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[VoLTE] VoLTE关键性能指标分析 [复制链接]

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发表于 2016-7-29 23:42:30 |显示全部楼层
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部分内容:
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
89
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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[]A~ —WI{13.85k ,s
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。
90
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
91
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
92
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。
、1、H
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。
:j rj’t c1二z
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。

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