高鐵場景下VoLTE語音質量提升研究

李鐘瑞 戴明珠

摘 要：中國目前的VoLTE業務已經能夠為基礎網絡用戶提供可靠的通信支持，但在對網絡傳輸有著特殊要求的高鐵場景下，VoLTE業務的服務質量與基礎網絡相比仍有較大差距。為進一步提高高鐵場景下的VoLTE語音服務質量，分析了高鐵場景下影響VoLTE語音質量MOS值的主要因素，提出優化VoLTE語音質量的思路。通過實驗分析了各關鍵參數分別對高鐵場景下VoLTE語音質量的影響，提出一種改進的參數修改方案，并證明了使用修改后的參數能夠獲得更好的語音質量。

關鍵詞：VoLTE;MOS;高鐵;關鍵參數;語音質量

DOI：10. 11907/rjdk. 181658

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A文章編號：1672-7800（2019）001-0152-05

Abstract：China's current VoLTE service has been able to provide reliable communication support for users in large networks. However，the service quality of VoLTE services in the HSR scene with special requirements for network transmission is still quite different from that of the big network.This article analyzed the main factors which affect VoLTE voice quality MOS value in HSR scene to further improve the voice service quality of VoLTE in HSR（High Speed Rail） scenarios， proposing the idea of optimizing voice quality of VoLTE. It studied and analyzed key parameters of VoLTE wireless optimization， analyzed effects of different key parameters on VoLTE voice quality in HSR scenarios through experiments， and proposed an improved modification scheme of key parameters，which proved that using the modified key parameters can get better voice quality.

0 引言

隨著中國電信LTE網絡的不斷建設與完善，目前中國電信4G網絡已實現了全面覆蓋，之后中國電信將繼續推出VoLTE（Voice over LTE）語音解決方案，語音和數據網絡將同時承載在4G網絡之上[1-5]。雖然當前的VoLTE業務已經能夠為基礎網絡用戶提供更短的接通等待時間、更高的語音質量、更自然的語音效果，但在具有移動速度快、穿透損耗大、切換頻次高等特點的高鐵場景下，VoLTE業務的服務質量與基礎網絡相比仍有一定差距[6-8]。因此，諸多學者針對該問題進行了研究，如馬向晨、焦燕鴻等[9-10]在高鐵場景下獲得的MOS值大于3.0的占比僅為73%，明顯低于基礎網絡要求的85%[11];李宗璋、牛海濤等[12]對京滬高鐵山東段VoLTE進行優化后，測試獲得的MOS值大于3.0的平均占比約為81%;龍青良、劉光海等[13]針對高鐵場景下的切換頻繁、RRC重建等問題進行針對性優化，將MOS值大于3.0的占比提高到90%。

高鐵移動通信逐步成為各運營商品牌展示及提升高端客戶黏合度最有力的競爭領域，即當前4G網絡下不僅需要提供高速率的數據業務，還需提供高質量的音視頻通話[14-16]。為保障LTE無線網在高鐵環境下正常承載VoLTE基礎業務的能力，急需對高鐵場景下的VoLTE業務影響因素進行分析，針對VoLTE業務進行關鍵參數的規范設定，有針對性地對能夠提升業務質量的參數進行修改，夯實電信網絡的VoLTE功能。

本文重點對高鐵場景下的VoLTE相關參數進行分析與優化，通過VoLTE實驗網測試數據證明了改進的相關參數可獲得更好的語音質量。

1 高鐵VoLTE質量評估標準

1.1 高鐵VoLTE語音業務MOS值

MOS（Mean Opinion Score）值，即平均意見值，是衡量通信系統語音質量的重要指標[17]。MOS值的取值范圍為[0，5]，值為0表示信號質量最差，值為5表示信號質量最優，一般認為MOS值大于3的系統具有較好的語音質量。MOS值的直接影響因素包括端到端時延、抖動、丟包等。VoLTE端到端時延可分解為：UE語音編解碼時延、空口傳輸時延、核心網處理時延、傳輸網傳輸時延。丟包與抖動的影響因素包括：空口信號質量、eNB負載、傳輸網丟包與抖動。所以影響MOS值的主要因素包括：語音編碼、覆蓋、干擾、切換、鄰區、基站負荷、基站故障、傳輸、核心網及測試終端等[18-20]。

1.2 VoLTE語音MOS采樣機制

VoLTE語音MOS采樣機制如下：①主叫起呼，進行錄音（8s左右）;②被叫放音，主叫收音，被叫記錄第1個MOS采樣點（8s）;③主叫放音，被叫收音，主叫記錄第1個MOS采樣點（8s）;④被叫放音，主叫收音，被叫記錄第2個MOS采樣點（8s，與第1個采樣點間隔16s）;⑤主叫放音，被叫收音，主叫記錄第2個MOS采樣點（8s，與第1個采樣點間隔16s）;⑥被叫放音，主叫收音，被叫記錄第3個MOS采樣點（8s），如此類推。

1.3 MOS值優化思路

在分析MOS問題時，首先要考慮基站是否正常工作，其次考慮測試是否規范，以及測試設備是否正常，然后判斷是否為無線問題造成的，最后才考慮是否由核心網及傳輸網引起的[21]。? 因此，在分析MOS問題時，應按以下步驟進行MOS優化：

（1）基站問題：指問題路段中心經緯度150m以內的基站及主瓣65°范圍的小區，若存在基站負荷過大、業務告警、通信中斷等問題，必將影響MOS值。處理方法為：在測試前確保基站正常工作。

（2）測試規范/測試設備：包括MOS設備調試造成的MOS設備性能差、音頻線松動、終端異常等。處理方法為：在測試前確保MOS設備正常工作，事先調試好MOS值，插緊音頻線并進行終端檢查等。

（3）無線問題：主要包括弱覆蓋（RSRP<-100dBm，SINR<0）、質差（RSRP>-100dBm，SINR<0）、頻繁切換等。引起弱覆蓋的原因包括：周邊缺站點（需重新規劃）、已規劃站點但未建設、周邊基站故障、室分泄露、鄰區漏配、切換參數不當等。質差包括弱覆蓋質差與強覆蓋質差，前者優先處理弱覆蓋，后者通常是由MOD3干擾、GPS失步引起的干擾及外部干擾引起的。頻繁切換通常是由于網絡結構不合理、天饋接反、切換參數設置不當造成的[22]。

本文主要分析高鐵的VoLTE語音質量提升方法，因高鐵負荷較輕，排除基站故障與測試設備故障相對容易，因此本文重點從無線網絡優化角度進行分析。

2 VoLTE關鍵參數

由于VoLTE無線優化涉及的參數較多，這里只對本文使用的6個關鍵參數進行介紹。

（1）PA。沒有導頻的OFDM Symbol（A類符號）數據子載波功率與導頻子載波功率的比值。

（2）PB。只有導頻的OFDM Symbol（B類符號）數據子載波功率與導頻子載波功率的比值。PB的取值對信道估計與PDSCH解調性能有一定影響，合適的PB取值可以改善邊緣用戶速率，提高小區覆蓋性能。

（3）PUCCH標稱P0值。在UE 接入或切換入新小區之初，功率控制算法所需的各個測量量可能尚未準備好，這時根據為小區配置的標稱功率設置PUCCH發射功率，以保證小區邊緣用戶成功接入小區。該值的大小決定了上行覆蓋的干擾情況，通過減小該值可降低對鄰區的干擾，提高小區覆蓋性能。

（4）同頻切換次數。同頻切換是移動通信系統中的常見現象，頻繁的同頻切換對網絡存在較大影響，如切換次數增加導致信令上報量增大，進而增加終端與基站負荷，以及降低下載速率、增加網絡時延、降低語音感知等。

（5）SR傳輸周期。LTE上行調度流程為：終端發起SR（調度請求），基站根據SR為其預分配資源并告知終端;如果終端發送BRS（狀態緩存報告），基站收到后為其分配資源，并通過PDCCH調度進行告知，終端根據調度信息發送數據，然后進行HARQ流程，直到基站收到完整數據包。整個過程需要的時間被稱為RTT（回環時間），也即傳輸時延時間，而BRS等處理基站則是由周期時間控制的，若BSR緩存狀態報告周期參數設置不當，會影響上行調度效率，增加調度時延，從而在一定程度上影響MOS評分。

（6）語音業務通話期上行補償調度最小間隔。該參數主要針對用戶的SR周期進行概率性補償，以減少SR漏檢導致的語音上行丟包。該參數大小會影響觸發上行補償調度的概率。

3 高鐵場景下VoLTE關鍵參數實驗

為驗證在上述6個單一參數情況下的語音質量提升效果，以便根據當前場景自適應設定各參數，從而更有效地提升LTE網絡下的語音質量，為后續優化作出指導。在本小節優化實驗中，從各維度對不同參數進行針對性地修改，并完成相應的語音質量測試實驗，具體實驗及結果如下：

3.1 功率參數設置

LTE網絡覆蓋質量是影響語音感知的決定性因素，在專項優化期間可為高鐵線路覆蓋質量奠定基礎。本次驗證通過修改功控參數與PA/PB等參數，在保障基站輸出功率最大化的同時，改善邊緣用戶速率，提高區域覆蓋性能。其中共有4組配比情況可以使功率利用率最大化，分別是：PA=0，PB=0;PA=-3，PB=1;PA=-4.77，PB=2;PA=-6，PB=3。

為驗證不同PA/PB配置情況對網絡質量的影響效果，對上述4種配比進行相關指標驗證測試，測試結果如表1所示。

對表1中的結果分析發現：在PA=0，PB=0時，下載速率最高，但覆蓋稍差，適用于業務需求量大的場景;在PA=-3，PB=1時，兼顧覆蓋及業務，可保障較多用戶接入以及感知，適用于郊區場景;在PA=-4.77，PB=2時，覆蓋率與-3/1持平，但下行速率降低了10%，不建議使用;在PA=-6，PB=3時，可最大程度保障覆蓋，但下行速率降低了近50%，適用于農村鄉鎮中業務需求不大，但需要廣泛覆蓋的場景。

根據上述測試結論，針對某高鐵場景客流集中、業務容量大等特性，將參數PA與PB均配置為0時，能夠獲得最優性能。將PA=-3、PB=1時的測試結果作為優化前結果，將PA=0、PB=0時的測試結果作為優化后結果，其優化前后MOS值分布對比如圖1所示。從圖中可以看出，優化后測得的MOS值分布在區間[4，5）的比例相比優化前提高了約12%。

表2為優化PA/PB參數后網絡質量的測試結果對比，從表中可以看出，將參數PA、PB均配置為0后，語音感知各項指標得到一定提升，其中呼叫建立時延較修改前提升了0.2s，平均MOS值提升了0.09，MOS值在3以上的占比提升了約3%。整體覆蓋強度略有降低，但整體語音質量得到了提升，與分析效果一致。

3.2 PUCCH標稱P0值

LTE網絡的上行覆蓋質量是影響語音感知的決定性因素，本次驗證對PUCCH標稱P0值（eNodeB所期望的PUCCH發射功率水平）參數進行了調整。

在UE 接入或切換入新小區之初，功率控制算法所需的各測量量可能尚未準備好，這時根據為小區配置的標稱功率設置PUCCH發射功率，以保證小區邊緣用戶成功接入小區。該值的大小決定了上行覆蓋的干擾情況，因此通過減小該值，可降低對鄰區的干擾，提高小區覆蓋性能。其參數修改如表3所示。

3.3 同頻切換偏置參數

本次驗證對同頻切換偏置參數進行調整。小區間同頻切換的主要原因之一為切換事件觸發過易，根據A3事件切換觸發條件Mn+Ofn+Ocn-Hys>Ms+Ofs+Ocs+Off。為增大A3事件觸發難度、減小同頻切換概率，需增大同頻切換偏置參數，其參數修改如表5所示。

將同頻切換偏置值為2時的測試結果作為優化前結果，同頻切換偏置值為4時的測試結果作為優化后結果，其優化前后MOS值分布對比如圖3所示。從圖中可以看出，優化后測得的MOS值分布在區間[4，5）的比例比優化前降低了約2%，但在區間[3，3.5）和[3.5，4）的比例比優化前分別提高了1.62%與5.25%。

3.4 SRI周期參數

表8為修改SRI周期參數值前后得到的網絡質量測試結果對比，可以看出，在該單項參數驗證測試中，語音感知各項指標均有較大提升。其中呼叫建立時延較修改前提升了0.22s，平均MOS值提升了0.14，MOS值在3以上的占比提升了約9%。

3.5 語音業務通話期上行補償調度最小間隔

從表12中測試結果可看出，使用各參數原始值完成的測試中，呼叫建立時延為1.96s，測試VoLTE平均MOS質量值為3.91，高鐵測試段整體MOS值大于3.0的占比為90.47%，MOS值大于3.5的占比為83.67%，占比較低。相應使用各參數優化值完成的測試中，呼叫建立時延為1.86s，測試VoLTE平均MOS質量值為3.93，高鐵測試段整體MOS值大于3.0的占比為93.35%，MOS值大于3.5的占比為85.75%。

通過對表8中原始值與優化值測試結果對比可以發現，使用各參數優化值獲得的語音感知各項指標有了一定提升，其中呼叫建立時延較修改前提升了0.1s，平均MOS值提升了0.02，MOS值在3.0以上的占比提升了約3%。

5 高鐵場景VoLTE參數研究總結

上述參數優化實驗測試結果表明，在高鐵場景下針對VoLTE語音質量指標MOS值的影響因素，從覆蓋、干擾、切換及傳輸時延等維度進行相關參數修改，對整體VoLTE語音質量的提升具有一定效果。使用本文提出的優化后參數，獲得的高鐵測試段整體MOS值大于3.0的占比為93.35%，比優化前的測試結果提高了約3%。

綜上所述，在高鐵場景下針對不同網絡環境，可進行如下優化提升：

（1）在網絡覆蓋質量較好的環境下，通過修改PA/PB值，在保證整體覆蓋質量的同時，提升網絡性能和語音質量。

（2）在用戶相對較少的網絡環境下，可通過修改SR傳輸周期參數，縮短用戶接入時延，從而提升語音質量。

（3）在用戶相對較多的網絡環境下，一般不用修改SR傳輸周期參數，而是通過修改“語音業務通話期上行補償調度最小間隔”參數，增大上行補償調度概率以及修改“PUCCH標稱P0值”參數，減少對上行覆蓋的干擾，從而改善語音質量。

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（責任編輯：黃 健）