提高WCDMA基站传输效率的一种有效策略
1、 移动数据业务市场发展趋势
与第二代移动通信系统相比，WCDMA网络将不再局限于语音和低速数据业务，而是同时提供可视电话、高速因特网接入、视频流和网络游戏等移动数据业务，无线承载类型除了AMR语音之外，还包括CSD64、PS128、PS384等数据业务能力。在3GPP TS22.105规范中，根据无线承载特性的不同，将UMTS业务分为会话类、流媒体类、交互类和后台类四种。
图一 UMTS无线接入承载业务特性
对于大多数WCDMA运营商而言，虽然在WCDMA建网初期仍然以话音业务为主，但带宽移动数据应用将是3G业务新的增长点，这一发展趋势正日益显现。根据DrKW Equity Research对欧洲市场移动业务发展的研究预测，到2010年移动视频业务和分组数据业务(如Internet, email等应用)的使用量将会超越话音业务。
图二 欧洲市场移动业务量增长预测
事实上，国外很多移动运营商，如NTT-Docomo、Vodafone、Orange和Cingular等已不再满足于3GPP R99的数据业务能力，计划在2005年逐渐引入3GPP R5中下行无线增强技术－HSDPA(高速下行分组接入)以提供更高速、更大容量和更丰富的移动数据应用，在移动通信市场上争取更大的竞争优势。
2、3G与2G的业务差异对基站传输带来的影响
在3GPP R99和R4规范中为了保证多业务传送的QoS性能和通过统计复用提高带宽效率，选取了面向连接的ATM作为UTRAN网络Iub、Iur和Iu接口的传输层协议；与2G基站的传输方式相比， R99和R4中的Iub的物理接口虽然仍以E1和STM-1为主，但由于业务类型发生了变化，因此在传送层带宽配置方面面临新的问题。
首先，数据业务具有较强的突发性，峰/均值比高，在高突发性数据业务的影响下，如果仍然沿用2G网络中面向话音业务、基于平均话务量的固定带宽配置方式，很难兼顾不同业务的服务质量(如会话类业务的时延及时延抖动和)和链路利用率：
1）如果采用恒定比特率(CBR)方式为各类业务分别配置固定带宽的VCC，只能通过“超量配置”(over-provisioning)满足各类业务的峰值带宽需求，而且预先固定带宽划分方式，难以适应变化的业务的比例构成，丧失了ATM统计复用的优势；
2）如果不对业务加以区分，各类业务共享同一个恒定比特率(CBR)带宽VCC，为了减轻突发的数据业务对语音等会话类业务QoS的影响，也只能通过“超量配置”、降低传输带宽负荷(占用率)来确保实现后者在时延、时延抖动方面的要求。
另外，即使高速数据用户的比例很小或忙时平均数据吞吐率较低，当一个激活的PS384用户跨基站切换时，相当于十几甚至几十个话音用户的切换。由于其颗粒度较大，对带宽配置提出新的挑战：如果沿用2G网络中基于平均话务量的固定配置方式，很容易因传输带宽配置不足而造成呼损。
因此，有必要研究如何根据3G不同业务类型特点，充分发挥ATM统计复用的特点，在满足各类业务QoS需求的前提下，提高传输带宽利用率，减轻及延缓传输扩容带来的投资负担。
3、利用多优先级发送功能提高传输带宽利用率
根据时延要求的不同，可以将Iub接口的业务量大致划分为以下四类：
1）控制平面的NBAP信令消息，例如无线链路的建立、软切换的执行等过程的信令消息；考虑到对网络性能(KPI)的影响，其时延要求最严格，排队时延一般应控制在ms量级；
2）对时延敏感的话音、可视电话等会话类业务及视频流业务；以UE-UE话音呼叫为例,由于端到端的时延须控制在250ms左右，扣除抽样、编码、交织和结点处理等时延，在Iub接口上的排队时延和抖动应控制在10ms左右；
3）时延要求相对较低的交互及后台类(I/B)业务，如移动因特网应用；其端到端的时延通常在秒级，因此在Iub接口上的排队时延从用户体验的角度看没有严格要求；
4）管理维护（OAM）信息，如软件下载、性能及故障管理中的信息传递；其实时性要求最低，带宽需求甚至可以不做硬性规定，例如软件下载可选在非忙时进行。
它们正好映射为ATM中的rt-VBR、nrt-VBR和UBR业务：
1）实时可变比特率业务(rt-VBR)：适用于需要最小信元迟延变化(CDV)和信元传输迟延(CTD)的应用，如语音和视频，其连接特征由峰值信元率(PCR)、可维持信元率(SCR)和最大突发长度(MBS)规定，信源期望以可变速率发送信元；
2）非实时可变比特率业务(nrt-VBR)：具有突发业务的非实时应用，其连接特征由PCR、SCR和MBS规定，期望在所协商范围内传输的信元具有较低的信元丢失率(CLR)，支持统计复用，不规定信元迟延上限；
3）未指定比特率业务(UBR)：无传输时延要求和硬性带宽要求，优先级最低，但增强型未指定比特率业务(UBR+)可设置最小信元速率(MCR)。
因此，根据上述各种业务不同的传输时延和时延变化的要求，可以通过RNC和NodeB的业务类型梳理功能，将其分别映射到不同的发送优先级队列中（优先级反映业务量发送的急迫程度）：NBAP信令和rt-VBR业务拥有最高的发送优先级，其次是nrt-VBR业务，而基于UBR+的OAM业务的发送优先级最低。
图三 Iub接口ATM配置
图四 ATM的多优先级发送
这样可以保证高优先级类业务(控制平面消息和DS类用户业务)的Qos要求，使NDS类业务量对DS类业务的时延不产生大的影响；反之，如果不做业务分类，DS类与NDS类业务混在一个共享队列中，只有通过降低电路负荷（即提高工程余量），才能满足DS类业务的对延迟要求。
相关仿真研究表明，就单条E1链路而言，当不采用多优先级发送时，受NDS业务的影响，DS业务将经受较大的排队时延：当链路负荷超过35%时，时延达到几十ms，这对于端到端业务质量而言这是难以接受的；反之，如果采用多优先级发送功能，DS业务的排队时延可以稳定地控制10ms以内，链路负荷可以超过70％。与前一种方式相比，带宽使用率几乎提高了一倍。
图五 多优先级发送功能对话音信元时延和传输链路利用率的影响
此仿真基于以下业务参考模型：
表一 呼叫参考模型
与CBR固定带宽划分方式不同，基于rt-VBR、nrt-VBR和UBR+的多优先级传送方式，无论是在单条E1还是在IMA E1组内，都可以充分发挥ATM的统计复用优势，每个VCC的峰值信元率（PCR）都可以达到1920kb/s(单条E1)或n*1920kb/s(IMA n*E1)，显著降低了信令和话音业务的传送时延，也能更好地应对突发性高速数据带宽需求。
四、小结
在实现Ethernet-To-NodeB(即3GPP R5中定义的IP UTRAN选项)之前，WCDMA的基站传输仍将以E1或STM-1为主，但随着数据业务的不断发展和HSDPA技术的引入，Iub接口带宽需求将会越来越大，其中的数据业务的比例也将显著提高。如果对ATM技术的统计复用和业务类型划分功能不加以充分利用，仍然沿用2G网络中面向纯话音的固定带宽配置方法，将很难兼顾不同业务的服务质量和带宽利用率。而通过本文中所介绍基于多优先级发送功能的传输解决方案，不仅能显著提高E1的传输带宽利用率，而且可以更好地满足各类业务的QoS需求。
与第二代移动通信系统相比，WCDMA网络将不再局限于语音和低速数据业务，而是同时提供可视电话、高速因特网接入、视频流和网络游戏等移动数据业务，无线承载类型除了AMR语音之外，还包括CSD64、PS128、PS384等数据业务能力。在3GPP TS22.105规范中，根据无线承载特性的不同，将UMTS业务分为会话类、流媒体类、交互类和后台类四种。
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对于大多数WCDMA运营商而言，虽然在WCDMA建网初期仍然以话音业务为主，但带宽移动数据应用将是3G业务新的增长点，这一发展趋势正日益显现。根据DrKW Equity Research对欧洲市场移动业务发展的研究预测，到2010年移动视频业务和分组数据业务(如Internet, email等应用)的使用量将会超越话音业务。
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事实上，国外很多移动运营商，如NTT-Docomo、Vodafone、Orange和Cingular等已不再满足于3GPP R99的数据业务能力，计划在2005年逐渐引入3GPP R5中下行无线增强技术－HSDPA(高速下行分组接入)以提供更高速、更大容量和更丰富的移动数据应用，在移动通信市场上争取更大的竞争优势。
2、3G与2G的业务差异对基站传输带来的影响
在3GPP R99和R4规范中为了保证多业务传送的QoS性能和通过统计复用提高带宽效率，选取了面向连接的ATM作为UTRAN网络Iub、Iur和Iu接口的传输层协议；与2G基站的传输方式相比， R99和R4中的Iub的物理接口虽然仍以E1和STM-1为主，但由于业务类型发生了变化，因此在传送层带宽配置方面面临新的问题。
首先，数据业务具有较强的突发性，峰/均值比高，在高突发性数据业务的影响下，如果仍然沿用2G网络中面向话音业务、基于平均话务量的固定带宽配置方式，很难兼顾不同业务的服务质量(如会话类业务的时延及时延抖动和)和链路利用率：
1）如果采用恒定比特率(CBR)方式为各类业务分别配置固定带宽的VCC，只能通过“超量配置”(over-provisioning)满足各类业务的峰值带宽需求，而且预先固定带宽划分方式，难以适应变化的业务的比例构成，丧失了ATM统计复用的优势；
2）如果不对业务加以区分，各类业务共享同一个恒定比特率(CBR)带宽VCC，为了减轻突发的数据业务对语音等会话类业务QoS的影响，也只能通过“超量配置”、降低传输带宽负荷(占用率)来确保实现后者在时延、时延抖动方面的要求。
另外，即使高速数据用户的比例很小或忙时平均数据吞吐率较低，当一个激活的PS384用户跨基站切换时，相当于十几甚至几十个话音用户的切换。由于其颗粒度较大，对带宽配置提出新的挑战：如果沿用2G网络中基于平均话务量的固定配置方式，很容易因传输带宽配置不足而造成呼损。
因此，有必要研究如何根据3G不同业务类型特点，充分发挥ATM统计复用的特点，在满足各类业务QoS需求的前提下，提高传输带宽利用率，减轻及延缓传输扩容带来的投资负担。
3、利用多优先级发送功能提高传输带宽利用率
根据时延要求的不同，可以将Iub接口的业务量大致划分为以下四类：
1）控制平面的NBAP信令消息，例如无线链路的建立、软切换的执行等过程的信令消息；考虑到对网络性能(KPI)的影响，其时延要求最严格，排队时延一般应控制在ms量级；
2）对时延敏感的话音、可视电话等会话类业务及视频流业务；以UE-UE话音呼叫为例,由于端到端的时延须控制在250ms左右，扣除抽样、编码、交织和结点处理等时延，在Iub接口上的排队时延和抖动应控制在10ms左右；
3）时延要求相对较低的交互及后台类(I/B)业务，如移动因特网应用；其端到端的时延通常在秒级，因此在Iub接口上的排队时延从用户体验的角度看没有严格要求；
4）管理维护（OAM）信息，如软件下载、性能及故障管理中的信息传递；其实时性要求最低，带宽需求甚至可以不做硬性规定，例如软件下载可选在非忙时进行。
它们正好映射为ATM中的rt-VBR、nrt-VBR和UBR业务：
1）实时可变比特率业务(rt-VBR)：适用于需要最小信元迟延变化(CDV)和信元传输迟延(CTD)的应用，如语音和视频，其连接特征由峰值信元率(PCR)、可维持信元率(SCR)和最大突发长度(MBS)规定，信源期望以可变速率发送信元；
2）非实时可变比特率业务(nrt-VBR)：具有突发业务的非实时应用，其连接特征由PCR、SCR和MBS规定，期望在所协商范围内传输的信元具有较低的信元丢失率(CLR)，支持统计复用，不规定信元迟延上限；
3）未指定比特率业务(UBR)：无传输时延要求和硬性带宽要求，优先级最低，但增强型未指定比特率业务(UBR+)可设置最小信元速率(MCR)。
因此，根据上述各种业务不同的传输时延和时延变化的要求，可以通过RNC和NodeB的业务类型梳理功能，将其分别映射到不同的发送优先级队列中（优先级反映业务量发送的急迫程度）：NBAP信令和rt-VBR业务拥有最高的发送优先级，其次是nrt-VBR业务，而基于UBR+的OAM业务的发送优先级最低。
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这样可以保证高优先级类业务(控制平面消息和DS类用户业务)的Qos要求，使NDS类业务量对DS类业务的时延不产生大的影响；反之，如果不做业务分类，DS类与NDS类业务混在一个共享队列中，只有通过降低电路负荷（即提高工程余量），才能满足DS类业务的对延迟要求。
相关仿真研究表明，就单条E1链路而言，当不采用多优先级发送时，受NDS业务的影响，DS业务将经受较大的排队时延：当链路负荷超过35%时，时延达到几十ms，这对于端到端业务质量而言这是难以接受的；反之，如果采用多优先级发送功能，DS业务的排队时延可以稳定地控制10ms以内，链路负荷可以超过70％。与前一种方式相比，带宽使用率几乎提高了一倍。
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此仿真基于以下业务参考模型：
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与CBR固定带宽划分方式不同，基于rt-VBR、nrt-VBR和UBR+的多优先级传送方式，无论是在单条E1还是在IMA E1组内，都可以充分发挥ATM的统计复用优势，每个VCC的峰值信元率（PCR）都可以达到1920kb/s(单条E1)或n*1920kb/s(IMA n*E1)，显著降低了信令和话音业务的传送时延，也能更好地应对突发性高速数据带宽需求。
四、小结
在实现Ethernet-To-NodeB(即3GPP R5中定义的IP UTRAN选项)之前，WCDMA的基站传输仍将以E1或STM-1为主，但随着数据业务的不断发展和HSDPA技术的引入，Iub接口带宽需求将会越来越大，其中的数据业务的比例也将显著提高。如果对ATM技术的统计复用和业务类型划分功能不加以充分利用，仍然沿用2G网络中面向纯话音的固定带宽配置方法，将很难兼顾不同业务的服务质量和带宽利用率。而通过本文中所介绍基于多优先级发送功能的传输解决方案，不仅能显著提高E1的传输带宽利用率，而且可以更好地满足各类业务的QoS需求。
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