负荷。

2）语音编解码为AMR12.2kbps，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HSDPAL1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。

6.仿真结果说明及分析

本节主要说明在3GPPR7中上行门筛选、移动均衡器和高级NodeBHSDPA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。

7.结束语

从端到端延时的角度来说，WCDMAR99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AMR12.2kbps），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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