Voice over IP over Wireless 的優(yōu)化和容量評(píng)估

　　儲(chǔ)軼鋼　李爽

　　當(dāng)前，在所有公眾網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)都已超過或正在超過話音業(yè)務(wù)。移動(dòng)通信與Internet通信的結(jié)合已成為3G發(fā)展的主要推動(dòng)力，3G系統(tǒng)要求能支持在任何環(huán)境下144kb/s或384kb/s、低速移動(dòng)和室內(nèi)環(huán)境下2Mb/s的數(shù)據(jù)率。

　　到2003/2004年，移動(dòng)用戶將達(dá)10包。到2004年，Internet用戶也將達(dá)到10億，其中3.5億為移動(dòng)Internet用戶。

　　3G系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作正在進(jìn)行中，它將在2G系統(tǒng)（GSM、PDC、IS-136、和IS-95）所提供的服務(wù)基礎(chǔ)上提供高速率的數(shù)據(jù)服務(wù)，主要是分組數(shù)據(jù)，但也支持電路交換數(shù)據(jù)。

　　1 實(shí)時(shí)無線IP業(yè)務(wù)

　　在3G系統(tǒng)中，典型的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)是話音和視頻業(yè)務(wù)，還包括一些對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用。本文重點(diǎn)討論話音業(yè)務(wù)。3G系統(tǒng)的話音業(yè)務(wù)至少應(yīng)提供與2G系統(tǒng)相當(dāng)?shù)脑捯糍|(zhì)量和頻譜效率。然而，在實(shí)現(xiàn)話音業(yè)務(wù)方面，采用基于IP的傳輸技術(shù)卻存在許多技術(shù)難題，難以達(dá)到上述要求。因此，需要對(duì)VoIPoW（Voice over IP over wireless）進(jìn)行優(yōu)化。本文探討了這些問題，并對(duì)特定網(wǎng)絡(luò)中VoIPoW的生能進(jìn)行了評(píng)估。

　　2　無線鏈路的QoS概念

　　2.1UMTS和GSM/EDGE中的承載服務(wù)

　　在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，頻譜無疑是一種稀缺資源，因而對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行分類，保證系統(tǒng)容量和服務(wù)質(zhì)量，無疑是有益的。在UMTS和GSM/EDGE中，定義了四類服務(wù)：

　�。�1）會(huì)話服務(wù)類　針對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，例如普通電話話音、VoIP和電視會(huì)議。

　�。�2）流服務(wù)類　針對(duì)那些實(shí)時(shí)的視頻和音頻流，與會(huì)話業(yè)務(wù)不同，它是單向的。

　�。�3）交互式業(yè)務(wù)類　其中最典型的WWW瀏覽和遠(yuǎn)程登陸�；�本特點(diǎn)是請(qǐng)求-回應(yīng)樣式，但時(shí)延問題突出。

　�。�4）背景服務(wù)類　指那些盡力而為（best-effort）的服務(wù)，例如E-mail和SMS等。

　　2.2對(duì)話音服務(wù)的要求

　　通常，來自話音編碼器的一幀中的比特被劃分成1a、1b和2三類。這些類對(duì)比特差錯(cuò)的敏感度是不一樣的，1a包括那些最為敏感的比特，2則相反。在典型的2G系統(tǒng)中，1a類的比特由一個(gè)CRC（Cyclic redundancy code）覆蓋，該方案稱為不對(duì)等差錯(cuò)檢測(cè)（UED）。當(dāng)不采用UED方案時(shí)，可采用對(duì)等差錯(cuò)檢測(cè)（EED）方案，此時(shí)，一個(gè)CRC碼覆蓋整個(gè)話音幀。比特差錯(cuò)率的計(jì)算僅包含那些差錯(cuò)率應(yīng)盡量靠近0。假如不采用不對(duì)等差錯(cuò)保護(hù)（UEP），而采用UED，1a中的最低FER(frame error rate)和1b類的最低BER（bit error rate）要求構(gòu)成信道要求。

　　ITU-T建議的單向時(shí)延限制如下：

　�。�1）0-150ms對(duì)大多數(shù)應(yīng)用是可以接受的；

　�。�2）如果傳輸時(shí)間對(duì)質(zhì)量的影響是明確的，150-400ms也是可接受的。

　�。�3）超過400ms，對(duì)大多數(shù)應(yīng)用是不可接受的，只有在一些特殊情況下（例如衛(wèi)星通信），這個(gè)限制才可突破。

　　典型2G系統(tǒng)的單向時(shí)延低于100ms，因此要獲得同樣的端-端質(zhì)量，對(duì)一個(gè)3G系統(tǒng)會(huì)話業(yè)務(wù)來說，單向時(shí)延必須低于100ms。

　　3　實(shí)時(shí)IP的首標(biāo)壓縮

　　毫無疑問，對(duì)無線VIP來說，協(xié)議首標(biāo)構(gòu)成的開銷就成了一個(gè)主要問題，對(duì)于一個(gè)帶有話音數(shù)據(jù)的IP包，其中IP首標(biāo)是20byte，總開銷為40byte。而在IPv6中，IP首標(biāo)是40個(gè)byte，這樣總開銷就增加到60byte。話音數(shù)據(jù)的大小取決于編碼器，最小到15-20byte。因此，對(duì)于IP數(shù)據(jù)包是否在空中傳輸，就有很大的爭(zhēng)論。若IP/UDP/RTP首標(biāo)占用太多帶寬，頻譜就不能有效利用。當(dāng)然，如果采用首標(biāo)壓縮，還是可以解決這一問題的。

　　話音包中的首標(biāo)信息都是必不可少的，但是因?yàn)橥�一�?shù)據(jù)流的連續(xù)包的首標(biāo)之間，存在時(shí)間上的冗余度，因此可以通過壓縮算法來壓縮首標(biāo)。這些算法保持一個(gè)基準(zhǔn)，它是未被壓縮的，而其它只需攜帶變化的信息，沒有變化的首標(biāo)根本無須傳輸，變化較少的也只需很少幾個(gè)比特就可更新。但是，當(dāng)信道上幀丟失或受損時(shí)，基準(zhǔn)就不能正確更新，后繼首標(biāo)的解壓也會(huì)出錯(cuò)。因此，首標(biāo)壓縮必須有一套機(jī)制，以建立基準(zhǔn)，并檢測(cè)基準(zhǔn)是否過期，必要時(shí)修復(fù)它。

　　若干種首標(biāo)壓縮算法正在由IETF（Internet Engineering Task Force）標(biāo)準(zhǔn)化。對(duì)于VIP,CRTP（Compression for real-time protocol）可以把40byte的IPv4/UDP/RTP首標(biāo)最低壓縮到2byte。為了修復(fù)基準(zhǔn)，CRTP需要有一個(gè)上行鏈路，通過這個(gè)鏈路，解奪器發(fā)送更新首標(biāo)的請(qǐng)求。鏈路上來回的時(shí)間將限制這種基準(zhǔn)修復(fù)機(jī)制的有效性。鏈路級(jí)的模擬表明，CRTP的包丟失率大約比基于WCDMA的最優(yōu)化方案大4倍。就現(xiàn)實(shí)而言，無線VIP首標(biāo)壓縮方案至少要比CRTP更有效、更具魯棒性。愛立信為此提出了一種壓縮率更高，并能更可靠地適應(yīng)無線應(yīng)用的方案，此方案稱為ROCCO（robust checksum-based header compression）。它主要趨向于在本地進(jìn)行基準(zhǔn)的修復(fù)，一個(gè)覆蓋未壓縮首標(biāo)的校驗(yàn)測(cè)出下列情況：（1）基準(zhǔn)過期（2）本地成功地修復(fù)了基準(zhǔn)。為了得到較好的效果，愛立信還引進(jìn)了壓縮檔次（profiles）的概念。為了得到最優(yōu)化的效果，不同的壓縮檔次處理不同的RTP流和信道條件。針對(duì)話音和視頻流，不同的檔次正在發(fā)展之中，一種通用的檔次是必要的。除了ROCCO首標(biāo)校驗(yàn)元外，一個(gè)包含在壓縮后的首標(biāo)的地兇為解壓器提供了首村的變化信息。對(duì)于ROCCO VIP而言，這個(gè)碼元包含了足夠多的關(guān)于先前的首標(biāo)的信息，所以可以本地修復(fù)基準(zhǔn)。壓縮率最高的檔次是壓縮后首標(biāo)為1byte。這種算法具有能夠在本地修復(fù)基準(zhǔn)的特點(diǎn)，降低了來回時(shí)間就工對(duì)首標(biāo)壓縮效果的負(fù)面影響。

　　4　評(píng)估VoIPoW的容量

　　對(duì)基于WCDMA的UMTS系統(tǒng)中IP業(yè)務(wù)靈活性的引入對(duì)容量的影響，進(jìn)行了系統(tǒng)模擬定量分析。模擬的重點(diǎn)放在無線鏈路上（無線鏈路被認(rèn)為是整個(gè)系統(tǒng)的瓶頸部分），考慮了下列4種情況（每一種代表不同的技術(shù)方案）：

　�。�1）帶有對(duì)等差錯(cuò)保護(hù)的電路交換話音服務(wù)，作為基準(zhǔn)；

　　（2）帶有完整的RTP/UDP/IP首標(biāo)的IP話音、并在空中傳送完整的首標(biāo)

　　（3）帶有CRTP首標(biāo)壓縮的IP話音服務(wù)；

　�。�4）帶有ROCCO首標(biāo)壓縮的IP話音服務(wù)。

　　每一種情況的數(shù)據(jù)都是在一個(gè)WCDMA系統(tǒng)模擬器中推導(dǎo)的。該模擬器建立了一個(gè)三扇區(qū)分割的小區(qū)模型。在模擬過程中，移動(dòng)呼叫持續(xù)時(shí)間按指數(shù)分布，平均為120s。呼叫中，移動(dòng)終端發(fā)送或接收來自AMR（adaptive multirate）1.2編碼器模型的話音幀。呼叫之前或之后，一些與IP有關(guān)的信令（H.323和RSVP）通過無線鏈路發(fā)送，這個(gè)模型不包括呼叫過程中的RTCP和RSVP信令。

　　因?yàn)樵谀�擬器衡量主觀話音質(zhì)量很困難，所以通過FER衡量單次連接的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)表明，主觀質(zhì)量和FER是密切相關(guān)的。系統(tǒng)質(zhì)量的主要衡量依據(jù)是質(zhì)量可接受的連接數(shù)目，在這里可接受定義為至少95％的連接FER低于1％若給定質(zhì)量級(jí)別，容量定義為所能達(dá)到的最大負(fù)載。

　　模擬結(jié)果表明，在低負(fù)載情況下，系統(tǒng)干擾比較小，質(zhì)量也比較好。當(dāng)負(fù)載上升時(shí)，干擾增加，在某些點(diǎn)上系統(tǒng)超載，在這種情況下，我們達(dá)到了系統(tǒng)的容量限。當(dāng)完整的首檣在空中傳輸時(shí)，容量大約為基準(zhǔn)的50％，當(dāng)采用CRTP時(shí)，容量大約為80％；采用ROCCO時(shí)，容量大約為90％。RSVP和RTCP對(duì)容量的影響取決于它們被削減和壓縮的程度，否則就將抵消首標(biāo)壓縮的效果。

　　VoIPoW的主工目標(biāo)是在IP平臺(tái)上加入話音業(yè)務(wù)，同時(shí)保持與2G相當(dāng)?shù)姆��?wù)質(zhì)量和頻譜效率。通過引入業(yè)務(wù)分類和首標(biāo)壓縮，我們可以獲得具有較高頻譜效率的VoIPoW服務(wù)，話音質(zhì)量和IP服務(wù)靈活性也能令人滿意�？梢灶A(yù)料，當(dāng)話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)同時(shí)出現(xiàn)于3G系統(tǒng)時(shí)，分組數(shù)據(jù)移動(dòng)性和話音移動(dòng)性是促進(jìn)全球范圍內(nèi)移動(dòng)用戶爆炸性增長(zhǎng)的一個(gè)關(guān)鍵因素。

摘自《電信快報(bào)》2001.10