IP化MBH微波傳輸誤碼率劣化研究及解決方案

孫 捷, 鮑劍飛, 魏長林， 李連濤， 盧 靜

(成都信息工程學(xué)院 通信工程學(xué)院, 四川 成都 610225)

IP化MBH微波傳輸誤碼率劣化研究及解決方案

孫 捷, 鮑劍飛, 魏長林， 李連濤， 盧 靜

(成都信息工程學(xué)院 通信工程學(xué)院, 四川 成都 610225)

討論了基于微波傳輸?shù)腎P化回傳網(wǎng)絡(luò)(MBH)在現(xiàn)行的CES包處理方式下可能導(dǎo)致的支路誤碼率劣化問題,分析了其產(chǎn)生原因并提出了兩點(diǎn)改進(jìn)措施。推導(dǎo)了改進(jìn)后的支路誤碼率計(jì)算公式,驗(yàn)證了這些措施對支路誤碼率劣化的有效性。這種改善將有助于IP化的MBH網(wǎng)絡(luò)能可靠地實(shí)現(xiàn)微波傳輸。

移動(dòng)回傳網(wǎng)絡(luò)； 支路誤碼率； 群路誤碼率； BCH糾錯(cuò)

由于3G/LTE的語音業(yè)務(wù)無法給客戶帶來與2G差異化的體驗(yàn),因此移動(dòng)寬帶及其帶來的增值業(yè)務(wù)就成為3G/LTE商業(yè)模式中的關(guān)鍵一環(huán)。為了發(fā)展移動(dòng)寬帶,移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)全I(xiàn)P轉(zhuǎn)型勢在必行[1]。當(dāng)核心網(wǎng)IP化之后,最終還面臨無線回傳網(wǎng)絡(luò)(mobile backhauling,MBH)的IP化改造。

基站無線回程的傳輸網(wǎng)絡(luò)對于移動(dòng)業(yè)務(wù)起著重要的支撐和保障作用。從2G/3G到LTE發(fā)展過程中,90%以上的無線站址會(huì)重用,2G/3G/LTE基站將長期共存[2],這就要求基于IP的MBH既需要支持E1接口的2G基站,也需要支持n×E1ATM/IMA接口的ATM 3G基站,還需要支持n×E1 IPoATM接口、FE接口的IP 3G基站以及FE/GE接口的LTE基站[3]。

1 3G/LTE中基站無線回傳網(wǎng)絡(luò)的IP化

面對MBH的IP化承載和傳送需求,有許多技術(shù)可以使用。這些技術(shù)主要有IP/MPLS三層承載技術(shù)、電信級以太網(wǎng)CE技術(shù)以及新型的面向IP的分組化傳送PTN技術(shù),PTN是當(dāng)前最受關(guān)注的技術(shù)。無論哪種技術(shù),都是把2G/3G基站中依然大量存在的TDM業(yè)務(wù)變成分組數(shù)據(jù)包(packet),然后對這些分組數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳輸和交換。

微波的啟動(dòng)資金比較小,不需要大量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),運(yùn)維的成本也比較低,因此在基于包的MBH中,分組微波是很重要的一種傳輸方式。

2 IP化MBH中誤碼率劣化問題

在基于分組的MBH中,如果沿用傳統(tǒng)的包處理模式,會(huì)存在支路誤碼率劣化的問題。本文試圖分析誤碼率劣化的原因以及一些可以采取的對策。

在傳統(tǒng)的基于TDM復(fù)用的MBH(如SDH傳輸系統(tǒng))中,來自基站的支路信號(如E1)以時(shí)分復(fù)用方式匯聚成較高速率的群路信號(如STM-1),可以認(rèn)為各個(gè)支路信號的誤碼率和群路信號誤碼率是一樣的,即:

(1)

其原因是各個(gè)支路信號及其他專用bit(如開銷)都是以很低的顆粒度(1bit或1 B)進(jìn)行交織,群路信號上的錯(cuò)誤對各個(gè)支路信號的影響在統(tǒng)計(jì)上是等概率的。

但在全I(xiàn)P的MBH中,需要先把來自2G/3G基站的TDM支路信號(如E1)用電路仿真CES技術(shù)轉(zhuǎn)換為IP包[4],無論是采用MEF-8，還是PWE3都是如此。如果CES包中發(fā)生誤碼,即業(yè)務(wù)的完整性發(fā)生丟失[5],通常的包處理協(xié)議是將整個(gè)包丟棄,這就造成支路信號誤碼率的劣化,即:

T.BER=Frame_length(number_of_bits)×AR.BER

(2)

其中Frame_length是CES包的長度。比如對常用的MEF-8,E1的CES包長度是163字節(jié),其中包含121字節(jié)E1信息[6],這會(huì)造成支路誤碼率相對于群路誤碼率劣化121×8倍。這也就是說,基于全I(xiàn)P的MBH相對傳統(tǒng)的TDM類別MBH,其支路誤碼率會(huì)增加121×8倍。而且更為嚴(yán)重的是:若按通常的包處理協(xié)議而把整個(gè)CES包丟棄,還可能造成接收端的同步丟失。

下面將分別針對誤碼處于CES包信息域和CES包頭的兩種情況下,討論如何降低支路誤碼率劣化的措施。記兩種情況下的支路誤碼率分別為T.BER(0)和T.BER(1)。

3 誤碼處于CES包信息域時(shí)降低T.BER

這種情況下因?yàn)镃ES包頭沒有損壞,因此包的源地址、目的地址、VLAN ID等重要的CES信息沒有丟失,即CES包是可以正確轉(zhuǎn)發(fā)和處理的。CES包的接收側(cè)可以不把整個(gè)包丟棄,只是重新計(jì)算CES包的校驗(yàn),這樣其他的后繼設(shè)備(尤其是非CES的數(shù)據(jù)設(shè)備)會(huì)將其看作完全正確的數(shù)據(jù)包,保證其正確傳輸?shù)侥康腃ES設(shè)備。如果這樣,則有:

T.BER(0)=AR.BER

(3)

4 誤碼處于CES包頭時(shí)降低T.BER

若誤碼處于CES包頭,這將會(huì)使CES包頭受到損壞,導(dǎo)致CES包中用于轉(zhuǎn)發(fā)和處理的關(guān)鍵信息(如目的地址、VLAN ID、ECID等)都有可能受損,此時(shí)只能將整個(gè)CES包丟棄[7]。如前面的分析可知,這會(huì)造成T.BER的嚴(yán)重劣化。

為了盡量降低由于CES包頭誤碼對 T.BER劣化的影響,可以采用糾錯(cuò)編碼對CES包頭進(jìn)行專門保護(hù)[8]。

4.1 CES包頭錯(cuò)誤率HER與群路信號誤碼率AR.BER的關(guān)系

在實(shí)際糾錯(cuò)應(yīng)用中,CES包常采用RS編碼進(jìn)行糾錯(cuò)保護(hù)。假設(shè)CES包使用RS(nr,kr,tr)糾錯(cuò)碼,使用BCH(nb,kb,tb)對CES包頭進(jìn)行額外的糾錯(cuò)保護(hù)[9],這種兩層糾錯(cuò)的方法可以大大提高糾錯(cuò)能力。下面推導(dǎo)在使用了BCH碼保護(hù)CES包頭后,包頭錯(cuò)誤率Header_Error_Rate(HER) 和群路信號誤碼率AR.BER之間的關(guān)系。

用P(br)代表RS編碼的比特(bit)誤碼率,P(wr)代表RS編碼的字(word)誤碼率,P(wb)代表BCH編碼的字(word)誤碼率,則根據(jù)誤碼率定義,有:

(4)

(5)

下面推導(dǎo)P(wb)和P(br)之間的關(guān)系。

在AR.BER比較低的情況(這個(gè)假定是符合傳輸信道實(shí)際情況的)下,每個(gè)錯(cuò)誤字中的平均錯(cuò)誤比特?cái)?shù)大約是(1+2+…+tr)/tr=(tr+1)/2,故比特誤碼率P(br)為

(6)

也可寫為

(7)

因此有

(8)

BCH(nb,kb,tb)碼每個(gè)碼字由nb個(gè)bit組成,假設(shè)這nb個(gè)bit由比特間插分布于nb個(gè)字節(jié)中,這nb個(gè)字節(jié)屬于RS碼的同一個(gè)碼字。首先有:

(9)

P(wb)是BCH編碼的字誤碼率。

因?yàn)锽CH(nb,kb,tb)能糾正nb個(gè)比特中tb個(gè)誤比特[10],因此如果誤比特個(gè)數(shù)超過tb,就會(huì)造成BCH字錯(cuò)誤[11],即BCH字錯(cuò)誤概率可由nb個(gè)比特中錯(cuò)誤比特超過tb個(gè)的概率來得到:

(10)

結(jié)合式(8),可得:

(11)

(12)

由式(11)中的P(wb)=α×P(br)、式(4)中的HER=P(wb)及式(5)中的AR.BER=P(br),可以得出用BCH碼保護(hù)CES包頭時(shí)的包頭錯(cuò)誤率HER和群路信號誤碼率AR.BER的關(guān)系為

Header_Error_Rate=HER=×AR.BER

(13)

表1 不同RS編碼情形下的取值

表1 不同RS編碼情形下的取值

BCH(24，14，2)RS(nr)RS(kr)RS(tr)α取值25525310．0292625525120．0638425524930．1100025524740．1667025524170．3892025523980．4777025523790．57190

從表1可以看出,如果CES包使用RS(255,253,1),用eBCH(24,14,2)保護(hù)包頭,ɑ=0.029 26,若群路信號誤碼率(AR.BER)為10-3,則在大概34 482個(gè)CES包里會(huì)出現(xiàn)一個(gè)錯(cuò)誤包頭。

4.2 同步丟失周期SLAP和支路誤碼率T.BER(1)與群路信號誤碼率AR.BER的關(guān)系

CES包頭錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致整個(gè)包的丟失,即CES丟包率(CES Packet Loss Rate，CPLR)有CPLR=HER。

由HER和CES包周期可得到同步丟失周期(sync loss average period,SLAP)如下:

SLAP=(CESPacketPeriod)/CLPR=

(CESPacketPeriod)/(×AR.BER)

(14)

對E1的CES包(MEF-8),每個(gè)包有121 B的E1,包周期是476.288 μs,SLAP值見表2。

從表2可看出,對于RS(255,237,9),當(dāng)AR.BER為10-6時(shí),則每14 min會(huì)產(chǎn)生一個(gè)同步丟失。

表2 不同的RS編碼和誤碼率情形下的SLAP值

因包頭誤碼而丟掉的CES包會(huì)被一個(gè)偽隨機(jī)碼的dummy包代替,故而實(shí)際的支路誤碼率還會(huì)降低一半,即:

T.BER(1)=Frame_length×HER×0.5=

Frame_length××AR.BER×0.5

(15)

例如對于E1的 CES包(MEF-8),用RS(255,253,1)編碼,用eBCH(24,14,2)保護(hù)包頭,=0.029,Frame_length為121 B×8=968 bit,若AR.BER為10-6,則根據(jù)式(15)有

T.BER(1)=1.404×10-5

5 總的支路誤碼率T.BER

針對誤碼位于CES包信息域或包頭兩種情況,在采用了上述兩項(xiàng)措施后,總的支路誤碼率T.BER推導(dǎo)如下:

若CES包的包頭長度為Nh,信息域長度為Ni,定義:

(16)

則總的支路誤碼率T.BER和群路誤碼率AR.BER關(guān)系如下:

Frame_length×0.5×α×AR.BER

(17)

6 總結(jié)

在IP化的LTE MBH中若用傳統(tǒng)的包處理方式,有誤碼就丟棄整個(gè)包,則會(huì)造成支路誤碼率的嚴(yán)重劣化,此時(shí)有

T.BER=Frame_length(number_of_bits) ×AR.BER

若采用如下兩條措施,則可大大降低支路誤碼率的劣化情況:(1) 若誤碼位于CES包信息域,接收側(cè)不丟棄整個(gè)包,只是重新計(jì)算CES包的校驗(yàn)。

(2) 若誤碼位于CES包頭,則使用BCH糾錯(cuò)碼對包頭進(jìn)行額外的糾錯(cuò)保護(hù),此時(shí)的T.BER由式(17)給出，即:

Frame_length×0.5×α×AR.BER

例如對于最常用的E1的 CES包(MEF-8),其Ni=121,Nh=42,Frame_length=968,若AR.BER為10-6,CES包用RS(255,253,1)編碼,則:

(1) 若用傳統(tǒng)的CES包處理方式,則支路誤碼 T.BER=121×8×AR.BER=9.68×10-3；

(2) 若采用上述兩條措施,用eBCH(24,14,2)

計(jì)算如下:

T.BER=((121/163)+(42/163)×968×0.5×

0.029)×AR.BER=4.36×AR.BER=4.36×10-6

可以看出,相對于傳統(tǒng)的CES包處理方式,在使用BCH糾錯(cuò)碼對包頭進(jìn)行額外糾錯(cuò)保護(hù)后,支路誤碼率的劣化問題得到了極大的改善。

因?yàn)槭芸臻g環(huán)境、無線調(diào)制及天氣變化的影響,微波傳輸?shù)臒o線信道誤碼率(即AR.BER)本身就比較高,相對于光纖傳輸要高出2～3個(gè)數(shù)量級[12]。誤碼率的劣化會(huì)對微波傳輸造成更為嚴(yán)重的影響,甚至造成PTN MBH在微波信道中無法應(yīng)用。因此,上述兩項(xiàng)改進(jìn)誤碼率劣化的措施不僅可用于光纖傳輸?shù)腎P MBH中,對LTE的基于微波傳輸?shù)腎P化MBH更具有實(shí)用意義。

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Research and solution of BER degradation based on microwave transmission in IP-based mobile backhauling network

Sun Jie, Bao Jianfei, Wei Changlin， Li Liantao, Lu Jing

(College of Telecommunication Engineering,CUIT,Chengdu 610225,China)

IP-based mobile backhauling network of LTE is a up-to-date technology. This paper discusses the tributary BER degradation. This degradation was potentially caused by current process mode of CES packets in IP-based MBH based on microwave transmission.The cause of the degradation is analyzed and two solutions are also proposed subsequently.Relevant calculation formulas of improved tributary BER are deduced.And the improvement of tributary BER degradation is verified after adoption of these solutions.It will contribute to reliable microwave transmission of IP-based MBH.

mobile backhauling(MBH)network; tributary BER; aggregate BER; BCH error correction

2015- 03- 10 修改日期：2015- 03- 18

四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013GZ0026); 成都信息工程學(xué)院研究生教學(xué)改革項(xiàng)目(YJG2009011)

孫捷(1965— )，男，重慶萬州，碩士，教授，研究方向?yàn)橥ㄐ艂鬏敿夹g(shù).

TN925

A

1002-4956(2015)7- 0038- 03