摘要 基于高速分組接入（HSPA）的VoIP技術是目前3G研究的熱點問題，文章詳細探討了在3GPP R7 HSPA支持下的VoIP技術。研究結果表明，在同樣端到端質量前提下，基于3GPP HSPA的VoIP頻譜效率要高于基于電路交換的語音呼叫的頻譜效率。這個較高的VoIP頻譜效率主要是因為3GPP在R5/R6/R7規范中對高級移動接收機算法和VoIP優化無線網絡算法進行了優化。研究還表明即使高速下行分組接入（HSDPA）沒有軟切換，HSPA的移動性解決方案仍然可以滿足VoIP的需求。
0、引言
在蜂窩網絡中，通常電路交換是提供語音業務的唯一方式。隨著3G網絡的引入，從WCDMA的R99開始，便可通過蜂窩網絡提供通話質量可接受的VoIP業務，其頻譜效率要低于基于電路交換的VoIP。3GPP在R5和R6中分別引入了高速下行分組接入（HSDPA）和高速上行分組接入（HSUPA），統稱為高速分組接入（HSPA）技術，起初其目的是為了承載對延時不敏感的高速數據業務。隨著技術的發展，3GPP在R6和R7中對技術進行了改進，減小了比特傳輸時延，從而可以在HSPA上實現VoIP業務。本文將詳細說明R6和R7的技術改善對VoIP性能的影響。
1、3GPP R4中IP包頭的壓縮
典型的語音分組30字節，具有RTP/UDP包頭的IPv6包頭為60字節。因此，在沒有包頭壓縮前提下，分組傳輸中的2/3都是包頭開銷。在HSPA中，壓縮IP包頭能顯著改善VoIP的業務效率。在R4中定義了魯棒包頭壓縮（ROHC），ROHC可以將數據包頭壓縮到幾個字節。具有完全數據包頭與壓縮數據包頭條件下所需的數據速率不同的特點，壓縮數據包頭條件下所需的數據速率有所下降。
HSPA的包頭壓縮在終端UE和無線網絡控制器（RNC）的第二層分組數據匯聚協議（PDCP）中進行，因此這種壓縮方式不僅能節省空中接口的容量，還能節省Iub接口上的傳輸容量。數據包頭的壓縮位置如圖1所示。
圖1 PDCP層IP包頭的壓縮
2、3GPP R5/R6/R7中的增強技術
1）3GPP R5中的增強技術
3GPP R5中與VoIP相關的增強技術有：a）HSDPA技術，提供高速下行的數據傳輸速率。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Node B的信道質量指示符（CQI），CQI可以用于增強的Node B分組調度。d）服務質量（QoS）差別參數。
2）3GPP R6中的增強技術
3GPP R6中與VoIP相關的增強技術有：a）HSUPA技術，提供高速上行的數據傳輸速率。b）非調度的HSUPA傳輸，實現保證的比特速率，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）3GPP R7中的增強技術
3GPP R7中與VoIP相關的增強技術有：a）HSUPA中的上行門（uplink gating），用于減小低速數據L1的控制開銷，上行門還可以節省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的不連續接收，能降低移動終端的功耗。
3、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，當滿足測量觸發事件1 d（最優小區改變）時，UE在信令無線承載上發送測量報告。傳輸從t1開始，RNC在t2時刻接收到消息。服務RNC將為目標Node B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常快。一旦資源在t3時刻準備好，RNC將向UE發送無線承載重配置消息，此時UE還是從源Node B中接收數據。當UE對重配置消息進行解碼，并且在有效時刻t4到期前，UE接收數據將從源小區切換到目標小區。UE開始監聽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也會測量目標小區的信道質量，并發送目標小區的CQI報告。源小區該用戶的MAC-hs在小區切換后將重置，并將緩存的協議數據單元（PDU）刪除。同時目標小區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向用戶發送數據。在小區切換過程中，RNC可以同時向兩個Node B發送數據。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，傳輸時間間隔用時刻B表示，該時間可以忽略，因為UE從源小區到目標小區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開始發送測量報告，終止時刻為t4，此時UE將從目標小區接收數據。該延時與信道狀態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。
4、VoIP業務仿真的前提假設
1）仿真的環境是宏蜂窩場景，站址距離為2.6km。多徑屬性為ITU Vehicular A 3km/h，小區為滿負荷。
2）語音編解碼為AMR 12.2kbps，激活因子為50%。
3）容量定義在不超過2%或者5%的中斷率時每小區最大的VoIP用戶數。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。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HSDPA L1的反饋（ACK/NAK和CQI。TTI為2ms且帶有門篩選，基站支持具有天線分集的Rake接收機。
5、仿真結果說明及分析
本節主要說明在3GPP R7中上行門篩選、移動均衡器和高級Node B HSDPA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沒有數據傳輸時，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為85，而使用門篩選時用戶數超過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環調度算法相比，VoIP分組優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為60～70，而R7的HSPA支持的VoIP容量最多可達R99的兩倍，用戶數約為120。
與電路交換的語音業務相比，通過仿真可以發現通過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。
6、結束語
從端到端延時的角度來說，WCDMA R99可以提供VoIP業務，但是很明顯，其效率要低于電路交換的語音業務。在R5/R6/R7中，由于HSDPA/HSUPA的提出以及相關協議的改善，從而能更高效地支持VoIP業務。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AMR 12.2kbps），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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