熊煉　彭先武

【摘 要】

研究分析了LTE室分網(wǎng)絡(luò)下的VoLTE業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)共存的性能，通過(guò)對(duì)VoLTE關(guān)鍵技術(shù)的研究和在相關(guān)場(chǎng)景下的仿真分析，得出隨著VoLTE用戶數(shù)的線性增加會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)速率線性下降的結(jié)論，可以根據(jù)無(wú)線信道環(huán)境合理地規(guī)劃VoLTE容量和覆蓋，對(duì)當(dāng)前的VoLTE業(yè)務(wù)大規(guī)模部署有借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】

VoLTE 半靜態(tài)調(diào)度 健壯性報(bào)頭壓縮 室內(nèi)分布系統(tǒng) 吞吐量

1 引言

當(dāng)前4G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在各運(yùn)營(yíng)商收入中占比不斷增大，隨著4G的全面推廣，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)占的比重將會(huì)超過(guò)傳統(tǒng)語(yǔ)音業(yè)務(wù)。語(yǔ)音和短信的持續(xù)下滑直接導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)商凈利潤(rùn)持續(xù)下跌，同時(shí)還面臨著來(lái)自O(shè)TT互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的通訊軟件諸如微信、Skype的不斷沖擊，為了改變這一現(xiàn)狀并且為用戶提供更優(yōu)質(zhì)量、更低價(jià)格的通話服務(wù)，運(yùn)營(yíng)商一直在加速VoLTE的商用進(jìn)程，2015年6月底，上海移動(dòng)就實(shí)現(xiàn)VoLTE業(yè)務(wù)全網(wǎng)覆蓋，可以說(shuō)2016年是VoLTE商用元年。

基于IMS的VoLTE/SRVCC（Single Radio Voice Call Continuity，單一無(wú)線語(yǔ)音呼叫連續(xù)性）是4G提供語(yǔ)音服務(wù)的終極解決方案。相對(duì)于OTT互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商基于VoIP技術(shù)的APP（微信、Skype等）語(yǔ)音服務(wù)，VoLTE比VoIP音質(zhì)提高40%、省電40%、延時(shí)低94%、節(jié)省50%的流量消耗，電話接通時(shí)間更短、信號(hào)更穩(wěn)定，而且VoLTE支持緊急通信、通話監(jiān)聽(tīng)等政府管制類業(yè)務(wù)，其標(biāo)準(zhǔn)化程度高、互聯(lián)互通性能好。文章接下來(lái)將研究VoLTE關(guān)鍵技術(shù)，并進(jìn)行相關(guān)場(chǎng)景下的仿真分析。

2 VoLTE關(guān)鍵技術(shù)

VoLTE用到了幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)如AMR-WB編碼方案、ROHC（Robust Header Compression，健壯性報(bào)頭壓縮）、SPS（Semi-Persistent scheduling，半靜態(tài)調(diào)度）、TTI（Transmission Time Interval，傳輸時(shí)間間隔）bundling等來(lái)提升業(yè)務(wù)的覆蓋和容量。AMR-WB（Adaptive Multi-Rate WideBand，自適應(yīng)多碼率寬帶語(yǔ)音編碼）是VoLTE沿用的比較成熟的3G技術(shù)，TTI bundling是當(dāng)用戶處在覆蓋較弱的情況下（如小區(qū)邊緣），為獲得較高的上行速率才開(kāi)啟的，為此本小節(jié)將簡(jiǎn)單介紹ROHC和SPS技術(shù)。

2.1 ROHC頭壓縮技術(shù)

AMR-WB的編碼幀長(zhǎng)為20ms，即每個(gè)語(yǔ)音包負(fù)荷的尺寸為17～60Byte，按照典型的一個(gè)語(yǔ)音包占32個(gè)字節(jié)來(lái)算，若按照IPV4的格式封裝，其報(bào)頭尺寸為40個(gè)字節(jié)，那么承載掉率只有44%；若按照IPV6封裝，則承載效率更低，只有35%，這大大降低了網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)容納能力。為此，3GPP采用了ROHC協(xié)議來(lái)解決這一問(wèn)題，利用ROHC最多可以將報(bào)頭尺寸壓縮到1個(gè)字節(jié)，大幅減少VoLTE語(yǔ)音包尺寸，減少用戶流量消耗，大大提升VoLTE容量。

2.2 半靜態(tài)調(diào)度技術(shù)

LTE數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)采用的是動(dòng)態(tài)調(diào)度，動(dòng)態(tài)調(diào)度可以高效靈活的根據(jù)無(wú)線信道環(huán)境使用信道資源，對(duì)于一些QoS要求不高的高寬帶移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，動(dòng)態(tài)調(diào)度無(wú)疑是最好的。

對(duì)于VoLTE語(yǔ)音業(yè)務(wù)而言，由于VoLTE用戶會(huì)長(zhǎng)時(shí)間、周期性地占用業(yè)務(wù)信道資源，且有可能出現(xiàn)大量語(yǔ)音業(yè)務(wù)并發(fā)情況，動(dòng)態(tài)調(diào)度機(jī)制會(huì)消耗大量的調(diào)度資源，帶來(lái)VoLTE業(yè)務(wù)容量瓶頸，而SPS能解決這一問(wèn)題。SPS是指在通話狀態(tài)的激活期，每個(gè)數(shù)據(jù)包的到達(dá)周期為20ms，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，UE通過(guò)識(shí)別SPS來(lái)保存當(dāng)前的調(diào)度信息，并每隔20ms在相同的時(shí)頻資源上進(jìn)行該業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收。使用SPS技術(shù)可以有效節(jié)省控制信令開(kāi)銷，支持更多的用戶，提高系統(tǒng)容量。

3 VoLTE容量計(jì)算

限制VoLTE容量的因素主要是業(yè)務(wù)信道和控制信道可用資源數(shù)。如果采用SPS技術(shù)，那么共享信道受限是影響VoLTE容量的主要因素，而在一些業(yè)務(wù)熱點(diǎn)區(qū)域，用戶容量是主要關(guān)注問(wèn)題，特別是本文分析的場(chǎng)景是基于某商場(chǎng)室內(nèi)分布系統(tǒng)，是采用了SPS和ROHC技術(shù)來(lái)提升容量的。另外VoLTE業(yè)務(wù)是上下行對(duì)稱業(yè)務(wù)，因此主要是上行容量受限。所以本文主要考慮計(jì)算和仿真分析PUSCH信道容量。

業(yè)務(wù)信道容量用VoLTE用戶數(shù)表示如下：

NVoLTE （1）

其中，表示上行可用RB數(shù)；NTTI 表示一個(gè)語(yǔ)音數(shù)據(jù)包傳送周期內(nèi)的TTI數(shù)；η表示重傳因子；ηPRACH為PRACH因子；ηTDD為ηTDD因子；表示每個(gè)VoLTE呼叫占用RB數(shù)；α為話音激活因子。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)軟件測(cè)試和3GPP相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其各個(gè)變量取值如表1所示：

表1 業(yè)務(wù)信道容量各個(gè)變量取值

變量 本室分場(chǎng)景20M組網(wǎng)、TM3模式、DL：UL=2：2

可用RB數(shù) 100，PUCCH占用

每個(gè)VoLTE呼叫占用RB數(shù) MCS>16時(shí)，1個(gè)VoLTE語(yǔ)音包需要2個(gè)PRB

15>MCS>12時(shí)，1個(gè)VoLTE語(yǔ)音包需要3個(gè)PRB

11>MCS>7時(shí)，1個(gè)VoLTE語(yǔ)音包需要5個(gè)PRB

TTI數(shù) 20

重傳因子 10%HARQ

PRACH因子 占用6個(gè)RB

TDD因子 上行TDD因子=0.2

話音激活因子 0.65

根據(jù)表1參數(shù)，在不同MCS模式下可以分別計(jì)算出23.85kbps速率下VoLTE用戶數(shù)如表2所示：

表2 23.85kbps速率下用戶數(shù)

編碼速率/kbps 傳輸方向 MCS VoLTE用戶數(shù)

23.85 上行 MCS>16 385

15>MCS>1 224

11>MCS>7 148

通過(guò)表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，MCS值越高即無(wú)線環(huán)境越好，VoLTE用戶數(shù)越多。

4 VoLTE和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)性能分析

在引入了VoLTE業(yè)務(wù)后，衡量LTE網(wǎng)絡(luò)容量指標(biāo)需要同時(shí)結(jié)合VoLTE用戶數(shù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)吞吐量。VoLTE業(yè)務(wù)相對(duì)于其他數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)有絕對(duì)高的調(diào)度優(yōu)先級(jí)，其它數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)之間采用的是比例公平調(diào)度方式。系統(tǒng)為每個(gè)預(yù)定用戶分配的PDCCH資源數(shù)是根據(jù)傳輸模式和資源配置方式進(jìn)行的，對(duì)于PDCCH資源的可用性，分兩種情況來(lái)仿真分析：PDCCH容量受限；SPS（即PDCCH不受限）。

對(duì)于同一小區(qū)用戶，具體的用戶分布通過(guò)同心圓模型獲得近似結(jié)果，因此近點(diǎn)、中點(diǎn)、遠(yuǎn)點(diǎn)用戶比例為1：3：5。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景所測(cè)結(jié)果可知，MCS主要集中在27、28，根據(jù)表1結(jié)果，單小區(qū)總的最大VoLTE用戶數(shù)為385，故近中遠(yuǎn)三點(diǎn)VoLTE用戶數(shù)取40、120、200。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]的公式計(jì)算，可以得知在20M組網(wǎng)、TM3模式、DL：UL=2：2、22MIMO雙流、最大MCS組網(wǎng)情況下，最大吞吐量約為145Mbps，實(shí)際環(huán)境因MCS為27，所以實(shí)測(cè)偏小，如圖1所示。

由此可將數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)用戶吞吐量制成表，近中遠(yuǎn)三點(diǎn)的吞吐量和VoLTE用戶數(shù)以及PDCCH受限和SPS關(guān)系如表3所示。

從表3可以看出，隨著VoLTE用戶數(shù)的增加，用戶吞吐量逐漸變小，幾乎是呈線性變化的。同時(shí)采用SPS技術(shù)比PDCCH受限在相同情況下會(huì)有吞吐量的提升。

VoLTE用戶對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)性能影響主要有兩個(gè)方面：

（1）會(huì)減少分配給數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)用戶的資源塊；

（2）降低數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)用戶的多用戶分集增益。

第一個(gè)方面主要是由于VoLTE業(yè)務(wù)具有更高的優(yōu)先級(jí)，當(dāng)VoLTE用戶線性增加，其需調(diào)度使用更多的RB，而RB有限，留給數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)用戶的可用RB數(shù)變少，相應(yīng)的吞吐量呈線性下降，如圖2所示；第二個(gè)方面主要是在某種程度上緩和了VoLTE用戶的絕對(duì)優(yōu)先級(jí)。

當(dāng)PDCCH信道容量受限時(shí)，隨著VoLTE用戶數(shù)增加，還會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)帶來(lái)額外的影響。從圖2可以看出，同樣的場(chǎng)景下，SPS比PDCCH受限可以提供更高的吞吐量和VoLTE用戶。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了在LTE室內(nèi)覆蓋網(wǎng)絡(luò)中VoLTE和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)共存時(shí)的性能，仿真結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在相同的參數(shù)配置下相差不大，仿真結(jié)果表明當(dāng)VoLTE用戶數(shù)增加時(shí)數(shù)據(jù)吞吐量近似成線性下降，VoLTE業(yè)務(wù)擁有絕對(duì)的調(diào)度優(yōu)先級(jí)導(dǎo)致數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)用戶可用的RB數(shù)減少是主要原因。研究本課題對(duì)目前正在大規(guī)模部署的VoLTE業(yè)務(wù)在容量和覆蓋的規(guī)劃上有一定參考價(jià)值，ROHC建議開(kāi)啟，SPS在信噪比較好且穩(wěn)定的情況下開(kāi)啟，另外對(duì)于一些頻譜資源純凈、信道環(huán)境較好的室分站點(diǎn)，在人流量不是很大的情況下可以開(kāi)啟TTI bundling來(lái)增強(qiáng)VoLTE的上行覆蓋。

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