VoLTE无线关键技术研究

刘建华 陈俊 刘磊

【摘 要】VoLTE无线领域方面的研究，重点关注语音覆盖能力、质量、容量和无线新技术这几个方面。语音覆盖方面，通过链路预算和外场测试，对语音业务的极限覆盖能力和现有规划的覆盖情况进行了分析和验证；语音质量方面，全网测试结果显示，VoLTE高清语音MOS值明显优于GSM；容量方面，通过理论分析，给出了不同配置下的VoLTE并发用户数和受限信道，为后续容量提升提供了研究方向；无线新技术方面，介绍了多承载要求、RoHC、C-DRX、SPS、RoHC、TTI-Bundling等关键技术的原理和外场测试情况。

【关键词】VoLTE 链路预算 语音质量

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.04.007 中图分类号：TN929.53 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2016）04-0036-07

引用格式：刘建华，陈俊，刘磊. VoLTE无线关键技术研究[J]. 移动通信， 2016，40（4）： 36-42.

1 引言

VoLTE无线研究主要关注语音覆盖能力、质量、容量和无线新技术这几个方面。对于覆盖能力，将从链路预算和外场测试两个方面分析上下行覆盖受限情况；对于语音质量，将给出现网条件下，VoLTE高清语音外场实测MOS值并与2G语音质量进行对比；容量方面，将基于理论分析，给出不同配置下的VoLTE并发用户数和受限物理信道；无线新技术部分，将依次对多承载要求、RoHC、C-DRX、SPS、RoHC、TTI-Bundling等关键技术展开介绍。

2 VoLTE覆盖能力

2.1 链路预算

VoLTE链路预算的主要目的是给出各物理信道的极限覆盖能力，从而分析出理论覆盖能力和受限信道，为后续覆盖能力的提升指明研究方向。从表1可以看出，不管是采用23.85kbps高清语音编码，还是12.2kbps标清语音编码，上行业务信道（PUSCH）将成为覆盖瓶颈，允许的最大路损分别为135.3dB（标清）和132.4dB（高清）。下行覆盖距离不受高清、标清影响，主要是由于下行发射功率不受RB数影响，高清语音包可以用更多RB传输，即“容量换覆盖”。

表1 VoLTE链路预算结果

物理信道 允许最大路损/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

假设基站导频发射功率为15.2dBm，上下行干扰余量分别为2dB/5dB，OTA损耗6dB，车厢损耗3dB，人体损耗3dB，可计算出实际测试中，各信道最大路损对应的下行RSRP。

2.2 外场测试结果

当UE移动到覆盖极限时，网络侧需要通过重传来保证数据的正确率。这里以上下行初传10% BLER（厂家采用的典型配置）拐点作为上下行的覆盖边缘，高于10%说明系统链路自适应（AMC）开始失效。

从图1可以看出，在室外组网环境下，语音业务下行受限。初传BLER在SINR为-6dB处抬升至10%以上。图2是室外覆盖室内环境下的测试结果，从图中可以看出，上下行业务在RSRP为-127dBm处基本平衡，而高清业务上行略受限（-125dBm）。测试在现网中进行，上行IOT干扰较小。随着用户数增多，上行干扰将提高，上行VoLTE将更早受限。

3 VoLTE容量

3.1 影响因素分析

VoLTE容量是衡量LTE承载能力的重要指标之一，影响VoLTE容量的因素可归结为对业务信道和控制信道的资源占用情况。如时隙配比、静默期比例、半持续调度（SPS）等因素会影响控制信道及业务信道容量，而编码速率、用户分布、包头压缩（RoHC）、上行MU-MIMO等因素仅会影响业务信道容量。

3.2 容量评估

VoLTE语音包理论上每隔20ms传一次，需要eNB每20ms调度一次，因此上下行业务信道容量取决于20ms调度周期内单个语音包占据的业务信道资源RB大小。同理下行控制信道容量取决于每20ms调度周期内调度每个用户的PDCCH占据的CCE个数。而VoLTE容量指的是在相同条件下，上下行业务信道和控制信道容量中的最小值。

（1）峰值容量

在上下行时隙配比为1：3、特殊子帧配比为3：9：2时，根据高清23.85k语音包TBS大小（未开启RoHC为872）和MCS等级，可以算出PDSCH峰值容量为594用户，开启RoHC后，峰值容量提升为1188。其他信道计算方法同上。

（2）平均容量计算方法

假设全网用户数量分布按照好点：中点：差点=3：4：3，根据SINR对应的MCS，推算出好点、中点、差点每个用户所需的RB数，从而计算出平均容量。VoLTE理论峰值/平均容量如表2所示：

3.3 容量提升方法

通过测试发现，包头压缩（RoHC）功能可以提升至少30%的网络容量，上行MU-MIMO功能可提升5%～15%的网络容量。

AMR自适应功能理论上可以较大程度提升网络容量，它可以根据网络环境变化自适应地降低终端的语音编码速率，从而减少资源占用，提高网络容量。目前该技术还没有较为成熟的方案，有待继续研究。

4 语音质量

在提供语音业务的网络中，语音质量是影响服务质量最关键的因素。一般对语音质量主要从MOS（Mean Opinion Score）值的角度来评价。MOS是一种常用的主观评价标准。ITU-T G.107给出的语音业务的MOS定义为五级，用户满意度和MOS等级的对应关系如表3所示：

表3 MOS值意义说明

MOS V What does it mcan？

5 Excellent

4 Very Good

4.5 Good

3.5 Poor

3 Not Acceptable

2 Severe

1 Useless

需要说明的是，图3为2G时代MOS值表征的语音质量。随着评估算法的演进，相同MOS值表征的语音质量也有所变化。2G时代，网络只支持窄带语音，带宽为300～3400Hz，语音质量采用PESQ评估算法，该算法要求语料采样率是8kHz。LTE时代，高清语音带宽可支持50～7000Hz，语音质量采用PoLQA评估算法，该算法要求语料采样率为48kHz。这两种评估算法输出的MOS值均为1～5之间，但是相同的MOS值代表的用户体验却不同。也就是说同样的网络环境下，PoLQA评估算法由于评估带宽更宽，MOS值会有所下降，而对于相同MOS值，PoLQA评估算法下的语音应该更为立体丰富。

图3为全网遍历测试的结果，VoLTE高清语音平均MOS值为3.8，5%边缘为3.6，和GSM的2.1～2.2相比较，均有较大程度的改善。

5 VoLTE无线关键技术

5.1 多承载要求

对于VoLTE用户来说，网络既要在LTE域提供语音业务，同时也要兼容数据业务。而语音和数据本身的业务特性存在差异，语音属于时延敏感型业务；数据业务，如HTTP业务，对丢包率更为敏感。LTE支持对不同的业务类型采取不同类型承载进行调度，通过配置不同的QCI，可实现不同的QoS保障。QCI业务配置表如表4所示。

为了支持VoLTE，无线基站侧需要支持多个承载的组合，这些承载可以划分成信令承载（SRB）和业务承载（DRB）：

（1）SRB：包括SRB0、SRB1和SRB2。SRB0主要用于RRC连接建立过程，不经过加密和完整性保护，SRB1主要用于RRC重配消息，SRB2主要用于NAS层信令，SRB1和SRB2均经过加密和完整性保护。

（2）DRB：对于数据业务而言，需要提供QCI8/9的默认承载；对于语音业务而言，需要建立QCI5的默认承载用于传输SIP信令，QCI1的专用承载用于传输语音；对于高清视频业务，还需要在语音业务的基础上，建立QCI2的专用承载用于视频图像的传输。默认承载均为非保证速率承载（Non-GBR），而语音和视频的专用承载为保证速率承载（GBR）。从RLC层处理方式来看，默认承载均为AM模式，语音和视频的专用承载为UM模式。

5.2 RoHC

（1）理论分析

RoHC主要应用于无线通信的空中接口，提升传输效率。对于一些小包业务而言，通常载荷的平均长度与协议包头开销基本相当。以VoLTE为例，其采用RTP/UDP/IP传输协议，高清语音编码器输出的每个语音包的大小约为40字节，而RTP/UDP/IP的协议开销也是40字节左右，采用IPv6时，将达到60字节。因此，空口带宽实际利用率只有50%左右，而通过RoHC，可以将这些包头压缩至4～6字节，空口带宽利用率可达90%。

RoHC的实现原理为仅在初次传输时发送RTP/UDP/IP包头的静态信息，后续不再重复发送（如IP地址等）。另外，通过一定信息可推知数据流中其他信息，可仅发送必须的信息，其他信息可由上下文推算（如SN号和IP-ID号都是以1为单位递增，可通过上下文推算）。

（2）外场测试结果

表5为外场测试结果，在上行信道受限场景下，RoHC可提升5dB/2.5dB（标清/高清）的覆盖增益，基本符合理论预期。RoHC开启后，VoLTE的PDCP层速率可降低40%/30%（标清/高清）。可见，RoHC不仅提升了覆盖能力，同时还提高了容量，PDCP层速率降低后，全网平均上行RB资源可节省26%/23%（标清/高清）。

5.3 C-DRX

UE在RRC空闲态情况下，需要监测网络的Paging消息，以便能够接收到消息。但是，UE并不需要一直打开接收机，因为网络并不是时刻都有它的消息，而且这样也很耗电。为了省电，LTE引入了DRX（Discontinuous Reception，非连续接收）机制，UE仅在必要的时间段打开接收机进入激活期，接收下行数据和信令，而在其他时间关闭接收机进入休眠期，停止接收下行数据和信令。

对于RRC连接态的用户而言，也不是时时刻刻都有数据要接收，如OTT业务。因此，连接态下需要DRX机制来节省终端的电力消耗，对于连接态下的DRX机制，也称作C-DRX（Connected-DRX）。LTE现网支持针对数据业务和语音业务分配设置C-DRX参数，语音业务的C-DRX参数仅在语音呼叫建立过程中配置，用户挂机后，将恢复使用默认的数据业务C-DRX参数。C-DRX参数配置如表6所示。

表6 C-DRX参数配置

业务分类 长DRX周期/ms On Duration Timer/psf DRX Inactivity Timer/psf

数据业务 160 8 60

语音业务

（测试） 40 8 8

5.4 eSRVCC

（1）理论分析

SRVCC（Single Radio Voice Call Continuity）是3GPP提出的一种VoLTE语音业务连续性方案，主要是为了解决当单射频UE在LTE/Pre-LTE网络和2G/3G CS网络之间移动时，如何保证语音呼叫连续性的问题，即保证单射频UE在IMS控制的VoIP语音和CS域语音之间的平滑切换。

语音业务从基于IMS的VoLTE切换到2G/3G的CS域，以保证语音业务的连续性，此过程即为SRVCC。在4G网络覆盖初期/中期，由于LTE网络覆盖不完整，UE在4G中的VoLTE业务如果移动到LTE覆盖边缘时，需要将VoLTE业务SRVCC到2G/3G的CS域中。

eSRVCC是在SRVCC基础上，通过在拜访地引入ATCF作为媒体锚定点，节省远端媒体更新时间，可将切换时延减低至300ms以内。

（2）实测结果

eSRVCC过程会经过4G和2G较多网元，其性能评估指标如图4所示。

下面将通过部分外场测试结果来阐述上述指标。

1）异系统/异频测量时延

从表7和表8可以看到，2G频点个数对eSRVCC异系统测量时延影响较小，而由于终端测量机制的原因，LTE异频组网对B2测量时延影响较大，对切换成功率和启测门限参数设置有影响。因此，应继续推动芯片厂家、终端厂家优化eSRVCC测量时延。

2）切换准备时延

从表9可以看到，Pool内、Pool外组网方式的不同是造成切换准备时延差异的主要原因，Pool内组网切换准备时延更低。

3）控制面/用户面中断时延

从表10可以看到，控制面中断时延符合预期，与3G到2G切换控制面中断时延（300～600ms）相近。

5.5 SPS

（1）理论分析

VoLTE具有突发性的小包频繁到达的业务特性，语音编码器每20ms生成一个语音包。为了调度这些数据包，需要控制信令（PDCCH）来指示。当用户数量增加时，控制信令的容量易成为瓶颈。

SPS（Semi-Persistent Scheduling，半持续调度）是LTE中为了节省PDCCH数量而提出的一种调度方法。其基本原理是在指定子帧上按照预先分配的资源对新生成的语音包进行调度。对于首次传输错误而需要重传的语音包，为了降低时延，仍然采用动态调度的方式，所以称为“半”持续调度。由于新包的调度不需要控制信令指示，因而大大降低了信令开销，使得信令开销资源最低仅为业务的1.3%。

（2）测试结果

外场对SPS开启前后的PDCCH开销进行了统计，从图5可以看出，SPS开启后，PDCCH开销均有所下降，达到了SPS功能的基本要求。

（3）应用分析

考虑到SPS的特点，激活SPS的场景应满足以下条件：

1）首要条件：PDCCH受限；

2）次要条件：MCS不超过15（为了提升用于SPS激活的PDCCH信令的鲁棒性，3GPP从MCS、TPC里面借用了6bit形成虚拟CRC校验码。其中，从MCS里面借用了1bit，导致用于SPS的MCS只有4bit，对应的最高阶MCS为15）。

然而，现网VoLTE业务的C-DRX配置为40ms（终端每2个VoLTE语音包得到一次调度）。从表11可知，在现网配置下（1：3配比，语音包调度周期40ms），PDCCH并不会成为VoLTE语音业务的容量瓶颈。

而C-DRX方案在终端功耗、调度效率方面都比SPS方案具备优势。因此，建议现网在采用C-DRX=40ms配置时，不开启SPS功能。仅在现网PDCCH开销非常大的特殊场景激活SPS（如FDD网络）。

5.6 TTI Bundling

当UE移动到小区边缘时，随着链路损耗的增加，基站将通知UE提升发射功率来补偿路损的增加，保证上行链路传输成功率。当UE发射功率已达到满功率时，随着损耗的增加，上行链路传输成功率下降，UE需要多次重传才能保证接收数据包被基站正确接收。每次重传之间需要HARQ RTT时延（FDD为10ms，TDD与上下行子帧配比相关）。因此，将会造成小区边缘用户传输时延的增加。

而通过使用TTI Bundling（Transmission Time Interval Bundling），在连续的4个上行子帧上同时发送同一个传输块（Transport Block），积累了能量，提高了上行接收成功率，降低重传概率，非常适用于VoLTE这类时延敏感型业务。需要说明的是，由于TDD系统中上下行子帧是不连续的，而语音包又有20ms的周期限制。因此，协议中只有配比0、1、6支持TTI Bundling，其它配比不适合做绑定处理。

另外，目前的LTE协议版本不支持TTI Bundling和SPS并存，主要考虑到TTI Bundling已经降低了控制信令的开销，在此基础上启动SPS已经没有太大意义。此外，TTI Bundling开启后，连续的4个子帧需要同时传输，SPS的周期设置将会变的更加复杂。

6 结束语

本文总结了VoLTE语音覆盖能力、质量、容量和无线新技术几个方面的研究情况。针对VoLTE覆盖能力，链路预算结果显示上行PUSCH信道受限，测试结果显示现有规划指标初传BLER可以控制在10%以内，满足覆盖要求。针对语音质量，测试结果显示，VoLTE高清语音全网遍历下的平均MOS值为3.8，明显高于GSM语音的2.2，用户体验更加立体丰富，现场感更强。容量方面，通过理论分析，文章给出了对不同配置下的VoLTE并发用户数和受限物理信道。无线新技术部分，本文重点对多承载要求、RoHC、C-DRX、SPS、RoHC、TTI-Bundling等关键技术进行了介绍，并给出了外场测试结果和应用情况分析。

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