基于3GPP R7 HSPA的VoIP技术

 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3GPPR7HSPA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3GPPHSPA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、3GPPR4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、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。

    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。