VoLTE無線關鍵技術研究

劉建華 陳俊 劉磊

【摘 要】VoLTE無線領域方面的研究，重點關注語音覆蓋能力、質量、容量和無線新技術這幾個方面。語音覆蓋方面，通過鏈路預算和外場測試，對語音業(yè)務的極限覆蓋能力和現(xiàn)有規(guī)劃的覆蓋情況進行了分析和驗證；語音質量方面，全網(wǎng)測試結果顯示，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；無線新技術方面，介紹了多承載要求、RoHC、C-DRX、SPS、RoHC、TTI-Bundling等關鍵技術的原理和外場測試情況。

【關鍵詞】VoLTE 鏈路預算 語音質量

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.04.007 中圖分類號：TN929.53 文獻標識碼：A 文章編號：1006-1010（2016）04-0036-07

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

1 引言

VoLTE無線研究主要關注語音覆蓋能力、質量、容量和無線新技術這幾個方面。對于覆蓋能力，將從鏈路預算和外場測試兩個方面分析上下行覆蓋受限情況；對于語音質量，將給出現(xiàn)網(wǎng)條件下，VoLTE高清語音外場實測MOS值并與2G語音質量進行對比；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；無線新技術部分，將依次對多承載要求、RoHC、C-DRX、SPS、RoHC、TTI-Bundling等關鍵技術展開介紹。

2 VoLTE覆蓋能力

2.1 鏈路預算

VoLTE鏈路預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標清語音編碼，上行業(yè)務信道（PUSCH）將成為覆蓋瓶頸，允許的最大路損分別為135.3dB（標清）和132.4dB（高清）。下行覆蓋距離不受高清、標清影響，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鏈路預算結果

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

假設基站導頻發(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，可計算出實際測試中，各信道最大路損對應的下行RSRP。

2.2 外場測試結果

當UE移動到覆蓋極限時，網(wǎng)絡側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）拐點作為上下行的覆蓋邊緣，高于10%說明系統(tǒng)鏈路自適應（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)境下的測試結果，從圖中可以看出，上下行業(yè)務在RSRP為-127dBm處基本平衡，而高清業(yè)務上行略受限（-125dBm）。測試在現(xiàn)網(wǎng)中進行，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之一，影響VoLTE容量的因素可歸結為對業(yè)務信道和控制信道的資源占用情況。如時隙配比、靜默期比例、半持續(xù)調(diào)度（SPS）等因素會影響控制信道及業(yè)務信道容量，而編碼速率、用戶分布、包頭壓縮（RoHC）、上行MU-MIMO等因素僅會影響業(yè)務信道容量。

3.2 容量評估

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)務信道容量取決于20ms調(diào)度周期內(nèi)單個語音包占據(jù)的業(yè)務信道資源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)度每個用戶的PDCCH占據(jù)的CCE個數(shù)。而VoLTE容量指的是在相同條件下，上下行業(yè)務信道和控制信道容量中的最小值。

（1）峰值容量

在上下行時隙配比為1：3、特殊子幀配比為3：9：2時，根據(jù)高清23.85k語音包TBS大?。ㄎ撮_啟RoHC為872）和MCS等級，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。其他信道計算方法同上。

（2）平均容量計算方法

假設全網(wǎng)用戶數(shù)量分布按照好點：中點：差點=3：4：3，根據(jù)SINR對應的MCS，推算出好點、中點、差點每個用戶所需的RB數(shù)，從而計算出平均容量。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)絡容量，上行MU-MIMO功能可提升5%～15%的網(wǎng)絡容量。

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

4 語音質量

在提供語音業(yè)務的網(wǎng)絡中，語音質量是影響服務質量最關鍵的因素。一般對語音質量主要從MOS（Mean Opinion Score）值的角度來評價。MOS是一種常用的主觀評價標準。ITU-T G.107給出的語音業(yè)務的MOS定義為五級，用戶滿意度和MOS等級的對應關系如表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時代MOS值表征的語音質量。隨著評估算法的演進，相同MOS值表征的語音質量也有所變化。2G時代，網(wǎng)絡只支持窄帶語音，帶寬為300～3400Hz，語音質量采用PESQ評估算法，該算法要求語料采樣率是8kHz。LTE時代，高清語音帶寬可支持50～7000Hz，語音質量采用PoLQA評估算法，該算法要求語料采樣率為48kHz。這兩種評估算法輸出的MOS值均為1～5之間，但是相同的MOS值代表的用戶體驗卻不同。也就是說同樣的網(wǎng)絡環(huán)境下，PoLQA評估算法由于評估帶寬更寬，MOS值會有所下降，而對于相同MOS值，PoLQA評估算法下的語音應該更為立體豐富。

圖3為全網(wǎng)遍歷測試的結果，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無線關鍵技術

5.1 多承載要求

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

為了支持VoLTE，無線基站側需要支持多個承載的組合，這些承載可以劃分成信令承載（SRB）和業(yè)務承載（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，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。

（2）DRB：對于數(shù)據(jù)業(yè)務而言，需要提供QCI8/9的默認承載；對于語音業(yè)務而言，需要建立QCI5的默認承載用于傳輸SIP信令，QCI1的專用承載用于傳輸語音；對于高清視頻業(yè)務，還需要在語音業(yè)務的基礎上，建立QCI2的專用承載用于視頻圖像的傳輸。默認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)務而言，通常載荷的平均長度與協(xié)議包頭開銷基本相當。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，將達到60字節(jié)。因此，空口帶寬實際利用率只有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90%。

RoHC的實現(xiàn)原理為僅在初次傳輸時發(fā)送RTP/UDP/IP包頭的靜態(tài)信息，后續(xù)不再重復發(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號和IP-ID號都是以1為單位遞增，可通過上下文推算）。

（2）外場測試結果

表5為外場測試結果，在上行信道受限場景下，RoHC可提升5dB/2.5dB（標清/高清）的覆蓋增益，基本符合理論預期。RoHC開啟后，VoLTE的PDCP層速率可降低40%/30%（標清/高清）。可見，RoHC不僅提升了覆蓋能力，同時還提高了容量，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，因為網(wǎng)絡并不是時刻都有它的消息，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）機制，UE僅在必要的時間段打開接收機進入激活期，接收下行數(shù)據(jù)和信令，而在其他時間關閉接收機進入休眠期，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，也不是時時刻刻都有數(shù)據(jù)要接收，如OTT業(yè)務。因此，連接態(tài)下需要DRX機制來節(jié)省終端的電力消耗，對于連接態(tài)下的DRX機制，也稱作C-DRX（Connected-DRX）。LTE現(xiàn)網(wǎng)支持針對數(shù)據(jù)業(yè)務和語音業(yè)務分配設置C-DRX參數(shù)，語音業(yè)務的C-DRX參數(shù)僅在語音呼叫建立過程中配置，用戶掛機后，將恢復使用默認的數(shù)據(jù)業(yè)務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)務分類 長DRX周期/ms On Duration Timer/psf DRX Inactivity Timer/psf

數(shù)據(jù)業(yè)務 160 8 60

語音業(yè)務

（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)務連續(xù)性方案，主要是為了解決當單射頻UE在LTE/Pre-LTE網(wǎng)絡和2G/3G CS網(wǎng)絡之間移動時，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)務從基于IMS的VoLTE切換到2G/3G的CS域，以保證語音業(yè)務的連續(xù)性，此過程即為SRVCC。在4G網(wǎng)絡覆蓋初期/中期，由于LTE網(wǎng)絡覆蓋不完整，UE在4G中的VoLTE業(yè)務如果移動到LTE覆蓋邊緣時，需要將VoLTE業(yè)務SRVCC到2G/3G的CS域中。

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

（2）實測結果

eSRVCC過程會經(jīng)過4G和2G較多網(wǎng)元，其性能評估指標如圖4所示。

下面將通過部分外場測試結果來闡述上述指標。

1）異系統(tǒng)/異頻測量時延

從表7和表8可以看到，2G頻點個數(shù)對eSRVCC異系統(tǒng)測量時延影響較小，而由于終端測量機制的原因，LTE異頻組網(wǎng)對B2測量時延影響較大，對切換成功率和啟測門限參數(shù)設置有影響。因此，應繼續(xù)推動芯片廠家、終端廠家優(yōu)化eSRVCC測量時延。

2）切換準備時延

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備時延差異的主要原因，Pool內(nèi)組網(wǎng)切換準備時延更低。

3）控制面/用戶面中斷時延

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

5.5 SPS

（1）理論分析

VoLTE具有突發(fā)性的小包頻繁到達的業(yè)務特性，語音編碼器每20ms生成一個語音包。為了調(diào)度這些數(shù)據(jù)包，需要控制信令（PDCCH）來指示。當用戶數(shù)量增加時，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先分配的資源對新生成的語音包進行調(diào)度。對于首次傳輸錯誤而需要重傳的語音包，為了降低時延，仍然采用動態(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)務的1.3%。

（2）測試結果

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

（3）應用分析

考慮到SPS的特點，激活SPS的場景應滿足以下條件：

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校驗碼。其中，從MCS里面借用了1bit，導致用于SPS的MCS只有4bit，對應的最高階MCS為15）。

然而，現(xiàn)網(wǎng)VoLTE業(yè)務的C-DRX配置為40ms（終端每2個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并不會成為VoLTE語音業(yè)務的容量瓶頸。

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，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）。

5.6 TTI Bundling

當UE移動到小區(qū)邊緣時，隨著鏈路損耗的增加，基站將通知UE提升發(fā)射功率來補償路損的增加，保證上行鏈路傳輸成功率。當UE發(fā)射功率已達到滿功率時，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時延（FDD為10ms，TDD與上下行子幀配比相關）。因此，將會造成小區(qū)邊緣用戶傳輸時延的增加。

而通過使用TTI Bundling（Transmission Time Interval Bundling），在連續(xù)的4個上行子幀上同時發(fā)送同一個傳輸塊（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這類時延敏感型業(yè)務。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，在此基礎上啟動SPS已經(jīng)沒有太大意義。此外，TTI Bundling開啟后，連續(xù)的4個子幀需要同時傳輸，SPS的周期設置將會變的更加復雜。

6 結束語

本文總結了VoLTE語音覆蓋能力、質量、容量和無線新技術幾個方面的研究情況。針對VoLTE覆蓋能力，鏈路預算結果顯示上行PUSCH信道受限，測試結果顯示現(xiàn)有規(guī)劃指標初傳BLER可以控制在10%以內(nèi)，滿足覆蓋要求。針對語音質量，測試結果顯示，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，用戶體驗更加立體豐富，現(xiàn)場感更強。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。無線新技術部分，本文重點對多承載要求、RoHC、C-DRX、SPS、RoHC、TTI-Bundling等關鍵技術進行了介紹，并給出了外場測試結果和應用情況分析。

參考文獻：

[1] 3GPP TS 23.228. IP Multimedia Subsystem （IMS）；Stage 2（Release 12）[S]. 2013.

[2] 3GPP TS 23.216. Single Radio Voice Call Continuity （SRVCC）；Stage 2（Release 12）[S]. 2013.

[3] 3GPP TR 23.856. Single Radio Voice Call Continuity （SRVCC） enhancements； Stage 2 （Release 10）[S]. 2010.

[4] 3GPP TS 26.101. Mandatory speech codec speech processing functions； Adaptive Multi-Rate （AMR） speech codec frame structure[S]. 2014.

[5] 3GPP TS 36.322. Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； Radio Link Control （RLC） protocol specification[S]. 2010.

[6] 3GPP TS 36.323. Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； Packet Data Convergence Protocol （PDCP） specification （Release 9）[S]. 2009.

[7] 3GPP TS 36.331. Radio Resource Control （RRC） Protocol specification （Release 12）[S]. 2015.

[8] Marco M， Davide C， Daniel C， et al. Evaluation of Jumbo frames of feasibility in LTE Access Networks[J]. IEEE ICC， 2013： 5964-5968.

[9] 徐德平，程日濤，張新程. VoLTE關鍵技術及部署策略研究[J]. 電信工程技術與標準化， 2014（2）： 75-79.

[10] 中國移動通信集團. TD-LTE無線網(wǎng)絡性能測試規(guī)范[Z]. 2011.