VoLTE能力研究及分析

肖清華

（華信咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

1 引言

VoLTE（Voice Over LTE，LTE語(yǔ)音）[1]是基于IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒體子系統(tǒng)）的語(yǔ)音業(yè)務(wù)。由于IMS支持多種接入和豐富的多媒體業(yè)務(wù)，因此成為了全I(xiàn)P時(shí)代的核心網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，VoLTE也得以借助IP數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)完全承載于4G網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與語(yǔ)音在同一網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一。與CSFB（Circuit Switched Fallback，電路域回落）[2]不同的是，VoLTE是一種SRVCC（Single Radio Voice Call Continuity，單一無(wú)線語(yǔ)音呼叫持續(xù)）方案，能夠帶來(lái)更高質(zhì)量、時(shí)延更短的音視頻通話效果，因此也成為運(yùn)營(yíng)商提升用戶體驗(yàn)以及網(wǎng)絡(luò)頻譜利用率的直接手段。

對(duì)VoLTE的研究亦是越來(lái)越多，劉娜[3]通過(guò)分析VoLTE的關(guān)鍵技術(shù)，如ROHC（Robust Header Compression，魯棒性頭壓縮）、SPS（Semi-Persistent Scheduling，半靜態(tài)調(diào)度），給出了VoLTE業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包的特征，進(jìn)而提出分析VoLTE能力的相關(guān)方法及主要結(jié)論，但其研究過(guò)于籠統(tǒng)，也沒(méi)有具體的思路與實(shí)現(xiàn)。早在2012年作者本人[4]便基于TD-LTE對(duì)VoLTE的容量能力作過(guò)分析，并給出了量化的結(jié)果，但對(duì)于上下行差異化的調(diào)度結(jié)果同樣沒(méi)有分析。杜剛[5]對(duì)VoLTE的能力也進(jìn)行了初步的分析，但結(jié)果單一，同樣沒(méi)有具體考慮到信令和控制信道的開銷等。汪丁鼎等[6]隨后在EPC系統(tǒng)提到了VoLTE，也只是更多地停留在VoLTE流程分析和質(zhì)量保證上，對(duì)其本身的能力只字未提。為此，本文基于VoLTE業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求，從覆蓋和容量2個(gè)維度詳細(xì)展開，闡述其能力，為即將到來(lái)的LTE語(yǔ)音應(yīng)用作好鋪墊。

2 VoLTE語(yǔ)音覆蓋能力

VoLTE作為L(zhǎng)TE的語(yǔ)音承載，在分析其覆蓋能力時(shí)，需要結(jié)合LTE的資源分配機(jī)制，按照差異化的場(chǎng)景進(jìn)行總體分析。由于上行鏈路損耗小于下行鏈路，因此出于篇幅限制，本文僅以上行鏈路為例展開分析。

2.1 密集市區(qū)

以發(fā)送端、接收端、過(guò)程增益和損耗等幾部分進(jìn)行區(qū)分。

對(duì)于12.2Kbps的VoLTE業(yè)務(wù)而言，可能存在的RB（Resource Block，資源塊）分配有1、2、4等方式，帶來(lái)的增益也存在差異。

先假設(shè)LTE系統(tǒng)的發(fā)射方式為1×2MIMO，系統(tǒng)參數(shù)如表1所示：

表1 LTE系統(tǒng)參數(shù)表

如表2所示，VoLTE發(fā)射端參數(shù)包括終端發(fā)射功率、天線增益及人體損耗等，而接收端參數(shù)則有接收機(jī)的熱噪聲系數(shù)、基站天線增益及饋線損耗等。

表2 上行發(fā)送和接收端參數(shù)表

此外，在上行鏈路過(guò)程存在的損耗或增益如表3所示：

表3 上行鏈路過(guò)程參數(shù)

2.2 其它區(qū)域

在其它區(qū)域，如一般市區(qū)、郊區(qū)及農(nóng)村等，如表4所示，先給出相關(guān)參數(shù)的差異：

表4 其它區(qū)域參數(shù)

由此，得到如表5所示的VoLTE分別在4個(gè)場(chǎng)景下的鏈路預(yù)算。

2.3 覆蓋增強(qiáng)

為了保證語(yǔ)音業(yè)務(wù)的質(zhì)量要求，其FER（Frame Error Rate，誤幀率）必須不超過(guò)1%。為此，VoLTE采取了增量冗余的H A R Q機(jī)制[7]。如果初傳成功率達(dá)到9 0%，即初始F E R為1 0%，則二次重傳為10%×10%=1%。同時(shí)，二次或多次重傳后可以提升系統(tǒng)的SINR（Signal to Interference Noise Ratio，信噪比），進(jìn)而提高VoLTE的覆蓋能力。

表5 VoLTE鏈路預(yù)算

此外，當(dāng)鏈路惡化時(shí)，VoLTE會(huì)在RLC層進(jìn)行分段以形成更小的MAC PDU，從而在不增加RB配置的情況下以更低的MCS（Modulation and Coding Scheme，調(diào)制與編碼策略）傳送語(yǔ)音，具備更強(qiáng)的覆蓋能力，代價(jià)是需要消耗更多的RLC層和MAC層開銷，以及更多的PDCCH調(diào)度信令。

3 VoLTE語(yǔ)音容量能力

3.1 信道開銷

影響VoLTE容量能力的因素很多，包括系統(tǒng)帶寬、調(diào)度算法、基站功率、CP長(zhǎng)度、資源分配方式、子載波間隔、上下行時(shí)隙及特殊子幀配置、上下行鏈路開銷、MIMO和干擾消除等。本文僅以常規(guī)CP長(zhǎng)度下的20MHz帶寬為例對(duì)VoLTE的容量進(jìn)行分析。

如表6、表7所示，LTE系統(tǒng)在上下行鏈路中均存在一定的開銷，并且有所差異，在計(jì)算VoLTE容量時(shí)需要將這些開銷剔除。

表6 LTE系統(tǒng)在上行鏈路的開銷表

表7 LTE系統(tǒng)在下行鏈路的開銷表

3.2 控制信道容量

V o L T E采取S P S半靜態(tài)調(diào)度，其調(diào)度周期為20ms，調(diào)度能力與CCE個(gè)數(shù)及聚合度相關(guān)，CFI與CCE關(guān)系如表8所示：

表8 CFI與CCE關(guān)系

SPS調(diào)度時(shí)，存在“一次分配、多次使用”的特點(diǎn)，不需要在每個(gè)TTI（Transmission Time Interval，傳輸時(shí)間間隔）都為終端下發(fā)DCI（Downlink Control Information，下行控制信息），減少了對(duì)CCE的占用，從而降低對(duì)PDCCH的開銷。如表9所示，一般來(lái)說(shuō)，SPS調(diào)度能力可以根據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)度能力計(jì)算出來(lái)：

表9 SPS調(diào)度能力

根據(jù)終端距離基站的分布，可設(shè)置相應(yīng)的權(quán)值，若C/D表示遠(yuǎn)距離終端比例，B表示中距離終端比例，A表示近距離終端比例，則最終的調(diào)度能力，即VoLTE的控制信道容量計(jì)算如下：

比如，遠(yuǎn)、中、近用戶分別是2:3:5，則相應(yīng)的VoLTE控制信道調(diào)度能力為：

50%×888+30%×444+20%×111=599（個(gè)）

3.3 業(yè)務(wù)信道容量

假設(shè)VoLTE業(yè)務(wù)的激活因子為α（靜默期用戶不消耗RB資源），SPS調(diào)度周期TSPS，VoLTE用戶在靜默期SID（Silence Descriptor，靜默指示符）幀的傳輸周期為TSID，在靜默期與通話期MAC層包的大小分別為PSPS和PACT。則VoLTE業(yè)務(wù)信道的容量可以計(jì)算如下：

其中，NeRB表示每個(gè)用戶初傳平均需要的RB資源塊數(shù)量；NRB表示上、下行鏈路業(yè)務(wù)信道占用的RB資源塊數(shù)量；NeRB可計(jì)算如下：

其中，N1、N2、N4分別表示初傳需要的1、2、4個(gè)RB數(shù)；x1、x2、x4分別表示1、2、4個(gè)RB所占的比例。

假設(shè)初傳需要占用1個(gè)RB的用戶占20%，需要占用2和4個(gè)RB的用戶分別占30%和50%，則每個(gè)用戶初傳平均需要的RB個(gè)數(shù)NeRB=1×50%+2×40%+4×10%=2.8。

NRB可計(jì)算如下：

其中，LHARQ表示相應(yīng)鏈路的重傳比例；LCT表示相應(yīng)鏈路存在的信令開銷；NTRB表示相應(yīng)帶寬下的總RB資源塊數(shù)。

根據(jù)上下行鏈路的重傳比例及開銷的不同，可以計(jì)算出相應(yīng)的業(yè)務(wù)信道容量。

（1）上行鏈路

假設(shè)上行鏈路重傳比例為0.25，上行信道開銷可由表6查詢，包括P U S C H、R S、R A C H、S R S和控制信道開銷等，在不同的帶寬下，其開銷也不同。在20MHz帶寬的前提下，上行總體開銷值為20.7%+14.3%+1%+1.8%+3.6%=41.4%。

在上下行比例為2:3的情況下，根據(jù)公式（4）計(jì)算出上行業(yè)務(wù)信道可用的RB資源：NRB=20×(1-0.25)×(1-41.4%)×100×2/5=351（個(gè)），將此值代入公式（2），可計(jì)算得出上行鏈路的VoLTE容量數(shù)為：CapU-VoLTE=1/0.5×1/(1+144/328+20/160)×351/2.8=237（個(gè)）。

（2）下行鏈路

類似地，也可計(jì)算出下行鏈路的VoLTE容量。假設(shè)下行鏈路重傳比例為0.15，下行信道開銷可由表7查詢，包括PDSCH、RS、SCH、BCH和控制信道開銷等。在20MHz帶寬的前提下，下行總體開銷值為：18.88%+9.05%+9.5%+0.17%+0.16=37.25%。

在上下行比例為2:3的情況下，根據(jù)公式（4）計(jì)算出下行業(yè)務(wù)信道可用的RB資源：NRB=20×(1-0.15)×(1-37.25%)×100×3/5×3/5=640（個(gè)），將此值代入公式（2），可得下行鏈路的VoLTE容量數(shù)為：CapD-VoLTE=1/0.5×1/(1+144/328+20/160)×60/2.8=433（個(gè)）。

最終的VoLTE容量可計(jì)算如下：

在上述條件下，LTE系統(tǒng)的VoLTE系統(tǒng)容量為：CapVoLTE=min(599, min(237, 433))=237（個(gè)）。由此可見 ，在一般情況下控制信道不存在資源瓶頸。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)VoLTE的覆蓋及容量能力進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，并提出了相關(guān)覆蓋增強(qiáng)的措施。在容量維度上分別針對(duì)控制信道和上下行業(yè)務(wù)信道展開相應(yīng)的容量分析，并提出量化的核算方法，有助于為即將到來(lái)的VoLTE應(yīng)用提供參考。但VoLTE容量跟系統(tǒng)帶寬、上下行的RB資源配置，以及所處環(huán)境導(dǎo)致的鏈路惡化都有關(guān)系，本文僅是以20MHz為例進(jìn)行描述，在實(shí)際擴(kuò)展使用時(shí)需要具體問(wèn)題具體分析。

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