WiMAX空中接口支持话音业务能力分析

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摘要　文章通过对WiMAX的空中接口物理层和MAC层的研究，分析了WiMAX支持VoIP的业务能力。分析表明，WiMAX的MAC层没有针对VoIP业务数据包进行优化，因此对VoIP业务支持效率比较低。同时，小区边缘的VoIP用户的MAC开销会比小区中心的VoIP用户MAC开销明显增加，因此，在小区边缘的VoIP用户将极大降低整个小区的吞吐量。
1、引言
今年5月底在日本京都举行的ITU 8F组会议上，已经原则上同意将命名为IP-OFDMA的移动WiMAX技术接纳为IMT-2000的标准之一。由于WiMAX所采用的IEEE 802.16e空中接口技术是基于IP的无线接入技术，在支持数据业务方面，WiMAX技术具有天生的优势。然而从支持话音业务的角度而言，WiMAX则与从电路交换技术发展而来的其它3G技术有很大的不同。因此很有必要对WiMAX支持话音业务的能力做深入的分析，这也是目前学术界争论比较多的地方。
简单的从空中接口数据速率和VoIP业务的数据速率比值而言，移动WiMAX空中接口似乎能承载很大的VoIP业务容量。然而VoIP业务是一种速率低，实时性高的业务，各种头开销将大大降低VoIP业务的容量。本文试图通过对移动WiMAX的物理层和MAC层协议的研究，分析移动WiMAX无线空中接口承载VoIP的能力。
2、VoIP业务简介
WiMAX网络是基于IP技术的网络，只能通过VoIP技术来提供话音业务。根据不同的编码方式不同，常见的VoIP业务的数据速率为5kb/s～64kb/s不等，常见的VoIP编码格式和帧结构如表1所示：
表1　常见VoIP编码格式

以GSM6.10编码方式为例，每个VoIP包的承载部分为33字节，帧间隔20ms。一般而言，VoIP数据是以RTP协议承载在UDP/IP上，每一个VoIP的数据包的IP/UDP/RTP开销需要40字节。其余的VoIP技术比较类似，本文就不再详细分析。
3、WiMAX空中接口介绍
VoIP数据包到达WiMAX MAC层以后，需要经过业务汇聚子层、MAC公共子层和物理层三层。下面就对VoIP包的处理过程进行简单的介绍。
3.1　业务汇聚
业务汇聚的主要作用是将高层传递下来的VoIP数据PDU通过分类器和头压缩处理，映射成MAC层的SDU。分类器是一个匹配规则的集合，它是由一些协议相关的数据包匹配规则、分类优先度、和相关CID（连接标识）组成。
CID用于标识连接，它由MAC层中的汇聚子层产生。汇聚子层提供了外部网络数据到MAC层的映射，通过CS SAP（汇聚子层服务接入点）将外部网络数据映射到MAC SDU，并将其与MAC业务流标识（SFID）和连接标识（CID）关联。在WiMAX中，CID是非常重要的，任何数据的传输都必须有CID。
在业务汇聚子层，与VoIP业务关系密切的是IP头压缩技术。WiMAX采用了两种头压缩技术：PHS和ROHC。其中PHS是必选，ROHC是可选。当采用PHS和ROHC后，VoIP的头开销为2字节。高层的PDU会以MAC SDU的格式进行封装并传递到MAC公共子层。
3.2　MAC层
MAC公共子层会在MAC SDU上增加MAC头、CRC等信息，对MAC SDU进行级联、分段、打包、加密、填充等处理，并映射到物理层上。MAC公共子层还会产生空中接口信令交换所需要的MAC消息，如UCD、DCD、DL-MAP、UL-MAP等。这些消息都会在空中接口进行传输和交换。因此，MAC层协议的效率高低将直接影响到VoIP业务的支持能力。
MAC PDU由MAC头、Payload和CRC（可选）组成。值得注意的是，在MAC头中有CID字段。对于VoIP这种单播业务而言，不同用户的数据是通过不同的连接进行传输的，因此，MAC头中的CID表明不同的用户数据会被封装在不同的MAC PDU中。对于空中接口传递广播消息而言，广播连接也有自己特殊的CID=0，对于某些特殊的广播MAC PDU可以省略掉MAC头，以降低空中接口的负荷，如compressed_UL-MAP消息。
3.3　物理层
目前的移动WiMAX是TDD系统，其帧结构由BS和SS传输构成。每一帧的下行传输的由preamble起始，紧接着的分别是下行传输周期和上行传输周期。在每帧的下行和上行间要插入TTG，在每帧的帧尾要插入RTG，以保证BS正常的收发切换。OFDMA系统可以支持长度为2048、1024、512和128的FFT点数，通常向下数据流被分为逻辑数据流，这些数据流可以采用不同的调制及编码方式以及以不同信号功率接入不同信道特征的用户端。向上数据流子信道采用多址方式接入，通过下行发送的媒质接入协议（MAP）分配子信道传输上行数据流。I最小子信道时间频率单位是slot，slot等于48个数据tone。
子信道的子载波排列方式有两类：分集和连续。分集排列将子载波通过一种近似随机的方式进行排列，它提供了频率分集和小区间干扰消除。分集排列包括DL FUSC、DL PUSC和UL PUSC等。在WiMAX中，PUSC的子载波排列方式是必选的，广播信道就是通过这种排列方式进行广播的，本文只研究这种排列方式。
4、几个关键流程
4.1　MAC层流程
（1）自适应编码
自适应编码和信道测量AMC技术即根据信道的变化采用最合适的调制方式和编码速率。当信道条件较好时，可以采用高阶调制方式和较高的编码速率以实现较高的传输速率；当信道条件恶化时，则可以采用低阶调制和较低的编码速率以保证传输链路的质量。
对于OFDM系统中采用的AMC技术可以采用两种方式：采用频率特定（frequency-specific）的AMC和均匀（frequency-common）的AMC。
◆频率特定的AMC，即可以对分配给一个用户的不同频率资源采用不同的AMC配置，这种方法可以更好地适应频率选择性衰落，理论上可以实现最大的系统容量。但这种方法需要额外的信令开销（对每个频道分别反馈CQI），并增加系统的复杂度。
◆均匀的AMC即对一个用户的所有频道都采用相同的AMC配置，只估计并反馈所有频道的平均CQI。这种方法虽然忽略一个用户的不同频率资源之间的频率选择性衰落，但可以尽量减小信令开销和系统复杂度。
采用上述两种AMC方法中的哪一种，需要对它们带来的性能增益和反馈开销进行综合评估，然后做出选择。通常来讲，一个用户占有的频带越宽，频率特定的AMC取得的性能增益也越大。
在下行链路中，QPSK、16QAM和64QAM是必选的，在上行链路中64QAM是可选的。另外支持不同编码速率的CC（Convolutional Code）和CTC（Convolutional Turbo Code）及不同的重复编码速率。
（2）Ranging
在移动系统中，上行信道中需要保留Ranging信道的位置。WiMAX规定在PUSC中Ranging信道是由1组或多组6个相邻的子信道组成，对所占的symbol长度没有明确。在每一帧中，BS根据UL-MAP消息中的ranging allocation IEs（UIUC 12）分配上行的Ranging信道，BS能分配三种Ranging信道，一个用于初始ranging和切换ranging，一个用于带宽请求和周期性ranging，一个用于被寻呼MS的初始ranging。
4.2　物理层流程
（1）同步
移动WiMAX是TDD系统，所有SS必须获取和调整它们的定时使得满足上行同步。由于OFDMA调制的特性，OFDMA符号持续时间比较长，WiMAX要求SS到达BS的时间都要重合落在最小保护间隔的±25%内或更好。因此WiMAX不需类似TD-SCDMA系统的复杂上行同步技术，只需通过初时Ranging和周期Ranging来维护与BS的同步。
（2）功率控制
功率控制包括开环功控和闭环功控。WiMAX forum要求必选支持闭环功控。
闭环功控是针对上行进行，由BS根据对上行的测量结果，在通过下行广播消息FPC，控制MS调制上行发射功率。注意针对UIUC=O，UIUC=12，或UIUC=14的上行连接，BS不进行上行功率控制，MS需要自己调整这些上行链路的发射功率。
MS要向BS报告可以达到的最大的功率以及归一化后的当前发射功率，这些参数被BS用来合理的分配调制编码方式和子载波资源，具体算法由厂家决定。这些参数由SBC-REQ消息报告。如果MS收到REP-REQ消息中指示上报当前发射功率指示位被设置，则当前发射功率由REP-RSP报告。
（3）HARQ支持
HARQ是将传统的ARQ和前向纠错编码结合起来的一种混合自动重传机制。传统的ARQ具有高可靠性、低复杂度的特点，但它的效率低、时延大；FEC则有效性较高，但可靠性比ARQ低，而且复杂度也较高；将二者结合起来，优势互补，就产生了混合型ARQ，即HARQ技术。HARQ可以基于FEC码流进行重传，由FEC解码纠正大多数误码，而由ARQ来解决FEC解码失败的情况。
在802.16e中采用了的HARQ分为两种类型：Chase合并（Chase Combing）HARQ和增量冗余（Incremental Redundancy）HARQ。但WIMAX profile中可选支持CTC的CC-HARQ。CC-HARQ类型的HARQ即重传的数据包和第一次传输的相同。接收机将重传的数据包和原先传输的数据包合并，通过累加接收数据包的能量获得合并增益，提高FEC的解码成功率。这种合并可以在符号级或比特级完成，符号级合并对存储空间的需求较小，特别在高阶调制情况下。
5、VoIP业务的覆盖要求
移动VoIP业务要求覆盖的连续性。为了适应IP灵活的业务要求，WiMAX的空中接口技术是非常灵活的，但这也给WiMAX系统带来了麻烦。因为用户数据信息是通过DL-MAP和UL-MAP广播的，而为了得到DL-MAP和UL-MAP消息，必须正确解调FCH。如果前面的任何一个广播消息解调失败，终端和基站就不可能传递用户数据。这也是将FCH通过4倍重复编码的方式进行保护的原因。如图1所示：

图1　WiMAX数据解调过程

文献[7]详细分析了广播MAP消息的覆盖能力，如图2所示。

图2　MAP消息覆盖范围

从图2中可以，当采用不同的重复编码次数，MAP消息的覆盖范围是不一致的。如CTC 1/2重复6次，可以在单发射天线时标准小区90%以上的覆盖范围，而CTC1/2重复2次，则只有越48%的覆盖范围，如表2所示：

表2　MAP消息覆盖范围

从目前的一些仿真结果来看，上述结论是非常苛刻的。一般认为，在1×3×3组网情况下，CTC1/2重复4次编码的情况下，MAP消息应该覆盖小区的95%以上的区域，达到覆盖要求。
值得注意的是，规范只要求FCH进行重复4次编码，如果将所有的广播消息（如DL-MAP和UL-MAP）也进行重复4次编码，这时系统中MAC层的开销（MAP消息开销）就会变得非常大，会占据决大部分的空中资源。如果不采用4倍重复编码，则不能在小区范围内正确解调MAP消息，则不能提供连续的话音覆盖。因此MAP消息的开销是讨论WiMAX支持话音业务能力的核心问题。在文献[5][6]中，假定WiMAX系统有固定的开销，这和实际情况可能不一致。
由于用户随机分布在小区中，当用户距离基站比较近时，信道条件比较好，这时可以采用高级的调制方式。当用户距离基站比较远时，信道条件比较差，则必须采用低阶的调制方式。为了降低MAP消息的开销，WiMAX在802.16-2005标准中引入了一种变通的做法，它提供了一种SUB-DL-UL-MAP的消息，这种消息可以采用不同的调制编码技术，提供不同的用户提供MAP消息，用户只需要能正确解调自己的MAP消息即可，不需要考虑其它用户的MAP消息。
由于FCH也仅仅是4倍重复编码，因此没必要引入6倍重复编码。从表5的数据可以推断，为了保证VoIP的覆盖效果，约50%用户的MAP消息需要4倍重复编码，约30%用户的MAP消息需要2倍重复编码，约20%用户的MAP消息不需要重复编码。
6、VoIP支持情况分析
下面将根据上面讨论的过程，从理论极限的角度分析WiMAX支持VoIP业务容量的能力。
对WiMAX做以下假设：
假设移动WiMAX采用1×3×3组网方式，在下行和上行都采用PUSC排列。物理层帧长度为5ms，10MHz带宽，1024子载波，PUSC排列方式，（27:21）的下行：上行比例。假设WiMAX系统有下面的特征：打开闭环功控，打开HARQ和自适应编码调制。不考虑HARQ、自适应编码调整、ARQ，同步开销等。不考虑DCD、UCD等广播消息的开销。
考虑一个GSM6.10编码的VoIP数据包=33 bytes，经过PHS和ROHC后，有35个bytes，增加MAC PDU头6 bytes，则成为35+6=41 bytes。不考虑加密的开销，不考虑MAC PDU的级联、分段和打包，增加CRC的4 bytes冗余，则VoIP数据包长为45 bytes。
由于计算理论最大VoIP容量，因此假设用户VoIP数据包采用尽量高阶的调制方式。假设上行用16QAM3/4 CTC，下行用64QAM5/6CTC的编码方式。则上行要3个slot，下行需要2个slot来承载VoIP数据包。值得注意的是，由于WiMAX并没有指定话音业务的编码方式，因此也没有针对某种VoIP业务的编码进行优化，所有在封装VoIP数据包时造成了一些承载的浪费。
因为MAP消息都是在下行传输，因此对于话音业务而言，WiMAX是下行受限。
表3给出了WiMAX单扇区同时支持VoIP用户数。

表3　WiMAX单扇区同时支持VoIP用户数

从表3可以看出，处于采用重复4倍状态的用户数对系统容量产生了很大的影响。这种用户数越多（即处于小区边缘的用户数越多），则MAP开销越大，系统容量越小。如果采用第5章分析的结论，假设约50%用户的MAP消息需要4倍重复编码，约30%用户的MAP消息需要2倍重复编码，约20%用户的MAP消息不需要重复编码，则一个WiMAX扇区只能同时支持6个用户。假设话音激活因子为0.4，用户每4帧传递一个VoIP数据包，则一个WiMAX扇区的VoIP用户数为60个。
7、结论
虽然WiMAX能提供高速数据业务，但由于WiMAX不是以话音业务为出发点的技术，WiMAX的MAC层对与VoIP业务的处理效率是比较低的，表现在：一、WiMAX空中接口没有针对话音业务数据包进行优化；二、为了保证覆盖，WiMAX的MAP消息开销过大。从本文的分析可以看出，几个在小区边缘的VoIP用户将极大降低整个小区的吞吐量，这将对WiMAX的运营策略产生较大影响。
参考文献
【1】　IEEE Std 802.16e.Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems [S].2005.
【2】　IEEE Std 802.16d.Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access systems[S].2004.
【3】　WiMAX Forum mobile system profile V 1.2.2[R].
【4】　WiMAX system evaluation methodology V 1.0[R].
【5】　ITU 8F/1079-E.WiMAX Forum additional technical details supporting IP-OFDMA as an IMT-2000 terrestrial radio interface [S].
【6】　ITU 8F/1065-E.Institute of Electrical and Electronics Engineers （IEEE）Proposed new IMT-2000 terrestrial radio interface intended for inclusion recommendation ITU-R M.1457[S].
【7】　Mobile WiMAX Part I：A Technical Overview and Performance Evaluation[R].
【8】　Mobile WiMAX Part II：A Comparative Analysis[R].