CDMA 1x无线分组数据网络时延分析

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摘要　本文以在我国已大规模部署的Release0 CDMA 1x无线分组数据网络为基础，通过围绕最大程度减小网络时延从而提升用户体验这一命题，对CDMA 1x无线网设计和优化中需重点考虑的因素进行分析，并给出设计建议。
1、引言
　　CDMA 1x分组数据网络时延主要受以下因素影响：
　　（1）呼叫建立时延；
　　（2）物理层数据吞吐量；
　　（3）网络传输时延；
　　（4）网络服务器响应和外部网（internet）的通信时延；
　　（5）终端内容处理和提交的时延。
　　总的来说，总网络时延必须得以有效的降低，其中第4、5项不在无线网设计的范畴内，但对总网络时延存有不可忽视的影响。网络服务器的性能、业务处理并发能力应在网络业务规划阶段做仔细的分析，确保不应成为网络时延的瓶颈。因特网流量控制导致的时延、终端内容提交的时延也应该尽量达到最小化，或者掩饰起来，这对于交互式业务的推广尤其重要。
　　本文以CDMA 1x无线网设计为目标，重点对第1、2、3项进行分析，并得出若干设计建议。
2、呼叫建立时延分析

图1　典型分组数据业务呼叫流程

　　如图1所示，一次分组数据业务呼叫主要包括以下步骤：
　　（1）呼叫建立；
　　（2）PPP建立；
　　（3）IP数据交换；
　　（4）前反向补充信道分配；
　　（5）休眠和激活状态的切换。
　　呼叫建立时延即同时可以分解为：
　　（1）信道分配时延；
　　（2）业务连接时延；
　　（3）RLP同步时延；
　　（4）PPP建立时延。
　　其中信道分配时延主要指从终端发出始发消息（origination message）到基站回复信道分配消息（CAM或者ECAM消息）的时延，其中也包括试探时间，该时延典型值为0.5～0.6秒。
　　业务连接时延则是指从终端接收到CAM或者ECAM消息后到收到基站发来的业务连接消息（service connect message）为止的时延，典型值为0.9 s。
　　此外，通过网络检测观察到的RLP同步时延约为0.4秒。
　　以上3项合计为1.8～1.9秒，同时也是处于空闲状态的终端重新建立呼叫的典型时延。这一时延对交互式业务的影响尤为显著。
　　此外，PPP建立时延主要由LCP建立、鉴权、IP地址分配3项组成，约为1.4秒左右。这样第一次启动数据业务的用户总呼叫建立时延约为3.2～3.3秒左右。
　　在网络设计时应控制用户总呼叫建立时延小于3.3秒，空闲状态终端的建立时延应小于1.9秒。主要的设计优化工作有以下几点：
　　（1）优化网络质量，降低误帧率，使呼叫建立流程得以顺利进行，尤其应最大限度的减少RLP数据包丢失或者错误重传的次数；
　　（2）优化数据帧格式，根据给定的物理层FER、数据包重发方案和信道配置采取最小开销的帧格式提高RLP吞吐率；
　　（3）优化业务参数设计，使尤其处在交互式业务中的终端能够长期在线，避免频繁建立呼叫；
　　（4）对RLP同步过程进行优化，减少不必要的同步交换，进一步减少RLP同步时延；
　　RLP同步采用握手机制实现同步交换，并预测RLP数据包的往返时间RTT，用以设定重发计时器。RTT前后会话的变化很小，可以通过基站记录RTT，并直接传送给终端，使RLP每次从空闲状态进入激活状态时无需重复估计，节约的时间长度约在0.18～0.24秒之间。
　　（5）通过减少协商次数和信令交互来压缩PPP建立时延。
3、数据吞吐量分析
　　用户数据吞吐量直接决定了用户体验和感受到的网络时延。扇区吞吐量则体现了空中接口的使用效率，扇区吞吐量越高，可提供服务的用户就越多，也能够改善接受服务的用户吞吐量。
　　在分组数据系统设计中，除了尽可能提高平均扇区吞吐量以外，也必须兼顾到用户公平性，选取一个最佳的折衷方案。
　　目前CDMA 1x网的用户吞吐量的差异尚不明显，在设计优化中仍以提高扇区及平均用户吞吐量为主，只有存在绝大部分扇区吞吐量被少数用户占用的情况，再考虑用户之间的吞吐量平衡。
　　现就影响数据吞吐量的几个主要因素分析如下：
　　（1）补充信道目标FER
　　补充信道的目标FER设置较高，会导致数据重传较多，降低用户数据吞吐量，但降低了每用户扇区功率占用，容许更多用户接入；目标FER设置较低，提高用户的数据吞吐量，但每用户占用扇区功率相应提高，降低了扇区的用户容量。
　　目前网络设计一般设置目标FER为5%。在后期网络优化时，建议根据扇区负荷情况，动态设置目标FER。当接入用户较少时，采用较低的目标FER，提高扇区和用户数据吞吐量；当接入用户较多时，提高FER目标值，即“软降级”，允许更多的数据用户接入。
　　（2）无线配置（RC）
　　CDMA 1x网前向补充信道可采用RC3和RC4两种无线配置。它们的主要不同在于RC3的编码速率为1/4，walsh码空间为64；RC4的编码速率为1/2，walsh码空间为128；此外RC4支持的最高数据速率为307.2 kbit/s，是RC3的两倍，但RC4对Ec/Io的要求比RC3略高。
　　现网往往是Walsh码受限，因此在网络设计时一般采用RC4。但在网络优化过程中，根据终端所处无线环境对Ec/Io的要求，可以在RC4和RC3之间进行选择，优化无线配置，提高扇区吞吐量。
　　（3）补充信道分配时延
　　信道质量是随着时间变化而变化的函数，补充信道分配时延直接影响到系统对补充信道分配和调度的效率，从而影响系统的数据吞吐量。
　　补充信道分配时延越小，系统越能避免由于分配过高或者过低的补充信道数据速率，导致数据帧丢失或者资源利用不足，影响系统的数据吞吐量。在设计中应尽量避免所有会导致补充信道分配时延上升的因素，并采用5 ms短信令帧缩减补充信道分配时延。
　　（4）补充信道分配原则
　　①专用补充信道分配原则
　　在网络建设初期，扇区负荷较轻的情况下，可给用户分配专用补充信道。专用补充信道分配需要信令支持，一次分配时延约5个帧，100毫秒。这个时长往往不能及时适应快衰落信道的变化，导致系统不能及时调整补充信道传输。
　　在采用专用补充信道分配时，应尽量减少专用信道补充时延，同时要考虑资源占用情况，一般可选用无限期分配原则、伪无限期分配原则和定期分配原则。
　　无限期分配原则指为用户无限期分配补充信道，每次会话无需重新申请。该原则虽节省了信令流程，但资源分配效率低，总平均系统吞吐量也不高。
　　伪无限期分配原则在用户空闲时立即释放补充信道，或者由基站直接决定释放补充信道。通过使基站更灵活地调度信道资源，提高资源利用率，扇区吞吐量也相应得到提高。但是在释放和重新分配补充信道时均需要信令支持，信令开销和网络时延较大。
　　定期分配原则预定了时间分配长度，释放信道时无需信令支持，虽然调度不够灵活，但仍可提高扇区吞吐量。
　　②共享补充信道分配原则
　　在网络发展较为成熟时，建议采用共享补充信道分配原则进行分配。该原则将一条固定速率的补充信道分配给一组用户，只要该组用户支持补充信道的速率，能够解调即可，无需信令支持，即可共享同一walsh码空间。基站可以做到以帧为单位进行信道资源的调度，更有效的提高扇区吞吐量。这种方法的缺点在于该组用户必须采用同一帧偏置，在吸收不同帧偏置的用户进入共享组时，需要进行帧偏置硬切换。
　　（5）前向补充信道分组数据调度算法
　　分组数据调度算法是在用户公平性和系统扇区吞吐量之间进行折衷的算法。现主要以3种基本的调度方法分析对数据吞吐量的影响。
　　①循环调度算法：循环调度算法不考虑用户的级别和不同信道状态，采取固定用户序列循环的方式进行调度，但同时可以根据用户的近期信道状态给不同的用户分配不同的数据速率，提高扇区的吞吐量。这种算法最为公平，但扇区吞吐量不高。
　　②最大C/I调度算法：系统通过前向链路的Ec/Io或者信道增益情况估计出前向链路载波和干扰比C/I，根据C/I确定用户的优先级，并在调度中给予C/I高的用户更多的资源。这种算法提高了扇区和用户峰值数据吞吐量，但存在明显的用户不公平性。
　　③优先级调度算法：是对上述两种算法的折衷，使用户的优先级别与C/I成正比，但与用户平均数据吞吐量成反比。这种算法达到的扇区吞吐量虽然比最大C/I调度算法小，但更能体现用户公平，兼顾了用户的总体体验。
　　一般在网络建设初期可采用4～8帧的循环调度算法。随着网络的发展，结合共享补充信道的分配原则，按每帧实现优先级调度算法能够更为有效提高系统和用户的数据吞吐量。
4、网络传输时延分析
　　网络传输时延是指终端与业务应用服务器交换数据的时延，即在RLP、PPP、TCP连接都得以建立后，每个传输的数据帧所经历的剩余时延。网络传输时延对传输协议TCP的效率影响最为直接，如果网络时延太长，导致TCP的拥塞窗口不能得到及时更新，信道性能下降，直接降低了TCP数据吞吐量。
　　网络传输时延按网络结构组成由基站到PDSN，PDSN到因特网或者外部PDSN的时延组成。
　　（1）基站到PDSN的时延
　　设计应通过对基站到PDSN之间的R-P接口、L接口的往返传输时延进行细致的测量和调整，确保各个接口的时延得以最小化。这些时延往往是由于接口缓存数据包在达到一定数量后发送造成的，应尽量取消以保证数据包及时发送。
　　但在减小缓存时延的同时，也要注意减少时延的离散度，通过良好的无线网和核心网链路优化保持链路的稳定性。否则需通过在接收端增大缓存的办法减少时延离散度，反而增加了接收链路的时延。
　　（2）本地PDSN到因特网或者外部PDSN的时延
　　在设计时，要根据实际的业务需求，采取合理的呼损，保证本地PDSN到因特网或者外部PDSN的中继有足够的预留，以减少拥塞导致的各种时延。
5、总结
　　本文主要围绕呼叫建立时延、数据吞吐量、网络传输时延3个部分，分析了对总网络时延的影响，并提出用于指导设计和优化的建议。这些建议可以被看作是CDMA 1X分组数据网优化和设计的第一步，但还不能保证分组数据网络完全具备良好的性能，并达到用户满意。从空中链路到核心网接口、鉴权机制等众多因素都可能影响分组数据网络的性能，在设计和优化中应考虑所有方面，不能只关注到某一方面。