WCDMA中的接入層時(shí)延預(yù)算分析

北京郵電大學(xué)無線新技術(shù)研究組 張軼凡



　　在WCDMA系統(tǒng)中，業(yè)務(wù)質(zhì)量（QoS）是一個(gè)用戶和業(yè)務(wù)提供商都非常關(guān)心的話題。用戶希望能得到高質(zhì)量的業(yè)務(wù)服務(wù)。QoS的一個(gè)重要體現(xiàn)就是端到端的時(shí)延要求低于用戶感知的程度。研究表明，一般用戶聽覺能夠忍耐的語音延遲在100ms左右。如果往返延遲超過250ms，那么通信對(duì)端將出現(xiàn)回波，自己的聲音和對(duì)方的聲音混雜在一起，用戶將無法聽到。高于100ms的時(shí)延也可能會(huì)因收費(fèi)低而被用戶接受，但在這種情況下，通常會(huì)促使大多數(shù)用戶尋求更高質(zhì)量的業(yè)務(wù)服務(wù)。因此，可以認(rèn)為100ms是實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)QoS關(guān)于時(shí)延的基本要求。對(duì)業(yè)務(wù)提供商來說，只有滿足這個(gè)最基本的要求才能獲得廣闊的市場(chǎng)前景。而對(duì)非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)來說，雖然時(shí)延對(duì)業(yè)務(wù)質(zhì)量的影響不大，但對(duì)時(shí)延分析有助于了解網(wǎng)絡(luò)整體性能。因此，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時(shí)延預(yù)算分析是非常有必要的。


　　為滿足端到端時(shí)延要求，必須對(duì)時(shí)延預(yù)算進(jìn)行分析。時(shí)延預(yù)算指的是分析時(shí)延的形成原因和組成部分，估計(jì)每個(gè)時(shí)延組成部分的可能值，最終作出合理的推斷。端到端的時(shí)延包括接入層時(shí)延和非接入層時(shí)延，其中，接入層時(shí)延是端到端時(shí)延的一個(gè)重要組成部分，本文將著重針對(duì)接入層的傳輸時(shí)延進(jìn)行分析。


　　其中，錯(cuò)誤保護(hù)包括FEC、CRC、交織編碼和宏分集處理等方面，而語音編碼屬于非接入層功能，因此不包括在其中。



一、接入層時(shí)延組成部分


　　各部分時(shí)延在WCDMA系統(tǒng)中的位置，主要是接入層的時(shí)延，其中也包含非接入層的一些時(shí)延，如源CN和宿CN的代碼轉(zhuǎn)換器編解碼時(shí)延以及回波控制等。

　　　　　　　　
　　接入層傳輸時(shí)延包括UTRAN網(wǎng)絡(luò)部分和傳輸網(wǎng)絡(luò)部分。它們由不同的時(shí)延成分組成，要獲得它們的時(shí)延預(yù)算，則必須對(duì)其中的每個(gè)成分都有充分的認(rèn)識(shí)。


　　1．UTRAN網(wǎng)絡(luò)部分


　　這一部分主要包括了宏分集合并時(shí)延、卷積碼和Turbo碼的交織時(shí)延、MAC層調(diào)度時(shí)延、重傳時(shí)延、無線接口傳播時(shí)延以及處理延遲。每部分產(chǎn)生的原因及其所起的作用各不相同。


　　(1)宏分集合并時(shí)延


　　在RNC中，宏分集合并功能有可能會(huì)要求額外的交換和處理。該時(shí)延是獨(dú)立執(zhí)行的，被認(rèn)為是整個(gè)時(shí)延評(píng)估的一部分。宏分集可合并同一時(shí)刻發(fā)生的信號(hào)，因此該功能的主要時(shí)延決定于一個(gè)連接中涉及的每個(gè)不同路徑分支的時(shí)延。


　�。�2）卷積碼和Turbo碼的交織


　　交織是物理層的一個(gè)功能，它將傳輸塊分為幾個(gè)無線幀。這些塊可能交織為1、2、4、8個(gè)傳輸塊。因此，交織可能給空中接口的數(shù)據(jù)流帶來一個(gè)較大的傳輸時(shí)延，而這個(gè)時(shí)延與交織因子成正比。Turbo碼有自己的交織機(jī)制，對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)來說，時(shí)延隨著塊大小增加而增加，隨著業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)速率減少而減少。


　�。�3）MAC層調(diào)度時(shí)延


　　對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)來說，它的資源分配是確定的，即其中的時(shí)延不能超過傳輸時(shí)間間隔（TTI）。實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)時(shí)延一般為20ms。AMR編解碼器需要20ms的數(shù)據(jù)捕獲時(shí)間，一旦數(shù)據(jù)被捕獲，信息包將發(fā)送到RLC進(jìn)行排隊(duì)。MAC-d立即在一個(gè)20ms的TTI中將其發(fā)送到基帶處理單元，因此MAC-d調(diào)度產(chǎn)生的時(shí)延能通過網(wǎng)絡(luò)側(cè)的編解碼器進(jìn)行彌補(bǔ)。而非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)使用共享信道，要求統(tǒng)計(jì)調(diào)度。盡管時(shí)延保證并不適用于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，但MAC調(diào)度時(shí)延對(duì)時(shí)延以及最終的QoS都將產(chǎn)生影響。MAC-d復(fù)用以及MAC-sh/c調(diào)度功能產(chǎn)生的時(shí)延決定于很多變量，如使用資源的負(fù)荷因子、業(yè)務(wù)源行為、TTI間隔、每個(gè)連接的峰值速率、UE和RNC之間的環(huán)回時(shí)延等。


　�。�4）重傳時(shí)延


　　在實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)承載中將不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)流的重傳。在非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)中，空中接口的傳遞保證通常是由RLC來完成的。一個(gè)傳輸塊需要重傳的數(shù)量對(duì)時(shí)延來說是一個(gè)倍增因數(shù)，即如果一個(gè)傳輸塊經(jīng)過兩次重傳成功，時(shí)延將是兩倍的物理層時(shí)延加上發(fā)送NAK信息到MAC所需要的時(shí)延，即：重傳時(shí)延=重傳次數(shù)*UE-SRNC環(huán)回時(shí)延


　�。�5）無線接口傳播時(shí)延


　　由于無線電波的傳播速率為300km/ms，無線接口的傳播時(shí)延可以忽略不計(jì)。


　　（6）處理時(shí)延


　　節(jié)點(diǎn)內(nèi)部處理時(shí)延主要是由軟件處理和節(jié)點(diǎn)內(nèi)部信息傳遞引起的。這部分時(shí)延必須考慮網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工程容量，因此只能給出一個(gè)粗略的估計(jì)。


　　2．傳輸網(wǎng)絡(luò)部分


傳輸網(wǎng)絡(luò)部分的延遲主要包括：復(fù)用和解復(fù)用時(shí)延、回放緩存時(shí)延、傳輸時(shí)延、介質(zhì)時(shí)延以及交換和交叉連接時(shí)延。


　　 (1)復(fù)用和解復(fù)用時(shí)延


　　 在點(diǎn)到點(diǎn)鏈路上的這一部分延遲，主要來源于ATM SAR子層的操作以及在CPS層中把信元和子信元復(fù)用到ATM鏈路上的操作。特別是在CPS發(fā)送緩沖區(qū)中的報(bào)文排隊(duì)延遲，它給PTD和PDV造成明顯的影響。


　�。�2）回放緩存時(shí)延


　　回放緩存用來消除由于傳輸網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計(jì)復(fù)用影響而產(chǎn)生的PDV。一旦PDV被消除，報(bào)文的重組則成功，最終從協(xié)議棧傳送過來的業(yè)務(wù)流就可以作為一個(gè)恒定的流傳給高層。如果在鏈路上已經(jīng)使用了最大延遲的組成部分，這一部分的回放延遲并不引入更多的延遲。


　�。�3）傳輸時(shí)延


　　這一部分代表了傳輸一個(gè)完整的ATM信元所引入的延遲。如果鏈路的吞吐量降低，傳輸延遲就會(huì)增加。這一部分的延遲被認(rèn)為是分割A(yù)TM，即把物理資源劃分成不同的接口而引入的。例如：PCM E1接口被劃分成一個(gè)Abis接口和一個(gè)Iub接口，以此來通過單個(gè)物理接口，連接一個(gè)既能支持GSM又能支持UMTS業(yè)務(wù)的站點(diǎn)。


　�。�4）介質(zhì)時(shí)延


　　在有線網(wǎng)絡(luò)上的傳輸時(shí)延可以假設(shè)為定值，并且同連接的長度成正比。相同的假設(shè)也可以適用于微波和衛(wèi)星線路，但是對(duì)于媒體延遲需要增加另外一個(gè)組件。這個(gè)組件用來考慮鏈路所使用的技術(shù)差別，即點(diǎn)到多點(diǎn)，點(diǎn)到點(diǎn)還是無線ATM。


　�。�5）交換和交叉連接時(shí)延


　　這部分的延遲僅僅來自于經(jīng)過UTRAN接口的交換節(jié)點(diǎn)(交叉連接設(shè)備)。它的值同插入節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)成正比，并且和每個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載緊密相關(guān)。一般定義300μs作為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)通過ATM交換機(jī)的最大延遲。



二、UTRAN時(shí)延估算


　　在宏分集的情況下，網(wǎng)絡(luò)的傳輸時(shí)延決定于各個(gè)分支路徑產(chǎn)生的時(shí)延。因此在進(jìn)行時(shí)延預(yù)算時(shí)，必須考慮兩條不同分支產(chǎn)生的時(shí)延。


　　從時(shí)延分析結(jié)果中可獲知不同分支路徑的時(shí)延差異情況以及在各個(gè)網(wǎng)絡(luò)元素中產(chǎn)生的時(shí)延。


　　綜上所述，在宏分集的情況下，經(jīng)過不同路徑信號(hào)產(chǎn)生的接入層時(shí)延是不同的。在進(jìn)行宏分集合并時(shí)必須考慮各個(gè)路徑 的時(shí)延情況。另外，從表1中可看出上下行鏈路時(shí)延的差異主要在處理時(shí)延方面，并針對(duì)Node B的處理時(shí)延進(jìn)行一下簡要的分析。在下行鏈路中，Node B的處理包括CRC計(jì)算、卷積碼/turbo碼編碼、交織、更軟切換分離、擴(kuò)頻和調(diào)制。而在上行鏈路中，Node B中的處理主要為解調(diào)、解擴(kuò)、解交織、卷積碼/turbo碼解碼、錯(cuò)誤檢查和測(cè)量。這些操作雖使用強(qiáng)大的DSP執(zhí)行，但也需要耗費(fèi)很多時(shí)間。因此，上行鏈路預(yù)計(jì)執(zhí)行所需功能需要的時(shí)延要高于下行鏈路。



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