IP化MBH微波传输误码率劣化研究及解决方案

孙 捷, 鲍剑飞, 魏长林， 李连涛， 卢 静

(成都信息工程学院 通信工程学院, 四川 成都 610225)

IP化MBH微波传输误码率劣化研究及解决方案

孙 捷, 鲍剑飞, 魏长林， 李连涛， 卢 静

(成都信息工程学院 通信工程学院, 四川 成都 610225)

讨论了基于微波传输的IP化回传网络(MBH)在现行的CES包处理方式下可能导致的支路误码率劣化问题,分析了其产生原因并提出了两点改进措施。推导了改进后的支路误码率计算公式,验证了这些措施对支路误码率劣化的有效性。这种改善将有助于IP化的MBH网络能可靠地实现微波传输。

移动回传网络； 支路误码率； 群路误码率； BCH纠错

由于3G/LTE的语音业务无法给客户带来与2G差异化的体验,因此移动宽带及其带来的增值业务就成为3G/LTE商业模式中的关键一环。为了发展移动宽带,移动网络全IP转型势在必行[1]。当核心网IP化之后,最终还面临无线回传网络(mobile backhauling,MBH)的IP化改造。

基站无线回程的传输网络对于移动业务起着重要的支撑和保障作用。从2G/3G到LTE发展过程中,90%以上的无线站址会重用,2G/3G/LTE基站将长期共存[2],这就要求基于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,还需要支持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中基站无线回传网络的IP化

面对MBH的IP化承载和传送需求,有许多技术可以使用。这些技术主要有IP/MPLS三层承载技术、电信级以太网CE技术以及新型的面向IP的分组化传送PTN技术,PTN是当前最受关注的技术。无论哪种技术,都是把2G/3G基站中依然大量存在的TDM业务变成分组数据包(packet),然后对这些分组数据包进行传输和交换。

微波的启动资金比较小,不需要大量基础设施建设,运维的成本也比较低,因此在基于包的MBH中,分组微波是很重要的一种传输方式。

2 IP化MBH中误码率劣化问题

在基于分组的MBH中,如果沿用传统的包处理模式,会存在支路误码率劣化的问题。本文试图分析误码率劣化的原因以及一些可以采取的对策。

在传统的基于TDM复用的MBH(如SDH传输系统)中,来自基站的支路信号(如E1)以时分复用方式汇聚成较高速率的群路信号(如STM-1),可以认为各个支路信号的误码率和群路信号误码率是一样的,即:

(1)

其原因是各个支路信号及其他专用bit(如开销)都是以很低的颗粒度(1bit或1 B)进行交织,群路信号上的错误对各个支路信号的影响在统计上是等概率的。

但在全IP的MBH中,需要先把来自2G/3G基站的TDM支路信号(如E1)用电路仿真CES技术转换为IP包[4],无论是采用MEF-8，还是PWE3都是如此。如果CES包中发生误码,即业务的完整性发生丢失[5],通常的包处理协议是将整个包丢弃,这就造成支路信号误码率的劣化,即:

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

(2)

其中Frame_length是CES包的长度。比如对常用的MEF-8,E1的CES包长度是163字节,其中包含121字节E1信息[6],这会造成支路误码率相对于群路误码率劣化121×8倍。这也就是说,基于全IP的MBH相对传统的TDM类别MBH,其支路误码率会增加121×8倍。而且更为严重的是:若按通常的包处理协议而把整个CES包丢弃,还可能造成接收端的同步丢失。

下面将分别针对误码处于CES包信息域和CES包头的两种情况下,讨论如何降低支路误码率劣化的措施。记两种情况下的支路误码率分别为T.BER(0)和T.BER(1)。

3 误码处于CES包信息域时降低T.BER

这种情况下因为CES包头没有损坏,因此包的源地址、目的地址、VLAN ID等重要的CES信息没有丢失,即CES包是可以正确转发和处理的。CES包的接收侧可以不把整个包丢弃,只是重新计算CES包的校验,这样其他的后继设备(尤其是非CES的数据设备)会将其看作完全正确的数据包,保证其正确传输到目的CES设备。如果这样,则有:

T.BER(0)=AR.BER

(3)

4 误码处于CES包头时降低T.BER

若误码处于CES包头,这将会使CES包头受到损坏,导致CES包中用于转发和处理的关键信息(如目的地址、VLAN ID、ECID等)都有可能受损,此时只能将整个CES包丢弃[7]。如前面的分析可知,这会造成T.BER的严重劣化。

为了尽量降低由于CES包头误码对 T.BER劣化的影响,可以采用纠错编码对CES包头进行专门保护[8]。

4.1 CES包头错误率HER与群路信号误码率AR.BER的关系

在实际纠错应用中,CES包常采用RS编码进行纠错保护。假设CES包使用RS(nr,kr,tr)纠错码,使用BCH(nb,kb,tb)对CES包头进行额外的纠错保护[9],这种两层纠错的方法可以大大提高纠错能力。下面推导在使用了BCH码保护CES包头后,包头错误率Header_Error_Rate(HER) 和群路信号误码率AR.BER之间的关系。

用P(br)代表RS编码的比特(bit)误码率,P(wr)代表RS编码的字(word)误码率,P(wb)代表BCH编码的字(word)误码率,则根据误码率定义,有:

(4)

(5)

下面推导P(wb)和P(br)之间的关系。

在AR.BER比较低的情况(这个假定是符合传输信道实际情况的)下,每个错误字中的平均错误比特数大约是(1+2+…+tr)/tr=(tr+1)/2,故比特误码率P(br)为

(6)

也可写为

(7)

因此有

(8)

BCH(nb,kb,tb)码每个码字由nb个bit组成,假设这nb个bit由比特间插分布于nb个字节中,这nb个字节属于RS码的同一个码字。首先有:

(9)

P(wb)是BCH编码的字误码率。

因为BCH(nb,kb,tb)能纠正nb个比特中tb个误比特[10],因此如果误比特个数超过tb,就会造成BCH字错误[11],即BCH字错误概率可由nb个比特中错误比特超过tb个的概率来得到:

(10)

结合式(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码保护CES包头时的包头错误率HER和群路信号误码率AR.BER的关系为

Header_Error_Rate=HER=×AR.BER

(13)

表1 不同RS编码情形下的取值

表1 不同RS编码情形下的取值

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

从表1可以看出,如果CES包使用RS(255,253,1),用eBCH(24,14,2)保护包头,ɑ=0.029 26,若群路信号误码率(AR.BER)为10-3,则在大概34 482个CES包里会出现一个错误包头。

4.2 同步丢失周期SLAP和支路误码率T.BER(1)与群路信号误码率AR.BER的关系

CES包头错误会导致整个包的丢失,即CES丢包率(CES Packet Loss Rate，CPLR)有CPLR=HER。

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

SLAP=(CESPacketPeriod)/CLPR=

(CESPacketPeriod)/(×AR.BER)

(14)

对E1的CES包(MEF-8),每个包有121 B的E1,包周期是476.288 μs,SLAP值见表2。

从表2可看出,对于RS(255,237,9),当AR.BER为10-6时,则每14 min会产生一个同步丢失。

表2 不同的RS编码和误码率情形下的SLAP值

因包头误码而丢掉的CES包会被一个伪随机码的dummy包代替,故而实际的支路误码率还会降低一半,即:

T.BER(1)=Frame_length×HER×0.5=

Frame_length××AR.BER×0.5

(15)

例如对于E1的 CES包(MEF-8),用RS(255,253,1)编码,用eBCH(24,14,2)保护包头,=0.029,Frame_length为121 B×8=968 bit,若AR.BER为10-6,则根据式(15)有

T.BER(1)=1.404×10-5

5 总的支路误码率T.BER

针对误码位于CES包信息域或包头两种情况,在采用了上述两项措施后,总的支路误码率T.BER推导如下:

若CES包的包头长度为Nh,信息域长度为Ni,定义:

(16)

则总的支路误码率T.BER和群路误码率AR.BER关系如下:

Frame_length×0.5×α×AR.BER

(17)

6 总结

在IP化的LTE MBH中若用传统的包处理方式,有误码就丢弃整个包,则会造成支路误码率的严重劣化,此时有

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

若采用如下两条措施,则可大大降低支路误码率的劣化情况:(1) 若误码位于CES包信息域,接收侧不丢弃整个包,只是重新计算CES包的校验。

(2) 若误码位于CES包头,则使用BCH纠错码对包头进行额外的纠错保护,此时的T.BER由式(17)给出，即:

Frame_length×0.5×α×AR.BER

例如对于最常用的E1的 CES包(MEF-8),其Ni=121,Nh=42,Frame_length=968,若AR.BER为10-6,CES包用RS(255,253,1)编码,则:

(1) 若用传统的CES包处理方式,则支路误码 T.BER=121×8×AR.BER=9.68×10-3；

(2) 若采用上述两条措施,用eBCH(24,14,2)

计算如下:

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,相对于传统的CES包处理方式,在使用BCH纠错码对包头进行额外纠错保护后,支路误码率的劣化问题得到了极大的改善。

因为受空间环境、无线调制及天气变化的影响,微波传输的无线信道误码率(即AR.BER)本身就比较高,相对于光纤传输要高出2～3个数量级[12]。误码率的劣化会对微波传输造成更为严重的影响,甚至造成PTN MBH在微波信道中无法应用。因此,上述两项改进误码率劣化的措施不仅可用于光纤传输的IP MBH中,对LTE的基于微波传输的IP化MBH更具有实用意义。

References)

[1] 朱国强.Vodafone的BEP之路[J].华为技术通信,2009(5):25-26.

[2] 杜伟.解读LTE对承载网的需求[J].华为技术通信,2009(5):45-47.

[3] Ciena Corporation. Wireless Backhaul Network Solutions Enabled by Ciena’s Carrier Ethernet Service Delivery Portfolio[M].Ciena Corporation AN042，2009.

[4] 徐荣,任磊,邓春胜.分组传送技术与测试[M].北京:北京邮电大学出版社,2009.

[5] Q/CT 2217—2009 中国电信PTN(分组传送网)设备技术要求(v1.0)[S].北京:中国电信集团公司,2009.

[6] MEF 8:Implementation Agreement For the Emulation of PDH Circuits over Metro Ethernet Networks[S].The Metro Ethernet Forum,2004.

[7] 黄硕.数据包丢失时网络控制系统的稳定性分析及设计[D].秦皇岛:燕山大学,2006.

[8] 王俊涛.卫星信号监测技术的研究与实践[J].卫星与网络,2009(12):52-54.

[9] 梁钊.RS-BCH级连码的错误概率及其性能评估[J].桂林电子科技大学学报,1990,10(2):1-2.

[10] 卞晓晓,殷奎喜,胡振宇.群变换的BCH编码在超宽带中的误码率分析[J].中国科技论文在线,2008,3(1):22-25.

[11] 邱晓华,沈连丰,宋铁成,等.一种扩展部分BCH码纠错能力的方法[J].东南大学学报:自然科学版,2005,35(3):328-330.

[12] 王萍.数字微波传输中的误码性能及可用性指标[J].才智,2009(26):66-67.

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

四川省科技支撑计划项目(2013GZ0026); 成都信息工程学院研究生教学改革项目(YJG2009011)

孙捷(1965— )，男，重庆万州，硕士，教授，研究方向为通信传输技术.

TN925

A

1002-4956(2015)7- 0038- 03