CDMA 1x無線分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡時延分析

摘要　本文以在我國已大規(guī)模部署的Release0 CDMA 1x無線分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡為基礎，通過圍繞最大程度減小網(wǎng)絡時延從而提升用戶體驗這一命題，對CDMA 1x無線網(wǎng)設計和優(yōu)化中需重點考慮的因素進行分析，并給出設計建議。

1、引言

CDMA 1x分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡時延主要受以下因素影響：

（1）呼叫建立時延；

（2）物理層數(shù)據(jù)吞吐量；

（3）網(wǎng)絡傳輸時延；

（4）網(wǎng)絡服務器響應和外部網(wǎng)（internet）的通信時延；

（5）終端內(nèi)容處理和提交的時延。

總的來說，總網(wǎng)絡時延必須得以有效的降低，其中第4、5項不在無線網(wǎng)設計的范疇內(nèi)，但對總網(wǎng)絡時延存有不可忽視的影響。網(wǎng)絡服務器的性能、業(yè)務處理并發(fā)能力應在網(wǎng)絡業(yè)務規(guī)劃階段做仔細的分析，確保不應成為網(wǎng)絡時延的瓶頸。因特網(wǎng)流量控制導致的時延、終端內(nèi)容提交的時延也應該盡量達到最小化，或者掩飾起來，這對于交互式業(yè)務的推廣尤其重要。

本文以CDMA 1x無線網(wǎng)設計為目標，重點對第1、2、3項進行分析，并得出若干設計建議。

2、呼叫建立時延分析

圖1　典型分組數(shù)據(jù)業(yè)務呼叫流程

如圖1所示，一次分組數(shù)據(jù)業(yè)務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）前反向補充信道分配；

（5）休眠和激活狀態(tài)的切換。

呼叫建立時延即同時可以分解為：

（1）信道分配時延；

（2）業(yè)務連接時延；

（3）RLP同步時延；

（4）PPP建立時延。

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

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

此外，通過網(wǎng)絡檢測觀察到的RLP同步時延約為0.4秒。

以上3項合計為1.8～1.9秒，同時也是處于空閑狀態(tài)的終端重新建立呼叫的典型時延。這一時延對交互式業(yè)務的影響尤為顯著。

此外，PPP建立時延主要由LCP建立、鑒權、IP地址分配3項組成，約為1.4秒左右。這樣第一次啟動數(shù)據(jù)業(yè)務的用戶總呼叫建立時延約為3.2～3.3秒左右。

在網(wǎng)絡設計時應控制用戶總呼叫建立時延小于3.3秒，空閑狀態(tài)終端的建立時延應小于1.9秒。主要的設計優(yōu)化工作有以下幾點：

（1）優(yōu)化網(wǎng)絡質(zhì)量，降低誤幀率，使呼叫建立流程得以順利進行，尤其應最大限度的減少RLP數(shù)據(jù)包丟失或者錯誤重傳的次數(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)務參數(shù)設計，使尤其處在交互式業(yè)務中的終端能夠長期在線，避免頻繁建立呼叫；

（4）對RLP同步過程進行優(yōu)化，減少不必要的同步交換，進一步減少RLP同步時延；

RLP同步采用握手機制實現(xiàn)同步交換，并預測RLP數(shù)據(jù)包的往返時間RTT，用以設定重發(fā)計時器。RTT前后會話的變化很小，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)進入激活狀態(tài)時無需重復估計，節(jié)約的時間長度約在0.18～0.24秒之間。

（5）通過減少協(xié)商次數(shù)和信令交互來壓縮PPP建立時延。

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和感受到的網(wǎng)絡時延。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，可提供服務的用戶就越多，也能夠改善接受服務的用戶吞吐量。

在分組數(shù)據(jù)系統(tǒng)設計中，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，在設計優(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)吞吐量的幾個主要因素分析如下：

（1）補充信道目標FER

補充信道的目標FER設置較高，會導致數(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FER設置較低，提高用戶的數(shù)據(jù)吞吐量，但每用戶占用扇區(qū)功率相應提高，降低了扇區(qū)的用戶容量。

目前網(wǎng)絡設計一般設置目標FER為5%。在后期網(wǎng)絡優(yōu)化時，建議根據(jù)扇區(qū)負荷情況，動態(tài)設置目標FER。當接入用戶較少時，采用較低的目標FER，提高扇區(qū)和用戶數(shù)據(jù)吞吐量；當接入用戶較多時，提高FER目標值，即“軟降級”，允許更多的數(shù)據(jù)用戶接入。

（2）無線配置（RC）

CDMA 1x網(wǎng)前向補充信道可采用RC3和RC4兩種無線配置。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)絡設計時一般采用RC4。但在網(wǎng)絡優(yōu)化過程中，根據(jù)終端所處無線環(huán)境對Ec/Io的要求，可以在RC4和RC3之間進行選擇，優(yōu)化無線配置，提高扇區(qū)吞吐量。

（3）補充信道分配時延

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

補充信道分配時延越小，系統(tǒng)越能避免由于分配過高或者過低的補充信道數(shù)據(jù)速率，導致數(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。在設計中應盡量避免所有會導致補充信道分配時延上升的因素，并采用5 ms短信令幀縮減補充信道分配時延。

（4）補充信道分配原則

①專用補充信道分配原則

在網(wǎng)絡建設初期，扇區(qū)負荷較輕的情況下，可給用戶分配專用補充信道。專用補充信道分配需要信令支持，一次分配時延約5個幀，100毫秒。這個時長往往不能及時適應快衰落信道的變化，導致系統(tǒng)不能及時調(diào)整補充信道傳輸。

在采用專用補充信道分配時，應盡量減少專用信道補充時延，同時要考慮資源占用情況，一般可選用無限期分配原則、偽無限期分配原則和定期分配原則。

無限期分配原則指為用戶無限期分配補充信道，每次會話無需重新申請。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。

偽無限期分配原則在用戶空閑時立即釋放補充信道，或者由基站直接決定釋放補充信道。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)吞吐量也相應得到提高。但是在釋放和重新分配補充信道時均需要信令支持，信令開銷和網(wǎng)絡時延較大。

定期分配原則預定了時間分配長度，釋放信道時無需信令支持，雖然調(diào)度不夠靈活，但仍可提高扇區(qū)吞吐量。

②共享補充信道分配原則

在網(wǎng)絡發(fā)展較為成熟時，建議采用共享補充信道分配原則進行分配。該原則將一條固定速率的補充信道分配給一組用戶，只要該組用戶支持補充信道的速率，能夠解調(diào)即可，無需信令支持，即可共享同一walsh碼空間�；�站可以做到以幀為單位進行信道資源的調(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入共享組時，需要進行幀偏置硬切換。

（5）前向補充信道分組數(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)吞吐量之間進行折衷的算法�，F(xiàn)主要以3種基本的調(diào)度方法分析對數(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別和不同信道狀態(tài)，采取固定用戶序列循環(huán)的方式進行調(diào)度，但同時可以根據(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，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)先級調(diào)度算法：是對上述兩種算法的折衷，使用戶的優(yōu)先級別與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。

一般在網(wǎng)絡建設初期可采用4～8幀的循環(huán)調(diào)度算法。隨著網(wǎng)絡的發(fā)展，結合共享補充信道的分配原則，按每幀實現(xiàn)優(yōu)先級調(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)絡傳輸時延分析

網(wǎng)絡傳輸時延是指終端與業(yè)務應用服務器交換數(shù)據(jù)的時延，即在RLP、PPP、TCP連接都得以建立后，每個傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀所經(jīng)歷的剩余時延。網(wǎng)絡傳輸時延對傳輸協(xié)議TCP的效率影響最為直接，如果網(wǎng)絡時延太長，導致TCP的擁塞窗口不能得到及時更新，信道性能下降，直接降低了TCP數(shù)據(jù)吞吐量。

網(wǎng)絡傳輸時延按網(wǎng)絡結構組成由基站到PDSN，PDSN到因特網(wǎng)或者外部PDSN的時延組成。

（1）基站到PDSN的時延

設計應通過對基站到PDSN之間的R-P接口、L接口的往返傳輸時延進行細致的測量和調(diào)整，確保各個接口的時延得以最小化。這些時延往往是由于接口緩存數(shù)據(jù)包在達到一定數(shù)量后發(fā)送造成的，應盡量取消以保證數(shù)據(jù)包及時發(fā)送。

但在減小緩存時延的同時，也要注意減少時延的離散度，通過良好的無線網(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延離散度，反而增加了接收鏈路的時延。

（2）本地PDSN到因特網(wǎng)或者外部PDSN的時延

在設計時，要根據(jù)實際的業(yè)務需求，采取合理的呼損，保證本地PDSN到因特網(wǎng)或者外部PDSN的中繼有足夠的預留，以減少擁塞導致的各種時延。

5、總結

本文主要圍繞呼叫建立時延、數(shù)據(jù)吞吐量、網(wǎng)絡傳輸時延3個部分，分析了對總網(wǎng)絡時延的影響，并提出用于指導設計和優(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)化和設計的第一步，但還不能保證分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡完全具備良好的性能，并達到用戶滿意。從空中鏈路到核心網(wǎng)接口、鑒權機制等眾多因素都可能影響分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的性能，在設計和優(yōu)化中應考慮所有方面，不能只關注到某一方面。