關鍵字: WIMAX51, VoIP45, ITU4, IP8, IEEE4, 無線接入1, 電路交換1, 3G1, 網(wǎng)絡4, PDU7, PHS4, 信令3, TDD2, OFDM1, Symbol1, 基站3, 天線1, broadband2

摘要　文章通過對WiMAX的空中接口物理層和MAC層的研究，分析了WiMAX支持VoIP的業(yè)務能力。分析表明，WiMAX的MAC層沒有針對VoIP業(yè)務數(shù)據(jù)包進行優(yōu)化，因此對VoIP業(yè)務支持效率比較低。同時，小區(qū)邊緣的VoIP用戶的MAC開銷會比小區(qū)中心的VoIP用戶MAC開銷明顯增加，因此，在小區(qū)邊緣的VoIP用戶將極大降低整個小區(qū)的吞吐量。
1、引言
今年5月底在日本京都舉行的ITU 8F組會議上，已經(jīng)原則上同意將命名為IP-OFDMA的移動WiMAX技術接納為IMT-2000的標準之一。由于WiMAX所采用的IEEE 802.16e空中接口技術是基于IP的無線接入技術，在支持數(shù)據(jù)業(yè)務方面，WiMAX技術具有天生的優(yōu)勢。然而從支持話音業(yè)務的角度而言，WiMAX則與從電路交換技術發(fā)展而來的其它3G技術有很大的不同。因此很有必要對WiMAX支持話音業(yè)務的能力做深入的分析，這也是目前學術界爭論比較多的地方。
簡單的從空中接口數(shù)據(jù)速率和VoIP業(yè)務的數(shù)據(jù)速率比值而言，移動WiMAX空中接口似乎能承載很大的VoIP業(yè)務容量。然而VoIP業(yè)務是一種速率低，實時性高的業(yè)務，各種頭開銷將大大降低VoIP業(yè)務的容量。本文試圖通過對移動WiMAX的物理層和MAC層協(xié)議的研究，分析移動WiMAX無線空中接口承載VoIP的能力。
2、VoIP業(yè)務簡介
WiMAX網(wǎng)絡是基于IP技術的網(wǎng)絡，只能通過VoIP技術來提供話音業(yè)務。根據(jù)不同的編碼方式不同，常見的VoIP業(yè)務的數(shù)據(jù)速率為5kb/s～64kb/s不等，常見的VoIP編碼格式和幀結構如表1所示：
表1　常見VoIP編碼格式

以GSM6.10編碼方式為例，每個VoIP包的承載部分為33字節(jié)，幀間隔20ms。一般而言，VoIP數(shù)據(jù)是以RTP協(xié)議承載在UDP/IP上，每一個VoIP的數(shù)據(jù)包的IP/UDP/RTP開銷需要40字節(jié)。其余的VoIP技術比較類似，本文就不再詳細分析。
3、WiMAX空中接口介紹
VoIP數(shù)據(jù)包到達WiMAX MAC層以后，需要經(jīng)過業(yè)務匯聚子層、MAC公共子層和物理層三層。下面就對VoIP包的處理過程進行簡單的介紹。
3.1　業(yè)務匯聚
業(yè)務匯聚的主要作用是將高層傳遞下來的VoIP數(shù)據(jù)PDU通過分類器和頭壓縮處理，映射成MAC層的SDU。分類器是一個匹配規(guī)則的集合，它是由一些協(xié)議相關的數(shù)據(jù)包匹配規(guī)則、分類優(yōu)先度、和相關CID（連接標識）組成。
CID用于標識連接，它由MAC層中的匯聚子層產(chǎn)生。匯聚子層提供了外部網(wǎng)絡數(shù)據(jù)到MAC層的映射，通過CS SAP（匯聚子層服務接入點）將外部網(wǎng)絡數(shù)據(jù)映射到MAC SDU，并將其與MAC業(yè)務流標識（SFID）和連接標識（CID）關聯(lián)。在WiMAX中，CID是非常重要的，任何數(shù)據(jù)的傳輸都必須有CID。
在業(yè)務匯聚子層，與VoIP業(yè)務關系密切的是IP頭壓縮技術。WiMAX采用了兩種頭壓縮技術：PHS和ROHC。其中PHS是必選，ROHC是可選。當采用PHS和ROHC后，VoIP的頭開銷為2字節(jié)。高層的PDU會以MAC SDU的格式進行封裝并傳遞到MAC公共子層。
3.2　MAC層
MAC公共子層會在MAC SDU上增加MAC頭、CRC等信息，對MAC SDU進行級聯(lián)、分段、打包、加密、填充等處理，并映射到物理層上。MAC公共子層還會產(chǎn)生空中接口信令交換所需要的MAC消息，如UCD、DCD、DL-MAP、UL-MAP等。這些消息都會在空中接口進行傳輸和交換。因此，MAC層協(xié)議的效率高低將直接影響到VoIP業(yè)務的支持能力。
MAC PDU由MAC頭、Payload和CRC（可選）組成。值得注意的是，在MAC頭中有CID字段。對于VoIP這種單播業(yè)務而言，不同用戶的數(shù)據(jù)是通過不同的連接進行傳輸?shù)�，因此，MAC頭中的CID表明不同的用戶數(shù)據(jù)會被封裝在不同的MAC PDU中。對于空中接口傳遞廣播消息而言，廣播連接也有自己特殊的CID=0，對于某些特殊的廣播MAC PDU可以省略掉MAC頭，以降低空中接口的負荷，如compressed_UL-MAP消息。
3.3　物理層
目前的移動WiMAX是TDD系統(tǒng)，其幀結構由BS和SS傳輸構成。每一幀的下行傳輸?shù)挠蓀reamble起始，緊接著的分別是下行傳輸周期和上行傳輸周期。在每幀的下行和上行間要插入TTG，在每幀的幀尾要插入RTG，以保證BS正常的收發(fā)切換。OFDMA系統(tǒng)可以支持長度為2048、1024、512和128的FFT點數(shù)，通常向下數(shù)據(jù)流被分為邏輯數(shù)據(jù)流，這些數(shù)據(jù)流可以采用不同的調(diào)制及編碼方式以及以不同信號功率接入不同信道特征的用戶端。向上數(shù)據(jù)流子信道采用多址方式接入，通過下行發(fā)送的媒質(zhì)接入?yún)f(xié)議（MAP）分配子信道傳輸上行數(shù)據(jù)流。I最小子信道時間頻率單位是slot，slot等于48個數(shù)據(jù)tone。
子信道的子載波排列方式有兩類：分集和連續(xù)。分集排列將子載波通過一種近似隨機的方式進行排列，它提供了頻率分集和小區(qū)間干擾消除。分集排列包括DL FUSC、DL PUSC和UL PUSC等。在WiMAX中，PUSC的子載波排列方式是必選的，廣播信道就是通過這種排列方式進行廣播的，本文只研究這種排列方式。
4、幾個關鍵流程
4.1　MAC層流程
（1）自適應編碼
自適應編碼和信道測量AMC技術即根據(jù)信道的變化采用最合適的調(diào)制方式和編碼速率。當信道條件較好時，可以采用高階調(diào)制方式和較高的編碼速率以實現(xiàn)較高的傳輸速率；當信道條件惡化時，則可以采用低階調(diào)制和較低的編碼速率以保證傳輸鏈路的質(zhì)量。
對于OFDM系統(tǒng)中采用的AMC技術可以采用兩種方式：采用頻率特定（frequency-specific）的AMC和均勻（frequency-common）的AMC。
◆頻率特定的AMC，即可以對分配給一個用戶的不同頻率資源采用不同的AMC配置，這種方法可以更好地適應頻率選擇性衰落，理論上可以實現(xiàn)最大的系統(tǒng)容量。但這種方法需要額外的信令開銷（對每個頻道分別反饋CQI），并增加系統(tǒng)的復雜度。
◆均勻的AMC即對一個用戶的所有頻道都采用相同的AMC配置，只估計并反饋所有頻道的平均CQI。這種方法雖然忽略一個用戶的不同頻率資源之間的頻率選擇性衰落，但可以盡量減小信令開銷和系統(tǒng)復雜度。
采用上述兩種AMC方法中的哪一種，需要對它們帶來的性能增益和反饋開銷進行綜合評估，然后做出選擇。通常來講，一個用戶占有的頻帶越寬，頻率特定的AMC取得的性能增益也越大。
在下行鏈路中，QPSK、16QAM和64QAM是必選的，在上行鏈路中64QAM是可選的。另外支持不同編碼速率的CC（Convolutional Code）和CTC（Convolutional Turbo Code）及不同的重復編碼速率。
（2）Ranging
在移動系統(tǒng)中，上行信道中需要保留Ranging信道的位置。WiMAX規(guī)定在PUSC中Ranging信道是由1組或多組6個相鄰的子信道組成，對所占的symbol長度沒有明確。在每一幀中，BS根據(jù)UL-MAP消息中的ranging allocation IEs（UIUC 12）分配上行的Ranging信道，BS能分配三種Ranging信道，一個用于初始ranging和切換ranging，一個用于帶寬請求和周期性ranging，一個用于被尋呼MS的初始ranging。
4.2　物理層流程
（1）同步
移動WiMAX是TDD系統(tǒng)，所有SS必須獲取和調(diào)整它們的定時使得滿足上行同步。由于OFDMA調(diào)制的特性，OFDMA符號持續(xù)時間比較長，WiMAX要求SS到達BS的時間都要重合落在最小保護間隔的±25%內(nèi)或更好。因此WiMAX不需類似TD-SCDMA系統(tǒng)的復雜上行同步技術，只需通過初時Ranging和周期Ranging來維護與BS的同步。
（2）功率控制
功率控制包括開環(huán)功控和閉環(huán)功控。WiMAX forum要求必選支持閉環(huán)功控。
閉環(huán)功控是針對上行進行，由BS根據(jù)對上行的測量結果，在通過下行廣播消息FPC，控制MS調(diào)制上行發(fā)射功率。注意針對UIUC=O，UIUC=12，或UIUC=14的上行連接，BS不進行上行功率控制，MS需要自己調(diào)整這些上行鏈路的發(fā)射功率。
MS要向BS報告可以達到的最大的功率以及歸一化后的當前發(fā)射功率，這些參數(shù)被BS用來合理的分配調(diào)制編碼方式和子載波資源，具體算法由廠家決定。這些參數(shù)由SBC-REQ消息報告。如果MS收到REP-REQ消息中指示上報當前發(fā)射功率指示位被設置，則當前發(fā)射功率由REP-RSP報告。
（3）HARQ支持
HARQ是將傳統(tǒng)的ARQ和前向糾錯編碼結合起來的一種混合自動重傳機制。傳統(tǒng)的ARQ具有高可靠性、低復雜度的特點，但它的效率低、時延大；FEC則有效性較高，但可靠性比ARQ低，而且復雜度也較高；將二者結合起來，優(yōu)勢互補，就產(chǎn)生了混合型ARQ，即HARQ技術。HARQ可以基于FEC碼流進行重傳，由FEC解碼糾正大多數(shù)誤碼，而由ARQ來解決FEC解碼失敗的情況。
在802.16e中采用了的HARQ分為兩種類型：Chase合并（Chase Combing）HARQ和增量冗余（Incremental Redundancy）HARQ。但WIMAX profile中可選支持CTC的CC-HARQ。CC-HARQ類型的HARQ即重傳的數(shù)據(jù)包和第一次傳輸?shù)南嗤�。接收機將重傳的數(shù)據(jù)包和原先傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包合并，通過累加接收數(shù)據(jù)包的能量獲得合并增益，提高FEC的解碼成功率。這種合并可以在符號級或比特級完成，符號級合并對存儲空間的需求較小，特別在高階調(diào)制情況下。
5、VoIP業(yè)務的覆蓋要求
移動VoIP業(yè)務要求覆蓋的連續(xù)性。為了適應IP靈活的業(yè)務要求，WiMAX的空中接口技術是非常靈活的，但這也給WiMAX系統(tǒng)帶來了麻煩。因為用戶數(shù)據(jù)信息是通過DL-MAP和UL-MAP廣播的，而為了得到DL-MAP和UL-MAP消息，必須正確解調(diào)FCH。如果前面的任何一個廣播消息解調(diào)失敗，終端和基站就不可能傳遞用戶數(shù)據(jù)。這也是將FCH通過4倍重復編碼的方式進行保護的原因。如圖1所示：

圖1　WiMAX數(shù)據(jù)解調(diào)過程

文獻[7]詳細分析了廣播MAP消息的覆蓋能力，如圖2所示。

圖2　MAP消息覆蓋范圍

從圖2中可以，當采用不同的重復編碼次數(shù)，MAP消息的覆蓋范圍是不一致的。如CTC 1/2重復6次，可以在單發(fā)射天線時標準小區(qū)90%以上的覆蓋范圍，而CTC1/2重復2次，則只有越48%的覆蓋范圍，如表2所示：

表2　MAP消息覆蓋范圍

從目前的一些仿真結果來看，上述結論是非常苛刻的。一般認為，在1×3×3組網(wǎng)情況下，CTC1/2重復4次編碼的情況下，MAP消息應該覆蓋小區(qū)的95%以上的區(qū)域，達到覆蓋要求。
值得注意的是，規(guī)范只要求FCH進行重復4次編碼，如果將所有的廣播消息（如DL-MAP和UL-MAP）也進行重復4次編碼，這時系統(tǒng)中MAC層的開銷（MAP消息開銷）就會變得非常大，會占據(jù)決大部分的空中資源。如果不采用4倍重復編碼，則不能在小區(qū)范圍內(nèi)正確解調(diào)MAP消息，則不能提供連續(xù)的話音覆蓋。因此MAP消息的開銷是討論WiMAX支持話音業(yè)務能力的核心問題。在文獻[5][6]中，假定WiMAX系統(tǒng)有固定的開銷，這和實際情況可能不一致。
由于用戶隨機分布在小區(qū)中，當用戶距離基站比較近時，信道條件比較好，這時可以采用高級的調(diào)制方式。當用戶距離基站比較遠時，信道條件比較差，則必須采用低階的調(diào)制方式。為了降低MAP消息的開銷，WiMAX在802.16-2005標準中引入了一種變通的做法，它提供了一種SUB-DL-UL-MAP的消息，這種消息可以采用不同的調(diào)制編碼技術，提供不同的用戶提供MAP消息，用戶只需要能正確解調(diào)自己的MAP消息即可，不需要考慮其它用戶的MAP消息。
由于FCH也僅僅是4倍重復編碼，因此沒必要引入6倍重復編碼。從表5的數(shù)據(jù)可以推斷，為了保證VoIP的覆蓋效果，約50%用戶的MAP消息需要4倍重復編碼，約30%用戶的MAP消息需要2倍重復編碼，約20%用戶的MAP消息不需要重復編碼。
6、VoIP支持情況分析
下面將根據(jù)上面討論的過程，從理論極限的角度分析WiMAX支持VoIP業(yè)務容量的能力。
對WiMAX做以下假設：
假設移動WiMAX采用1×3×3組網(wǎng)方式，在下行和上行都采用PUSC排列。物理層幀長度為5ms，10MHz帶寬，1024子載波，PUSC排列方式，（27:21）的下行：上行比例。假設WiMAX系統(tǒng)有下面的特征：打開閉環(huán)功控，打開HARQ和自適應編碼調(diào)制。不考慮HARQ、自適應編碼調(diào)整、ARQ，同步開銷等。不考慮DCD、UCD等廣播消息的開銷。
考慮一個GSM6.10編碼的VoIP數(shù)據(jù)包=33 bytes，經(jīng)過PHS和ROHC后，有35個bytes，增加MAC PDU頭6 bytes，則成為35+6=41 bytes。不考慮加密的開銷，不考慮MAC PDU的級聯(lián)、分段和打包，增加CRC的4 bytes冗余，則VoIP數(shù)據(jù)包長為45 bytes。
由于計算理論最大VoIP容量，因此假設用戶VoIP數(shù)據(jù)包采用盡量高階的調(diào)制方式。假設上行用16QAM3/4 CTC，下行用64QAM5/6CTC的編碼方式。則上行要3個slot，下行需要2個slot來承載VoIP數(shù)據(jù)包。值得注意的是，由于WiMAX并沒有指定話音業(yè)務的編碼方式，因此也沒有針對某種VoIP業(yè)務的編碼進行優(yōu)化，所有在封裝VoIP數(shù)據(jù)包時造成了一些承載的浪費。
因為MAP消息都是在下行傳輸，因此對于話音業(yè)務而言，WiMAX是下行受限。
表3給出了WiMAX單扇區(qū)同時支持VoIP用戶數(shù)。

表3　WiMAX單扇區(qū)同時支持VoIP用戶數(shù)

從表3可以看出，處于采用重復4倍狀態(tài)的用戶數(shù)對系統(tǒng)容量產(chǎn)生了很大的影響。這種用戶數(shù)越多（即處于小區(qū)邊緣的用戶數(shù)越多），則MAP開銷越大，系統(tǒng)容量越小。如果采用第5章分析的結論，假設約50%用戶的MAP消息需要4倍重復編碼，約30%用戶的MAP消息需要2倍重復編碼，約20%用戶的MAP消息不需要重復編碼，則一個WiMAX扇區(qū)只能同時支持6個用戶。假設話音激活因子為0.4，用戶每4幀傳遞一個VoIP數(shù)據(jù)包，則一個WiMAX扇區(qū)的VoIP用戶數(shù)為60個。
7、結論
雖然WiMAX能提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務，但由于WiMAX不是以話音業(yè)務為出發(fā)點的技術，WiMAX的MAC層對與VoIP業(yè)務的處理效率是比較低的，表現(xiàn)在：一、WiMAX空中接口沒有針對話音業(yè)務數(shù)據(jù)包進行優(yōu)化；二、為了保證覆蓋，WiMAX的MAP消息開銷過大。從本文的分析可以看出，幾個在小區(qū)邊緣的VoIP用戶將極大降低整個小區(qū)的吞吐量，這將對WiMAX的運營策略產(chǎn)生較大影響。
參考文獻
【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].