Voice over IP over Wireless 的优化和容量评估

　　储轶钢　李爽

　　当前，在所有公众网络中，数据业务都已超过或正在超过话音业务。移动通信与Internet通信的结合已成为3G发展的主要推动力，3G系统要求能支持在任何环境下144kb/s或384kb/s、低速移动和室内环境下2Mb/s的数据率。

　　到2003/2004年，移动用户将达10包。到2004年，Internet用户也将达到10亿，其中3.5亿为移动Internet用户。

　　3G系统的标准化工作正在进行中，它将在2G系统（GSM、PDC、IS-136、和IS-95）所提供的服务基础上提供高速率的数据服务，主要是分组数据，但也支持电路交换数据。

　　1 实时无线IP业务

　　在3G系统中，典型的实时业务是话音和视频业务，还包括一些对时延敏感的应用。本文重点讨论话音业务。3G系统的话音业务至少应提供与2G系统相当的话音质量和频谱效率。然而，在实现话音业务方面，采用基于IP的传输技术却存在许多技术难题，难以达到上述要求。因此，需要对VoIPoW（Voice over IP over wireless）进行优化。本文探讨了这些问题，并对特定网络中VoIPoW的生能进行了评估。

　　2　无线链路的QoS概念

　　2.1UMTS和GSM/EDGE中的承载服务

　　在移动通信系统中，频谱无疑是一种稀缺资源，因而对业务进行分类，保证系统容量和服务质量，无疑是有益的。在UMTS和GSM/EDGE中，定义了四类服务：

　　（1）会话服务类　针对实时业务，例如普通电话话音、VoIP和电视会议。

　　（2）流服务类　针对那些实时的视频和音频流，与会话业务不同，它是单向的。

　　（3）交互式业务类　其中最典型的WWW浏览和远程登陆。基本特点是请求-回应样式，但时延问题突出。

　　（4）背景服务类　指那些尽力而为（best-effort）的服务，例如E-mail和SMS等。

　　2.2对话音服务的要求

　　通常，来自话音编码器的一帧中的比特被划分成1a、1b和2三类。这些类对比特差错的敏感度是不一样的，1a包括那些最为敏感的比特，2则相反。在典型的2G系统中，1a类的比特由一个CRC（Cyclic redundancy code）覆盖，该方案称为不对等差错检测（UED）。当不采用UED方案时，可采用对等差错检测（EED）方案，此时，一个CRC码覆盖整个话音帧。比特差错率的计算仅包含那些差错率应尽量靠近0。假如不采用不对等差错保护（UEP），而采用UED，1a中的最低FER(frame error rate)和1b类的最低BER（bit error rate）要求构成信道要求。

　　ITU-T建议的单向时延限制如下：

　　（1）0-150ms对大多数应用是可以接受的；

　　（2）如果传输时间对质量的影响是明确的，150-400ms也是可接受的。

　　（3）超过400ms，对大多数应用是不可接受的，只有在一些特殊情况下（例如卫星通信），这个限制才可突破。

　　典型2G系统的单向时延低于100ms，因此要获得同样的端-端质量，对一个3G系统会话业务来说，单向时延必须低于100ms。

　　3　实时IP的首标压缩

　　毫无疑问，对无线VIP来说，协议首标构成的开销就成了一个主要问题，对于一个带有话音数据的IP包，其中IP首标是20byte，总开销为40byte。而在IPv6中，IP首标是40个byte，这样总开销就增加到60byte。话音数据的大小取决于编码器，最小到15-20byte。因此，对于IP数据包是否在空中传输，就有很大的争论。若IP/UDP/RTP首标占用太多带宽，频谱就不能有效利用。当然，如果采用首标压缩，还是可以解决这一问题的。

　　话音包中的首标信息都是必不可少的，但是因为同一数据流的连续包的首标之间，存在时间上的冗余度，因此可以通过压缩算法来压缩首标。这些算法保持一个基准，它是未被压缩的，而其它只需携带变化的信息，没有变化的首标根本无须传输，变化较少的也只需很少几个比特就可更新。但是，当信道上帧丢失或受损时，基准就不能正确更新，后继首标的解压也会出错。因此，首标压缩必须有一套机制，以建立基准，并检测基准是否过期，必要时修复它。

　　若干种首标压缩算法正在由IETF（Internet Engineering Task Force）标准化。对于VIP,CRTP（Compression for real-time protocol）可以把40byte的IPv4/UDP/RTP首标最低压缩到2byte。为了修复基准，CRTP需要有一个上行链路，通过这个链路，解夺器发送更新首标的请求。链路上来回的时间将限制这种基准修复机制的有效性。链路级的模拟表明，CRTP的包丢失率大约比基于WCDMA的最优化方案大4倍。就现实而言，无线VIP首标压缩方案至少要比CRTP更有效、更具鲁棒性。爱立信为此提出了一种压缩率更高，并能更可靠地适应无线应用的方案，此方案称为ROCCO（robust checksum-based header compression）。它主要趋向于在本地进行基准的修复，一个覆盖未压缩首标的校验测出下列情况：（1）基准过期（2）本地成功地修复了基准。为了得到较好的效果，爱立信还引进了压缩档次（profiles）的概念。为了得到最优化的效果，不同的压缩档次处理不同的RTP流和信道条件。针对话音和视频流，不同的档次正在发展之中，一种通用的档次是必要的。除了ROCCO首标校验元外，一个包含在压缩后的首标的地凶为解压器提供了首村的变化信息。对于ROCCO VIP而言，这个码元包含了足够多的关于先前的首标的信息，所以可以本地修复基准。压缩率最高的档次是压缩后首标为1byte。这种算法具有能够在本地修复基准的特点，降低了来回时间就工对首标压缩效果的负面影响。

　　4　评估VoIPoW的容量

　　对基于WCDMA的UMTS系统中IP业务灵活性的引入对容量的影响，进行了系统模拟定量分析。模拟的重点放在无线链路上（无线链路被认为是整个系统的瓶颈部分），考虑了下列4种情况（每一种代表不同的技术方案）：

　　（1）带有对等差错保护的电路交换话音服务，作为基准；

　　（2）带有完整的RTP/UDP/IP首标的IP话音、并在空中传送完整的首标

　　（3）带有CRTP首标压缩的IP话音服务；

　　（4）带有ROCCO首标压缩的IP话音服务。

　　每一种情况的数据都是在一个WCDMA系统模拟器中推导的。该模拟器建立了一个三扇区分割的小区模型。在模拟过程中，移动呼叫持续时间按指数分布，平均为120s。呼叫中，移动终端发送或接收来自AMR（adaptive multirate）1.2编码器模型的话音帧。呼叫之前或之后，一些与IP有关的信令（H.323和RSVP）通过无线链路发送，这个模型不包括呼叫过程中的RTCP和RSVP信令。

　　因为在模拟器衡量主观话音质量很困难，所以通过FER衡量单次连接的质量。实验表明，主观质量和FER是密切相关的。系统质量的主要衡量依据是质量可接受的连接数目，在这里可接受定义为至少95％的连接FER低于1％若给定质量级别，容量定义为所能达到的最大负载。

　　模拟结果表明，在低负载情况下，系统干扰比较小，质量也比较好。当负载上升时，干扰增加，在某些点上系统超载，在这种情况下，我们达到了系统的容量限。当完整的首樯在空中传输时，容量大约为基准的50％，当采用CRTP时，容量大约为80％；采用ROCCO时，容量大约为90％。RSVP和RTCP对容量的影响取决于它们被削减和压缩的程度，否则就将抵消首标压缩的效果。

　　VoIPoW的主工目标是在IP平台上加入话音业务，同时保持与2G相当的服务质量和频谱效率。通过引入业务分类和首标压缩，我们可以获得具有较高频谱效率的VoIPoW服务，话音质量和IP服务灵活性也能令人满意。可以预料，当话音和数据业务同时出现于3G系统时，分组数据移动性和话音移动性是促进全球范围内移动用户爆炸性增长的一个关键因素。

摘自《电信快报》2001.10