提高WCDMA基站傳輸效率的一種有效策略

　1、 移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)市場發(fā)展趨勢

　　與第二代移動通信系統(tǒng)相比，WCDMA網(wǎng)絡(luò)將不再局限于語音和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，而是同時提供可視電話、高速因特網(wǎng)接入、視頻流和網(wǎng)絡(luò)游戲等移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，無線承載類型除了AMR語音之外，還包括CSD64、PS128、PS384等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)能力。在3GPP TS22.105規(guī)范中，根據(jù)無線承載特性的不同，將UMTS業(yè)務(wù)分為會話類、流媒體類、交互類和后臺類四種。
圖一　UMTS無線接入承載業(yè)務(wù)特性

　　對于大多數(shù)WCDMA運(yùn)營商而言，雖然在WCDMA建網(wǎng)初期仍然以話音業(yè)務(wù)為主，但帶寬移動數(shù)據(jù)應(yīng)用將是3G業(yè)務(wù)新的增長點(diǎn)，這一發(fā)展趨勢正日益顯現(xiàn)。根據(jù)DrKW Equity Research對歐洲市場移動業(yè)務(wù)發(fā)展的研究預(yù)測，到2010年移動視頻業(yè)務(wù)和分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(如Internet, email等應(yīng)用)的使用量將會超越話音業(yè)務(wù)。


圖二　歐洲市場移動業(yè)務(wù)量增長預(yù)測

　　事實(shí)上，國外很多移動運(yùn)營商，如NTT-Docomo、Vodafone、Orange和Cingular等已不再滿足于3GPP R99的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)能力，計劃在2005年逐漸引入3GPP R5中下行無線增強(qiáng)技術(shù)－HSDPA(高速下行分組接入)以提供更高速、更大容量和更豐富的移動數(shù)據(jù)應(yīng)用，在移動通信市場上爭取更大的競爭優(yōu)勢。

　　2、3G與2G的業(yè)務(wù)差異對基站傳輸帶來的影響

　　在3GPP R99和R4規(guī)范中為了保證多業(yè)務(wù)傳送的QoS性能和通過統(tǒng)計復(fù)用提高帶寬效率，選取了面向連接的ATM作為UTRAN網(wǎng)絡(luò)Iub、Iur和Iu接口的傳輸層協(xié)議；與2G基站的傳輸方式相比， R99和R4中的Iub的物理接口雖然仍以E1和STM-1為主，但由于業(yè)務(wù)類型發(fā)生了變化，因此在傳送層帶寬配置方面面臨新的問題。

　　首先，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)具有較強(qiáng)的突發(fā)性，峰/均值比高，在高突發(fā)性數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的影響下，如果仍然沿用2G網(wǎng)絡(luò)中面向話音業(yè)務(wù)、基于平均話務(wù)量的固定帶寬配置方式，很難兼顧不同業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量(如會話類業(yè)務(wù)的時延及時延抖動和)和鏈路利用率：

　　1）如果采用恒定比特率(CBR)方式為各類業(yè)務(wù)分別配置固定帶寬的VCC，只能通過“超量配置”(over-provisioning)滿足各類業(yè)務(wù)的峰值帶寬需求，而且預(yù)先固定帶寬劃分方式，難以適應(yīng)變化的業(yè)務(wù)的比例構(gòu)成，喪失了ATM統(tǒng)計復(fù)用的優(yōu)勢；

　　2）如果不對業(yè)務(wù)加以區(qū)分，各類業(yè)務(wù)共享同一個恒定比特率(CBR)帶寬VCC，為了減輕突發(fā)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對語音等會話類業(yè)務(wù)QoS的影響，也只能通過“超量配置”、降低傳輸帶寬負(fù)荷(占用率)來確保實(shí)現(xiàn)后者在時延、時延抖動方面的要求。

　　另外，即使高速數(shù)據(jù)用戶的比例很小或忙時平均數(shù)據(jù)吞吐率較低，當(dāng)一個激活的PS384用戶跨基站切換時，相當(dāng)于十幾甚至幾十個話音用戶的切換。由于其顆粒度較大，對帶寬配置提出新的挑戰(zhàn)：如果沿用2G網(wǎng)絡(luò)中基于平均話務(wù)量的固定配置方式，很容易因傳輸帶寬配置不足而造成呼損。

　　因此，有必要研究如何根據(jù)3G不同業(yè)務(wù)類型特點(diǎn)，充分發(fā)揮ATM統(tǒng)計復(fù)用的特點(diǎn)，在滿足各類業(yè)務(wù)QoS需求的前提下，提高傳輸帶寬利用率，減輕及延緩傳輸擴(kuò)容帶來的投資負(fù)擔(dān)。

　　3、利用多優(yōu)先級發(fā)送功能提高傳輸帶寬利用率

　　根據(jù)時延要求的不同，可以將Iub接口的業(yè)務(wù)量大致劃分為以下四類：

　　1）控制平面的NBAP信令消息，例如無線鏈路的建立、軟切換的執(zhí)行等過程的信令消息；考慮到對網(wǎng)絡(luò)性能(KPI)的影響，其時延要求最嚴(yán)格，排隊時延一般應(yīng)控制在ms量級；

　　2）對時延敏感的話音、可視電話等會話類業(yè)務(wù)及視頻流業(yè)務(wù)；以UE-UE話音呼叫為例,由于端到端的時延須控制在250ms左右，扣除抽樣、編碼、交織和結(jié)點(diǎn)處理等時延，在Iub接口上的排隊時延和抖動應(yīng)控制在10ms左右；

　　3）時延要求相對較低的交互及后臺類(I/B)業(yè)務(wù)，如移動因特網(wǎng)應(yīng)用；其端到端的時延通常在秒級，因此在Iub接口上的排隊時延從用戶體驗的角度看沒有嚴(yán)格要求；

　　4）管理維護(hù)（OAM）信息，如軟件下載、性能及故障管理中的信息傳遞；其實(shí)時性要求最低，帶寬需求甚至可以不做硬性規(guī)定，例如軟件下載可選在非忙時進(jìn)行。

　　它們正好映射為ATM中的rt-VBR、nrt-VBR和UBR業(yè)務(wù)：

　　1）實(shí)時可變比特率業(yè)務(wù)(rt-VBR)：適用于需要最小信元遲延變化(CDV)和信元傳輸遲延(CTD)的應(yīng)用，如語音和視頻，其連接特征由峰值信元率(PCR)、可維持信元率(SCR)和最大突發(fā)長度(MBS)規(guī)定，信源期望以可變速率發(fā)送信元；

　　2）非實(shí)時可變比特率業(yè)務(wù)(nrt-VBR)：具有突發(fā)業(yè)務(wù)的非實(shí)時應(yīng)用，其連接特征由PCR、SCR和MBS規(guī)定，期望在所協(xié)商范圍內(nèi)傳輸?shù)男旁哂休^低的信元丟失率(CLR)，支持統(tǒng)計復(fù)用，不規(guī)定信元遲延上限；

　　3）未指定比特率業(yè)務(wù)(UBR)：無傳輸時延要求和硬性帶寬要求，優(yōu)先級最低，但增強(qiáng)型未指定比特率業(yè)務(wù)(UBR+)可設(shè)置最小信元速率(MCR)。

　　因此，根據(jù)上述各種業(yè)務(wù)不同的傳輸時延和時延變化的要求，可以通過RNC和NodeB的業(yè)務(wù)類型梳理功能，將其分別映射到不同的發(fā)送優(yōu)先級隊列中（優(yōu)先級反映業(yè)務(wù)量發(fā)送的急迫程度）：NBAP信令和rt-VBR業(yè)務(wù)擁有最高的發(fā)送優(yōu)先級，其次是nrt-VBR業(yè)務(wù)，而基于UBR+的OAM業(yè)務(wù)的發(fā)送優(yōu)先級最低。


圖三　Iub接口ATM配置


圖四　ATM的多優(yōu)先級發(fā)送

　　這樣可以保證高優(yōu)先級類業(yè)務(wù)(控制平面消息和DS類用戶業(yè)務(wù))的Qos要求，使NDS類業(yè)務(wù)量對DS類業(yè)務(wù)的時延不產(chǎn)生大的影響；反之，如果不做業(yè)務(wù)分類，DS類與NDS類業(yè)務(wù)混在一個共享隊列中，只有通過降低電路負(fù)荷（即提高工程余量），才能滿足DS類業(yè)務(wù)的對延遲要求。

　　相關(guān)仿真研究表明，就單條E1鏈路而言，當(dāng)不采用多優(yōu)先級發(fā)送時，受NDS業(yè)務(wù)的影響，DS業(yè)務(wù)將經(jīng)受較大的排隊時延：當(dāng)鏈路負(fù)荷超過35%時，時延達(dá)到幾十ms，這對于端到端業(yè)務(wù)質(zhì)量而言這是難以接受的；反之，如果采用多優(yōu)先級發(fā)送功能，DS業(yè)務(wù)的排隊時延可以穩(wěn)定地控制10ms以內(nèi)，鏈路負(fù)荷可以超過70％。與前一種方式相比，帶寬使用率幾乎提高了一倍。


圖五　多優(yōu)先級發(fā)送功能對話音信元時延和傳輸鏈路利用率的影響

　　此仿真基于以下業(yè)務(wù)參考模型：


表一　呼叫參考模型

　　與CBR固定帶寬劃分方式不同，基于rt-VBR、nrt-VBR和UBR+的多優(yōu)先級傳送方式，無論是在單條E1還是在IMA E1組內(nèi)，都可以充分發(fā)揮ATM的統(tǒng)計復(fù)用優(yōu)勢，每個VCC的峰值信元率（PCR）都可以達(dá)到1920kb/s(單條E1)或n*1920kb/s(IMA n*E1)，顯著降低了信令和話音業(yè)務(wù)的傳送時延，也能更好地應(yīng)對突發(fā)性高速數(shù)據(jù)帶寬需求。

　　四、小結(jié)

　　在實(shí)現(xiàn)Ethernet-To-NodeB(即3GPP R5中定義的IP UTRAN選項)之前，WCDMA的基站傳輸仍將以E1或STM-1為主，但隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展和HSDPA技術(shù)的引入，Iub接口帶寬需求將會越來越大，其中的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的比例也將顯著提高。如果對ATM技術(shù)的統(tǒng)計復(fù)用和業(yè)務(wù)類型劃分功能不加以充分利用，仍然沿用2G網(wǎng)絡(luò)中面向純話音的固定帶寬配置方法，將很難兼顧不同業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量和帶寬利用率。而通過本文中所介紹基于多優(yōu)先級發(fā)送功能的傳輸解決方案，不僅能顯著提高E1的傳輸帶寬利用率，而且可以更好地滿足各類業(yè)務(wù)的QoS需求。