基于實測數(shù)據(jù)的VoLTE業(yè)務(wù)感知關(guān)鍵無線要素影響分析

范星宇　陸鈞　苗守野

【摘 要】為解決電信運營商建維優(yōu)支撐系統(tǒng)下VoLTE業(yè)務(wù)感知保障無線側(cè)指標(biāo)體系不完善的問題，通過結(jié)合理論分析與現(xiàn)網(wǎng)實測數(shù)據(jù)，并基于VoLTE技術(shù)特點，從信號水平、傳輸效能、資源效率三方面給出了在保障VoLTE業(yè)務(wù)感知優(yōu)良前提下的指標(biāo)需求，相關(guān)結(jié)果已成為VoLTE業(yè)務(wù)部署和運維的無線側(cè)參考。

【關(guān)鍵詞】VoLTE 無線指標(biāo) 用戶感知 實測數(shù)據(jù)

1 引言

在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)逐步擴(kuò)大、終端滲透率突飛猛進(jìn)和市場大力推動三管齊下的助力中，用戶對高清語音業(yè)務(wù)的需求不斷增加，VoLTE的全面部署進(jìn)一步加快。全球已有數(shù)十個國家和地區(qū)部署了百余張VoLTE商用網(wǎng)絡(luò)；2016年VoLTE用戶數(shù)已超過3億；國內(nèi)三大運營商均已加速VoLTE的部署與運維工作，相應(yīng)終端也已全面上市[1-2]。VoLTE的首要價值在于推動2G/3G頻譜重耕，高頻譜效率使得其在規(guī)模商用后可迅速釋放2G/3G空閑頻譜用于部署LTE或開展其他業(yè)務(wù)。VoLTE能提供更優(yōu)的通話質(zhì)量、更快的連接速度和更少的終端電池消耗，是運營商對抗OTT的關(guān)鍵技術(shù)點[3-6]。

基于對上述價值的預(yù)期，國內(nèi)各運營商均加快了VoLTE試商用的步伐。目前中國聯(lián)通已在北部、中部、東部地區(qū)分別對VoLTE進(jìn)行了大規(guī)模的功能檢驗和拉網(wǎng)測試工作，并獲取了大量的重要實測數(shù)據(jù)。本文將圍繞VoLTE技術(shù)特點，結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)實測數(shù)據(jù)，對影響VoLTE業(yè)務(wù)感知的關(guān)鍵無線要素及其影響程度進(jìn)行分析。

2 VoLTE業(yè)務(wù)質(zhì)量的評價體系與影響要素

2.1 VoLTE業(yè)務(wù)感知的評價標(biāo)準(zhǔn)

語音質(zhì)量的評判一般基于ITU（International Telecommunication Union，國際電信聯(lián)盟）制訂的MOS（Mean Opinion Score，平均主觀意見分）測試方法實現(xiàn)，VoLTE作為一種高清語音業(yè)務(wù)同樣適用MOS評測方法[7]。MOS評測對用戶接聽和感知語音質(zhì)量的行為進(jìn)行調(diào)研及量化，由不同用戶分別對原始標(biāo)準(zhǔn)語音和經(jīng)過無線網(wǎng)傳播后的衰退聲音進(jìn)行主觀感受對比，進(jìn)而評出MOS分值。

現(xiàn)網(wǎng)中，VoLTE語音業(yè)務(wù)感知以長呼MOS值衡量。MOS在3.5以上時通話清晰，感知優(yōu)良；MOS在3.0以上時話音略有失真，內(nèi)容基本完整，可正常溝通；MOS在2.5以上時可以勉強通話，但已出現(xiàn)吞字、雜音、斷續(xù)等問題，感知嚴(yán)重下降；MOS在2.5以下時無法完成通話。

2.2 影響VoLTE業(yè)務(wù)感知的關(guān)鍵無線要素

VoLTE作為高清語音通話業(yè)務(wù)，其業(yè)務(wù)價值的充分發(fā)揮有賴于對業(yè)務(wù)感知的充分保障[8-10]。語音通話的質(zhì)量取決于語音傳送的完整性和保真性，因此傳輸時延小且均衡、誤碼及丟包率低是VoLTE高清語音通話質(zhì)量的關(guān)鍵，而決定性因素就是講話方的上行及受話方的下行無線信道質(zhì)量。換言之，上下行無線環(huán)境是影響VoLTE業(yè)務(wù)感知的關(guān)鍵因素。

具體而言，信號水平、傳輸效能、資源效率是對VoLTE業(yè)務(wù)感知具有重要影響的關(guān)鍵無線要素。下面將結(jié)合實測數(shù)據(jù)分別予以分析。

3 信號水平對VoLTE業(yè)務(wù)的影響

3.1 信號水平主要影響因素

現(xiàn)網(wǎng)中，用戶業(yè)務(wù)的開展和保障首先受到無線環(huán)境質(zhì)量亦即信號水平的影響。以往以數(shù)據(jù)為主要業(yè)務(wù)的LTE網(wǎng)絡(luò)，其對于信號水平的需求隨著VoLTE的部署而水漲船高。相比于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對延遲和重建相對較高的容忍度，VoLTE業(yè)務(wù)要求更小的時延及避免重建，否則將嚴(yán)重影響用戶感知[11]。

因此，信號水平對VoLTE業(yè)務(wù)質(zhì)量具有決定性的影響。其主要包括信號質(zhì)量和信號覆蓋兩方面。

3.2 信號質(zhì)量與VoLTE業(yè)務(wù)感知的關(guān)系

信號質(zhì)量的衡量指標(biāo)是SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio，信號與干擾加噪聲比），其表征無線信道上有效信號與噪聲的比值。在LTE系統(tǒng)中，SINR可分為上行和下行兩類，分別影響無線業(yè)務(wù)的上下行部分。

LTE是下行受限的無線網(wǎng)絡(luò)，基站和終端接收靈敏度差異以及上下行信道噪聲水平差距決定了下行信道的衰耗余量低于上行信道，因此下行信號質(zhì)量是VoLTE業(yè)務(wù)感知的主要制約因素。

在連續(xù)覆蓋良好的區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)網(wǎng)實測，得到VoLTE業(yè)務(wù)感知與下行SINR的關(guān)聯(lián)分布情況如圖1所示。

其中，SINR值以5 dB為步長分區(qū)間表示，每區(qū)間內(nèi)包含三組數(shù)據(jù)，兩條虛線為分別基于不同組數(shù)據(jù)擬合的結(jié)果。

由圖1可見，SINR值高于10 dB時基本不出現(xiàn)差點，VoLTE語音通話質(zhì)量完全可以得到保障，VoLTE感知優(yōu)異；SINR值為-5 dB至10 dB時，通話過程中可能出現(xiàn)部分MOS一般質(zhì)差時段，嚴(yán)重質(zhì)差出現(xiàn)概率低，VoLTE語音通話質(zhì)量略有下降，但業(yè)務(wù)質(zhì)量可以得到基本保障；SINR值為-10 dB至-5 dB時，通話過程中MOS質(zhì)差點占比高于20%，嚴(yán)重質(zhì)差點占比也高于10%，VoLTE業(yè)務(wù)感知明顯下降，交流困難；SINR值低于-10 dB后，幾乎所有MOS樣點都嚴(yán)重質(zhì)差，已無法正常交流。

基站側(cè)的上行SINR影響著VoLTE上行段的業(yè)務(wù)感知。LTE上行鏈路采用閉環(huán)功控機制，即在保證MAC層重傳率低于10%的前提下使用較小的發(fā)射功率，以延長手機待機時間并降低系統(tǒng)上行干擾。因此，上行側(cè)SINR主要是通過上行發(fā)射功率來體現(xiàn)。

在連續(xù)覆蓋良好的區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)網(wǎng)實測，得到VoLTE業(yè)務(wù)感知與上行發(fā)射功率的關(guān)聯(lián)分布情況如圖2所示。

其中，上行發(fā)射功率以1 dBm為步長分區(qū)間表示，每區(qū)間內(nèi)包含兩組數(shù)據(jù)，兩條虛線為分別基于不同組數(shù)據(jù)擬合的結(jié)果，實線表示求得的MOS均值。

由圖2可見，隨著上行衰耗的增加，UE發(fā)射功率相應(yīng)增大。此時MOS值相應(yīng)降低，MOS質(zhì)差占比相應(yīng)增高，但MOS均值仍處于可接受范圍內(nèi)，上行SINR依舊可以保證VoLTE語音業(yè)務(wù)的質(zhì)量感知。endprint

3.3 信號覆蓋與VoLTE業(yè)務(wù)感知的關(guān)系

信號覆蓋的衡量指標(biāo)是RSRP（Reference Signal Receiving Power，參考信號接收功率），現(xiàn)網(wǎng)中要求RSRP水平保持在一定程度以上且不存在明顯的覆蓋空洞。

在連續(xù)覆蓋良好的區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)網(wǎng)實測，得到MOS樣點與RSRP的關(guān)聯(lián)分布情況如圖3所示。

由圖3可見，MOS值低于3.5的差點分布不存在明顯的聚集性，這表明現(xiàn)網(wǎng)中MOS差點的分布與RSRP大小并無直接線性關(guān)聯(lián)。換言之，只要保證信號覆蓋水平達(dá)到不影響VoLTE業(yè)務(wù)開展的程度，則現(xiàn)網(wǎng)中RSRP水平不直接影響VoLTE業(yè)務(wù)質(zhì)量。

如上文所述，要保證VoLTE業(yè)務(wù)開展需保證SINR值高于-5 dB，因此信號覆蓋水平應(yīng)高于某一閾值以便以高概率獲取SINR高于-5 dB的無線環(huán)境。

在連續(xù)覆蓋良好的區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)網(wǎng)實測，得到RSRP與SINR的關(guān)聯(lián)分布情況如圖4所示。

由圖4可見，RSRP與SINR存在關(guān)聯(lián)性，SINR小于-5 dB的概率隨著RSRP的提升而相應(yīng)降低。當(dāng)RSRP提升至-115 dBm以上時，SINR小于-5 dB的概率已經(jīng)低于1%，不會對VoLTE業(yè)務(wù)感知造成影響。

4 傳輸效能對VoLTE業(yè)務(wù)的影響

4.1 傳輸效能主要影響因素

傳輸效能同樣是VoLTE語音業(yè)務(wù)質(zhì)量的重要影響因素[6，12]。VoLTE語音業(yè)務(wù)在應(yīng)用層使用RTP（Real-time Transport Protocol，實時傳輸協(xié)議）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，因此VoLTE語音業(yè)務(wù)的感知質(zhì)量受限于RTP層的傳輸效能。

對于強調(diào)數(shù)據(jù)傳輸實時性和可靠性的VoLTE高清語音業(yè)務(wù)而言，業(yè)務(wù)感知的關(guān)鍵影響因素主要包括丟包、時延、抖動三方面。

4.2 丟包與VoLTE業(yè)務(wù)感知的關(guān)系

VoLTE業(yè)務(wù)感知受RTP丟包率的影響。現(xiàn)網(wǎng)中，送話端RTP實體會給每個被傳送的RTP包按順序標(biāo)記序號；受話端RTP實體根據(jù)接收的RTP序號就能判斷出在端到端的RTP傳送鏈路上是否發(fā)生了丟包現(xiàn)象，并依此計算出RTP丟包率。過高丟包率的鏈路無法滿足VoLTE業(yè)務(wù)對實時性和可靠性的需求。

在連續(xù)覆蓋良好的區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)網(wǎng)實測，得到RTP丟包率與VoLTE業(yè)務(wù)質(zhì)量MOS值之間的關(guān)聯(lián)分布情況如圖5所示。

其中，RTP丟包率以5%為步長分段統(tǒng)計，虛線是數(shù)據(jù)擬合的結(jié)果。

由圖5可見，丟包率與VoLTE業(yè)務(wù)質(zhì)量之間存在高關(guān)聯(lián)性。下行RTP丟包率均值低于2%時，可保證VoLTE業(yè)務(wù)的MOS均值高于3.5，感知質(zhì)量優(yōu)良；下行RTP丟包率為2%至8%時，相應(yīng)的MOS均值可維持在3.0以上，保證基本的語音交流順暢；下行RTP丟包率為8%至16%時，相應(yīng)的MOS均值為2.5至3.0，語音交流勉強，感知質(zhì)差明顯；下行RTP丟包率高于16%后，MOS均值低于2.5，通話斷續(xù)且聲音失真嚴(yán)重，VoLTE業(yè)務(wù)感知嚴(yán)重質(zhì)差；下行RTP丟包率高于25%后，MOS均值低于2.0，無法進(jìn)行語音正常交流。

4.3 時延與VoLTE業(yè)務(wù)感知的關(guān)系

現(xiàn)網(wǎng)中，RTP傳送時延同樣對VoLTE業(yè)務(wù)質(zhì)量具有重要的影響。送話端RTP實體在發(fā)送每個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包時會為其打上發(fā)送時間戳，受話端RTP實體在接收到該業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包時也會打上接收時間戳，根據(jù)兩個時間戳的差值即可計算VoLTE語音業(yè)務(wù)RTP數(shù)據(jù)包的傳送時延。傳送時延過高時會造成嘴耳延遲，影響語音感知。

在連續(xù)覆蓋良好的區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)網(wǎng)實測，得到RTP時延與VoLTE業(yè)務(wù)質(zhì)量MOS值之間的關(guān)聯(lián)分布情況如圖6所示。

其中，虛線是數(shù)據(jù)擬合的結(jié)果。

由圖6可見，傳輸時延與VoLTE業(yè)務(wù)質(zhì)量之間存在關(guān)聯(lián)性。VoLTE語音業(yè)務(wù)質(zhì)量在RTP時延小于200 ms時可以保持在MOS值大于3.5的優(yōu)良感知；RTP時延為200 ms至260 ms時，VoLTE語音業(yè)務(wù)感知質(zhì)量略有下降，但可保證基本的溝通順暢；RTP時延為260 ms至280 ms時，VoLTE語音業(yè)務(wù)感知質(zhì)差，尚能正常溝通；RTP時延大于280 ms后，VoLTE語音通話會顯現(xiàn)嚴(yán)重的音調(diào)失真，影響正常語音溝通。

4.4 抖動與VoLTE業(yè)務(wù)感知的關(guān)系

VoLTE業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包在傳送過程中延遲時間的變化表現(xiàn)為RTP時延抖動，對VoLTE業(yè)務(wù)質(zhì)量的影響與丟包的影響效果相似。抖動程度取決于數(shù)據(jù)包延遲時間的差異程度，抖動嚴(yán)重時會造成吞字或錯字，從而影響VoLTE語音通話質(zhì)量。

在連續(xù)覆蓋良好的區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)網(wǎng)實測，得到RTP時延抖動與VoLTE業(yè)務(wù)質(zhì)量MOS值之間的關(guān)聯(lián)分布情況如圖7所示。

其中，虛線是數(shù)據(jù)擬合的結(jié)果。

由圖7可見，時延抖動與VoLTE業(yè)務(wù)質(zhì)量之間存在關(guān)聯(lián)性。VoLTE語音業(yè)務(wù)質(zhì)量在RTP時延抖動小于60 ms時，可以保持在MOS值大于3.5的優(yōu)良感知；RTP時延抖動為60 ms至90 ms時，VoLTE語音業(yè)務(wù)感知質(zhì)量略有下降，但可保證基本的溝通順暢；RTP時延抖動為90 ms至110 ms時，VoLTE語音業(yè)務(wù)感知質(zhì)差，尚能正常溝通；RTP時延大于110 ms后，VoLTE語音通話會顯現(xiàn)嚴(yán)重失真，影響正常通話功能。

5 資源效率對VoLTE業(yè)務(wù)的影響

5.1 資源效率主要影響因素

資源效率始終是無線網(wǎng)絡(luò)關(guān)注的焦點，現(xiàn)網(wǎng)中任何業(yè)務(wù)的開展和保持都依賴于有效的資源保障。

與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)不同，VoLTE業(yè)務(wù)以小帶寬、長占用為特點，控制VoLTE業(yè)務(wù)空口資源耗費水平處于合理范圍有利于保持網(wǎng)絡(luò)容量，是現(xiàn)網(wǎng)關(guān)注的重點[2，10]。空口資源主要包括上行和下行兩類。

5.2 上行空口資源與VoLTE業(yè)務(wù)感知的關(guān)系endprint

VoLTE業(yè)務(wù)對上行空口資源的耗費可通過上行RB（Resource Block，資源塊）占用情況予以反映。正常情況下，通話中每20 ms發(fā)送一次數(shù)據(jù)包，每個包的數(shù)據(jù)量處于相似水平，故而每次調(diào)度的上行RB數(shù)也基本一致。隨著RSRP的下降，上行SINR也會相應(yīng)下降，網(wǎng)絡(luò)側(cè)會指示UE降低MCS（Modulation and Coding Scheme，調(diào)制與編碼策略）以便通過處理增益來彌補衰耗，從而導(dǎo)致同樣的數(shù)據(jù)量需要占用更多上行RB資源。

在連續(xù)覆蓋良好的區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)網(wǎng)實測，得到VoLTE業(yè)務(wù)終端在不同RSRP條件下的上行空口RB占用情況如圖8所示。

其中，虛線是數(shù)據(jù)擬合的結(jié)果。

由圖8可見，在RSRP水平達(dá)到一定閾值后，VoLTE業(yè)務(wù)占用的RB資源趨于穩(wěn)定。RSRP大于-80 dBm時，VoLTE業(yè)務(wù)每時隙調(diào)度的上行RB數(shù)均值穩(wěn)定在2個RB；RSRP為-80 dBm至-100 dBm時，VoLTE業(yè)務(wù)每時隙調(diào)度的上行RB數(shù)均值略有上升；RSRP小于-100 dBm后，VoLTE高清語音每時隙調(diào)度的上行RB數(shù)均值幾乎隨著RSRP值的下降而線性上升；RSRP小于-107 dBm后，每時隙調(diào)度的上行RB數(shù)超過4；RSRP小于-115 dBm后，每時隙調(diào)度的上行RB數(shù)超過7。綜上所述，現(xiàn)網(wǎng)中RSRP大于-115 dBm時，可保持VoLTE高清語音通話上行RB占用數(shù)處在合理的范圍內(nèi)。

5.3 下行空口資源與VoLTE業(yè)務(wù)感知的關(guān)系

VoLTE業(yè)務(wù)對下行空口資源的耗費可通過下行RB占用情況予以反映。與上行過程類似，正常情況下通話中每20 ms發(fā)送一次數(shù)據(jù)包，每次調(diào)度的RB數(shù)也基本一致。隨著下行SINR的下降，網(wǎng)絡(luò)側(cè)指示UE通過處理增益來彌補衰耗，從而導(dǎo)致占用下行RB資源的增加。

在連續(xù)覆蓋良好的區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)網(wǎng)實測，得到VoLTE業(yè)務(wù)終端在不同SINR條件下的下行空口RB占用情況如圖9所示。

其中，虛線是數(shù)據(jù)擬合的結(jié)果。

由圖9可見，在SINR水平達(dá)到一定閾值后，VoLTE業(yè)務(wù)占用的RB資源趨于穩(wěn)定。下行SINR大于10 dB時，VoLTE高清語音每時隙調(diào)度的下行RB數(shù)均值穩(wěn)定在4個RB；下行SINR小于10 dB后，VoLTE高清語音每時隙調(diào)度的RB數(shù)均值幾乎隨著SINR的下降而線性上升；下行SINR小于-5 dB后，VoLTE高清語音每時隙調(diào)度的下行RB數(shù)均值超過8個。綜上所述，現(xiàn)網(wǎng)中下行SINR大于-5 dB時，可保持VoLTE高清語音通話下行RB占用數(shù)處在一個較合理的范圍內(nèi)。

6 分析結(jié)果

綜上所述，現(xiàn)網(wǎng)VoLTE業(yè)務(wù)的部署和運維需考量無線側(cè)性能的影響。信號水平、傳輸效能、資源效率是對VoLTE業(yè)務(wù)感知具有重要影響的關(guān)鍵無線要素，其保障VoLTE業(yè)務(wù)感知優(yōu)良的建議值如表2所示：

7 結(jié)束語

本文圍繞VoLTE技術(shù)特點，以中國聯(lián)通VoLTE功能檢驗和拉網(wǎng)測試工作中獲取的實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從無線側(cè)對影響VoLTE業(yè)務(wù)感知的關(guān)鍵要素進(jìn)行梳理，隨后通過數(shù)據(jù)分析得到在保障VoLTE業(yè)務(wù)感知優(yōu)良的前提下上述各要素的建議值。下一步，將對影響VoLTE業(yè)務(wù)感知的無線指標(biāo)體系進(jìn)一步細(xì)化以及結(jié)合具體場景優(yōu)化指標(biāo)閾值等。

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