WiMAX空中接口支持话音业务能力分析

摘要　文章通过对WiMAX|0">WiMAX的空中接口物理层和MAC层的研究，分析了WiMAX支持VoIP|0">VoIP的业务能力。分析表明，WiMAX的MAC层没有针对VoIP业务数据包进行优化，因此对VoIP业务支持效率比较低。同时，小区边缘的VoIP用户的MAC开销会比小区中心的VoIP用户MAC开销明显增加，因此，在小区边缘的VoIP用户将极大降低整个小区的吞吐量。

1、引言

今年5月底在日本京都举行的ITU 8F组会议上，已经原则上同意将命名为IP-OFDMA的移动WiMAX技术接纳为IMT-2000的标准之一。由于WiMAX所采用的IEEE 802.16e空中接口技术是基于IP的无线接入技术，在支持数据业务方面，WiMAX技术具有天生的优势。然而从支持话音业务的角度而言，WiMAX则与从电路交换技术发展而来的其它3G技术有很大的不同。因此很有必要对WiMAX支持话音业务的能力做深入的分析，这也是目前学术界争论比较多的地方。

简单的从空中接口数据速率和VoIP业务的数据速率比值而言，移动WiMAX空中接口似乎能承载很大的VoIP业务容量。然而VoIP业务是一种速率低，实时性高的业务，各种头开销将大大降低VoIP业务的容量。本文试图通过对移动WiMAX的物理层和MAC层协议的研究，分析移动WiMAX无线空中接口承载VoIP的能力。

2、VoIP业务简介

WiMAX网络是基于IP技术的网络，只能通过VoIP技术来提供话音业务。根据不同的编码方式不同，常见的VoIP业务的数据速率为5kb/s～64kb/s不等，常见的VoIP编码格式和帧结构如表1所示：

表1　常见VoIP编码格式

以GSM6.10编码方式为例，每个VoIP包的承载部分为33字节，帧间隔20ms。一般而言，VoIP数据是以RTP协议承载在UDP/IP上，每一个VoIP的数据包的IP/UDP/RTP开销需要40字节。其余的VoIP技术比较类似，本文就不再详细分析。

3、WiMAX空中接口介绍

VoIP数据包到达WiMAX MAC层以后，需要经过业务汇聚子层、MAC公共子层和物理层三层。下面就对VoIP包的处理过程进行简单的介绍。

3.1　业务汇聚

业务汇聚的主要作用是将高层传递下来的VoIP数据PDU通过分类器和头压缩处理，映射成MAC层的SDU。分类器是一个匹配规则的集合，它是由一些协议相关的数据包匹配规则、分类优先度、和相关CID（连接标识）组成。

CID用于标识连接，它由MAC层中的汇聚子层产生。汇聚子层提供了外部网络数据到MAC层的映射，通过CS SAP（汇聚子层服务接入点）将外部网络数据映射到MAC SDU，并将其与MAC业务流标识（SFID）和连接标识（CID）关联。在WiMAX中，CID是非常重要的，任何数据的传输都必须有CID。

在业务汇聚子层，与VoIP业务关系密切的是IP头压缩技术。WiMAX采用了两种头压缩技术：PHS和ROHC。其中PHS是必选，ROHC是可选。当采用PHS和ROHC后，VoIP的头开销为2字节。高层的PDU会以MAC SDU的格式进行封装并传递到MAC公共子层。

3.2　MAC层

MAC公共子层会在MAC SDU上增加MAC头、CRC等信息，对MAC SDU进行级联、分段、打包、加密、填充等处理，并映射到物理层上。MAC公共子层还会产生空中接口信令交换所需要的MAC消息，如UCD、DCD、DL-MAP、UL-MAP等。这些消息都会在空中接口进行传输和交换。因此，MAC层协议的效率高低将直接影响到VoIP业务的支持能力。

MAC PDU由MAC头、Payload和CRC（可选）组成。值得注意的是，在MAC头中有CID字段。对于VoIP这种单播业务而言，不同用户的数据是通过不同的连接进行传输的，因此，MAC头中的CID表明不同的用户数据会被封装在不同的MAC PDU中。对于空中接口传递广播消息而言，广播连接也有自己特殊的CID=0，对于某些特殊的广播MAC PDU可以省略掉MAC头，以降低空中接口的负荷，如compressed_UL-MAP消息。

3.3　物理层

目前的移动WiMAX是TDD系统，其帧结构由BS和SS传输构成。每一帧的下行传输的由preamble起始，紧接着的分别是下行传输周期和上行传输周期。在每帧的下行和上行间要插入TTG，在每帧的帧尾要插入RTG，以保证BS正常的收发切换。OFDMA系统可以支持长度为2048、1024、512和128的FFT点数，通常向下数据流被分为逻辑数据流，这些数据流可以采用不同的调制及编码方式以及以不同信号功率接入不同信道特征的用户端。向上数据流子信道采用多址方式接入，通过下行发送的媒质接入协议（MAP）分配子信道传输上行数据流。I最小子信道时间频率单位是slot，slot等于48个数据tone。

子信道的子载波排列方式有两类：分集和连续。分集排列将子载波通过一种近似随机的方式进行排列，它提供了频率分集和小区间干扰消除。分集排列包括DL FUSC、DL PUSC和UL PUSC等。在WiMAX中，PUSC的子载波排列方式是必选的，广播信道就是通过