中國電信VoLTE覆蓋增強(qiáng)方案研究

許桂芳

【摘 要】為了提高語音通信質(zhì)量，中國電信全面建設(shè)無縫LTE網(wǎng)絡(luò)以部署VoLTE。介紹了VoLTE的特點(diǎn)以及中國電信VoLTE業(yè)務(wù)的駐留原則，并對VoLTE的覆蓋增強(qiáng)方法進(jìn)行分析，最后通過單站及拉遠(yuǎn)測試，證實了通過開啟覆蓋增強(qiáng)以及使用2T4R天線后VoLTE的覆蓋水平與CDMA 1X相當(dāng)。

【關(guān)鍵詞】VoLTE 覆蓋增強(qiáng) 2T4R

1 引言

不同于其他網(wǎng)絡(luò)在LTE非連續(xù)覆蓋的情況下可以通過SRVCC（Single Radio Voice Call Continuity，單一無線語音呼叫連續(xù)性）技術(shù)實現(xiàn)語音的PS（Packet Switch，分組域）域承載，中國電信3G采用的CDMA2000 1X技術(shù)不支持LTE的SRVCC，因此CDMA網(wǎng)絡(luò)（以下簡稱C網(wǎng)）運(yùn)營商的語音向VoLTE演進(jìn)必須跨越SRVCC階段，這決定了C網(wǎng)運(yùn)營商必須在完善全網(wǎng)覆蓋的基礎(chǔ)上部署VoLTE。

VoLTE是基于IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒體子系統(tǒng)）網(wǎng)絡(luò)的語音業(yè)務(wù)，是解決4G網(wǎng)絡(luò)高質(zhì)量視音頻通話的技術(shù)。其區(qū)別于傳統(tǒng)2G/3G的CS語音，是全I(xiàn)P條件下的端到端的語音技術(shù)，具有更低的接入時延、更好的語音質(zhì)量、更高的頻譜利用率等特點(diǎn)。本文介紹了中國電信LTE多頻混合組網(wǎng)VoLTE業(yè)務(wù)的駐留原則及VoLTE覆蓋增強(qiáng)的方法，并通過實測分析了VoLTE覆蓋增強(qiáng)技術(shù)及2T4R的使用對VoLTE網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的影響。

2 VoLTE駐留方案

中國電信LTE網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)村采用800 MHz頻段部署，在城市采用800 MHz、1.8 GHz、2.1 GHz多頻混合組網(wǎng)。其中，1.8 GHz LTE是城市的基礎(chǔ)覆蓋層；2.1 GHz LTE是基礎(chǔ)容量層；800 MHz LTE是深度覆蓋層。

多頻混合組網(wǎng)必然會涉及到異頻切換問題，異頻切換包括以下3種情況：

（1）基于覆蓋的切換

由于1.8 GHz LTE存在覆蓋弱區(qū)、盲區(qū)，800 MHz LTE比1.8 GHz LTE存在覆蓋優(yōu)勢，可以解決城市LTE深度覆蓋問題，在1.8 GHz LTE覆蓋的弱區(qū)、盲區(qū)用800 MHz LTE進(jìn)行補(bǔ)充，當(dāng)UE移動到覆蓋邊緣地區(qū)時會發(fā)生異頻切換。UE根據(jù)所處無線環(huán)境中各頻段LTE的覆蓋情況選擇駐留頻段。同時，在農(nóng)村和城市之間，由于頻段使用差異，也存在該類型的異頻切換問題。

（2）基于負(fù)載的切換

當(dāng)小區(qū)負(fù)載過高，達(dá)到異頻負(fù)載平衡門限時，負(fù)載均衡算法將根據(jù)UE的頻點(diǎn)支持能力、ARP以及占用資源情況，選擇一定數(shù)量的UE進(jìn)行基于負(fù)載的異頻測量。當(dāng)異頻信號質(zhì)量達(dá)到一定條件時，切換到異頻鄰區(qū)。

（3）基于業(yè)務(wù)的切換

將業(yè)務(wù)進(jìn)行分層，指定到特定頻點(diǎn)承載。但是基于業(yè)務(wù)的切換對網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)覆蓋要求比較高，否則會出現(xiàn)異頻乒乓切換而影響業(yè)務(wù)質(zhì)量的問題。

異頻切換模式如圖1所示：

3 VoLTE覆蓋增益提升

天線有效覆蓋范圍決定了基站布局規(guī)劃以及建網(wǎng)成本。中國電信公司LTE與C網(wǎng)1：1共站址建網(wǎng)要求LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和C網(wǎng)相當(dāng)。但是事實上，盡管用800 MHz LTE對城市進(jìn)行深度覆蓋，VoLTE的有效覆蓋范圍依然不及C網(wǎng)，從而影響業(yè)務(wù)的連續(xù)覆蓋。因此，從協(xié)議和硬件設(shè)備兩個方面來增強(qiáng)VoLTE的覆蓋特性。

（1）開啟TTIB/ROHC/RLC增強(qiáng)特性

使用TTIB（透明帶內(nèi)導(dǎo)音）技術(shù)，從消除多徑衰落、頻率漂移的角度來提升信號的質(zhì)量

TTIB頻域處理如圖2所示：

TTIB在發(fā)射端將信號頻帶分割成子帶并進(jìn)行子帶搬移，再在子帶間的空白段插入一段導(dǎo)音。導(dǎo)音通常具備兩個方面的特性：一是與信號頻域上位置接近、相關(guān)性很強(qiáng)，因此導(dǎo)音與信號受到的信道衰落幾乎相同；二是導(dǎo)頻通常為已知的單音頻正弦信號，因此便于在接收端通過FFSR（前饋信號再生）等技術(shù)提取信道衰落信息。然后分析信道衰落信息生成控制信號來反作用于有用信號，從而消除信道衰落對有用信號的影響。最后進(jìn)行信號重組，即可恢復(fù)初始信號。

使用ROHC（Robust Header Compression，健壯性包頭壓縮）壓縮技術(shù)

VoLTE由于采用IP協(xié)議分裝，使得分組報文引入了額外的報頭開銷，由此帶來了無線帶寬的浪費(fèi)。比如：一個典型的語音包需要20個字節(jié)的IPv4報頭（或者40個字節(jié)的IPv6報頭）、8個字節(jié)的UDP（User Datagram Protocol，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）報頭、12個RTP（Real-time Transport Protocol，實時傳輸協(xié)議）報頭，共計40個字節(jié)（對于IPv6，60個字節(jié)）報頭，而語音信號實際有用負(fù)載為15至20個字節(jié)，帶寬有效利用率不足33%。

實際上，對于一個特定的分組流，相鄰分組報文甚至是同一個分組報頭里都存在冗余信息。ROHC壓縮技術(shù)的原理是：一方面消除這些報頭的冗余信息；另一方面將其他變化的字段進(jìn)行特定編碼，然后發(fā)送至解壓器中，實現(xiàn)報頭壓縮的目的。

如表1所示，ROHC能將幾十字節(jié)的報頭壓縮到幾個字節(jié)，極大地提升了無線帶寬的利用率。

RLC層位于PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議）層與MAC層之間，主要負(fù)責(zé)無線接入網(wǎng)絡(luò)的鏈路控制。RLC層有3種數(shù)據(jù)傳輸模式：TM（Transparent Mode，透明模式）、UM（Unacknowledged Mode，非確認(rèn)模式）、AM（Acknowledged Mode，確認(rèn)模式）。RLC層的功能由RLC實體實現(xiàn)，其對應(yīng)的實體包括TM發(fā)送實體、TM接收實體、UM發(fā)送實體、UM接收實體、AM實體。endprint

TM模式最簡單快速，但不提供數(shù)據(jù)可靠性保證；UM模式僅提供一定的可靠性，允許一定量的丟包；AM模式是最重要的一種模式，可靠性最高，采用ARQ（Automatic Repeat reQuest，自動重傳請求）機(jī)制確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

ARQ機(jī)制的處理過程是：RLC實體從上層接收RLC SDU（Service Data Unit，服務(wù)數(shù)據(jù)單元），封裝后的SDU作為RLC PDU（Packet Data Unit，分組數(shù)據(jù)單元）通過下層發(fā)送給對端的RLC實體。接收端AM實體對收到的數(shù)據(jù)通過向發(fā)送端AM回復(fù)狀態(tài)報告來應(yīng)答數(shù)據(jù)的接收情況，對于否定應(yīng)答，發(fā)送端重傳對應(yīng)的AMD PDU，通過這種方式來確保數(shù)據(jù)的正確、按序傳輸。

RLC層AM傳輸模式通過采用ARQ機(jī)制對無線鏈路進(jìn)行控制，可以恢復(fù)丟失的、接收錯誤的數(shù)據(jù)單元，有效地增強(qiáng)了無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

同時，在小區(qū)邊緣還可以采用RLC分片技術(shù)。RLC分片是將一個大的RLC SDU數(shù)據(jù)包分割成2個或4個小包，減少每個子幀上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，從而降低丟包率并提升信號質(zhì)量，以達(dá)到提升上行覆蓋的目的。

（2）從硬件設(shè)備方面使用多端口天線，利用空間維度的復(fù)用獲得分集增益

由于上行終端功率較低、傳輸環(huán)境復(fù)雜等因素，上行覆蓋成為無線覆蓋的主要矛盾。

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多入多出技術(shù)）技術(shù)是LTE的又一關(guān)鍵技術(shù)，多端口天線已經(jīng)商用并不斷發(fā)展。2T4R（2發(fā)4收）天線通過上行4R比2R更好的分集增益，能進(jìn)一步提升上行覆蓋水平。2T4R是在原有2T2R基礎(chǔ)上新增2個Rx端口用作分集接收，可有效提升用戶上行吞吐率，同時降低對用戶端的放射功率的要求，從而擴(kuò)大覆蓋范圍，降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。

4 測試分析

本文在LTE網(wǎng)絡(luò)（以下簡稱L網(wǎng)）開啟TTIB/ROHC/RLC增強(qiáng)特性的條件下，將800 MHz FDD-LTE從2T2R替換成2T4R，對比覆蓋率、SINR等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的變化，分析2T4R對VoLTE網(wǎng)絡(luò)的增益影響。

站點(diǎn)選擇：中部某地區(qū)8個FDD-LTE 800 MHz基站和CDMA 800 MHz基站共站址且天線覆蓋方位基本一致，替換前C網(wǎng)采用1T2R、L網(wǎng)采用2T2R，替換后C網(wǎng)采用1T2R、L網(wǎng)采用2T4R。

頻點(diǎn)分配：1019、37為C網(wǎng)DO頻點(diǎn)，78、119、160、201為5 MHz帶寬LTE頻點(diǎn)，242、283為C網(wǎng)1X頻點(diǎn)。

測試工具：測試軟件為鼎力9.60725，測試終端為ZTE 9518。

（1）單站覆蓋對比測試

單站覆蓋對比測試指標(biāo)統(tǒng)計如表2所示。

測試結(jié)論：對比表2所示單站測試的各項數(shù)據(jù)，2T2R替換為2T4R后，L網(wǎng)和C網(wǎng)基站覆蓋區(qū)域有明顯增大，當(dāng)L網(wǎng)RS=18.2 dBm時，L網(wǎng)和C網(wǎng)覆蓋相當(dāng)。

（2）拉網(wǎng)測試

LTE測試終端接入網(wǎng)絡(luò)，待速率穩(wěn)定后，車輛開始以30 km/h的速度行駛，同時使用測試軟件開始記錄測試log，待測試終端完全脫網(wǎng)后停止記錄，并記錄終端脫網(wǎng)時距離基站的位置。

拉網(wǎng)測試指標(biāo)統(tǒng)計如表3所示。

測試結(jié)論：對比表3所示拉網(wǎng)測試的各項數(shù)據(jù)，2T2R替換為2T4R后，L網(wǎng)和C網(wǎng)基站覆蓋區(qū)域有明顯增大，當(dāng)L網(wǎng)RSRP>-110 dBm時，L網(wǎng)和C網(wǎng)基站覆蓋區(qū)域相當(dāng)，且RSRP和SINR值得到提升。

5 結(jié)論

中國電信利用800 MHz頻段部署無縫覆蓋的FDD-LTE，為VoLTE的啟動做準(zhǔn)備，C網(wǎng)800 MHz空閑頻點(diǎn)是中國電信C網(wǎng)向L網(wǎng)過渡成功的關(guān)鍵。盡管800 MHz LTE強(qiáng)于1.8 GHz LTE的覆蓋能力，但是仍然弱于CDMA 1X約4 dB，影響L網(wǎng)與C網(wǎng)基站1：1建設(shè)的覆蓋效果。2T4R能通過分集增益進(jìn)一步增強(qiáng)800 MHz LTE覆蓋能力，從而降低LTE無縫覆蓋的建網(wǎng)成本，助力VoLTE的全面部署。測試結(jié)果表明，VoLTE覆蓋增強(qiáng)技術(shù)結(jié)合2T4R天線的使用能使L網(wǎng)達(dá)到C網(wǎng)的覆蓋水平。

需要注意的是，由于L網(wǎng)與C網(wǎng)不同，C網(wǎng)存在軟切換和硬切換方式，因此適量的重疊覆蓋區(qū)域有利于網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量。而L網(wǎng)只有硬切換，過大重疊覆蓋區(qū)域會降低網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，因此LTE的覆蓋增強(qiáng)技術(shù)需要根據(jù)小區(qū)的實際情況，精細(xì)化選擇性開啟，以達(dá)到最優(yōu)的覆蓋效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡海明，董紹經(jīng)，姜有田，等. 第四代移動通信技術(shù)淺析[J]. 計算機(jī)工程與設(shè)計， 2011（5）： 1563-1567.

[2] 李羚平. LTE FDD無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化[D]. 長沙： 湖南大學(xué)， 2014.

[3] 胡媛媛，段吉海，季雄，等. 基于TTIB技術(shù)的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)研究[J]. 微計算機(jī)信息， 2006，22（6-2）： 236-238.

[4] 符杰林，鄭繼禹，仇洪冰. 基于TTIB技術(shù)的無線數(shù)

傳Modem設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 桂林電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報，

2001，21（2）： 6-10.

[5] 李小文，胡現(xiàn)嶺. 3G系統(tǒng)中PDCP子層ROHC的研究和實現(xiàn)[J]. 重慶郵電大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)版， 2010，22（2）： 174-178.

[6] 徐海鑫. LTE系統(tǒng)中ROHC報頭壓縮系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D]. 武漢： 武漢郵電科學(xué)研究院， 2013.

[7] 鄧亞平，付紅，謝顯中，等. 3GPP LTE協(xié)議棧RLC層AM傳輸模式的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 重慶郵電大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)版， 2009，21（6）： 704-709.

[8] 洪亮. LTE系統(tǒng)中RLC層協(xié)議軟件的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 長春： 吉林大學(xué)， 2010.

[9] 羅哲，馬晨，譚路加. LTE 2T4R應(yīng)用探討[J]. 郵電設(shè)計技術(shù)， 2015（5）： 48-51.

[10] 韓玉楠，李軼群，張忠平. LTE FDD 2T2R與2T4R、2T8R技術(shù)及部署策略研究[J]. 現(xiàn)代電信科技， 2015（6）： 74-78.

[11] 王煥斌，袁泉. 多天線技術(shù)在LTE混合組網(wǎng)中的應(yīng)用研究[J]. 移動通信， 2016，40（4）： 14-18.endprint