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[VoLTE] VoLTE无线关键技术研究 [复制链接]

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发表于 2016-7-16 22:23:52 |显示全部楼层
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中国移动通信研究院: 刘建华,陈俊,刘磊
移动通信2016(4)


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、TTIBundling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
【摘 要】
【关键词】
技术创新
37 2016年第4期
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、
图1  室外场景下VoLTE初传BLER趋势
图2  室外覆盖室内初传BLER趋势
技术创新
38 2016年第4期
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:
表2 VoLTE理论峰值/平均容量
高清23.85k
3DL:1UL (3:9:2)
VoLTE
峰值容量
VoLTE
平均容量
SINR=25dB 均匀分布
不激活RoHC、SPS 158 99
激活RoHC 211 141
激活RoHC、SPS 158 125
不激活RoHC、SPS+有静默期 253 158
激活RoHC+有静默期 333 224
激活RoHC、SPS+有静默期 253 200
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。
图3 VoLTE和2G语音质量对比
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。
MOS值
技术创新
39 2016年第4期
(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)。
表5 RoHC外场测试结果

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4 QCI业务配置表
QCI
资源
类型
优先级
时延要求
/ms
丢包率 业务示例
1
GBR
2 100 10
-2 语音
2 4 150 10
-3 实时视频
3 3 50 10
-3 实时游戏
4 5 300 10
-6 非实时视频
5
NonGBR
1 100 10
-6
IMS信令
6 6 300 10
-6
视频、TCP业 务(如 上
网、e-mail、聊 天 、点 对
点文件传输)
7 7 100 10
-3 互动游戏
8 8 300 10
-6
视频、TCP业 务(如 上
网、e-mail、聊 天 、点 对
点文件传输)
9 9 --- ---视频、TCP业 务(如 上
网、e-mail、聊 天 、点 对
点文件传输)
技术创新
40 2016年第4期
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。
表7 eSRVCC异系统(2G)测量时延
厂家
异系统测量平均时延/s
8频点 16频点 31频点
厂家1 11.92 6.63 10.58
厂家2
8.83 12.16 8.07
厂家3
10.26 10.47 12.17
表8  异频(LTE)测量时延
厂家
异系统测量平均时延/s
0个异频 1个异频 2个异频 3个异频
厂家1 1.79 5.48 7.52 6.63
厂家2
1.92 8.26 6.51 12.16
厂家3 2.18 6.50 8.30 10.47
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。
表9  切换准备时延
eMSC升级方式 厂家 平均切换准备时延/s
Pool外新建
厂家1 1.17
厂家2 1.32
厂家3 0.99
Pool内升级
厂家1 0.12
厂家4 0.31
厂家5 0.57
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。
图4 eSRVCC性能评估指标示意图
技术创新
41 2016年第4期
表10  控制面/用户面中断时延
厂家 控制面中断时延/ms 用户面中断时延/ms
厂家1 120 1630
厂家2 109 1660
厂家3 151 1600
厂家4 107 1700
厂家5 123 1630
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。
图5 SPS开启前后PDCCH开销统计
(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。
表11  现网配置下VoLTE容量受限信道
RS-SINR/dB
10MHz TD-LTE 20MHz TD-LTE
容量 受限因素 容量 受限因素
-3 34 PUSCH 79 PUSCH
0 55 PUSCH 129 PUSCH
5 73 PUSCH 171 PUSCH
10 108 PUSCH 253 PUSCH
15 142 PUSCH 333 PUSCH
20 142 PUSCH 333 PUSCH
25 142 PUSCH 333 PUSCH
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
技术创新
42 2016年第4期
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。
参考文献:
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2(Release 12)[S]. 2013.
[2] 3GPP TS 23.216. Single Radio Voice Call Continuity
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[3] 3GPP TR 23.856. Single Radio Voice Call Continuity
(SRVCC) enhancements; Stage 2 (Release 10)[S]. 2010.
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codec frame structure[S]. 2014.
[5] 3GPP TS 36.322. Evolved Universal Terrestrial Radio
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specification[S]. 2010.
[6] 3GPP TS 36.323. Evolved Universal Terrestrial Radio
刘建华:硕士毕业于北京邮电大学,
项目经理,无线系统研究员,现任职
于中国移动通信研究院无线技术研究
所,主要从事TD-LTE组网方案研究和
外场测试工作。
陈俊:硕士毕业于北京邮电大学,项
目经理,无线系统研究员,现任职于
中国移动通信研究院无线技术研究
所,主要从事TD-LTE、VoLTE关键技
术研究、外场测试与VoLTE容量研究
工作。
刘磊:硕士毕业于美国辛辛那提大
学,项目经理,无线系统研究员,现
任职于中国移动通信研究院无线技术
研究所,主要从事LTE网络组网性能
评估、VoLTE无线性能提升工作。
作者简介
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
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ICC, 2013: 5964-5968.
[9] 徐德平,程日涛,张新程. VoLTE关键技术及部署策略研
究[J]. 电信工程技术与标准化, 2014(2): 75-79.
[10] 中国移动通信集团. TD-LTE无线网络性能测试规范
[Z]. 2011.★


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