面向VoLTE的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和容量提升技術(shù)研究

劉煥勇

【摘 要】分析了VoLTE技術(shù)和其所面臨的挑戰(zhàn)，提出了幾種提升VoLTE覆蓋和容量的技術(shù)，包括頭壓縮、半靜態(tài)調(diào)度、TTI綁定等技術(shù)，同時(shí)也提出了創(chuàng)新性技術(shù)，包括調(diào)度周期動(dòng)態(tài)調(diào)整技術(shù)、多天線接收技術(shù)和RLC分段等技術(shù)實(shí)現(xiàn)VoLTE的語(yǔ)音容量和覆蓋范圍提升。

【關(guān)鍵詞】VoLTE；魯棒性頭壓縮；半靜態(tài)調(diào)度；TTI綁定；RLC分段

1 引言

VoLTE是4G的語(yǔ)音業(yè)務(wù)解決方案。VoLTE主要為用戶提供AMR-WB（Adaptive Multi-Rate WideBand Speech Codec，自適應(yīng)多速率寬帶語(yǔ)音編碼）23.85 kb/s和AMR-NB（Adaptive Multi-Rate NarrowBand Speech Codec，自適應(yīng)多速率窄帶語(yǔ)音編碼）12.2 kb/s兩種高清速率語(yǔ)音業(yè)務(wù)[1]。相比2G/3G 9.6 kb/s速率的語(yǔ)音業(yè)務(wù)，VoLTE的語(yǔ)音質(zhì)量更高、更清晰。由于VoLTE采用了基于分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸方案，其呼叫時(shí)延等網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)也明顯優(yōu)于2G/3G語(yǔ)音業(yè)務(wù)。通過外場(chǎng)測(cè)試，VoLTE的MOS（Mean Opinion Score，平均主觀意見分）分值一般在3.8分以上，而2G/3G的MOS分值則一般在3.0左右，VoLTE的各項(xiàng)性能指標(biāo)明顯優(yōu)于2G/3G網(wǎng)絡(luò)。

VoLTE為用戶提供了高清語(yǔ)音業(yè)務(wù)，但覆蓋距離卻低于同頻段的2G/3G網(wǎng)絡(luò)[2-3]。圖1為800 MHz頻段上，VoLTE業(yè)務(wù)和CDMA語(yǔ)音業(yè)務(wù)的覆蓋距離對(duì)比。由于受終端發(fā)射功率的限制，VoLTE是上行覆蓋受限系統(tǒng)，其上行覆蓋范圍小于下行覆蓋范圍。VoLTE覆蓋范圍小于2G/3G語(yǔ)音覆蓋范圍，同CDMA網(wǎng)絡(luò)相比，覆蓋距離相差10%左右，主要是VoLTE高清語(yǔ)音業(yè)務(wù)對(duì)eNodeB上行接收機(jī)靈敏度要求更高，導(dǎo)致VoLTE覆蓋距離減小。同樣在相同的覆蓋范圍內(nèi)，也導(dǎo)致VoLTE的接入用戶數(shù)也相應(yīng)減少?；谏鲜鰞蓚€(gè)VoLTE實(shí)際問題，提出幾種提升VoLTE的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和容量技術(shù)。

2 基于RoHC技術(shù)的VoLTE容量提升

VoLTE的IP語(yǔ)音包由報(bào)頭和有效負(fù)荷組成，其中報(bào)頭包括IP、UDP（User Data Protocol，用戶數(shù)據(jù)協(xié)議）、RTP（Real-time Transport Protocol，實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議），具體如圖2所示，由IPv4、UDP和RTP組成的報(bào)頭長(zhǎng)度總計(jì)40個(gè)字節(jié)，而有效負(fù)荷只有20個(gè)字節(jié)，近67%的無(wú)線資源用于承載報(bào)頭，顯然浪費(fèi)太多的無(wú)線資源。

針對(duì)VoLTE傳輸，通常在PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議）子層采用RoHC（Robust Header Compression，魯棒性頭壓縮）技術(shù)進(jìn)行報(bào)頭壓縮[4]。RoHC提供了一種可擴(kuò)展的框架，能將報(bào)頭最高壓縮到1個(gè)字節(jié)，通常情況下，也可壓縮到4到5個(gè)字節(jié)，能帶來(lái)90%的壓縮效率。經(jīng)過RoHC后，1個(gè)調(diào)度周期內(nèi)的語(yǔ)音包長(zhǎng)度可壓縮到580 bits左右，分配的RB數(shù)目也大幅減少，系統(tǒng)能夠增加更多的語(yǔ)音接入數(shù)。

圖3為在打開和關(guān)閉RoHC兩種場(chǎng)景下，單個(gè)用戶每秒所占用的RB數(shù)對(duì)比示意圖。RoHC開啟后，近點(diǎn)用戶可節(jié)省20%的RB，遠(yuǎn)點(diǎn)用戶則可節(jié)省60%的RB。因此，RoHC技術(shù)可明顯提升VoLTE網(wǎng)絡(luò)容量。

3 基于SPS技術(shù)的VoLTE容量提升

LTE的系統(tǒng)資源主要包括RB和CCE（Control Channel Element，控制信道單元）[5-6]。CCE承載的信息包括用戶的RB起始位置、MCS（Modulation and Coding Scheme，編碼調(diào)制策略）等級(jí)和其它控制信息[7-10]。表1為L(zhǎng)TE不同帶寬下RB和CCE占用情況：

LTE數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通常采用動(dòng)態(tài)調(diào)度方法，即每個(gè)TTI調(diào)度周期都會(huì)為用戶分配CCE。CCE分配數(shù)目則根據(jù)用戶的SINR值確定。SINR值較高的近點(diǎn)用戶會(huì)分配給1或2個(gè)CCE；SINR值較低的遠(yuǎn)點(diǎn)用戶則會(huì)分配給4或8個(gè)CCE。

VoLTE屬于小數(shù)據(jù)包業(yè)務(wù)，如果采用動(dòng)態(tài)調(diào)度方法，即每次發(fā)送語(yǔ)音包時(shí)，都要為用戶分配CCE，則CCE成為系統(tǒng)容量的瓶頸。以3 MHz帶寬為例，1個(gè)TTI分配的CCE數(shù)目12個(gè)，考慮到PDCCH（Physical Downlink Control Channel，物理下行控制信道）的70%利用率，在一個(gè)TTI內(nèi)只能調(diào)度一個(gè)遠(yuǎn)點(diǎn)用戶（8個(gè)CCE），顯然不能接受。

3.1 SPS技術(shù)

SPS（Semi-Persistent Scheduling，半靜態(tài)調(diào)度）是基站通過初次傳輸?shù)腟PS-C-RNTI（Radio Network Temporary Identifier，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)臨時(shí)標(biāo)識(shí)）加擾的PDCCH指定UE（User Equipment，用戶設(shè)備）當(dāng)前的調(diào)度信息。UE保存當(dāng)前的調(diào)度信息，在以后每一個(gè)固定的周期（如20 ms），在相同的時(shí)域和頻域資源發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，基站不再為這個(gè)用戶占用CCE，進(jìn)而節(jié)省大量的CCE來(lái)增加更多的接入用戶。

圖4為SPS的RB分配方案示意圖，eNodeB每隔一個(gè)20 ms調(diào)度周期，為同一個(gè)用戶分配固定的RB起始位置（見綠色部分），不需要在每個(gè)調(diào)度周期都為UE分配CCE，從而可節(jié)省CCE。

表2為外場(chǎng)測(cè)試三個(gè)不同路段，分別打開和關(guān)閉SPS后，平均每秒調(diào)度CCE和MCS等級(jí)的對(duì)比。SPS打開后，三個(gè)路段的平均每秒調(diào)度的CCE均有明顯下降，說(shuō)明SPS能有效降低CCE。SPS打開后，三個(gè)路段平均分配的RB會(huì)增加，同時(shí)MCS等級(jí)均有一定程度的下降。

SPS通過對(duì)用戶只分配一次CCE的方法來(lái)節(jié)省CCE，進(jìn)而增加VoLTE用戶，提升網(wǎng)絡(luò)容量，特別適合于室內(nèi)這種信道變化較慢的應(yīng)用場(chǎng)景。對(duì)于一些信道變化較大的應(yīng)用場(chǎng)景，如高速公路場(chǎng)景，開啟SPS后，系統(tǒng)性能會(huì)出現(xiàn)一定程度的下降，比如RB增加、MCS等級(jí)下降等，進(jìn)而影響VoLTE質(zhì)量。為此，特提出了另外一種節(jié)省CCE資源技術(shù)來(lái)提升網(wǎng)絡(luò)容量。

3.2 調(diào)度周期動(dòng)態(tài)調(diào)整技術(shù)

VoLTE的調(diào)度周期通常為20 ms，即基站每隔20 ms為用戶調(diào)度一次語(yǔ)音包，即1 s為用戶提供50次調(diào)度。調(diào)度周期動(dòng)態(tài)調(diào)整技術(shù)是根據(jù)用戶的MCS/SINR門限值，對(duì)調(diào)度周期進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。具體設(shè)計(jì)方法如表3所示：

其中，對(duì)于MCS等級(jí)大于25的近點(diǎn)用戶，系統(tǒng)自動(dòng)把調(diào)度周期調(diào)整為80 ms，每秒12.5次調(diào)度；對(duì)于MCS等級(jí)大于15的中點(diǎn)用戶，系統(tǒng)把調(diào)度周期自動(dòng)調(diào)整為40 ms，每秒25次調(diào)度；對(duì)于MCS等級(jí)小于15的遠(yuǎn)點(diǎn)用戶，系統(tǒng)調(diào)度周期為20 ms，每秒50次調(diào)度。這種動(dòng)態(tài)調(diào)整的方法在保證用戶的足夠調(diào)度次數(shù)的同時(shí)，對(duì)近點(diǎn)、中點(diǎn)用戶減少調(diào)度次數(shù)，從而減少CCE資源的占用，使更多的用戶接入?？傊?，動(dòng)態(tài)調(diào)度能夠更好地適應(yīng)信道快速變化的場(chǎng)景，同時(shí)也節(jié)省CCE占用。

4 基于TTIB技術(shù)的VoLTE覆蓋提升

由于受UE發(fā)射功率的限制，LTE系統(tǒng)是一個(gè)上行覆蓋受限系統(tǒng)。當(dāng)UE位于小區(qū)邊緣時(shí)，UE有時(shí)無(wú)法完成一個(gè)語(yǔ)音數(shù)據(jù)包的發(fā)送，容易丟包。TTIB（Transmission Time Interval Bundling，傳輸時(shí)隙綁定）是將一個(gè)數(shù)據(jù)包在連續(xù)多個(gè)TTI資源上重復(fù)進(jìn)行傳輸，接收端將多個(gè)TTI資源上的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，提升傳輸質(zhì)量。

如圖5所示，用戶可在連續(xù)4個(gè)上行子幀上傳輸同一傳輸塊，每次傳輸采用不同版本號(hào)，用以做HARQ（Hybrid Automatic Repeat reQuest，混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求）合并，并且在第四次傳輸后有對(duì)應(yīng)的ACK/NACK進(jìn)行反饋。

由于TTIB使用4個(gè)連續(xù)TTI傳輸同一個(gè)數(shù)據(jù)包的4個(gè)不同版本，提高了傳輸和解調(diào)成功率，能帶來(lái)4 dB至5 dB的上行覆蓋增益。但由于TTIB是4個(gè)TTI綁定，如果發(fā)生HARQ重傳，也需要把4個(gè)TTI數(shù)據(jù)一起重傳，增加了系統(tǒng)RB占用。

圖6為TTIB開啟后外場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，當(dāng)RSRP大于-120 dBm時(shí)，TTIB沒有生效；當(dāng)RSRP小于-120 dBm時(shí)，eNodeB自動(dòng)開啟TTIB，當(dāng)TTIB開啟后，能帶來(lái)4 dB的覆蓋增益。對(duì)應(yīng)于RSRP為-122 dBm，TTIB關(guān)閉后，MOS分值1.5分；TTIB打開后，MOS分值則高達(dá)3.5分，TTIB對(duì)遠(yuǎn)點(diǎn)用戶性能提升明顯，同時(shí)對(duì)這一測(cè)試路段的MCS和RB分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。如表4所列，統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)當(dāng)TTIB開啟后，上行RB明顯增加，進(jìn)而導(dǎo)致上行用戶接入數(shù)減少。

TTIB技術(shù)增加上行的覆蓋，但同時(shí)也增加了RB的額外開銷，導(dǎo)致用戶數(shù)減少。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)小區(qū)容量來(lái)決定是否開啟TTIB功能。當(dāng)小區(qū)PRB（Physical Resource Block，物理資源塊）利用率小于30%時(shí)，說(shuō)明小區(qū)用戶數(shù)不多，可開啟TTIB功能以增加用戶的上行覆蓋功能。當(dāng)PRB利用率較高時(shí)，如PRB利用率大于40%，說(shuō)明小區(qū)負(fù)荷較高，不能開啟TTIB功能。

當(dāng)小區(qū)負(fù)荷較高時(shí)，可以采用以下兩種技術(shù)提升上行覆蓋能力：

（1）多天線技術(shù)。多天線能有效增加系統(tǒng)的上行覆蓋能力，如上行2天線更換為上行4天線，就能帶來(lái)3 dB的增益，實(shí)際應(yīng)用效果和TTIB相當(dāng)，并且不增加頻率資源的額外開銷。

（2）RLC分段技術(shù)。指RLC（Radio Link Control，無(wú)線鏈路控制）數(shù)據(jù)包在RLC層被分成多個(gè)小包，當(dāng)邊緣用戶在發(fā)射功率受限時(shí)，不能發(fā)送大的數(shù)據(jù)包時(shí)，通過RLC分片，發(fā)送小包，從而減少了每個(gè)子幀上數(shù)據(jù)量，提升了小區(qū)上行覆蓋能力，通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，RLC分段的增益能達(dá)到3 dB左右，同時(shí)RB數(shù)沒有明顯增加，VoLTE容量方面優(yōu)于TTIB。

綜上所述，TTIB是VoLTE小區(qū)負(fù)荷不高時(shí)采用的主要技術(shù)，當(dāng)VoLTE小區(qū)負(fù)荷較高時(shí)，不建議采用TTIB技術(shù)，而應(yīng)采用多天線方案和RLC分段方案，為小區(qū)用戶提升上行覆蓋能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章提出了幾種增強(qiáng)VoLTE業(yè)務(wù)覆蓋和容量的技術(shù)，包括RoHC頭壓縮技術(shù)、半靜態(tài)調(diào)度技術(shù)和TTIB技術(shù)，同時(shí)也指出了上述技術(shù)的局限性，并提出了一些具有創(chuàng)新性的技術(shù)，如調(diào)度周期動(dòng)態(tài)調(diào)整技術(shù)、多天線接收技術(shù)和RLC分段技術(shù)，為L(zhǎng)TE網(wǎng)絡(luò)提供覆蓋更好、容量更大的VoLTE服務(wù)。

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