VoLTE高低頻段覆蓋能力研究

單 剛，張曉江（華信咨詢設計研究院有限公司，浙江杭州310014）

1 概述

VoLTE是3GPP定義的基于IMS網絡的LTE語音解決方案，其語音質量高，成本低，能有效節約頻率資源，有利于運營商實現業務轉型和升級。隨著近2年三大運營商的LTE網絡覆蓋越來越完善，用戶終端逐漸成熟，不少城市開始正式商用VoLTE。VoLTE承載于LTE網絡之上，語音質量的優劣與LTE無線網絡覆蓋水平息息相關。由于頻譜、帶寬、政策、運營商策略等因素，導致不同城市、不同場景、不同階段存在著低頻、高頻和低高頻疊加組網等多種組網形式，在不同的頻段，VoLTE的覆蓋能力也各有不同。

本文以某運營商的網絡為基礎，分析一般城區場景800和1 800 MHz 2種頻段下的VoLTE覆蓋能力。

2 VoLTE關鍵技術

VoLTE是基于IMS的一種語音通話技術，與數據業務共同承載于LTE網絡，可實現語音和數據同步進行。作為語音業務，其具有與數據業務不同的特性，如占空比低、單包小、實時性要求高等。為了提升VoLTE性能，3GPP定義了以下幾個關鍵技術：ROHC報頭壓縮、時隙綁定、RLC分段技術、半靜態調度。

a）RoHC報頭壓縮。在3GPP定義的VoLTE業務中，語音編碼主要分為AMR-NB和AMR-WB 2種，其編碼速率分別為4.75~12.2 kbit/s和6.6~23.85 kbit/s，通話期間每20 ms產生一個語音包，靜默期間每160 ms產生一個數據包。以AMR-NB為例，按照一個典型語音包32 B計算，采用IPv4格式封裝時，IP層包頭開銷達到20+8+12=40 B，采用IPv6格式封裝時，IP層包頭開銷達到40+8+12=60 B，再加上PDCH層、RLC層和MAC層各8 B的包頭開銷，語音承載效率僅為33.3%（IPv4）和27.6%（IPv6），而采用ROHC報頭壓縮時，IP層包頭開銷可壓縮為4~6 B，從MAC層統計，語音壓縮效率分別達到了37.5%（IPv4）和48.3%（IPv6）。根據上述分析可知，通過ROHC報頭壓縮，封裝后整個數據包大大縮小，既可降低VoIP的邊緣速率，降低UE的功率需求，提升邊緣覆蓋，又可降低RB資源的占用，提高系統容量。

b）時隙綁定。當用戶處于小區邊緣，路徑損耗較大，而UE由于本身發射功率受限，導致上行信道質量較差，誤碼率不能滿足要求。為了解決這一問題，3GPP定義了時隙綁定技術，通過將上行連續時隙進行綁定（最大時隙綁定數量為4）并分配給同一UE，并在這些上行時隙中，發送相同內容的不同冗余版本，提高基站側數據解碼成功率，使得用戶在覆蓋較弱的基站邊緣具有較高的上行速率和較低的誤碼率，從而提高上行覆蓋能力。

c）RLC分段。當小區邊緣功率受限時，上行覆蓋能力下降，有可能導致UE無法在一個時隙內完成一個完整數據包的發送。而RLC分段增強技術，通過將一個RLC SDU拆分成多個小的PDU，降低小區邊緣每個子幀需要上傳的數據量，間接提升上行覆蓋能力。而由于RLC分段降低了每個子幀傳輸的數據量，若分段過多，則會引起資源極大的浪費，從而降低VoLTE容量，因此在RLC分段時，需綜合考慮容量和覆蓋兩者之間的平衡。

d）半靜態調度。LTE中需要PDCCH信道對所有的業務信道進行動態調度，以滿足上下行不同的業務需求，與傳統的突發性高、帶寬需求高的數據業務相比，VoLTE業務有著不同的特點，其占用時間長、周期規律、帶寬占用需求小，如采用動態調度，eNodeB將每20 ms對語音用戶進行一次調度，并占用大量的PDCH調度資源，從而影響用戶容量。為了節省PDCH資源，避免因頻繁調度影響VoLTE容量，VoLTE引入了半靜態調度（SPS），在初始調度時，通過PDCCH指示UE當前的調度信息，以后每20 ms進行一次相同時頻資源上的業務傳輸和接收，一次授權，周期性使用，從而有效節省用于調度的PDCCH資源，提高控制信道調度能力。

3 上行鏈路預算

CDMA網絡經過多年建設，現階段站點已遍布城區、干線、農村和景區等所有區域，基本實現全覆蓋；LTE 1 800 MHz網絡經過2015年到2018年3年多的建設，城區、鄉鎮、重要干線、重要景區和部分發達農村覆蓋已較為完善；而LTE 800 MHz網絡則是在CDMA網絡基礎上按1∶1同比建站，故雖然LTE 800 MHz網絡起步晚，但總體覆蓋已基本接近CDMA網絡覆蓋水平。

為了驗證VoLTE不同頻段之間、VoLTE和CDMA之間、VoLTE和LTE數據之間的覆蓋能力差異，將CD?MA、VoLTE和LTE網絡設定相同的工程參數，其中VoLTE采用標清語音12.2 kbit/s速率，LTE則采用上行256 kbit/s、下行1 024 kbit/s的邊緣速率，基站側CDMA采用1T2R天線，VoLTE和LTE采用2T4R天線。以下分別從VoLTE和CDMA語音之間、VoLTE和LTE數據之間2個方面進行上行鏈路預算的對比分析。

3.1 VoLTE和CDMA語音鏈路預算對比

由于CDMA、VoLTE和LTE均為上行受限，因此以下僅對上行覆蓋進行鏈路預算分析（見表1）。表1中接收機靈敏度和干擾余量與廠商設備性能存在較大關系，文中選取了目前某主流廠家的參數。

對于12.2 kbit/s的VoLTE業務而言，不同的MCS，RB分配方式也有不同，分別有1RB、2RB、4RB等方式，帶來的增益也存在差異，其中4RB方式覆蓋效果相對較好，如無特殊說明，以下對比均基于4RB的分配方式。

根據鏈路預算結果，未考慮RoCH、時隙綁定等增強技術增益時，VoLTE的MAPL明顯差于CDMA，若考慮RoCH、時隙綁定等增強技術增益時，VoLTE的MA?PL和CDMA相差不大，約1 dB，由此可見當VoLTE采用RoCH、時隙綁定等增強技術時，VoLTE 800 MHz與CDMA相比，室外覆蓋差距約1 dB，差距不明顯。

VoLTE 800 MHz和VoLTE 1 800 MHz相比，由于現階段RRU均為近天線安裝，跳線較短，故2種頻段的饋線損耗和接頭損耗相差不大，可忽略不計，MAPL基本接近，但由于兩者頻段差異較大，根據對應的傳播模型Okumura-Hata模型和COST 231-Hata模型進行簡單計算可知，VoLTE 1 800 MHz覆蓋半徑僅為VoLTE 800 MHz的50%左右。

表1 CDMA與VoLTE語音鏈路預算對比表

3.2 VoLTE語音和LTE數據業務鏈路預算對比

為了對比VoLTE和LTE數據覆蓋水平，表2給出了VoLTE 800 MHz和LTE 800 MHz數據業務、VoLTE 1 800 MHz和LTE 1 800 MHz數據業務的MAPL預算值。表2中參數設定如下：VoLTE采用12.2 kbit/s、4RB分配方式，LTE采用上行256 kbit/s，需占用6RB資源。

根據鏈路預算結果可知，在不考慮RoCH、時隙綁定等增強技術增益的情況下，VoLTE和LTE數據覆蓋能力相差不大，若考慮RoCH、時隙綁定等增強技術增益時，VoLTE覆蓋甚至還優于LTE數據覆蓋。

表2 LTE數據與VoLTE語音鏈路預算對比表

4 仿真

為了驗證不同頻段下VoLTE的覆蓋性能，本文選取了某縣城區進行了仿真分析，以縣城現有的CDMA站址為基礎，同站址進行CDMA、LTE 800/1 800 MHz、VoLTE 800/1 800 MHz仿真分析，并進行橫向和縱向對比。

仿真采用Atoll3.1.2平臺，數字地圖精度為20 m，仿真參數同鏈路預算，仿真目標：

CDMA：接收功率Rx≥-95 dBm，導頻信號信噪比Ec/Io≥-12 dB。

LTE數據：參考信號接收功率RSRP≥-105 dBm，信號與干擾加噪聲比SINR≥-3 dB。

VoLTE：參考信號接收功率RSRP≥-105 dBm，信號與干擾加噪聲比SINR≥-3 dB。

為了保證結果的可比性，本文對3個網絡采用相同的數字地圖，相同的仿真區域和相同的工參數據，同時采取Atoll系統自帶模塊進行自動鄰區規劃和自動PCI規劃，相應的仿真結果如下。

4.1 接收信號功率對比

如圖1所示，在共享現有CDMA物理站址的前提下：CDMA Rx≥-95 dBm的占比為99.8%，基本實現全覆蓋；在不考慮RoCH、時隙綁定等增強技術增益的情況下，VoLTE800MHz的下行RSRP（800MHz）≥-105dBm的占比為93.9%，與CDMA覆蓋存在一定的差距；VoLTE 1 800 MHz的下行RSRP（1 800 MHz）≥-105 dBm的占比為35.9%，遠遠低于CDMA和VoLTE 800 MHz的覆蓋能力。

圖1 CDMA/VoLTE信號接收功率分布對比圖

若額外考慮VoLTE的RoCH、時隙綁定等增強技術，VoLTE 800 MHz和CDMA覆蓋能力基本相當。而VoLTE 1 800 MHz由于站點數量不足，若單純共享CD?MA站址，是無法滿足連續覆蓋要求的。

如圖2所示，同頻段下VoLTE的RSRP略差于LTE，其中VoLTE 800 MHz RSRP≥-105 dBm的占比僅比LTE數據低1.3個百分點，而VoLTE 1 800 MHz RSRP≥-105 dBm的占比則比LTE低了約4個百分點，主要是因為本次仿真的前提是共享CDMA現網站址，導致1 800 MHz站址嚴重不足，若1 800 MHz站址補齊，則滿足最低RSRP的占比差距會大大縮小。

圖2 不同頻段下VoLTE與LTE信號接收功率分布對比圖

4.2 信噪比對比

如圖3所示，相同物理站址的前提下，無論是VoLTE還是LTE，SINR≥-3 dB的占比均超過97%，而1 800 MHz由于頻段高，單站覆蓋小，在完全共享CD?MA站址的情況下，SINR值甚至還優于LTE 800 MHz和VoLTE站點。

圖3 不同頻段下VoLTE與LTE SINR分布對比圖

如圖4所示，CDMA Ec/Io≥-12 dB的占比達到99%，優于VoLTE和LTE的指標。

4.3 仿真結論

根據仿真結果，得出以下2個結論。

a）在LTE和CDMA同站建設，并考慮RoCH、時隙綁定等增強技術增益情況下，VoLTE 800 MHz覆蓋能力與CDMA基本相當，VoLTE 1 800 MHz覆蓋能力無法滿足要求。

b）VoLTE和同頻段的LTE覆蓋能力基本相似，在LTE覆蓋能力達到要求的區域，同步開通VoLTE即可基本滿足覆蓋要求。

圖4 CDMA Ec/Io分布對比圖

5 結束語

目前，中國電信LTE 800 MHz與CDMA同站址建設，根據鏈路預算和仿真結果可知，VoLTE 800 MHz的覆蓋能力基本與CDMA相當，而VoLTE 1 800 MHz單站覆蓋能力則不如CDMA和VoLTE 800 MHz。當然，在計算VoLTE覆蓋能力時，還需要從用戶體驗角度考慮，并非單純追求極限覆蓋能力，語音質量和時延指標也是VoLTE覆蓋需要考慮的一個因素。同時，由于800 MHz頻段可用帶寬小，隨著VoLTE用戶的不斷增加，在800 MHz頻段上承載VoLTE將會容量受限，故在考慮VoLTE覆蓋能力的同時需要協同考慮容量需求和擴容能力。

經過近幾年的大力建設，城區LTE 1 800 MHz站點規模已遠超CDMA站點規模，根據大量的路測數據和MR數據分析，城區1 800 MHz覆蓋指標與800 MHz覆蓋指標基本相當，根據前面分析，VoLTE 1 800 MHz與LTE 1 800 MHz覆蓋能力也基本相當，由此可知，在不考慮VoLTE容量的情況下，在城區VoLTE無論承載在800 MHz頻段還是1 800 MHz頻段，均能較好滿足覆蓋需求，但隨著VoLTE負荷不斷增加，VoLTE頻段承載策略和網絡優化將是一個重要的課題。

而在郊區和農村，由于大部分省市未大規模建設LTE 1 800 MHz站點，LTE覆蓋基本以LTE 800 MHz網絡為主，故現階段郊區農村更適合于將VoLTE承載在800 MHz頻段上。