WiMAX空中接口支持話音業(yè)務(wù)能力分析

摘要　文章通過(guò)對(duì)WiMAX的空中接口物理層和MAC層的研究，分析了WiMAX支持VoIP的業(yè)務(wù)能力。分析表明，WiMAX的MAC層沒(méi)有針對(duì)VoIP業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包進(jìn)行優(yōu)化，因此對(duì)VoIP業(yè)務(wù)支持效率比較低。同時(shí)，小區(qū)邊緣的VoIP用戶的MAC開(kāi)銷會(huì)比小區(qū)中心的VoIP用戶MAC開(kāi)銷明顯增加，因此，在小區(qū)邊緣的VoIP用戶將極大降低整個(gè)小區(qū)的吞吐量。

1、引言

今年5月底在日本京都舉行的ITU 8F組會(huì)議上，已經(jīng)原則上同意將命名為IP-OFDMA的移動(dòng)WiMAX技術(shù)接納為IMT-2000的標(biāo)準(zhǔn)之一。由于WiMAX所采用的IEEE 802.16e空中接口技術(shù)是基于IP的無(wú)線接入技術(shù)，在支持?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)方面，WiMAX技術(shù)具有天生的優(yōu)勢(shì)。然而從支持話音業(yè)務(wù)的角度而言，WiMAX則與從電路交換技術(shù)發(fā)展而來(lái)的其它3G技術(shù)有很大的不同。因此很有必要對(duì)WiMAX支持話音業(yè)務(wù)的能力做深入的分析，這也是目前學(xué)術(shù)界爭(zhēng)論比較多的地方。

簡(jiǎn)單的從空中接口數(shù)據(jù)速率和VoIP業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)速率比值而言，移動(dòng)WiMAX空中接口似乎能承載很大的VoIP業(yè)務(wù)容量。然而VoIP業(yè)務(wù)是一種速率低，實(shí)時(shí)性高的業(yè)務(wù)，各種頭開(kāi)銷將大大降低VoIP業(yè)務(wù)的容量。本文試圖通過(guò)對(duì)移動(dòng)WiMAX的物理層和MAC層協(xié)議的研究，分析移動(dòng)WiMAX無(wú)線空中接口承載VoIP的能力。

2、VoIP業(yè)務(wù)簡(jiǎn)介

WiMAX網(wǎng)絡(luò)是基于IP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)，只能通過(guò)VoIP技術(shù)來(lái)提供話音業(yè)務(wù)。根據(jù)不同的編碼方式不同，常見(jiàn)的VoIP業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)速率為5kb/s～64kb/s不等，常見(jiàn)的VoIP編碼格式和幀結(jié)構(gòu)如表1所示：

表1　常見(jiàn)VoIP編碼格式

以GSM6.10編碼方式為例，每個(gè)VoIP包的承載部分為33字節(jié)，幀間隔20ms。一般而言，VoIP數(shù)據(jù)是以RTP協(xié)議承載在UDP/IP上，每一個(gè)VoIP的數(shù)據(jù)包的IP/UDP/RTP開(kāi)銷需要40字節(jié)。其余的VoIP技術(shù)比較類似，本文就不再詳細(xì)分析。

3、WiMAX空中接口介紹

VoIP數(shù)據(jù)包到達(dá)WiMAX MAC層以后，需要經(jīng)過(guò)業(yè)務(wù)匯聚子層、MAC公共子層和物理層三層。下面就對(duì)VoIP包的處理過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

3.1　業(yè)務(wù)匯聚

業(yè)務(wù)匯聚的主要作用是將高層傳遞下來(lái)的VoIP數(shù)據(jù)PDU通過(guò)分類器和頭壓縮處理，映射成MAC層的SDU。分類器是一個(gè)匹配規(guī)則的集合，它是由一些協(xié)議相關(guān)的數(shù)據(jù)包匹配規(guī)則、分類優(yōu)先度、和相關(guān)CID（連接標(biāo)識(shí)）組成。

CID用于標(biāo)識(shí)連接，它由MAC層中的匯聚子層產(chǎn)生。匯聚子層提供了外部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到MAC層的映射，通過(guò)CS SAP（匯聚子層服務(wù)接入點(diǎn)）將外部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)映射到MAC SDU，并將其與MAC業(yè)務(wù)流標(biāo)識(shí)（SFID）和連接標(biāo)識(shí)（CID）關(guān)聯(lián)。在WiMAX中，CID是非常重要的，任何數(shù)據(jù)的傳輸都必須有CID。

在業(yè)務(wù)匯聚子層，與VoIP業(yè)務(wù)關(guān)系密切的是IP頭壓縮技術(shù)。WiMAX采用了兩種頭壓縮技術(shù)：PHS和ROHC。其中PHS是必選，ROHC是可選。當(dāng)采用PHS和ROHC后，VoIP的頭開(kāi)銷為2字節(jié)。高層的PDU會(huì)以MAC SDU的格式進(jìn)行封裝并傳遞到MAC公共子層。

3.2　MAC層

MAC公共子層會(huì)在MAC SDU上增加MAC頭、CRC等信息，對(duì)MAC SDU進(jìn)行級(jí)聯(lián)、分段、打包、加密、填充等處理，并映射到物理層上。MAC公共子層還會(huì)產(chǎn)生空中接口信令交換所需要的MAC消息，如UCD、DCD、DL-MAP、UL-MAP等。這些消息都會(huì)在空中接口進(jìn)行傳輸和交換。因此，MAC層協(xié)議的效率高低將直接影響到VoIP業(yè)務(wù)的支持能力。

MAC PDU由MAC頭、Payload和CRC（可選）組成。值得注意的是，在MAC頭中有CID字段。對(duì)于VoIP這種單播業(yè)務(wù)而言，不同用戶的數(shù)據(jù)是通過(guò)不同的連接進(jìn)行傳輸?shù)�，因此，MAC頭中的CID表明不同的用戶數(shù)據(jù)會(huì)被封裝在不同的MAC PDU中。對(duì)于空中接口傳遞廣播消息而言，廣播連接也有自己特殊的CID=0，對(duì)于某些特殊的廣播MAC PDU可以省略掉MAC頭，以降低空中接口的負(fù)荷，如compressed_UL-MAP消息。

3.3　物理層

目前的移動(dòng)WiMAX是TDD系統(tǒng)，其幀結(jié)構(gòu)由BS和SS傳輸構(gòu)成。每一幀的下行傳輸?shù)挠蓀reamble起始，緊接著的分別是下行傳輸周期和上行傳輸周期。在每幀的下行和上行間要插入TTG，在每幀的幀尾要插入RTG，以保證BS正常的收發(fā)切換。OFDMA系統(tǒng)可以支持長(zhǎng)度為2048、1024、512和128的FFT點(diǎn)數(shù)，通常向下數(shù)據(jù)流被分為邏輯數(shù)據(jù)流，這些數(shù)據(jù)流可以采用不同的調(diào)制及編碼方式以及以不同信號(hào)功率接入不同信道特征的用戶端。向上數(shù)據(jù)流子信道采用多址方式接入，通過(guò)下行發(fā)送的媒質(zhì)接入?yún)f(xié)議（MAP）分配子信道傳輸上行數(shù)據(jù)流。I最小子信道時(shí)間頻率單位是slot，slot等于48個(gè)數(shù)據(jù)tone。

子信道的子載波排列方式有兩類：分集和連續(xù)。分集排列將子載波通過(guò)一種近似隨機(jī)的方式進(jìn)行排列，它提供了頻率分集和小區(qū)間干擾消除。分集排列包括DL FUSC、DL PUSC和UL PUSC等。在WiMAX中，PUSC的子載波排列方式是必選的，廣播信道就是通過(guò)這種排列方式進(jìn)行廣播的，本文只研究這種排列方式。

4、幾個(gè)關(guān)鍵流程

4.1　MAC層流程

（1）自適應(yīng)編碼

自適應(yīng)編碼和信道測(cè)量AMC技術(shù)即根據(jù)信道的變化采用最合適的調(diào)制方式和編碼速率。當(dāng)信道條件較好時(shí)，可以采用高階調(diào)制方式和較高的編碼速率以實(shí)現(xiàn)較高的傳輸速率；當(dāng)信道條件惡化時(shí)，則可以采用低階調(diào)制和較低的編碼速率以保證傳輸鏈路的質(zhì)量。

對(duì)于OFDM系統(tǒng)中采用的AMC技術(shù)可以采用兩種方式：采用頻率特定（frequency-specific）的AMC和均勻（frequency-common）的AMC。

◆頻率特定的AMC，即可以對(duì)分配給一個(gè)用戶的不同頻率資源采用不同的AMC配置，這種方法可以更好地適應(yīng)頻率選擇性衰落，理論上可以實(shí)現(xiàn)最大的系統(tǒng)容量。但這種方法需要額外的信令開(kāi)銷（對(duì)每個(gè)頻道分別反饋CQI），并增加系統(tǒng)的復(fù)雜度。

◆均勻的AMC即對(duì)一個(gè)用戶的所有頻道都采用相同的AMC配置，只估計(jì)并反饋所有頻道的平均CQI。這種方法雖然忽略一個(gè)用戶的不同頻率資源之間的頻率選擇性衰落，但可以盡量減小信令開(kāi)銷和系統(tǒng)復(fù)雜度。

采用上述兩種AMC方法中的哪一種，需要對(duì)它們帶來(lái)的性能增益和反饋開(kāi)銷進(jìn)行綜合評(píng)估，然后做出選擇。通常來(lái)講，一個(gè)用戶占有的頻帶越寬，頻率特定的AMC取得的性能增益也越大。

在下行鏈路中，QPSK、16QAM和64QAM是必選的，在上行鏈路中64QAM是可選的。另外支持不同編碼速率的CC（Convolutional Code）和CTC（Convolutional Turbo Code）及不同的重復(fù)編碼速率。

（2）Ranging

在移動(dòng)系統(tǒng)中，上行信道中需要保留Ranging信道的位置。WiMAX規(guī)定在PUSC中Ranging信道是由1組或多組6個(gè)相鄰的子信道組成，對(duì)所占的symbol長(zhǎng)度沒(méi)有明確。在每一幀中，BS根據(jù)UL-MAP消息中的ranging allocation IEs（UIUC 12）分配上行的Ranging信道，BS能分配三種Ranging信道，一個(gè)用于初始ranging和切換ranging，一個(gè)用于帶寬請(qǐng)求和周期性ranging，一個(gè)用于被尋呼MS的初始ranging。

4.2　物理層流程

（1）同步

移動(dòng)WiMAX是TDD系統(tǒng)，所有SS必須獲取和調(diào)整它們的定時(shí)使得滿足上行同步。由于OFDMA調(diào)制的特性，OFDMA符號(hào)持續(xù)時(shí)間比較長(zhǎng)，WiMAX要求SS到達(dá)BS的時(shí)間都要重合落在最小保護(hù)間隔的±25%內(nèi)或更好。因此WiMAX不需類似TD-SCDMA系統(tǒng)的復(fù)雜上行同步技術(shù)，只需通過(guò)初時(shí)Ranging和周期Ranging來(lái)維護(hù)與BS的同步。

（2）功率控制

功率控制包括開(kāi)環(huán)功控和閉環(huán)功控。WiMAX forum要求必選支持閉環(huán)功控。

閉環(huán)功控是針對(duì)上行進(jìn)行，由BS根據(jù)對(duì)上行的測(cè)量結(jié)果，在通過(guò)下行廣播消息FPC，控制MS調(diào)制上行發(fā)射功率。注意針對(duì)UIUC=O，UIUC=12，或UIUC=14的上行連接，BS不進(jìn)行上行功率控制，MS需要自己調(diào)整這些上行鏈路的發(fā)射功率。

MS要向BS報(bào)告可以達(dá)到的最大的功率以及歸一化后的當(dāng)前發(fā)射功率，這些參數(shù)被BS用來(lái)合理的分配調(diào)制編碼方式和子載波資源，具體算法由廠家決定。這些參數(shù)由SBC-REQ消息報(bào)告。如果MS收到REP-REQ消息中指示上報(bào)當(dāng)前發(fā)射功率指示位被設(shè)置，則當(dāng)前發(fā)射功率由REP-RSP報(bào)告。

（3）HARQ支持

HARQ是將傳統(tǒng)的ARQ和前向糾錯(cuò)編碼結(jié)合起來(lái)的一種混合自動(dòng)重傳機(jī)制。傳統(tǒng)的ARQ具有高可靠性、低復(fù)雜度的特點(diǎn)，但它的效率低、時(shí)延大；FEC則有效性較高，但可靠性比ARQ低，而且復(fù)雜度也較高；將二者結(jié)合起來(lái)，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，就產(chǎn)生了混合型ARQ，即HARQ技術(shù)。HARQ可以基于FEC碼流進(jìn)行重傳，由FEC解碼糾正大多數(shù)誤碼，而由ARQ來(lái)解決FEC解碼失敗的情況。

在802.16e中采用了的HARQ分為兩種類型：Chase合并（Chase Combing）HARQ和增量冗余（Incremental Redundancy）HARQ。但WIMAX profile中可選支持CTC的CC-HARQ。CC-HARQ類型的HARQ即重傳的數(shù)據(jù)包和第一次傳輸?shù)南嗤�。接收機(jī)將重傳的數(shù)據(jù)包和原先傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包合并，通過(guò)累加接收數(shù)據(jù)包的能量獲得合并增益，提高FEC的解碼成功率。這種合并可以在符號(hào)級(jí)或比特級(jí)完成，符號(hào)級(jí)合并對(duì)存儲(chǔ)空間的需求較小，特別在高階調(diào)制情況下。

5、VoIP業(yè)務(wù)的覆蓋要求

移動(dòng)VoIP業(yè)務(wù)要求覆蓋的連續(xù)性。為了適應(yīng)IP靈活的業(yè)務(wù)要求，WiMAX的空中接口技術(shù)是非常靈活的，但這也給WiMAX系統(tǒng)帶來(lái)了麻煩。因?yàn)橛脩魯?shù)據(jù)信息是通過(guò)DL-MAP和UL-MAP廣播的，而為了得到DL-MAP和UL-MAP消息，必須正確解調(diào)FCH。如果前面的任何一個(gè)廣播消息解調(diào)失敗，終端和基站就不可能傳遞用戶數(shù)據(jù)。這也是將FCH通過(guò)4倍重復(fù)編碼的方式進(jìn)行保護(hù)的原因。如圖1所示：

圖1　WiMAX數(shù)據(jù)解調(diào)過(guò)程

文獻(xiàn)[7]詳細(xì)分析了廣播MAP消息的覆蓋能力，如圖2所示。

圖2　MAP消息覆蓋范圍

從圖2中可以，當(dāng)采用不同的重復(fù)編碼次數(shù)，MAP消息的覆蓋范圍是不一致的。如CTC 1/2重復(fù)6次，可以在單發(fā)射天線時(shí)標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)90%以上的覆蓋范圍，而CTC1/2重復(fù)2次，則只有越48%的覆蓋范圍，如表2所示：

表2　MAP消息覆蓋范圍

從目前的一些仿真結(jié)果來(lái)看，上述結(jié)論是非�？量痰�。一般認(rèn)為，在1×3×3組網(wǎng)情況下，CTC1/2重復(fù)4次編碼的情況下，MAP消息應(yīng)該覆蓋小區(qū)的95%以上的區(qū)域，達(dá)到覆蓋要求。

值得注意的是，規(guī)范只要求FCH進(jìn)行重復(fù)4次編碼，如果將所有的廣播消息（如DL-MAP和UL-MAP）也進(jìn)行重復(fù)4次編碼，這時(shí)系統(tǒng)中MAC層的開(kāi)銷（MAP消息開(kāi)銷）就會(huì)變得非常大，會(huì)占據(jù)決大部分的空中資源。如果不采用4倍重復(fù)編碼，則不能在小區(qū)范圍內(nèi)正確解調(diào)MAP消息，則不能提供連續(xù)的話音覆蓋。因此MAP消息的開(kāi)銷是討論WiMAX支持話音業(yè)務(wù)能力的核心問(wèn)題。在文獻(xiàn)[5][6]中，假定WiMAX系統(tǒng)有固定的開(kāi)銷，這和實(shí)際情況可能不一致。

由于用戶隨機(jī)分布在小區(qū)中，當(dāng)用戶距離基站比較近時(shí)，信道條件比較好，這時(shí)可以采用高級(jí)的調(diào)制方式。當(dāng)用戶距離基站比較遠(yuǎn)時(shí)，信道條件比較差，則必須采用低階的調(diào)制方式。為了降低MAP消息的開(kāi)銷，WiMAX在802.16-2005標(biāo)準(zhǔn)中引入了一種變通的做法，它提供了一種SUB-DL-UL-MAP的消息，這種消息可以采用不同的調(diào)制編碼技術(shù)，提供不同的用戶提供MAP消息，用戶只需要能正確解調(diào)自己的MAP消息即可，不需要考慮其它用戶的MAP消息。

由于FCH也僅僅是4倍重復(fù)編碼，因此沒(méi)必要引入6倍重復(fù)編碼。從表5的數(shù)據(jù)可以推斷，為了保證VoIP的覆蓋效果，約50%用戶的MAP消息需要4倍重復(fù)編碼，約30%用戶的MAP消息需要2倍重復(fù)編碼，約20%用戶的MAP消息不需要重復(fù)編碼。

6、VoIP支持情況分析

下面將根據(jù)上面討論的過(guò)程，從理論極限的角度分析WiMAX支持VoIP業(yè)務(wù)容量的能力。

對(duì)WiMAX做以下假設(shè)：

假設(shè)移動(dòng)WiMAX采用1×3×3組網(wǎng)方式，在下行和上行都采用PUSC排列。物理層幀長(zhǎng)度為5ms，10MHz帶寬，1024子載波，PUSC排列方式，（27:21）的下行：上行比例。假設(shè)WiMAX系統(tǒng)有下面的特征：打開(kāi)閉環(huán)功控，打開(kāi)HARQ和自適應(yīng)編碼調(diào)制。不考慮HARQ、自適應(yīng)編碼調(diào)整、ARQ，同步開(kāi)銷等。不考慮DCD、UCD等廣播消息的開(kāi)銷。

考慮一個(gè)GSM6.10編碼的VoIP數(shù)據(jù)包=33 bytes，經(jīng)過(guò)PHS和ROHC后，有35個(gè)bytes，增加MAC PDU頭6 bytes，則成為35+6=41 bytes。不考慮加密的開(kāi)銷，不考慮MAC PDU的級(jí)聯(lián)、分段和打包，增加CRC的4 bytes冗余，則VoIP數(shù)據(jù)包長(zhǎng)為45 bytes。

由于計(jì)算理論最大VoIP容量，因此假設(shè)用戶VoIP數(shù)據(jù)包采用盡量高階的調(diào)制方式。假設(shè)上行用16QAM3/4 CTC，下行用64QAM5/6CTC的編碼方式。則上行要3個(gè)slot，下行需要2個(gè)slot來(lái)承載VoIP數(shù)據(jù)包。值得注意的是，由于WiMAX并沒(méi)有指定話音業(yè)務(wù)的編碼方式，因此也沒(méi)有針對(duì)某種VoIP業(yè)務(wù)的編碼進(jìn)行優(yōu)化，所有在封裝VoIP數(shù)據(jù)包時(shí)造成了一些承載的浪費(fèi)。

因?yàn)镸AP消息都是在下行傳輸，因此對(duì)于話音業(yè)務(wù)而言，WiMAX是下行受限。

表3給出了WiMAX單扇區(qū)同時(shí)支持VoIP用戶數(shù)。

表3　WiMAX單扇區(qū)同時(shí)支持VoIP用戶數(shù)

從表3可以看出，處于采用重復(fù)4倍狀態(tài)的用戶數(shù)對(duì)系統(tǒng)容量產(chǎn)生了很大的影響。這種用戶數(shù)越多（即處于小區(qū)邊緣的用戶數(shù)越多），則MAP開(kāi)銷越大，系統(tǒng)容量越小。如果采用第5章分析的結(jié)論，假設(shè)約50%用戶的MAP消息需要4倍重復(fù)編碼，約30%用戶的MAP消息需要2倍重復(fù)編碼，約20%用戶的MAP消息不需要重復(fù)編碼，則一個(gè)WiMAX扇區(qū)只能同時(shí)支持6個(gè)用戶。假設(shè)話音激活因子為0.4，用戶每4幀傳遞一個(gè)VoIP數(shù)據(jù)包，則一個(gè)WiMAX扇區(qū)的VoIP用戶數(shù)為60個(gè)。

7、結(jié)論

雖然WiMAX能提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，但由于WiMAX不是以話音業(yè)務(wù)為出發(fā)點(diǎn)的技術(shù)，WiMAX的MAC層對(duì)與VoIP業(yè)務(wù)的處理效率是比較低的，表現(xiàn)在：一、WiMAX空中接口沒(méi)有針對(duì)話音業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包進(jìn)行優(yōu)化；二、為了保證覆蓋，WiMAX的MAP消息開(kāi)銷過(guò)大。從本文的分析可以看出，幾個(gè)在小區(qū)邊緣的VoIP用戶將極大降低整個(gè)小區(qū)的吞吐量，這將對(duì)WiMAX的運(yùn)營(yíng)策略產(chǎn)生較大影響。

參考文獻(xiàn)

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