劉建華 陳俊 劉磊

【摘 要】VoLTE無線領(lǐng)域方面的研究，重點(diǎn)關(guān)注語音覆蓋能力、質(zhì)量、容量和無線新技術(shù)這幾個(gè)方面。語音覆蓋方面，通過鏈路預(yù)算和外場測試，對語音業(yè)務(wù)的極限覆蓋能力和現(xiàn)有規(guī)劃的覆蓋情況進(jìn)行了分析和驗(yàn)證；語音質(zhì)量方面，全網(wǎng)測試結(jié)果顯示，VoLTE高清語音MOS值明顯優(yōu)于GSM；容量方面，通過理論分析，給出了不同配置下的VoLTE并發(fā)用戶數(shù)和受限信道，為后續(xù)容量提升提供了研究方向；無線新技術(shù)方面，介紹了多承載要求、RoHC、C-DRX、SPS、RoHC、TTI-Bundling等關(guān)鍵技術(shù)的原理和外場測試情況。

【關(guān)鍵詞】VoLTE 鏈路預(yù)算 語音質(zhì)量

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.04.007 中圖分類號(hào)：TN929.53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-1010（2016）04-0036-07

引用格式：劉建華，陳俊，劉磊. VoLTE無線關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 移動(dòng)通信， 2016，40（4）： 36-42.

1 引言

VoLTE無線研究主要關(guān)注語音覆蓋能力、質(zhì)量、容量和無線新技術(shù)這幾個(gè)方面。對于覆蓋能力，將從鏈路預(yù)算和外場測試兩個(gè)方面分析上下行覆蓋受限情況；對于語音質(zhì)量，將給出現(xiàn)網(wǎng)條件下，VoLTE高清語音外場實(shí)測MOS值并與2G語音質(zhì)量進(jìn)行對比；容量方面，將基于理論分析，給出不同配置下的VoLTE并發(fā)用戶數(shù)和受限物理信道；無線新技術(shù)部分，將依次對多承載要求、RoHC、C-DRX、SPS、RoHC、TTI-Bundling等關(guān)鍵技術(shù)展開介紹。

2 VoLTE覆蓋能力

2.1 鏈路預(yù)算

VoLTE鏈路預(yù)算的主要目的是給出各物理信道的極限覆蓋能力，從而分析出理論覆蓋能力和受限信道，為后續(xù)覆蓋能力的提升指明研究方向。從表1可以看出，不管是采用23.85kbps高清語音編碼，還是12.2kbps標(biāo)清語音編碼，上行業(yè)務(wù)信道（PUSCH）將成為覆蓋瓶頸，允許的最大路損分別為135.3dB（標(biāo)清）和132.4dB（高清）。下行覆蓋距離不受高清、標(biāo)清影響，主要是由于下行發(fā)射功率不受RB數(shù)影響，高清語音包可以用更多RB傳輸，即“容量換覆蓋”。

表1 VoLTE鏈路預(yù)算結(jié)果

物理信道 允許最大路損/dB

PDSCH-12.2k 136.8

PUSCH-12.2k 135.3

PDSCH-23.85k 136.8

PUSCH-23.85k 132.4

PDCCH 137.7

PRACH 144.8

假設(shè)基站導(dǎo)頻發(fā)射功率為15.2dBm，上下行干擾余量分別為2dB/5dB，OTA損耗6dB，車廂損耗3dB，人體損耗3dB，可計(jì)算出實(shí)際測試中，各信道最大路損對應(yīng)的下行RSRP。

2.2 外場測試結(jié)果

當(dāng)UE移動(dòng)到覆蓋極限時(shí)，網(wǎng)絡(luò)側(cè)需要通過重傳來保證數(shù)據(jù)的正確率。這里以上下行初傳10% BLER（廠家采用的典型配置）拐點(diǎn)作為上下行的覆蓋邊緣，高于10%說明系統(tǒng)鏈路自適應(yīng)（AMC）開始失效。

從圖1可以看出，在室外組網(wǎng)環(huán)境下，語音業(yè)務(wù)下行受限。初傳BLER在SINR為-6dB處抬升至10%以上。圖2是室外覆蓋室內(nèi)環(huán)境下的測試結(jié)果，從圖中可以看出，上下行業(yè)務(wù)在RSRP為-127dBm處基本平衡，而高清業(yè)務(wù)上行略受限（-125dBm）。測試在現(xiàn)網(wǎng)中進(jìn)行，上行IOT干擾較小。隨著用戶數(shù)增多，上行干擾將提高，上行VoLTE將更早受限。

3 VoLTE容量

3.1 影響因素分析

VoLTE容量是衡量LTE承載能力的重要指標(biāo)之一，影響VoLTE容量的因素可歸結(jié)為對業(yè)務(wù)信道和控制信道的資源占用情況。如時(shí)隙配比、靜默期比例、半持續(xù)調(diào)度（SPS）等因素會(huì)影響控制信道及業(yè)務(wù)信道容量，而編碼速率、用戶分布、包頭壓縮（RoHC）、上行MU-MIMO等因素僅會(huì)影響業(yè)務(wù)信道容量。

3.2 容量評(píng)估

VoLTE語音包理論上每隔20ms傳一次，需要eNB每20ms調(diào)度一次，因此上下行業(yè)務(wù)信道容量取決于20ms調(diào)度周期內(nèi)單個(gè)語音包占據(jù)的業(yè)務(wù)信道資源RB大小。同理下行控制信道容量取決于每20ms調(diào)度周期內(nèi)調(diào)度每個(gè)用戶的PDCCH占據(jù)的CCE個(gè)數(shù)。而VoLTE容量指的是在相同條件下，上下行業(yè)務(wù)信道和控制信道容量中的最小值。

（1）峰值容量

在上下行時(shí)隙配比為1：3、特殊子幀配比為3：9：2時(shí)，根據(jù)高清23.85k語音包TBS大小（未開啟RoHC為872）和MCS等級(jí)，可以算出PDSCH峰值容量為594用戶，開啟RoHC后，峰值容量提升為1188。其他信道計(jì)算方法同上。

（2）平均容量計(jì)算方法

假設(shè)全網(wǎng)用戶數(shù)量分布按照好點(diǎn)：中點(diǎn)：差點(diǎn)=3：4：3，根據(jù)SINR對應(yīng)的MCS，推算出好點(diǎn)、中點(diǎn)、差點(diǎn)每個(gè)用戶所需的RB數(shù)，從而計(jì)算出平均容量。VoLTE理論峰值/平均容量如表2所示：

3.3 容量提升方法

通過測試發(fā)現(xiàn)，包頭壓縮（RoHC）功能可以提升至少30%的網(wǎng)絡(luò)容量，上行MU-MIMO功能可提升5%～15%的網(wǎng)絡(luò)容量。

AMR自適應(yīng)功能理論上可以較大程度提升網(wǎng)絡(luò)容量，它可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變化自適應(yīng)地降低終端的語音編碼速率，從而減少資源占用，提高網(wǎng)絡(luò)容量。目前該技術(shù)還沒有較為成熟的方案，有待繼續(xù)研究。

4 語音質(zhì)量

在提供語音業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)中，語音質(zhì)量是影響服務(wù)質(zhì)量最關(guān)鍵的因素。一般對語音質(zhì)量主要從MOS（Mean Opinion Score）值的角度來評(píng)價(jià)。MOS是一種常用的主觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。ITU-T G.107給出的語音業(yè)務(wù)的MOS定義為五級(jí)，用戶滿意度和MOS等級(jí)的對應(yīng)關(guān)系如表3所示：

表3 MOS值意義說明

MOS V What does it mcan？

5 Excellent

4 Very Good

4.5 Good

3.5 Poor

3 Not Acceptable

2 Severe

1 Useless

需要說明的是，圖3為2G時(shí)代MOS值表征的語音質(zhì)量。隨著評(píng)估算法的演進(jìn)，相同MOS值表征的語音質(zhì)量也有所變化。2G時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)只支持窄帶語音，帶寬為300～3400Hz，語音質(zhì)量采用PESQ評(píng)估算法，該算法要求語料采樣率是8kHz。LTE時(shí)代，高清語音帶寬可支持50～7000Hz，語音質(zhì)量采用PoLQA評(píng)估算法，該算法要求語料采樣率為48kHz。這兩種評(píng)估算法輸出的MOS值均為1～5之間，但是相同的MOS值代表的用戶體驗(yàn)卻不同。也就是說同樣的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，PoLQA評(píng)估算法由于評(píng)估帶寬更寬，MOS值會(huì)有所下降，而對于相同MOS值，PoLQA評(píng)估算法下的語音應(yīng)該更為立體豐富。

圖3為全網(wǎng)遍歷測試的結(jié)果，VoLTE高清語音平均MOS值為3.8，5%邊緣為3.6，和GSM的2.1～2.2相比較，均有較大程度的改善。

5 VoLTE無線關(guān)鍵技術(shù)

5.1 多承載要求

對于VoLTE用戶來說，網(wǎng)絡(luò)既要在LTE域提供語音業(yè)務(wù)，同時(shí)也要兼容數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。而語音和數(shù)據(jù)本身的業(yè)務(wù)特性存在差異，語音屬于時(shí)延敏感型業(yè)務(wù)；數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，如HTTP業(yè)務(wù)，對丟包率更為敏感。LTE支持對不同的業(yè)務(wù)類型采取不同類型承載進(jìn)行調(diào)度，通過配置不同的QCI，可實(shí)現(xiàn)不同的QoS保障。QCI業(yè)務(wù)配置表如表4所示。

為了支持VoLTE，無線基站側(cè)需要支持多個(gè)承載的組合，這些承載可以劃分成信令承載（SRB）和業(yè)務(wù)承載（DRB）：

（1）SRB：包括SRB0、SRB1和SRB2。SRB0主要用于RRC連接建立過程，不經(jīng)過加密和完整性保護(hù)，SRB1主要用于RRC重配消息，SRB2主要用于NAS層信令，SRB1和SRB2均經(jīng)過加密和完整性保護(hù)。

（2）DRB：對于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)而言，需要提供QCI8/9的默認(rèn)承載；對于語音業(yè)務(wù)而言，需要建立QCI5的默認(rèn)承載用于傳輸SIP信令，QCI1的專用承載用于傳輸語音；對于高清視頻業(yè)務(wù)，還需要在語音業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，建立QCI2的專用承載用于視頻圖像的傳輸。默認(rèn)承載均為非保證速率承載（Non-GBR），而語音和視頻的專用承載為保證速率承載（GBR）。從RLC層處理方式來看，默認(rèn)承載均為AM模式，語音和視頻的專用承載為UM模式。

5.2 RoHC

（1）理論分析

RoHC主要應(yīng)用于無線通信的空中接口，提升傳輸效率。對于一些小包業(yè)務(wù)而言，通常載荷的平均長度與協(xié)議包頭開銷基本相當(dāng)。以VoLTE為例，其采用RTP/UDP/IP傳輸協(xié)議，高清語音編碼器輸出的每個(gè)語音包的大小約為40字節(jié)，而RTP/UDP/IP的協(xié)議開銷也是40字節(jié)左右，采用IPv6時(shí)，將達(dá)到60字節(jié)。因此，空口帶寬實(shí)際利用率只有50%左右，而通過RoHC，可以將這些包頭壓縮至4～6字節(jié)，空口帶寬利用率可達(dá)90%。

RoHC的實(shí)現(xiàn)原理為僅在初次傳輸時(shí)發(fā)送RTP/UDP/IP包頭的靜態(tài)信息，后續(xù)不再重復(fù)發(fā)送（如IP地址等）。另外，通過一定信息可推知數(shù)據(jù)流中其他信息，可僅發(fā)送必須的信息，其他信息可由上下文推算（如SN號(hào)和IP-ID號(hào)都是以1為單位遞增，可通過上下文推算）。

（2）外場測試結(jié)果

表5為外場測試結(jié)果，在上行信道受限場景下，RoHC可提升5dB/2.5dB（標(biāo)清/高清）的覆蓋增益，基本符合理論預(yù)期。RoHC開啟后，VoLTE的PDCP層速率可降低40%/30%（標(biāo)清/高清）。可見，RoHC不僅提升了覆蓋能力，同時(shí)還提高了容量，PDCP層速率降低后，全網(wǎng)平均上行RB資源可節(jié)省26%/23%（標(biāo)清/高清）。

5.3 C-DRX

UE在RRC空閑態(tài)情況下，需要監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的Paging消息，以便能夠接收到消息。但是，UE并不需要一直打開接收機(jī)，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)并不是時(shí)刻都有它的消息，而且這樣也很耗電。為了省電，LTE引入了DRX（Discontinuous Reception，非連續(xù)接收）機(jī)制，UE僅在必要的時(shí)間段打開接收機(jī)進(jìn)入激活期，接收下行數(shù)據(jù)和信令，而在其他時(shí)間關(guān)閉接收機(jī)進(jìn)入休眠期，停止接收下行數(shù)據(jù)和信令。

對于RRC連接態(tài)的用戶而言，也不是時(shí)時(shí)刻刻都有數(shù)據(jù)要接收，如OTT業(yè)務(wù)。因此，連接態(tài)下需要DRX機(jī)制來節(jié)省終端的電力消耗，對于連接態(tài)下的DRX機(jī)制，也稱作C-DRX（Connected-DRX）。LTE現(xiàn)網(wǎng)支持針對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和語音業(yè)務(wù)分配設(shè)置C-DRX參數(shù)，語音業(yè)務(wù)的C-DRX參數(shù)僅在語音呼叫建立過程中配置，用戶掛機(jī)后，將恢復(fù)使用默認(rèn)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)C-DRX參數(shù)。C-DRX參數(shù)配置如表6所示。

表6 C-DRX參數(shù)配置

業(yè)務(wù)分類 長DRX周期/ms On Duration Timer/psf DRX Inactivity Timer/psf

數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) 160 8 60

語音業(yè)務(wù)

（測試） 40 8 8

5.4 eSRVCC

（1）理論分析

SRVCC（Single Radio Voice Call Continuity）是3GPP提出的一種VoLTE語音業(yè)務(wù)連續(xù)性方案，主要是為了解決當(dāng)單射頻UE在LTE/Pre-LTE網(wǎng)絡(luò)和2G/3G CS網(wǎng)絡(luò)之間移動(dòng)時(shí)，如何保證語音呼叫連續(xù)性的問題，即保證單射頻UE在IMS控制的VoIP語音和CS域語音之間的平滑切換。

語音業(yè)務(wù)從基于IMS的VoLTE切換到2G/3G的CS域，以保證語音業(yè)務(wù)的連續(xù)性，此過程即為SRVCC。在4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋初期/中期，由于LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋不完整，UE在4G中的VoLTE業(yè)務(wù)如果移動(dòng)到LTE覆蓋邊緣時(shí)，需要將VoLTE業(yè)務(wù)SRVCC到2G/3G的CS域中。

eSRVCC是在SRVCC基礎(chǔ)上，通過在拜訪地引入ATCF作為媒體錨定點(diǎn)，節(jié)省遠(yuǎn)端媒體更新時(shí)間，可將切換時(shí)延減低至300ms以內(nèi)。

（2）實(shí)測結(jié)果

eSRVCC過程會(huì)經(jīng)過4G和2G較多網(wǎng)元，其性能評(píng)估指標(biāo)如圖4所示。

下面將通過部分外場測試結(jié)果來闡述上述指標(biāo)。

1）異系統(tǒng)/異頻測量時(shí)延

從表7和表8可以看到，2G頻點(diǎn)個(gè)數(shù)對eSRVCC異系統(tǒng)測量時(shí)延影響較小，而由于終端測量機(jī)制的原因，LTE異頻組網(wǎng)對B2測量時(shí)延影響較大，對切換成功率和啟測門限參數(shù)設(shè)置有影響。因此，應(yīng)繼續(xù)推動(dòng)芯片廠家、終端廠家優(yōu)化eSRVCC測量時(shí)延。

2）切換準(zhǔn)備時(shí)延

從表9可以看到，Pool內(nèi)、Pool外組網(wǎng)方式的不同是造成切換準(zhǔn)備時(shí)延差異的主要原因，Pool內(nèi)組網(wǎng)切換準(zhǔn)備時(shí)延更低。

3）控制面/用戶面中斷時(shí)延

從表10可以看到，控制面中斷時(shí)延符合預(yù)期，與3G到2G切換控制面中斷時(shí)延（300～600ms）相近。

5.5 SPS

（1）理論分析

VoLTE具有突發(fā)性的小包頻繁到達(dá)的業(yè)務(wù)特性，語音編碼器每20ms生成一個(gè)語音包。為了調(diào)度這些數(shù)據(jù)包，需要控制信令（PDCCH）來指示。當(dāng)用戶數(shù)量增加時(shí)，控制信令的容量易成為瓶頸。

SPS（Semi-Persistent Scheduling，半持續(xù)調(diào)度）是LTE中為了節(jié)省PDCCH數(shù)量而提出的一種調(diào)度方法。其基本原理是在指定子幀上按照預(yù)先分配的資源對新生成的語音包進(jìn)行調(diào)度。對于首次傳輸錯(cuò)誤而需要重傳的語音包，為了降低時(shí)延，仍然采用動(dòng)態(tài)調(diào)度的方式，所以稱為“半”持續(xù)調(diào)度。由于新包的調(diào)度不需要控制信令指示，因而大大降低了信令開銷，使得信令開銷資源最低僅為業(yè)務(wù)的1.3%。

（2）測試結(jié)果

外場對SPS開啟前后的PDCCH開銷進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，從圖5可以看出，SPS開啟后，PDCCH開銷均有所下降，達(dá)到了SPS功能的基本要求。

（3）應(yīng)用分析

考慮到SPS的特點(diǎn)，激活SPS的場景應(yīng)滿足以下條件：

1）首要條件：PDCCH受限；

2）次要條件：MCS不超過15（為了提升用于SPS激活的PDCCH信令的魯棒性，3GPP從MCS、TPC里面借用了6bit形成虛擬CRC校驗(yàn)碼。其中，從MCS里面借用了1bit，導(dǎo)致用于SPS的MCS只有4bit，對應(yīng)的最高階MCS為15）。

然而，現(xiàn)網(wǎng)VoLTE業(yè)務(wù)的C-DRX配置為40ms（終端每2個(gè)VoLTE語音包得到一次調(diào)度）。從表11可知，在現(xiàn)網(wǎng)配置下（1：3配比，語音包調(diào)度周期40ms），PDCCH并不會(huì)成為VoLTE語音業(yè)務(wù)的容量瓶頸。

而C-DRX方案在終端功耗、調(diào)度效率方面都比SPS方案具備優(yōu)勢。因此，建議現(xiàn)網(wǎng)在采用C-DRX=40ms配置時(shí)，不開啟SPS功能。僅在現(xiàn)網(wǎng)PDCCH開銷非常大的特殊場景激活SPS（如FDD網(wǎng)絡(luò)）。

5.6 TTI Bundling

當(dāng)UE移動(dòng)到小區(qū)邊緣時(shí)，隨著鏈路損耗的增加，基站將通知UE提升發(fā)射功率來補(bǔ)償路損的增加，保證上行鏈路傳輸成功率。當(dāng)UE發(fā)射功率已達(dá)到滿功率時(shí)，隨著損耗的增加，上行鏈路傳輸成功率下降，UE需要多次重傳才能保證接收數(shù)據(jù)包被基站正確接收。每次重傳之間需要HARQ RTT時(shí)延（FDD為10ms，TDD與上下行子幀配比相關(guān)）。因此，將會(huì)造成小區(qū)邊緣用戶傳輸時(shí)延的增加。

而通過使用TTI Bundling（Transmission Time Interval Bundling），在連續(xù)的4個(gè)上行子幀上同時(shí)發(fā)送同一個(gè)傳輸塊（Transport Block），積累了能量，提高了上行接收成功率，降低重傳概率，非常適用于VoLTE這類時(shí)延敏感型業(yè)務(wù)。需要說明的是，由于TDD系統(tǒng)中上下行子幀是不連續(xù)的，而語音包又有20ms的周期限制。因此，協(xié)議中只有配比0、1、6支持TTI Bundling，其它配比不適合做綁定處理。

另外，目前的LTE協(xié)議版本不支持TTI Bundling和SPS并存，主要考慮到TTI Bundling已經(jīng)降低了控制信令的開銷，在此基礎(chǔ)上啟動(dòng)SPS已經(jīng)沒有太大意義。此外，TTI Bundling開啟后，連續(xù)的4個(gè)子幀需要同時(shí)傳輸，SPS的周期設(shè)置將會(huì)變的更加復(fù)雜。

6 結(jié)束語

本文總結(jié)了VoLTE語音覆蓋能力、質(zhì)量、容量和無線新技術(shù)幾個(gè)方面的研究情況。針對VoLTE覆蓋能力，鏈路預(yù)算結(jié)果顯示上行PUSCH信道受限，測試結(jié)果顯示現(xiàn)有規(guī)劃指標(biāo)初傳BLER可以控制在10%以內(nèi)，滿足覆蓋要求。針對語音質(zhì)量，測試結(jié)果顯示，VoLTE高清語音全網(wǎng)遍歷下的平均MOS值為3.8，明顯高于GSM語音的2.2，用戶體驗(yàn)更加立體豐富，現(xiàn)場感更強(qiáng)。容量方面，通過理論分析，文章給出了對不同配置下的VoLTE并發(fā)用戶數(shù)和受限物理信道。無線新技術(shù)部分，本文重點(diǎn)對多承載要求、RoHC、C-DRX、SPS、RoHC、TTI-Bundling等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹，并給出了外場測試結(jié)果和應(yīng)用情況分析。

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