CDMA 1x無(wú)線分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延分析

摘要　本文以在我國(guó)已大規(guī)模部署的Release0 CDMA 1x無(wú)線分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，通過圍繞最大程度減小網(wǎng)絡(luò)時(shí)延從而提升用戶體驗(yàn)這一命題，對(duì)CDMA 1x無(wú)線網(wǎng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化中需重點(diǎn)考慮的因素進(jìn)行分析，并給出設(shè)計(jì)建議。

1、引言

CDMA 1x分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延主要受以下因素影響：

（1）呼叫建立時(shí)延；

（2）物理層數(shù)據(jù)吞吐量；

（3）網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延；

（4）網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器響應(yīng)和外部網(wǎng)（internet）的通信時(shí)延；

（5）終端內(nèi)容處理和提交的時(shí)延。

總的來(lái)說，總網(wǎng)絡(luò)時(shí)延必須得以有效的降低，其中第4、5項(xiàng)不在無(wú)線網(wǎng)設(shè)計(jì)的范疇內(nèi)，但對(duì)總網(wǎng)絡(luò)時(shí)延存有不可忽視的影響。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的性能、業(yè)務(wù)處理并發(fā)能力應(yīng)在網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)規(guī)劃階段做仔細(xì)的分析，確保不應(yīng)成為網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的瓶頸。因特網(wǎng)流量控制導(dǎo)致的時(shí)延、終端內(nèi)容提交的時(shí)延也應(yīng)該盡量達(dá)到最小化，或者掩飾起來(lái)，這對(duì)于交互式業(yè)務(wù)的推廣尤其重要。

本文以CDMA 1x無(wú)線網(wǎng)設(shè)計(jì)為目標(biāo)，重點(diǎn)對(duì)第1、2、3項(xiàng)進(jìn)行分析，并得出若干設(shè)計(jì)建議。

2、呼叫建立時(shí)延分析

圖1　典型分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)呼叫流程

如圖1所示，一次分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)呼叫主要包括以下步驟：

（1）呼叫建立；

（2）PPP建立；

（3）IP數(shù)據(jù)交換；

（4）前反向補(bǔ)充信道分配；

（5）休眠和激活狀態(tài)的切換。

呼叫建立時(shí)延即同時(shí)可以分解為：

（1）信道分配時(shí)延；

（2）業(yè)務(wù)連接時(shí)延；

（3）RLP同步時(shí)延；

（4）PPP建立時(shí)延。

其中信道分配時(shí)延主要指從終端發(fā)出始發(fā)消息（origination message）到基站回復(fù)信道分配消息（CAM或者ECAM消息）的時(shí)延，其中也包括試探時(shí)間，該時(shí)延典型值為0.5～0.6秒。

業(yè)務(wù)連接時(shí)延則是指從終端接收到CAM或者ECAM消息后到收到基站發(fā)來(lái)的業(yè)務(wù)連接消息（service connect message）為止的時(shí)延，典型值為0.9 s。

此外，通過網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)觀察到的RLP同步時(shí)延約為0.4秒。

以上3項(xiàng)合計(jì)為1.8～1.9秒，同時(shí)也是處于空閑狀態(tài)的終端重新建立呼叫的典型時(shí)延。這一時(shí)延對(duì)交互式業(yè)務(wù)的影響尤為顯著。

此外，PPP建立時(shí)延主要由LCP建立、鑒權(quán)、IP地址分配3項(xiàng)組成，約為1.4秒左右。這樣第一次啟動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的用戶總呼叫建立時(shí)延約為3.2～3.3秒左右。

在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)控制用戶總呼叫建立時(shí)延小于3.3秒，空閑狀態(tài)終端的建立時(shí)延應(yīng)小于1.9秒。主要的設(shè)計(jì)優(yōu)化工作有以下幾點(diǎn)：

（1）優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，降低誤幀率，使呼叫建立流程得以順利進(jìn)行，尤其應(yīng)最大限度的減少RLP數(shù)據(jù)包丟失或者錯(cuò)誤重傳的次數(shù)；

（2）優(yōu)化數(shù)據(jù)幀格式，根據(jù)給定的物理層FER、數(shù)據(jù)包重發(fā)方案和信道配置采取最小開銷的幀格式提高RLP吞吐率；

（3）優(yōu)化業(yè)務(wù)參數(shù)設(shè)計(jì)，使尤其處在交互式業(yè)務(wù)中的終端能夠長(zhǎng)期在線，避免頻繁建立呼叫；

（4）對(duì)RLP同步過程進(jìn)行優(yōu)化，減少不必要的同步交換，進(jìn)一步減少RLP同步時(shí)延；

RLP同步采用握手機(jī)制實(shí)現(xiàn)同步交換，并預(yù)測(cè)RLP數(shù)據(jù)包的往返時(shí)間RTT，用以設(shè)定重發(fā)計(jì)時(shí)器。RTT前后會(huì)話的變化很小，可以通過基站記錄RTT，并直接傳送給終端，使RLP每次從空閑狀態(tài)進(jìn)入激活狀態(tài)時(shí)無(wú)需重復(fù)估計(jì)，節(jié)約的時(shí)間長(zhǎng)度約在0.18～0.24秒之間。

（5）通過減少協(xié)商次數(shù)和信令交互來(lái)壓縮PPP建立時(shí)延。

3、數(shù)據(jù)吞吐量分析

用戶數(shù)據(jù)吞吐量直接決定了用戶體驗(yàn)和感受到的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。扇區(qū)吞吐量則體現(xiàn)了空中接口的使用效率，扇區(qū)吞吐量越高，可提供服務(wù)的用戶就越多，也能夠改善接受服務(wù)的用戶吞吐量。

在分組數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，除了盡可能提高平均扇區(qū)吞吐量以外，也必須兼顧到用戶公平性，選取一個(gè)最佳的折衷方案。

目前CDMA 1x網(wǎng)的用戶吞吐量的差異尚不明顯，在設(shè)計(jì)優(yōu)化中仍以提高扇區(qū)及平均用戶吞吐量為主，只有存在絕大部分扇區(qū)吞吐量被少數(shù)用戶占用的情況，再考慮用戶之間的吞吐量平衡。

現(xiàn)就影響數(shù)據(jù)吞吐量的幾個(gè)主要因素分析如下：

（1）補(bǔ)充信道目標(biāo)FER

補(bǔ)充信道的目標(biāo)FER設(shè)置較高，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)重傳較多，降低用戶數(shù)據(jù)吞吐量，但降低了每用戶扇區(qū)功率占用，容許更多用戶接入；目標(biāo)FER設(shè)置較低，提高用戶的數(shù)據(jù)吞吐量，但每用戶占用扇區(qū)功率相應(yīng)提高，降低了扇區(qū)的用戶容量。

目前網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)一般設(shè)置目標(biāo)FER為5%。在后期網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化時(shí)，建議根據(jù)扇區(qū)負(fù)荷情況，動(dòng)態(tài)設(shè)置目標(biāo)FER。當(dāng)接入用戶較少時(shí)，采用較低的目標(biāo)FER，提高扇區(qū)和用戶數(shù)據(jù)吞吐量；當(dāng)接入用戶較多時(shí)，提高FER目標(biāo)值，即“軟降級(jí)”，允許更多的數(shù)據(jù)用戶接入。

（2）無(wú)線配置（RC）

CDMA 1x網(wǎng)前向補(bǔ)充信道可采用RC3和RC4兩種無(wú)線配置。它們的主要不同在于RC3的編碼速率為1/4，walsh碼空間為64；RC4的編碼速率為1/2，walsh碼空間為128；此外RC4支持的最高數(shù)據(jù)速率為307.2 kbit/s，是RC3的兩倍，但RC4對(duì)Ec/Io的要求比RC3略高。

現(xiàn)網(wǎng)往往是Walsh碼受限，因此在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)一般采用RC4。但在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過程中，根據(jù)終端所處無(wú)線環(huán)境對(duì)Ec/Io的要求，可以在RC4和RC3之間進(jìn)行選擇，優(yōu)化無(wú)線配置，提高扇區(qū)吞吐量。

（3）補(bǔ)充信道分配時(shí)延

信道質(zhì)量是隨著時(shí)間變化而變化的函數(shù)，補(bǔ)充信道分配時(shí)延直接影響到系統(tǒng)對(duì)補(bǔ)充信道分配和調(diào)度的效率，從而影響系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量。

補(bǔ)充信道分配時(shí)延越小，系統(tǒng)越能避免由于分配過高或者過低的補(bǔ)充信道數(shù)據(jù)速率，導(dǎo)致數(shù)據(jù)幀丟失或者資源利用不足，影響系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量。在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免所有會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)充信道分配時(shí)延上升的因素，并采用5 ms短信令幀縮減補(bǔ)充信道分配時(shí)延。

（4）補(bǔ)充信道分配原則

①專用補(bǔ)充信道分配原則

在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，扇區(qū)負(fù)荷較輕的情況下，可給用戶分配專用補(bǔ)充信道。專用補(bǔ)充信道分配需要信令支持，一次分配時(shí)延約5個(gè)幀，100毫秒。這個(gè)時(shí)長(zhǎng)往往不能及時(shí)適應(yīng)快衰落信道的變化，導(dǎo)致系統(tǒng)不能及時(shí)調(diào)整補(bǔ)充信道傳輸。

在采用專用補(bǔ)充信道分配時(shí)，應(yīng)盡量減少專用信道補(bǔ)充時(shí)延，同時(shí)要考慮資源占用情況，一般可選用無(wú)限期分配原則、偽無(wú)限期分配原則和定期分配原則。

無(wú)限期分配原則指為用戶無(wú)限期分配補(bǔ)充信道，每次會(huì)話無(wú)需重新申請(qǐng)。該原則雖節(jié)省了信令流程，但資源分配效率低，總平均系統(tǒng)吞吐量也不高。

偽無(wú)限期分配原則在用戶空閑時(shí)立即釋放補(bǔ)充信道，或者由基站直接決定釋放補(bǔ)充信道。通過使基站更靈活地調(diào)度信道資源，提高資源利用率，扇區(qū)吞吐量也相應(yīng)得到提高。但是在釋放和重新分配補(bǔ)充信道時(shí)均需要信令支持，信令開銷和網(wǎng)絡(luò)時(shí)延較大。

定期分配原則預(yù)定了時(shí)間分配長(zhǎng)度，釋放信道時(shí)無(wú)需信令支持，雖然調(diào)度不夠靈活，但仍可提高扇區(qū)吞吐量。

②共享補(bǔ)充信道分配原則

在網(wǎng)絡(luò)發(fā)展較為成熟時(shí)，建議采用共享補(bǔ)充信道分配原則進(jìn)行分配。該原則將一條固定速率的補(bǔ)充信道分配給一組用戶，只要該組用戶支持補(bǔ)充信道的速率，能夠解調(diào)即可，無(wú)需信令支持，即可共享同一walsh碼空間。基站可以做到以幀為單位進(jìn)行信道資源的調(diào)度，更有效的提高扇區(qū)吞吐量。這種方法的缺點(diǎn)在于該組用戶必須采用同一幀偏置，在吸收不同幀偏置的用戶進(jìn)入共享組時(shí)，需要進(jìn)行幀偏置硬切換。

（5）前向補(bǔ)充信道分組數(shù)據(jù)調(diào)度算法

分組數(shù)據(jù)調(diào)度算法是在用戶公平性和系統(tǒng)扇區(qū)吞吐量之間進(jìn)行折衷的算法�，F(xiàn)主要以3種基本的調(diào)度方法分析對(duì)數(shù)據(jù)吞吐量的影響。

①循環(huán)調(diào)度算法：循環(huán)調(diào)度算法不考慮用戶的級(jí)別和不同信道狀態(tài)，采取固定用戶序列循環(huán)的方式進(jìn)行調(diào)度，但同時(shí)可以根據(jù)用戶的近期信道狀態(tài)給不同的用戶分配不同的數(shù)據(jù)速率，提高扇區(qū)的吞吐量。這種算法最為公平，但扇區(qū)吞吐量不高。

②最大C/I調(diào)度算法：系統(tǒng)通過前向鏈路的Ec/Io或者信道增益情況估計(jì)出前向鏈路載波和干擾比C/I，根據(jù)C/I確定用戶的優(yōu)先級(jí)，并在調(diào)度中給予C/I高的用戶更多的資源。這種算法提高了扇區(qū)和用戶峰值數(shù)據(jù)吞吐量，但存在明顯的用戶不公平性。

③優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法：是對(duì)上述兩種算法的折衷，使用戶的優(yōu)先級(jí)別與C/I成正比，但與用戶平均數(shù)據(jù)吞吐量成反比。這種算法達(dá)到的扇區(qū)吞吐量雖然比最大C/I調(diào)度算法小，但更能體現(xiàn)用戶公平，兼顧了用戶的總體體驗(yàn)。

一般在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期可采用4～8幀的循環(huán)調(diào)度算法。隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，結(jié)合共享補(bǔ)充信道的分配原則，按每幀實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法能夠更為有效提高系統(tǒng)和用戶的數(shù)據(jù)吞吐量。

4、網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延分析

網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延是指終端與業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)器交換數(shù)據(jù)的時(shí)延，即在RLP、PPP、TCP連接都得以建立后，每個(gè)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀所經(jīng)歷的剩余時(shí)延。網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延對(duì)傳輸協(xié)議TCP的效率影響最為直接，如果網(wǎng)絡(luò)時(shí)延太長(zhǎng)，導(dǎo)致TCP的擁塞窗口不能得到及時(shí)更新，信道性能下降，直接降低了TCP數(shù)據(jù)吞吐量。

網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延按網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成由基站到PDSN，PDSN到因特網(wǎng)或者外部PDSN的時(shí)延組成。

（1）基站到PDSN的時(shí)延

設(shè)計(jì)應(yīng)通過對(duì)基站到PDSN之間的R-P接口、L接口的往返傳輸時(shí)延進(jìn)行細(xì)致的測(cè)量和調(diào)整，確保各個(gè)接口的時(shí)延得以最小化。這些時(shí)延往往是由于接口緩存數(shù)據(jù)包在達(dá)到一定數(shù)量后發(fā)送造成的，應(yīng)盡量取消以保證數(shù)據(jù)包及時(shí)發(fā)送。

但在減小緩存時(shí)延的同時(shí)，也要注意減少時(shí)延的離散度，通過良好的無(wú)線網(wǎng)和核心網(wǎng)鏈路優(yōu)化保持鏈路的穩(wěn)定性。否則需通過在接收端增大緩存的辦法減少時(shí)延離散度，反而增加了接收鏈路的時(shí)延。

（2）本地PDSN到因特網(wǎng)或者外部PDSN的時(shí)延

在設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)實(shí)際的業(yè)務(wù)需求，采取合理的呼損，保證本地PDSN到因特網(wǎng)或者外部PDSN的中繼有足夠的預(yù)留，以減少擁塞導(dǎo)致的各種時(shí)延。

5、總結(jié)

本文主要圍繞呼叫建立時(shí)延、數(shù)據(jù)吞吐量、網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延3個(gè)部分，分析了對(duì)總網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的影響，并提出用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的建議。這些建議可以被看作是CDMA 1X分組數(shù)據(jù)網(wǎng)優(yōu)化和設(shè)計(jì)的第一步，但還不能保證分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)完全具備良好的性能，并達(dá)到用戶滿意。從空中鏈路到核心網(wǎng)接口、鑒權(quán)機(jī)制等眾多因素都可能影響分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的性能，在設(shè)計(jì)和優(yōu)化中應(yīng)考慮所有方面，不能只關(guān)注到某一方面。