農村地區基于覆蓋最大化的VoLTE參數優化

陸健賢 黃濟丘 趙旭

【摘? 要】農村地區的覆蓋質量是VoLTE商用面臨的關鍵問題。根據鏈路預算，VoLTE與CDMA具有16 dB的覆蓋差距，通過對比RLC分段、TTI Bundling等VoLTE上行覆蓋增強技術的優缺點，并根據實測結果對比分析各種參數設置對用戶感知及覆蓋的影響，提出了實現農村VoLTE覆蓋最大化的RLC分段、TTI Bundling及PDCP丟棄定時器設置。實測表明，優化后VoLTE覆蓋僅為CDMA的90%，需進一步補點完善覆蓋。

【關鍵詞】VoLTE;覆蓋增強;RLC分段;TTI Bundling;PDCP;丟棄定時器

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.10.016? ? ? ? 中圖分類號：TN911

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）10-0087-05

引用格式：陸健賢，黃濟丘，趙旭. 農村地區基于覆蓋最大化的VoLTE參數優化[J]. 移動通信， 2020，44（10）： 87-91.

0? ?引言

VoLTE可提供高清語音及視頻通話，呼叫時延短，顯著提高了用戶業務體驗。對于語音業務，除了通話清晰外，網絡還必須滿足普遍覆蓋、高接通率、低掉話率等要求，才能提供高質量的服務。2G網絡經過多年建設和優化，覆蓋已較為完善，能夠滿足語音業務的上述要求。由于LTE空中接口的特點，覆蓋問題已成為VoLTE規模部署的難點，特別對地廣人稀的農村地區，如何低成本實現VoLTE覆蓋與2G基本可比是商用能否成功的關鍵。

1? ?VoLTE與CDMA網絡上行覆蓋比較

覆蓋能力取決于在確保一定通話質量條件下基站與終端之間允許的最大路徑損耗。對上行鏈路，最大路徑損耗與終端最大發射功率PUE、基站接收靈敏度Sensitivity和基站的底噪抬升IoT關系如式（1）所示：

根據現場測試及網管統計，在農村地區，上述三個要素取值如表1所示：

VoLTE與CDMA語音業務相比，其上行鏈路的最大路徑損耗差值高達16 dB，若不優化VoLTE覆蓋，VoLTE覆蓋將顯著低于CDMA。造成該結果的原因主要包括以下三個方面：

（1）接收靈敏度：CDMA終端為連續發射，因農村無線環境較好，農村基站的接收靈敏度可達-132 dBm，接近香農定理給出的極限。LTE無線資源調度的粒度為1個TTI，如無RLC分段、HARQ重傳，基站接收到的時域功率僅為終端連續發射情況下的1/20，造成VoLTE接收靈敏度遠低于CDMA。

（2）底噪抬升：CDMA采用快速功率控制，將終端發射功率控制到最低，減少了對基站的底噪抬升。LTE為提高數據速率，終端發射功率較高，在相同的路損下，比CDMA高10 dB至30 dB。雖然LTE上行鏈路采用SC-FDMA避免了同小區不同用戶的干擾，但高發射功率將對相鄰小區產生干擾。CDMA和LTE底噪抬升情況如表2所示，參考CDMA相鄰小區與本小區干擾的比值為0.65[2]，可以認為LTE相鄰小區對底噪抬升的貢獻占總底噪抬升值的40%，即2 dB，較CDMA高1.5 dB。

（3）終端最大發射功率：根據3GPP2規范[3]，只要終端最大發射功率在200 mW至1 W之間即符合規范要求，而3GPP規范[4]規定等級3的終端最大輸出功率必須滿足23±2 dBm。終端最大發射功率的差異取決于各終端廠家的實現，對幾款主流終端的實測結果表明，CDMA終端的最大發射功率比LTE略高。

2? ?VoLTE上行覆蓋增強技術

因LTE和CDMA的終端最大發射功率、底噪抬升差異較小，為使VoLTE覆蓋盡可能接近CDMA，必須采用覆蓋增強技術縮小兩者接收靈敏度的差距。除了采用2T4R獲得更高的接收分集增益，目前現網還使用了RoHC、RLC分段、TTI Bundling等VoLTE覆蓋增強技術：

（1）RoHC：為無線鏈路設計的數據包頭壓縮機制，可以將語音報文的RTP/UDP/IP包頭壓縮為更小的字節，減少了RLC分段并可采用健壯的MCS確保語音包的正確傳輸。

（2）RLC分段：通過分段將一個RLC SDU拆分封裝成若干個小的PDU，減少了每個TTI傳輸的凈荷大小，使一個語音包可占用多個TTI并可采用更健壯的MCS發送，提高了每凈荷比特的功率，改善了上行邊緣區域的覆蓋。RLC分段由調度器根據無線信道質量自動在層2進行，因分段產生的每個RLC PDU均使用單獨的HARQ進程和上行調度授權，需占用較多PDCCH和PHICH信道資源。此外，每個RLC PDU均需要添加RLC/MAC包頭，加大了包頭開銷。

（3）TTI Bundling：在4個連續的TTI上傳輸同一RLC PDU的不同冗余版本，4個捆綁的TTI作為整體采用同一個HARQ進程處理，在提高接收端累積能量的同時減少了所需的HARQ進程數量。TTI Bundling僅限于上行鏈路[5-6]、PRB數量不超過3且采用QPSK調制的條件下應用，根據無線信道質量通過RRC消息激活和去激活。TTI Bundling的優點是通過減少RLC分段數量降低包頭及PDCCH、PHICH控制信道的開銷。根據文獻[7]，若ACK/NACK無差錯傳輸，RLC分段為8 ms與4 ms的TTI Bundling（但不同時RLC分段）性能相當，當NACK誤解碼為ACK的概率0.1%的情況下，4 ms的TTI Bundling較RLC分段為8 ms具有2～3 dB的增益。與RLC類似，TTI Bundling激活后也會加大時延和抖動，未到覆蓋邊緣就過早啟動該功能將導致MOS降低[8]。

3? ?覆蓋增強技術對網絡性能的影響分析

為了研究農村區域VoLTE覆蓋增強技術對網絡性能的影響，在一個典型的農村基站開展了多種參數設置的測試。該基站使用CDMA/LTE雙模設備及同一天饋線，主要覆蓋農村及周邊道路。下文中如無特別說明均打開RoHC功能，VoLTE上行覆蓋增強技術參數設置如表3所示，基站工作帶寬為3 MHz、RS功率為27 dBm。

3.1? RoHC及2T4R對覆蓋的提升

從基站近端向遠端路測，VoLTE業務MOS隨路徑損耗變化的測試結果如圖1所示。如不打開RoHC功能，2T4R的MOS拐點為路徑損耗130 dB處，而打開該功能后拐點延伸至路徑損耗140 dB處。RoHC將上行PDCP平均速率由原來的16.2 kbit/s降低至8.2 kbit/s，顯著提升了VoLTE在小區邊緣的覆蓋能力。在路徑損耗大于135 dB的覆蓋邊緣區域，對應相同的MOS值，2T4R的最大路徑損耗相對2T2R具有約3～4 dB的增益，與預期一致。由于2T4R設備成本增幅有限且農村站址安裝條件相對寬松，采用2T4R可顯著改善上行覆蓋。

3.2? TTI Bundling激活的影響

在實際網絡中，當UE處于小區邊緣時無線條件惡劣，為提升覆蓋，TTI Bundling一般需與RLC分段結合。3種不同TTI Bundling及RLC分段設置的覆蓋測試結果如圖2所示：

對于覆蓋良好的區域，3種測試場景的MOS值差異很小。在路徑損耗大于135 dB的邊緣區域：

（1）打開TTI Bundling功能的情況下，RLC最大分段為4的覆蓋性能優于分段為2的設置。由表4的數據，更多的分段降低了BLER和丟包率。對應MOS=3的門限值，最大分段為4較分段為2具有約5 dB的覆蓋增益。

（2）關閉TTI Bundling功能且RLC最大分段為8的覆蓋性能更優，比打開TTI Bundling功能具有3～4 dB的增益。

造成上述現象的原因是，TTI Bundling激活后語音端到端時延增加，導致PDCP丟棄定時器超時產生丟包。AMR語音編碼器每20 ms產生一個語音幀，如UE在20 ms內無法完成該語音幀的發送，將導致語音幀緩存，造成語音傳輸延遲。PDCP層對每個語音幀生成的SDU都會啟動定時器計時，在緩存嚴重的情況下，傳輸延遲導致定時器超時，SDU就會被丟棄，造成語音幀丟失。簡化的分析如圖3所示，在激活TTI Bundling的情況下，假設1個語音幀生成的1個RLC SDU被拆分封裝為4個PDU，關閉TTI Bundling時拆分封裝為8個PDU。TTI Bundling發送1個RLC PDU需要占用4個TTI，重傳的時間間隔為16TTI，而HARQ發送1個RLC PDU僅需1個TTI，重傳的時間間隔為8個TTI。

當TTI Bundling激活時，僅當RLC PDU1傳輸次數不大于2且RLC PDU2～4傳輸次數為1時才能在20 ms內完成1個RLC SDU傳輸，其概率PTTIB_ON為：

而當關閉TTI Bundling功能時，只要RLC PDU1～4傳輸次數不大于3且RLC PDU5～8傳輸次數不大于2即可在20 ms內完成1個RLC SDU傳輸，其概率PTTIB_OFF為：

根據表4的BLER，PTTIB_ON為74.3%、PTTIB_OFF為84.6%。雖然TTI Bundling通過4個TTI連續發送產生的增益降低了BLER及HARQ的重傳概率，但TTI Bundling減少重傳降低的時延并不足以抵消其重傳時間間隔帶來的開銷，語音包延遲的概率相應增加，由于PDCP丟棄定時器僅為100 ms，定時器超時導致更高的語音丟包率。在實際網絡中，還存在發送SR及重傳、等待上行調度授權等時延，丟包更為嚴重。

3.3? PDCP丟棄定時器的影響

根據文獻[9]，VoLTE端到端時延的推薦值為150 ms以內，最大時延不超過400 ms，而文獻[10]給出的能夠達到用戶滿意的最大時間為280 ms。由于農村網絡性能的主要瓶頸為覆蓋，通過適當加大PDCP丟棄定時器時長增加SR及HARQ重傳次數，可降低邊緣區域的丟包率。

QCI1的PDCP丟棄定時器延長后的測試結果如圖4所示。對關閉TTI Bundling、RLC最大分段為8 ms的設置，由于HARQ重傳周期較短，延長PDCP丟棄定時器增益并不明顯。對打開TTI Bundling、RLC最大分段為4 ms的設置，由于重傳周期較長，定時器延長后覆蓋能力較100 ms顯著提升。當PDCP丟棄定時器設置為無窮大，MOS=3對應的路徑損耗從100 ms的144 dB提升至150 dB。此時，語音業務從時延要求嚴格的實時業務退化為盡力而為的業務，時延抖動加大造成MOS的波動，對路徑損耗140 dB至145 dB區域的用戶，雖然打開TTI Bundling較關閉的MOS降低了0.2至0.5，但MOS維持在3以上。考慮到因覆蓋導致的掉話對感知的影響更為嚴重，在農村覆蓋邊緣區域，可通過適當降低通話質量進一步提升覆蓋能力。

綜合以上分析，在保障適當用戶感知條件下，按照同站址VoLTE覆蓋最大化的原則，VoLTE的最優設置為2T4R+打開RoHC+打開TTI Bundling+RLC最大分段4+PDCP定時器無窮大。

4? ?優化后VoLTE與CDMA覆蓋的對比

對于本次研究的農村LTE/CDMA共址基站，優化設置后VoLTE和CDMA語音業務覆蓋范圍的測試結果如表5所示。對比表中多小區場景通話良好的覆蓋距離，雖然800 MHz VoLTE已采用多種覆蓋增強技術，但在CDMA原站址部署的VoLTE覆蓋范圍為1445 m、僅為CDMA語音覆蓋距離1 604 m的90%，仍然需要補點彌補VoLTE與CDMA的覆蓋差距。此外，對于MOS=2的門限，CDMA多小區覆蓋距離為1 604 m，小于單小區的1 727 m。對應上述距離，多小區場景終端發射功率的測試值為20.3 dBm，小于單小區的22.7 dBm，即多小區場景的上行鏈路并非受限鏈路而是下行鏈路。其原因在于，CDMA導頻、尋呼等公共控制信道約占基站最大發射功率20%，即使在話務較低的農村上述信道仍需發射，單小區并不存在鄰區干擾，而多小區的覆蓋邊緣區域受鄰區下行干擾較大。由于實際組網均為多個小區構成連片覆蓋，與傳統認知的語音業務是上行覆蓋受限不同，農村CDMA下行干擾受限有可能先于上行覆蓋受限出現。因多址方式不同，VoLTE多小區與單小區覆蓋差距較小。

5? ?結束語

影響農村地區用戶感知最重要的因素是網絡覆蓋。在保證適當用戶感知前提下，為發揮CDMA原站址部署的800 MHz LTE基站的最大覆蓋效益，應采用2T4R的基站設備和天線配置，打開RoHC和TTI Bundling功能、RLC最大分段設置為4 ms、PDCP丟棄定時器設置為無窮大。由于LTE的空口特性，即使采用上述最優設置，VoLTE覆蓋仍低于CDMA語音，還需要通過補點完善VoLTE覆蓋，以支撐VoLTE規模商用。

參考文獻：

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