VoLTE关键性能指标分析

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VoLTE关键性能指标分析
文志成亓新峰
诺基亚通信科技公司北京1 00028
摘要 基于VoLTE业务特性．调度网络特性、网络结构和特性以及关键流程等内容，从无线系统、核心网络、IMS
系统以及端到端等方面。分析TVoLTE系统中的关键性能指标，并结合现网测试结果予以说明，从而有助于全面了
解VoLTE关键性能指标测试和优化方面的相关内容。
关键词VoLTE业务层KPI；MOS；时延：速率；PRB／MCS；网络层KPI
VoLTE是GSMA所定义的标准LTE语音解决方案，
它既需要满足话音业务的编码和实时性要求，又需要满
足LTE网络的承载特性，因此，VoLTE的业务特点、无
线调度机制、网络体系结构、业务承载特性以及整体信
令流程都相对比较复杂。只有充分了解其特点以及对应
的关键指标，才能更好地保证VbLTE业务的质量要求，
更好地进行VoLTE系统的维护和优化工作。本文结合理
论与实际测试结果，从VoLTE业务和网络这两个方面对
VbLTE性能指标进行分析和说明，有助于对VbLTE的性
能体系建立全面的认识。
1 VoLTE基本业务特性
1．1 VoLTE话音编码方式
VoLTE系统中，采用AMR(Adaptive Multi-Rate，
自适应多码率)话音编码方式，以提高话音质量传送的
可靠性，满足不同无线条件下的性能需求。
窄带AMR编码方式(AMR—NB)采用20ms的话音
帧，采样频率为8KHz，每帧对应160个采样点。AMR—
NB支持8种不同的编码速率，最高为12．2Kb／s，最低为
4．75Kb／s。宽带AMR编码方式(AMR-WB)仍采用20ms
的话音帧，但是其采样率增加一倍，变为16KHz，每
帧对应320个采样点。AMR—WB支持9种不同的编码
速率，最高速率为23．85Kb／s，最低为6．6Kb／s。各种
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AMR编码之间可以灵活转换，以保证不同网络负荷下
质量和容量之间的均衡。
1．2 VoLTE话音包长度
VoLTE系统中，AMR编码采用RTP／UDP／IP协议进
行承载。话音包经AMR编码后，由各低层协议封装并
进行发送。
RTPj：E文由包头和数据部分组成，其包头一般为
40到60字节，数据部分通常为20到160字节。将RTP
包头进行压缩后，AMR话音帧长度约为23-165字节。
举例来讲，AMR 1 2．2Kb／s有效载荷为2441：1：特，增加
各协议层包头及填充位，并经RoHC头压缩处理后，对
应的物理层典型包长度约为41-43字节”】。而宽带AMR
23．85Kb／s所对应的物理层典型包长度约为70字节。
不同AMR编码方式下，数据包大小有所区别，因
此，吞吐量也存在差异Ⅲ。即使同～编码方式下，是否
采用RoHC对VoLTE速率也有明显影响。另外，由于不同
数据包大小对MCS和PRB的数目要求也有区别，因此，现
网中AMR模式和比例也会影响到PRB利用率和MCS均值。
1．3 VoLTE业务激活模型
VolP话务模型中，通常包含激活(交谈)和静默2个状
态。VolP用户处于静默状态和激活(交谈)状态的比例各
约占50％。激活期间，每20ms发送一次话音包；静默期
间，每160ms发送一次SID(静默插入描述)，如图1所示。

LTE的最小发送时间(IiI]TTI)为1ms，因此，VbLTE
业务中，每20个TTI传送一个话音数据包。如果数据包
的发送和接收在同一个TTI中进行，则其余时间手机都
可以进入节电状态，使用DTX／DRX技术来降低静默期
间的传送速率，提升系统容量。
DRX／DTX参数需要根据VoLTE特性进行配置，不
同的参数配置对终端耗电的影响较大。
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图2不同AMR模式下的MOS值
下行BLER对MOS也会产生影响，如图3所示。
2 VoLTE业务层面性能指标
VoLTE业务性能指标主要包括话音质量、MCS与
PRB,U用率和单向话音时延等几个方面。其中，话音质
量采用MOS(平均意见值)来衡量，MCS与PRB利用率由
AMR话音包的大小所决定，单向话音时延则受调度算法
和无线环境的影响。下面予以详细分析。
2．1平均意见值(MOS)
ITU规定了多种VolP话音质量评估标准，以便更准
确地评估不同网络状况下的话音质量。对收听方的话音
质量进行评估并判断MOS(Mean opinion Score，平均
意见值)，是ITU P．800定义的一种话音质量评估方法。
MOS取值从1到5，分为5级，数值越大表示话音质量越
好。VolP话音质量受多种因素的影响，如无线环境、
编码方式、丢包、回声、延迟以及延迟抖动等。
不NAMR编码方式下，话音数据包有效载荷的长
度不同，因此，所提供的话音质量也有区别。举例来
讲，采用AMR-WB 23．85Kb／s编码时，其MOS值平均
可以达到3．9，而采用AMR·NB 12．2Kb／s时，MOS均值
则只有2．9，如图2所示。
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图3 I、行BLER与MOS的关系
2．2 MCS与PRB利用率
MAC层调度过程中，TBS大小决定了MCS和PRB
的取值。TBS固定时，MCS和PRB相互制约，MCS取
值越高，PRB数目越少，反之亦然嘲。不NAMR模式下
的物理层数据包大小不同，因此所需的MCS和PRB也有
所区别。测试过程中，无线环境的差异会导致AMR的自
适应变化，从而会影响PRB和MCS利用率指标。
以AMRl2．2Kb／s为例，假定TBS包长度为328Et特，
则根据表1可知，如果fTBs为10，则对应2个PRB；

如果1．Bs为7，则对应3个PRB；如果I．Bs为4，则对应4
个PRB。ITBS越大，意味着MCS取值越高。可见不同无
线环境下，平均PRB和MCS有所变化。
无线条件较差时，为保证话音质量，VbLTE还可以
将一个数据包分成多个数据段(1ipSegment)进行传送。
分段越多，每段所传送的包长度越小，所产生的包头开
销越大，从而使得包的总长度有所增加，因此，所需的
PRB和MCS也有区别。举例来讲采用1个数据段传送328
比特时，包头为401：L,特，包头开销为12％，数据包总长
度为3281：[E特；采用2个数据段进行传送时，包头为801：L
特，数据包总长度为3681：E,特，每个数据段长度为184
比特，包头开销为22％；采用4个字段传送时，包头长
度为1601：[C特，每个数据段长度为112比特，包头开销为
36％。以1．Bs=2#b例简单估算数据包总长度所需的PRB数
目，则数据段数目为1时，总共需要8个PRB，2个数据
段时需要10个PRB，4个数据段时需要12个PRB。
2．3单向话音时延
VolP端到端时延也称为13到耳(Mouth—to-Ea r，
M2E)时延。LTE网络中，VolP数据包经过编码和压缩
后进行发送，传送过程中M2E时延主要包括空中传播时
延、核心网传输时延、组包时延以及抖动缓存时延等。
单向时延受无线环境影响和系统负荷影响较大，因此，
需要针对具体情况进行分析和优化。
对于话音业务来说，可接收的最大1：3到耳时延大
约为250～300ms。假设核心网络的时延约为100ms，
贝JJRLC和MAC层缓存、调度和检测过程中可以容忍的
时延应当小于150—200ms。3GPP所要求的eNodeB
与UE之间的空13时延为50ms，在50ms的空口时延
范围内，如果单个VolP用户的话音帧发送成功率小于
98％，就认为此用户无法正常使用VolP业务。
优化和测试过程中需要着重降低和消除时延抖动，
以提升单向话音时延指标。
3 VoLTE网络特性和性能指标
VoLTE业务过程中主要涉及EUTRAN、EPC以及
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IMS系统。其中，EUTRAN无线系统用于提供无线业务
接入，EPC系统用于提供业务承载，IMS(IP多媒体子
系统)系统用于实现业务控制功能，它们三者共同完成
端到端I构LTE语音和视频通信业务。此外，还需要采用
PCC架构实现用户业务QoS控制以及计费策略的控制
等功能。
3．1 VoLTE网络特性
VoLTE系统中，需要传送lMS控制消息、话音信息
以及数据业务。用户面话音数据采用RTP／RTCP协议进
行承载，控制面消息采用SIP协议经由IMS网络进行传
送。根据3GPP规定，QCll适用于对实时性要求较高的
GBR类业务(如话音业务)；QCl5专门用于IMS信令，其
丢包率要求更严格；QCl9,贝0适用于缓存视频流业务或
者基于TCP的各类业务。中国移动集团VbLTE测试过程
中，要求建立3个DRB，其中IMS信令(SIP)采用QCl5的
缺省承载，语音采用QCll的专用承载，数据采用QCl9
的缺省承载，如图4所示。
图4
VoLl
E数据无线承载
LTE用户进行VoLTE业务时，需要经过无线连接建
立、EPS附着、IMS注册、呼叫建立、呼叫保持以及呼
叫释放等过程。各个过程的主要作用如下。
1)LTE网络附着。UE在LTE系统下附着，并建立数
据业务缺省承载(QCl9)。
2)IMS注册。UE注册到IMS网络中，并建立IMS业
务缺省承载(QCl5)。
3)主叫业务。用户发起主叫业务时，通过SIP消息
触发VolP进程建立和专用承载(QCll)建立过程。呼叫
完成后，通过SlP消息释放进程连接和专用承载。
3．2 VoLTE网络性能指标
呼叫过程中，UE需要建立RRC连接和E-RAB，因此，RRC和E—RAB}B关的性能指标是首先需要关注的
关键指标。另外，考虑到UE的移动性，切换相关的指
标也非常重要。LTE核心网关键指标则包括UE与EPS
之间相关连接的性能信息，决定了是否能够成功建立
VoLTE业务。
VoLTE建立过程中，首先需要保证良好的LTE无线
性能指标，如RRC连接建立成功率、E-RAB建立成功
率、E-RAB掉线率、EPS附着成功率等。除此之外，
＼，oLTE业务相关的网络层关键指标还包括以下5项。
1)VoLTE PDN连接／激活成功率。VoLTE业务中，UE
与IMS以及Internet之间分别建立不同的PDN连接，并采
用不同的QCl来进行表示。由于QoS特性不同，对系统应
用和用户感知的影响也有所区别，因此，需要对不同QCI
的PDN连接激活成功率分别进行分析。比如，呼叫过程
中，VoLTE需要采用QCI=I的专用承载来传送话音信息，
因此VOLTE专用承载是VoLTE业务进行的基础。
2)lMS初始注册成功率。附着在LTE网络中的UE
需要发起到IMS的注册过程，以便接收IMSlE务。UE发
送SIP Register；I息到P-CSCF，完成I-SCSF鉴权以及
服务器设定等过程后才能够注册成功。如果鉴权失败，
UE就无法注册到IMS网络中，从而无法实现后续VoLTE
业务。因此，IMS初始注册成功率决定了UE是否能够
通过IMS建立VoLTE业务。
3)IMS平均进程建立时延和成功率。UE发起SIP
Invite至0P-CSCF后，如果接收到SIP 180 Ringing消
息，就表示主叫业务成功建立。完整的VbIP呼叫包括3
段连接，即主叫UE到主叫侧VolP应用服务器的连接，
主被叫侧VolP应用服务器之间的连接，以及被叫侧
VolP应用服务器到被叫之间的连接。
由于涉及网元和信令流程较多，I!ilii，平均主叫进
程建立时延和成功率是VoLTE的关键指标。被叫忙或者
其他原因建立的失败都对用户感知造成很大影响。平均
被叫进程建立时延和成功率也是需要重点关注的指标。
4)切换中断时间和成功率。SRVCC切换过程中，话
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音中断时间可以采用RTP包在源小区和目标小区中的中
断时间来衡量。根据3GPP TS22．278的要求川，VbLTE
业务采用SRVCC方式从EUTRAN切换到UTRAN时，话
音中断时延不能大于300ms。从切换过程看，SRVCC过
程中用户通话中断主要是由于lMS核心网过程导致的，
另外，SRVCC信令过程的复杂性也将影响切换成功率。
实际网络中，为了满足语音业务的实时性要求，切
换单向时延应小于150ms，而切换成功率应大干95％。
5)呼叫建立时延。处于空闲状态的UE发起Service
Request时，需要进入至URRC连接状态，然后通过SIP
Invite过程建立VoLTE会话连接。从用户的角度讲，呼叫
建立时延是从主叫方拨号开始到主叫用户听到振铃音
的时间。从信令上看，如果假定用户已经通过RRC连
接附着到网络上，则呼叫建立时延就是从主叫UE发送
SIP
Invite至0主叫接收至ISlP
180
Ringing消息或者200
OK(Invite)消息为止。
消息超时、网络失败或者鉴权失败等问题都可能导
致呼叫建立失败。如果UE处于IDLE状态，则首先需要
建立RRC连接，此时RRC建立过程就是呼叫建立的一
部分，所以RRC连接以及DRB(QCll)直接影0QVoLTE
呼叫建立成功率。通常我们可以假定话音呼叫进行前缺
省承载(QCl9)和IMS信令专用承载(QCl5)P一经存在，则
其建立过程与呼叫建立成功率无关。
4
VoLTE测试结果举例
中国移动通信集团公司制定的VoLTE KPIJ／I标分类
和定义中，主要采用AMR-NB 12．2Kb／s(又称为标清话
音)和AMR-WB 23．85Kb／s(．又．称为高清话音)进行测试，
并将VoLTE关键指标大致分为以下3类巾1。1)资源占用
类。主要考虑无线特性相关的指标，如上下行PRB数
和MCS、上行终端发射功率、GSM通话时长占比以及
呼叫SRVCC切换占比。2)话音质量类。包括MOS及其
相关的时延、抖动、速率等指标。时延则包括呼叫建立
时延、lP包时延、端到端时延、切换中断时延及话音挂

机时延等方面。3)KPI指标类。主要包括IMS附着成功
率、话音接通成功率、切换成功率、寻呼成功率、平均
呼叫保持时间、掉话率及里程掉话比等。以下对部分关
键性能现网测试结果进行举例分析和说明。
4．1 VoLTE速率
采用RoHC之后，AMR—NB 1
2．2Kbps和AMR-WB
23．85Kb／s的物理层数据包长度约为328比特和560比
特，其对应的速率约为16Kb／s和28Kb／s。不使用RoHC
时，速率和带宽需求则较高。对RoHC启用与否的情形
=
进行对比测试，结果如图5所示。
j
二|I二
^帅12 2Kh K(环清) ^、1H：{HiKll_(『岛i斤1
■4、聚㈨¨lt ZⅢM”
图5 VoLTE中RoHC启用与否测试结果举例
VoLTE属于上下行对称业务，以采用RoHC为例
测试结果表明上下行速率大致相似，如图6所示。
帅12 2Kb／s(标清) AMR23 85Kh's(
■l·行谏末(K。，¨c) 卜杆诛，芒(KoⅦ
图6 VoLTE上下行速率测试结果举仞J
4．2话音质量MOS
采用MOS测试盒对某网络进行拉网路测，结果如
图7所示。可见，在SlNR值大于3的时候，标清话音的
MOS表现较为平稳，基本都保持在3．2左右，SINR／J、于
3之后，标清MOS值开始出现波动，并呈现下降趋势。
委Z互未王三!_===’……一一。
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图7 VoLTE标清(12．2Kb／s)话音MOS路测结果举侈
93
4．3 PRB／MCS分析
以高清业务拉网测试结果为例分析对比PRB与
MCS之间的关系。
如图8所示，随着RSRP的降低，上行PRB数变
化趋势不明显，基本可稳定在2个左右。上行MCS随
RSRP降低呈下降趋势，但由于上行干扰较小，其下降
趋势不明显，RSRP为·115时仍在10以上。
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2；ij；；!!i；二；j jii：二二；；；i；i；!i；；；!!
、『、1{ 、I、II
图8上WPRB／MCS随RSRP变化举例
如图9所示．在SlNR大于1 0的时候，下行PRB数
稳定在4个，SINR JJ＼于10后呈上升趋势。下行MCS随
SINR降低而降低，在SINR=一7时降]E习J0。
、、I： -I、．
图9下WPRB MCS随SINR变化举例
4．4呼叫建立时延
VoLTE呼叫建立时延与成功率受UE状态、无线环
境、系统负荷以及网络结构等因素的影响。
采用主叫侧Invite至4Ringing之间时延作为lMS呼
叫时延，则实际测试结果表明，被叫侧Invite时延仅为
30ms，而主叫侧Invite时延则接近1s。考虑RRC建立时
间时，需要考虑主被叫UE所处的状态。主被叫UE都处
于RRC空闲模式时，呼叫建立时延接近2s，而对于主
被叫都处于RRC连接模式的UE，其VoLTE呼叫建立时
延则远小于1s■
现网中需要考虑各种因素，如终端和核心网络会影
响端到端呼叫建立时延。

5总结
VoLTE业务性能测试和优化工作中，需要针对
VoLTE业务特性和VoLTE网络特性分别进行分析，这样
才能全面提升VoLTE系统的性能指标。VoLTE业务相关
的话音质量(MOS)、调度特性(PRB和MCS关系)以及
话音业务的单向时延(M2E时延)等指标直接表征VbLTE
的业务质量，而LTE系统中和IMS系统中的一些常规性
能指标以及VoLTE相关的性能指标，如注册成功率、
RRC／E—RAB建立成功率、IMS业务建立时延和掉线率
等指标都会直接影响业务质量，从而影响客户感知。只
有全面提升VbLTE业务指标和LTE／IMS网络指标，才能
更好地完成VbLTE端到端优化工作。