李海文，余 剛，黃 偉，金成江

(重慶通信學院，重慶 400035)

責任編輯:許 盈

PoC(Push to Talk over Cellular)，是指基于2.5G/3G移動蜂窩網(wǎng)絡分組域承載，利用VoIP技術(shù)實現(xiàn)的半雙工語音業(yè)務，能夠為用戶提供單呼、群/組呼叫，群組管理，用戶分級，狀態(tài)實時呈現(xiàn)等類似集群通信的功能［1］。

對UMTS系統(tǒng)來說，支持分組業(yè)務的HSDPA和EDCH推出，大大促進了用戶對持續(xù)連接的愿望。UMTS小區(qū)內(nèi)的大多數(shù)用戶希望如同使用固定網(wǎng)絡(如ADSL)一樣，在長時間保持連接過程中即使只有偶爾的數(shù)據(jù)發(fā)送——如在Web瀏覽的閱讀期間或數(shù)據(jù)包發(fā)送的間隔之間(如VoIP等)，卻可以避免頻繁的連接終止和重新建立，以及由此而帶來的開銷和延遲［2－3］。

但網(wǎng)絡為了節(jié)省資源，當檢測到在一段時間內(nèi)沒有任何用戶數(shù)據(jù)發(fā)送時，就會終止連接。等有新的數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)臅r候，再重新建立連接。這種頻繁的連接終止和重連，相應的信令開銷和延遲，勢必會影響用戶的感受，尤其是對實時性要求很高的用戶(如PoC用戶)。為此3GPP提出了CPC(Continuous Packet Connectivity)技術(shù)的概念，其主要思路就是以最小的資源開銷(碼和功率等)，使得用戶長時間保持在CELL－DCH RRC連接狀態(tài)，從而滿足實時性較強的分組數(shù)據(jù)業(yè)務的性能要求。

本文主要對PoC基本架構(gòu)進行了分析，并對其時延要求嚴格的實時性強的特點，研究分析了CPC采用的關鍵技術(shù)，以及設計實現(xiàn)方案，最后結(jié)合VoIP傳輸?shù)奶攸c，對系統(tǒng)的容量進行仿真分析。

1 PoC系統(tǒng)架構(gòu)

基于TD－SCDMA網(wǎng)絡實現(xiàn)PoC業(yè)務目前主要有兩種實現(xiàn)方式，一種是通過PS域來實現(xiàn)，另一種是通過IMS來實現(xiàn)。

1.1 基于PS域

基于PS域?qū)崿F(xiàn)PoC的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖1所示，直接在UMTS核心網(wǎng)的GGSN上增加業(yè)務服務器實體，全國范圍內(nèi)只設置一套PoC服務器平臺和一套用戶數(shù)據(jù)庫，PoC平臺具有私網(wǎng)地址，供用戶訪問該業(yè)務。該方案組網(wǎng)簡單，可以很快開展業(yè)務。缺點是服務器復雜，互聯(lián)互通性差。但鑒于目前現(xiàn)實網(wǎng)絡的實際情況，仍有研究設計的必要性。

PoC業(yè)務平臺是提供PoC業(yè)務的核心系統(tǒng)設備。PoC客戶端通過3G的PS域網(wǎng)絡接入PoC業(yè)務平臺。PoC業(yè)務平臺通過與公共鑒權(quán)服務器相連實現(xiàn)對用戶和消息的鑒權(quán)，通過Presence服務器能實現(xiàn)PoC用戶的狀態(tài)呈現(xiàn)，以及用戶管理和計費等相關功能。

1.2 基于IMS的PoC

圖1 基于PS域PoC網(wǎng)絡架構(gòu)

3GPP在R5版本中引入了IMS，此外OMA 組織制定的PoC標準也是基于IMS的。如圖2所示，基于IMS的PoC業(yè)務是在IMS框架中使用PoC服務器［4］。

圖2 基于IMS的PoC架構(gòu)

PoC Server使用基于IMS核心網(wǎng)提供尋址、選路和漫游功能。用戶終端發(fā)出的SIP消息通過IMS核心網(wǎng)的PCSCF，I－CSCF，S－CSCF 路由到 PoC 服務器進行處理，CSCF承擔了SIP/IP Core的功能。

IMS對PoC的支持就是SIP/IP Core對PoC的支持，主要實現(xiàn)PoC業(yè)務的注冊、SIP信令路由、SIP信令壓縮、地址解析、計費等功能。

基于IMS的PoC漫游性和互通性好，多業(yè)務之間調(diào)用簡單，考慮到UMTS網(wǎng)絡的演進，是未來發(fā)展多媒體業(yè)務的方向。但對現(xiàn)網(wǎng)改造大，體系結(jié)構(gòu)龐大而嚴謹，技術(shù)難度高，需要增加IMS域?qū)嶓w，是實現(xiàn)PoC的第二階段。

2 RRC連接模式下狀態(tài)

對于TD－SCDMA網(wǎng)絡來說，UE有空閑模式和連接模式兩種運行模式［5］。其中，UE連接模式共有4種狀態(tài):CELL_PCH，URA_PCH，CELL_FACH，CELL_DCH。這 4種狀態(tài)在一定條件下相應的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖3所示。當UE發(fā)起RRC連接建立后，才會從空閑模式轉(zhuǎn)移到連接模式下的CELL_FACH狀態(tài)或CELL_DCH狀態(tài)。如果連接建立失敗，則返回空閑模式。當RRC連接釋放后，UE從連接模式到空閑模式。

對于處于RRC連接的4種狀態(tài)，適應的應用場景是不同的，其中CELL_DCH存在專用的物理信道連接，適用于實時的、連續(xù)的或大量的數(shù)據(jù)傳輸。其余的4種狀態(tài)不存在專用的物理信道，適用于盡力而為的業(yè)務。

對于PoC業(yè)務而言，屬于對實時要求很高的話音業(yè)務，要求呼叫建立的時延小于2 s，同時具有狀態(tài)呈現(xiàn)的功能。因此，理想的狀態(tài)是希望PoC完成注冊成功后，UE就維持在CELL_DCH狀態(tài)。但這樣會浪費很多寶貴的無線資源、減小系統(tǒng)容量、縮短UE的待機時間等。因此，沒有實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候就會發(fā)生圖3所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)移。

圖3 TD終端狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

3 CPC關鍵技術(shù)

當UE處于CELL_DCH狀態(tài)時，其相應的控制通道和專用信道被占用，將極大地限制網(wǎng)絡本能有效支持的用戶數(shù)量。如果把暫時沒有數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈e置期間專用通道完全釋放，當有新數(shù)據(jù)傳輸時，重新建立連接又會造成相當大的延遲，這種延遲會給用戶帶來很明顯的感知。

對于采用CPC技術(shù)的TD系統(tǒng)而言，在CELL_DCH下，能使得用戶可以有效地保持在較長的一段時間，并可以在暫時的、非激活的周期后用更短的延遲(t＜100 ms)重新啟動，反應時間t將小于重新建立一個新的連接所必需的時間。同時CPC技術(shù)中去掉了上下行伴隨DPCH的限制，從而提高了系統(tǒng)容量［6］。

在TD－SCDMA HSPA+系統(tǒng)中，CPC技術(shù)作為一個處于CELL_DCH狀態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕鉀Q方案，主要對于實時性要求較高的業(yè)務(如VoIP)進行了優(yōu)化，由于VoIP數(shù)據(jù)包較小，控制信道HS－SCCH和E－AGCH帶來的開銷相對于業(yè)務數(shù)據(jù)比較大。為了減小控制信道的開銷，CPC提出了半持續(xù)調(diào)度技術(shù)。

此外CPC技術(shù)還采用了DTX和DRX技術(shù)，以減少處于CELL_DCH狀態(tài)的UE的功耗。

3.1 上行半持續(xù)性調(diào)度

對于上行傳輸而言，E－AGCH對每個E－DCH傳輸都增加了顯著的開銷。雖然開銷相對于傳輸較大的數(shù)據(jù)包而言比較小，但對于基于PS/IMS的實時業(yè)務來說(如VoIP)，卻不能忽略。通過允許UTRAN分配一種半持續(xù)性的或長期的資源，可以減小這種開銷，同時Node B可以調(diào)整傳輸過程中的資源。當UE使用這種資源發(fā)送新的數(shù)據(jù)時，UE應該等待來自Node B的反饋，通過檢測相應的E－HICH，即對于非調(diào)度的E－DCH來說，在半持續(xù)性調(diào)度或長期資源分配情況下，應使用E－HICH［7］。

通過半持續(xù)性的調(diào)度方法，可以減少控制通道開銷，同時可提高VoIP容量。E－AGCH信道被釋放，以用于其他服務和其余UE。

上行半持續(xù)調(diào)度應遵循的原則:

1)長期資源分配應在上行引入，且這種分配可以通過Node B進行動態(tài)調(diào)整。

2)如果長期資源分配存在，對于非調(diào)度的E－DCH來說，應該使用E－HICH。

3)當UE從VoIP激活期到VoIP靜默期進行傳輸時，Node B可以重新分配給UE半持續(xù)的資源。

3.2 下行半持續(xù)性調(diào)度

類似于上行傳輸，下行HS－SCCH對每個HS－DSCH的傳輸也都增加了顯著的開銷。下行半持續(xù)調(diào)度可以減小這種開銷。當半持續(xù)的HS－DSCH資源配置給UE時，首傳HS－DSCH時沒有附帶的HS－SCCH。同時首傳HSDSCH的HARQ重傳都伴隨著一個新格式的HS－SCCH。通過這種半持久性的調(diào)度方法，可以減少控制通道的開銷，提高VoIP容量。

下行半持續(xù)調(diào)度遵循的原則:

1)當半持續(xù)性的HS－DSCH資源為UE配置時，在半持續(xù)性HS－DSCH資源的HS－DSCH的首傳是沒有附帶的HS－SCCH。

2)Node B可以分配和重新分配給UE半持久性的資源。

4 VoIP模型與資源重配過程設計

4.1 VoIP業(yè)務模型

典型的話音用戶的到達服從泊松分布過程，即

式(1)表示在時間間隔t內(nèi)有n個話音用戶到達的概率表達式，又由于話音業(yè)務的語音激活的特點，可將通話中的用戶建模為兩個狀態(tài)的馬爾可夫模型，如圖4所示。

圖4 話音激活模型

4.2 下行資源重配過程設計

對于上下行資源的重配來說，都可采用明確的狀態(tài)轉(zhuǎn)換機制進行語音業(yè)務處理模式。這是因為明確的狀態(tài)轉(zhuǎn)換機制使用快速重新配置的過程進而來改變不同狀態(tài)的物理資源。

對于下行，當Node B根據(jù)緩存器的狀態(tài)檢測到狀態(tài)切換時，Node B應使用的HS－SCCH以重新配置UE的物理資源。過程如圖5所示。

圖5 下行資源重配過程

1)當Node B根據(jù)UE的緩存器，檢測到話音從激活狀態(tài)到靜默狀態(tài)時，Node B應通過HS－SCCH命令發(fā)送重新配置命令，進而重新配置UE的物理資源。物理資源包括信道編碼資源和Rx模式。

2)當Node B根據(jù)UE的緩存器檢測到狀態(tài)從靜默期到激活期時，Node B應使用HS－SCCH命令重新配置UE的物理資源。

4.3 上行資源重配過程設計

上行快速的重新配置命令通過E－AGCH來進行。具體過程如圖6所示。

圖6 上行資源重配過程

1)當Node B根據(jù)SI信息的緩存器的狀態(tài)，檢測到狀態(tài)從激活狀態(tài)切換到靜默狀態(tài)時，Node B將通過EAGCH發(fā)送重新配置命令進行UE物理資源的重新配置。物理資源包括信道編碼資源和Tx模式。

2)當Node B根據(jù)SI信息的緩存器狀態(tài)，檢測到狀態(tài)從靜默狀態(tài)切換到激活狀態(tài)時，Node B應使用EAGCH重新配置UE物理資源。

5 上行傳輸仿真分析

Node B可以為上行鏈路的VoIP傳輸進行半持續(xù)的資源分配，通過E－AGCH Node B可以調(diào)整資源分配。當半持續(xù)的資源分配給UE，UE在E－PUCH信道上分配的TTIs內(nèi)發(fā)送上行數(shù)據(jù)。

5.1 VoIP從激活期到靜默期

Node B接收E－PUCH的上行數(shù)據(jù)，判斷UE的發(fā)送是否是從VoIP的激活期到靜默期。如果UE是從激活期到靜默期，Node B重新分配E－PUCH物理資源，并通過E－AGCH通知UE。一旦UE收到E－AGCH，UE將在EPUCH信道上發(fā)送上行數(shù)據(jù)，在由E－AGCH指定的TTIs內(nèi)，E－PUCH占用了分配的物理資源。

5.2 VoIP從靜默期到激活期

當UE從靜默期到激活期時，UE應當通過MAC－e PDU或E－RUCCH報告SI以請求更多的物理資源。一旦Node B收到請求后，Node B重新分配E－PUCH資源，并通過E－AGCH通知UE。

5.3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)上述上行傳輸方案，設定主要仿真條件如表1所示。

表1 主要仿真條件

在上述條件下，經(jīng)過仿真得到用戶滿意率與小區(qū)用戶數(shù)關系如圖7所示。

圖7 用戶滿意率和小區(qū)用戶數(shù)關系圖

由圖7可以看出，若以超過95%以上的用戶滿意為標準，一個小區(qū)的VoIP容量，即VoIP滿意用戶的數(shù)量如表2所示。

表2 BLER Target與用戶數(shù)關系

上述仿真是針對VoIP進行的，方案中話音沒有采用SIP協(xié)議。對于TD－SCDMA系統(tǒng)來說，單載波一個小區(qū)內(nèi)最大的話音用戶最大為23個，由此根據(jù)圖7和表2可知，采用該傳輸方案，可提高物理資源利用效率和VoIP容量。因此對于單小區(qū)內(nèi)的PoC用戶而言，發(fā)起上行會話呼叫的用戶數(shù)將略小于本方案仿真的用戶數(shù);而下行信道若采用多播信道或廣播信道，那么對于接聽者的數(shù)量將是不受限的。

6 小結(jié)

本文針對PoC對時延要求嚴格和基于TD網(wǎng)絡實現(xiàn)的功能架構(gòu)，研究了維持CELL_DCH狀態(tài)且暫時非激活的用戶當有業(yè)務傳輸時能擁有更快的反應、更短的連接時延，同時能減少控制通道影響的CPC技術(shù)。針對CPC技術(shù)重點研究了上下行半持續(xù)調(diào)度技術(shù)，并對其進行方案設計，最后針對上行半持續(xù)調(diào)度，本文進行了VoIP方案設計，通過仿真分析可以看出物理資源利用率得到了提高，同時增加了系統(tǒng)的VoIP用戶數(shù)，對PoC業(yè)務的開展提供了可靠的技術(shù)支持。

［1］OMA－RD－PoC－V1_0－20060609－A，Push to talk over cellular requirements approved version 1.0［S］.2006.

［2］常永宇.TD－HSPA移動通信技術(shù)［M］.北京:人民郵電出版社，2008.

［3］袁艷，申敏.基于HSPA+的TD－MBMS網(wǎng)絡架構(gòu)設計［J］.電視技術(shù)，2008，32(6):55－57.

［4］3GPP TR 23.979，Push－to－talk over cellular(PoC)services R6［S］.2005.

［5］3GPP TS 25.331，Radio resource control(RRC)R5［S］.2008.

［6］3GPP TR 25.903，Continuous connectivity for packet data users R7［S］.2007.

［7］3GPP TR 25.929，Continuous connectivity for packet data users for TDD R8［S］.2009.