摘要　基于HSPA的VoIP技术是目前3G研究一个热点问题，文章详细探讨了在3GPP R7 HSPA支持下的VoIP技术。研究结果表明，在同样端到端质量前提下，基于3GPP这个较高的VoIP频谱效率主要是因为3GPP在R5/R6/R7规范中对高级移动接收机算法和VoIP优化无线网络算法进行了优化。HSPA的VoIP频谱效率要高于基于电路交换的语音呼叫的频谱效率。研究还表明即使HSDPA没有软切换，HSPA的移动性解决方案仍然可以满足VoIP的需求。

1、引言

　　在蜂窝网络中，电路交换通常是提供语音业务的唯一方式。随着3G网络的引入，从WCDMA的R99开始，便可以通过蜂窝网络提供通话质量可接受的VoIP业务，同时其频谱效率要低于基于电路交换的VoIP。3GPP在R5和R6中分别引入了高速下行分组接入（HSDPA，High　Speed Downlink Packet Access）和高速上行分组接入（HSUPA，High Speed Uplink Packet Access），统称为HSPA技术，起初其目的是为了承载对延时不敏感的高速数据业务。随着技术的发展，3GPP在R6和R7中对技术进行了改进，减小了比特传输时延，从而可以在HSPA上实现VoIP业务。本文将详细说明R6和R7的技术改善对VoIP性能的影响。

2、3GPP R4中IP包头的压缩

　　我们知道对于典型的语音分组30字节，具有RTP/UDP包头的IPv6包头为60字节。因此，在没有包头压缩前提下，分组传输中的2/3都是包头开销。在HSPA中IP包头的压缩可以显著改善VoIP的业务效率。在R4中定义了鲁棒包头压缩（ROHC，Robust Header Compression），ROHC可以将数据包头压缩到几个字节。从图1可以看出在具有完全数据包头和压缩数据包头条件下所需的不同数据速率，可以明显看到所需的数据速率从近40kb/s下降到16kb/s。

图1　包头压缩与未压缩的VoIP速率的比较

　　HSPA的包头压缩在终端UE（User Equipment）和无线网络控制器RNC（Radio Network Controller）的第二层分组数据汇聚协议（PDCP，Packet Data Convergence Protocol）中进行，因此这种压缩方式不仅可以节省空中接口的容量，而且还可以节省Iub接口上的传输容量。数据包头的压缩位置如图2所示：

图2　PDCP层IP包头的压缩

3、3GPP R5/R6/R7中的增强技术

　　下面我们将给出3GPP R5/R6/R7中用于改善VoIP效率的HSPA增强技术。随后我们将详细分析这样的增强技术对VoIP性能的影响。

　　3.1　3GPP R5中的增强技术

　　在3GPP R5中与VoIP相关的增强技术有：

　　◆高速下行分组接入技术，提供了高速下行的数据传输速率；

　　◆几个并行用户的码字复用技术，从而可以同时支持多个低速连接；

　　◆从UE到Node B的信道质量指示符（CQI，Channel Quality Indicator），CQI可以用于增强的Node B分组调度；

　　◆服务质量（QoS，Quality of Service）差别参数。

　　3.2　3GPP R6中的增强技术

　　在3GPP R6中与VoIP相关的增强技术有：

　　◆高速上行分组接入，提供了高速上行的数据传输速率；

　　◆非调度的HSUPA传输，从而实现保证的比特速率并减小信令的分配；

　　◆高级HSDPA接收机：2天线Rake与1天线均衡器；

　　◆用于HSDPA的部分DPCH信道，从而可以减小低速率下行L1的控制开销；

　　◆在上行HS-DPCCH信道中增加了前置码和后置码，从而可以改善HSDPA分组确认的可靠性。

　　3.3　3GPP R7中的增强技术

　　在3GPP R7中与VoIP相关的增强技术有：

　　◆HSUPA中的上行门（Uplink Gating），用于减小低速数据L1的控制开销，上行门还可以节省UE终端的功耗；

　　◆高级HSDPA接收机：2天线均衡器；

　　◆上行分组捆绑技术：当一起发送两个VoIP分组时可以将其进行捆绑，从而减小控制开销，提高VoIP分组的传输效率：

　　◆HSDPA的不连续接收，从而可以降低移动终端的功耗。

4、R7中HSPA的移动性

　　HSDPA的切换如图3所示。对于下面的延时分析，我们假设信令无线承载（SRB，Signaling Radio Bearer）在下行映射到HS-DSCH信道上，在上行映射到E-DCH信道上，且TTI均为10ms。我们知道HS-DSCH是HSDPA的传输信道，而E-DCH则是HSUPA的传输信道。首先，当满足测量触发事件1d（最优小区改变）时，UE在信令无线承载上发送测量报告。传输从t1开始，RNC在t2时刻接收到消息。服务RNC将为目标Node B保留基站资源和Iub资源。该资源的预留通过使用预配置可以完成得非常快。一旦资源在t3时刻准备好，RNC将向UE发送无线承载重配置消息，此时UE还是从源Node B中接收数据。当UE对重配置消息进行解码，并且在有效时刻t4到期前，UE接收数据将从源小区切换到目标小区。UE开始监听目标小区的HS-SCCH信道，HS-SCCH信道是HSDPA下行的共享控制信道。UE也会测量目标小区的信道质量并发送目标小区的CQI报告。源小区该用户的MAC-hs在小区切换后将重置并将缓存的协议数据单元（PDU，Protocol Data Unit）删除。同时目标小区MAC-hs中的流控单元开始从服务RNC中请求PDU，这样便可以通过HS-DSCH向用户发送数据。在小区切换过程中RNC可以同时向两个Node B发送数据。当RNC从UE接收到重配置完成消息后，它便可以释放源小区的资源。

图3　HS-DSCH切换过程

　　传输时间间隔在图3中用时刻B表示，该时间可以忽略，因为UE从源小区到目标小区的切换是与网络同步的。因此HSPA对于像VoIP这样的低延时实时业务来说，可以提供无缝的移动性。

　　过程延时A定义为从t1开始，此时UE开始发送测量报告，终止时刻为t4，此时UE将从目标小区接收数据。该延时与信道状态和衰落变化情况相关。假设一个较低的RLC重传概率，那么该延时约为200ms～250ms。网络资源预留延时t3-t2取决于预配置的使用和无线网络的配置。对于切换过程来说，各个延时预算大约为t2-t1=50ms，t3-t2=50-100ms，t4-t3=100ms，整个切换延时大约为200～250ms。

　　下面我们简单地介绍一下语音业务端到端的延时。对于上行、下行的调度传输时延都假设为80ms。语音编译码延时假设为40ms，去抖动延时为20ms。网络延时假设为50ms（不包括空中接口延时）。这样整个延时为270ms，完全可以满足ITU的延时要求。

5、VoIP业务仿真的前提假设

　　仿真的环境是宏蜂窝场景，站址的距离为2.6km。多径属性为ITU Vehicular A 3km/h，小区为满负荷。

　　语音编解码为AMR 12.2kb/s，且激活因子为50%。

　　容量定义：不超过2%或者5%的中断率时每小