TD-SCDMA网络实现PoC业务的关键技术分析

PoC业务在TD-SCDMA网络上实现的问题分析
张堂辉
普天信息技术研究院
摘要：本文对PoC系统在TD-SCDMA网络上的实现问题进行了简要的分析

关键词： PoC TD-SCDMA QoS

1 背景介绍

TD-SCDMA是我国第提出的第一个拥有自主知识产权的国际通信标准，和WCDMA，CDMA2000并列为三大主流的3G标准。根据MTNet外场测试的结果，TD-SCDMA已经能够实现基本的3G电信业务，标准已经逐步走向成熟。在众多终端厂商纷纷加入TD-SCDMA产业链后，困扰的终端问题也在逐步解决。但是3G成功的关键还是能为客户提供什么样的业务，可以说丰富多彩的业务才是3G的核心，这也是运营商关注的焦点。

PoC (Push to Talk over Cellur)业务是一种在公网上实现集群系统的技术，也就是在手机上实现对讲机的功能，本质上是一种VoIP业务。PoC手机用户只要按下一个专用键就可以和预先设定的一个组内的人进行一对多的半双工通话。目前这项业务在国外发展状况良好，成为运营商吸引客户，增加ARPU的重要增值业务。而国内的运营商也已经在现有的网络上进行商用试验。PoC被普遍认为很可能是3G系统上的杀手级应用，受到了各方面的广泛关注。

由于PoC业务是在分组域上实现的一种VoIP技术，所以PoC的通话质量很大程度依赖于移动通信系统所能支持的带宽。在传统的2.5G系统上实现的PoC业务，普遍面临着系统带宽小，无线资源有限的问题，因此在3G通讯系统上实现PoC业务是非常合适的。TD-SCDMA技术采用了同步CDMA、智能天线、软件无线电、联合检测、接力切换、低码片速率、自适应功率调整等一系列技术，具有频谱利用率高，系统容量大，系统成本低的特点，能够提供高速的分组数据传送能力。因此相对于其他技术来说，TD-SCDMA更加适合PTT业务的开展。

本文对PoC在TD-SCDMA网络应用上的主要的两个问题（组网和QoS），进行了简要分析和描述。

2 PoC在TD-SCDMA网络上的架构

2.1 PoC架构

PoC的标准化目前主要是开放移动联盟OMA（Open Mobile Alliance）来完成，OMA的参考架构如图1。

在这个系统中，包含的逻辑实体比较多，简单介绍如下：

1.UE侧

UE侧主要的部分是PoC Client，用来执行PoC的呼叫处理，媒体处理等。XDMC用于完成组管理功能，可以在手机上实现PoC组的管理操作。而Presence Source和Watcher完成“呈现”服务功能。DM Client完成设备管理功能。

2.PoC服务器（PoC Server）

PoC业务的主要处理单元，功能包括：PoC会话处理功能，媒体分发功能，谈话权控制处理功能，用户平面的适配功能，不同编码协议的转换功能等。

3.组管理功能

包括Aggregation proxy, PoC XDMS, Shared XDMS, XDM Administration等单元。提供PoC组信息的增加，修改，删除以及组的授权和控制等功能。

4. 呈现服务器（Presence server）

呈现服务器的功能是接收并存储UE公布的呈现信息，并分发到PoC客户端。常见的呈现信息有“是否在线”，“免打扰”等。

图1 PoC架构

5. SIP/IP CORE：

SIP/IP core包括一定数量的SIP代理和SIP注册器。主要的功能包括：在PoC客户和PoC服务器之间路由SIP信令；提供地址发现和地址解析服务；提供SIP压缩功能；提供PoC客户的认证和鉴权；维护用户的SIP注册信息；提供计费信息；提供合法监听功能。

6. DM Server

完成设备管理功能，可以初始化和更新PoC Client必须的配置参数，支持终端软件的空中下载和更新等工作。

2.2 在TD-SCDMA中的网络结构

由于TD-SCDMA网络的核心网和WCDMA相同，所以PoC在TD-SCDMA网络中的组网方式和WCDMA系统也可以是一致的，在核心网络是R4的情况下，我们的建议的组网方式如下图1。

图2 R4核心网络下的PoC组网结构

在初期的时候，我们可以把SIP Core的功能和PoC服务器，组管理功能合设在一起，初期可以不考虑实现呈现服务。这样系统的实现会比较简单，但是设计的时候一定要注意用模块化的方法来实现各个功能实体，要能够方便的进行功能添加和卸载，这在后面的系统的升级演进中非常重要。这个时期PoC业务的一般不单独实现计费功能，计费功能可以直接在GGSN中通过流量来进行计费，或者通过签约信息进行计费，具体策略由运营商决定。

当核心网络采用R5或R6版本的时候，这时候PoC系统中的一部分功能可以由IMS多媒体子系统来实现。最常见的是SIP/IP Core的功能就可以由IMS部分的CSCF实体来完成，网络结构如下：

图3 R5，R6核心网络下的PoC组网结构

这种模式下PoC业务的计费，Presence服务都可以放置到IMS系统中完成。计费接口接口应当符合3GPP TS 32.260的Ro接口，这时候支持按照PoC的会话来进行计费（如通话时长），同时支持预付费和后付费方式。

3 QoS服务质量分析

PoC业务对网络服务质量（QoS）提出了很高的要求。如何充分利用网络中的服务质量QoS来保证最终用户获得满意的服务，成为在TD-SCDMA网络建设的一个重要问题。对于PoC系统来说，首要的问题是系统的时延问题。OMA标准的需求分析中提出的PoC系统延迟指标如下：

表1 PoC延迟指标

名称	描述	参考值
RTS	发起者按下PoC键到收到发言通知	2.0秒
STS	申请发言到收到发言通知	1.6秒
ETE	端到端语音传输延迟	1.6秒
ETE*	初次呼叫端到端语音传输延迟	4.0秒

PoC的会话过程分为两部分，首先是会话建立的过程，然后是媒体流的传送。在建立会话的时候采用的是SIP信令，这个时候对系统承载的要求是速度要快，但是对抖动没有太大要求。而在媒体流传送的时候，在延迟满足的情况下，我们要保证系统承载的抖动要小。按照3Gpp的QoS分类方式，业务分为语音型，流数据型，交互型和后台型四大类。显然PoC信令的建立QoS应该使用交互型，媒体流的QoS应该采用流数据型。所以在PoC的实现的时候最好是能同时采用两种QoS承载，也就是要求UE能够同时支持两个PDP上下文的激活。

为了减少系统的延迟，在TD-SCDMA系统中我们认为应该采用早期建立会话的模式。早期建立会话模式是在终端开机的时候就预先发起到PoC服务器的会话邀请，提前协商媒体参数，这样可以加快PoC会话的时间。

如图4中所示，一次PoC会话过程中的延迟分为如下几个部分，在TD-SCDMA中实际组网图可以参考图3：

1．UE侧的信令建立时间T1

当用户发起呼叫的时候，首先要建立信令连接来发送NAS信令，这个过程包括RRC连接建立过程，服务请求过程和安全模式命令过程。这个时间延迟估计在700ms~1500ms，在TD-SCDMA试验网络中的实测指标如下：

表2 TD-SCDMA网络连接建立过程典型参数

RRC连接建立	770ms
服务请求过程	250ms
安全模式命令	忽略
总计	1020ms

2．RAB承载的建立时间T2

这一段时间是为PDP上下文建立RAB承载的，这时候才能够开始传递SIP REFER 消息。这个时间延迟估计在700ms~1500ms，在TD-SCDMA网络实测结果大约是1050秒左右。

3．SIP信令传输延时T3

这部分的延时包括了用户从发送SIP REFER消息到PoC AS (A) ，然后PoC AS (A)发送 INVITE消息到PoC AS (B)的过程。这个时间延迟估计在500ms

4．SIP信令传输延时T4

用户接收了REFER消息，然后发送ACCEPT相应消息给PoC AS (A)。 The PoC AS (A) 发送ACCEPT消息和谈话控制权确认消息给UE-A。这个时间延迟估计在500ms

图4 PoC呼叫的延迟分析图

按照前面的定义，在早期建立会话这种情况下，RTS指标是

Trts=T1+T2+T3+T4=1020＋1050＋500＋500＝3070ms

（1）

可以看到即使是使用了早期建立模式，这个指标和OMA的需求2.0秒仍然是有比较大的差距的。在这些延迟中，T1 ,T2的延迟主要是由于无线接口的延迟造成的，是需要重点优化但是比较难优化的部分。T3 ,T4的延迟是由于SIP信令传输和处理造成的，后面我们重点介绍这部分的优化问题。

PoC系统的RTS延迟有一部分发生SIP信令的传输延迟，而这部分主要的延时是在接入网UTRAN侧的，因此在传输的时候进行信令的压缩是必不可少的，常见的信令大小如下表3所示，注意表中最后一个谈话权控制信令是不能压缩的。

表3 信令的平均长度

SIP INVITE，REFER	1400字节
SIP 100 Trying	300字节
SIP ACCEPT	400字节
Talk burst control	40字节

假定在UE侧进行SIP压缩所花的时间是50ms，信令在中间各个网元的处理造成的固有延迟所花费时间是Tp，信令带宽假设为Bw，压缩比一般假设是3:1。按照图4所示，上面的过程中我们需要传输表3中的信令各一次，他们应该满足下面的公式

Tp + 50 + 40*8/Bw + (1400 + 300 + 400)*8/ 3Bw < T3+T4

（2）

按照上述公式（2），如果不考虑RRC连接和RAB承载建立部分的优化，并且假设RTS指标控制在3秒左右，那么上面公式的右边部分大约是930ms左右。这样我们可以得到下面的一个对照表如下。

表4 带宽和处理延时对照表

信令带宽Bw	传输延时	处理延时Tp
8kbps	740ms	140ms
16kbps	370ms	510ms
32kbps	185ms	695ms
64kbps	92.5ms	787.5ms

由上表可以看出，信令带宽超过16k后，靠增加带宽来减少传输延时效果已经不明显了，所以实际建议信令传输带宽选择在16k或32k比较合适。如果UE采用一个PDP上下文，由于信令带宽和媒体流使用同一个承载，一般采用专用信道，选择16kbps就可以了。如果使用两个PDP承载，那么信令通道可以使用共享信道，建议使用32kbps比较合适。

如图5所示，是当没有人占用谈话权的时候，某个用户按下PoC键申请谈话权控制的过程。这个延迟也就是STS，包括了就是谈话权请求来回的时间加上PoC系统的处理时间。谈话权控制协议每个信令40个字节，信令传输延时基本上可以忽略不计。STS主要延迟是信令处理延迟，控制在OMA要求的1.6秒内还是比较容易的。

图5 谈话权控制过程示意图

接下来我们考虑ETE时间，在一般情况下，媒体流传输的延迟小于1.6秒一般问题不太大。对于ETE*，根据图4，相当于在RTS的基础上再增加一次UE信令建立时间T1和RAB建立时间T2，以及一部分媒体的传输时间（需要注意媒体传输和承载建立时间有重叠的部分）。那么按照公式（1）的方法初步估算也已经是5秒以上了。

综合上面的分析，实际实现PoC系统的时候，RTS和ETE*指标问题是需要重点克服的，而它们的改进依赖于信令建立过程和RAB建立过程的优化。

4 总结

PoC是一种有广泛应用前景的新业务，它的技术规范已经被列入3G标准的版本R6中，将来3G网络中PoC将成为一项基本功能。而在TD-SCDMA实现PoC业务，与其他技术相比具有很多的的优势。在TD-SCDMA网络上部署PoC业务将为运营商、设备制造商和用户带来多方共赢的局面。但是，TD-SCDMA作为我国拥有自主知识产权的3G国际通信标准，成熟度还比较低。在TD-SCDMA网络上实现PoC业务，还是一个比较新的课题，本文就其中两个问题做了简单的分析研究，还有很多问题和细节有待进一步的研究。其中PoC业务的QoS问题更是关键所在，下一步我们将对其中网络优化问题做更深入的研究。

《移动通信》2005年29卷3 期

注：转成博客文已经丢失了部分格式数据，转载或拷贝请联系作者，请尊重知识产权!