VoLTE覆蓋與容量分析

杜 剛，熊尚坤，陳曉冬

（中國(guó)電信股份有限公司廣州研究院 廣州510630）

1 引言

LTE網(wǎng)絡(luò)承載的語(yǔ)音業(yè)務(wù)與傳統(tǒng)的電路域（circuit switched，CS）語(yǔ)音業(yè)務(wù)，采用的空口技術(shù)有很大區(qū)別，本文主要通過(guò)理論方式，分析VoLTE（voice over LTE）[1]的覆蓋能力和頻譜效率。

目前在VoLTE方面的研究主要有：

[1]闡述了VoLTE的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并給出了VoLTE的容量效率仿真結(jié)果；

·參考文獻(xiàn)[2]描述了VoLTE的性能影響因素。

2 影響VoLTE性能的因素

2.1 VoLTE的空口時(shí)延限制

參考文獻(xiàn)[3]對(duì)電話業(yè)務(wù)的時(shí)延特性進(jìn)行了要求，達(dá)到“用戶滿意”標(biāo)準(zhǔn)的電話業(yè)務(wù)，端到端時(shí)延必須在285 ms以內(nèi)；根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，并考慮到現(xiàn)有3GPP標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)音技術(shù)特征，扣除核心網(wǎng)時(shí)延（70 ms）、語(yǔ)音編碼時(shí)延（30 ms）、語(yǔ)音解碼時(shí)延（5 ms）后，允許的單邊最大空口時(shí)延約為90 ms，如圖1所示。

2.2 增強(qiáng)VoLTE覆蓋能力的技術(shù)手段

移動(dòng)通信系統(tǒng)中，滿足覆蓋目標(biāo)的CS語(yǔ)音業(yè)務(wù)，要求誤幀率（FER）小于等于1%，LTE系統(tǒng)空口采用了增量冗余的HARQ機(jī)制[4]，一般的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)要求HARQ初傳成功率達(dá)到90%，即初傳誤塊率（BLER）為10%，為了達(dá)到語(yǔ)音質(zhì)量要求，必須經(jīng)過(guò)一次HARQ重傳，語(yǔ)音誤幀率才能夠小于1%。如果HARQ初傳與第一次重傳是兩個(gè)獨(dú)立事件，并且每次發(fā)送的BLER都是10%，經(jīng)過(guò)初傳與重傳后的FER=10%×10%=1%。

圖1 VoLTE網(wǎng)絡(luò)側(cè)時(shí)延分解

值得注意的是，如果HARQ初傳BLER=10%，并且重傳時(shí)MCS不進(jìn)行改變，由于HARQ的軟合并機(jī)制，第二次HARQ發(fā)送（初傳后首次重傳）的BLER將遠(yuǎn)小于10%，兩次HARQ發(fā)送后總體FER<<1%。

VoLTE必須支持ROHC頭壓縮[5]，將RTP/IP的頭開(kāi)銷壓縮為1～3 byte；對(duì)于AMR-WB 12.65 KB寬帶語(yǔ)音[6]，一個(gè)20 ms語(yǔ)音分組MAC PDU輸出大約為320 bit。傳送一個(gè)語(yǔ)音分組，可以在一個(gè)TTI內(nèi)采用1個(gè)SB（schedulling block）進(jìn)行承載，此時(shí)MCS=17，語(yǔ)音分組占用一個(gè)RB（以下稱為占用一個(gè)PRB）；也可以采用PRB=2/MCS=11，或者PRB=4/MCS=5進(jìn)行承載。終端上行發(fā)送語(yǔ)音數(shù)據(jù)時(shí)，選擇較低的MCS具有較低的解調(diào)門(mén)限，但造成終端發(fā)射功率在多個(gè)PRB上均分，因此，更低的MCS配置并不能夠保證覆蓋范圍顯著擴(kuò)大。

鏈路惡化時(shí)，可以將上行語(yǔ)音分組在RLC層進(jìn)行分段，形成更小的MAC PDU，從而在不增加RB配置的情況下，以更低的MCS傳送語(yǔ)音，因而可以具有更強(qiáng)的覆蓋能力。但是RLC分段后單個(gè)語(yǔ)音分組初次發(fā)送占用多個(gè)TTI，付出的代價(jià)是消耗更多的RLC層和MAC層以及PDCCH調(diào)度信令開(kāi)銷。

HARQ重傳也可以增強(qiáng)覆蓋，這種覆蓋加強(qiáng)的理論依據(jù)是，在信號(hào)較差區(qū)域，多次重傳后在信道解碼器入口累積的SINR（signal to interference plus noise ratio）得到提升；在弱覆蓋區(qū)域，即使HARQ初傳BLER高于10%，通過(guò)多次HARQ重傳仍然可能保證語(yǔ)音質(zhì)量。

與HARQ對(duì)覆蓋增強(qiáng)類似，TTI捆綁[7]機(jī)制在4個(gè)連續(xù)TTI內(nèi)，將HARQ的4個(gè)冗余版本[7]捆綁發(fā)送，也能夠增強(qiáng)覆蓋，但是TTI捆綁后，HARQ重傳周期從8 ms增大為16 ms，因此，在一定的空口時(shí)延限制下，由于發(fā)送的TTI數(shù)量增加了一倍，采用TTI捆綁發(fā)送方式能夠帶來(lái)約3 dB的覆蓋增益。

2.3 RLC分段對(duì)增強(qiáng)覆蓋的影響

語(yǔ)音分組以20 ms為周期產(chǎn)生，考慮HARQ重傳，平均每個(gè)語(yǔ)音分組最多允許占用20個(gè)TTI，分段越多則HARQ過(guò)程越多，允許的HARQ重傳次數(shù)越少。因此，雖然RLC分段能夠在降低MCS的同時(shí)降低SINR解調(diào)門(mén)限，而增大初傳BLER=10%的覆蓋范圍，但是由于初傳占用的TTI增多，限制了HARQ最大允許重傳次數(shù)。

僅考慮TTI占用的約束，如果不采用RLC分段，雖然HARQ初傳BLER=10%的覆蓋范圍較小，但可以進(jìn)行更多次HARQ重傳來(lái)增強(qiáng)覆蓋，可以通過(guò)更多次HARQ重傳獲得更大HARQ覆蓋增益（此處沒(méi)有考慮空口時(shí)延限制）。

在空口時(shí)延限制下，HARQ重傳次數(shù)不能過(guò)大，因此，在一定空口時(shí)延限制下，HARQ、TTI捆綁結(jié)合RLC分段（分段數(shù)仍然要有限制）才能獲得最大的覆蓋增強(qiáng)。

3 VoLTE上行鏈路預(yù)算

由于VoLTE的下行覆蓋較上行更強(qiáng)，僅對(duì)上行覆蓋進(jìn)行鏈路預(yù)算分析。

表1是密集市區(qū)環(huán)境的VoLTE鏈路預(yù)算參數(shù)設(shè)置，噪聲系數(shù)與基站設(shè)備性能相關(guān)；干擾余量1.5 dB引用參考文獻(xiàn)[8]取值，反映一定負(fù)載時(shí)鄰小區(qū)終端對(duì)本小區(qū)的上行干擾。

表1 鏈路預(yù)算基本參數(shù)設(shè)置

表2給出了AMR-WB 12.65 kbit/s寬帶語(yǔ)音，無(wú)RLC分段，不同MCS配置時(shí)初傳BLER=10%對(duì)應(yīng)的VoLTE最大允許路徑損耗，此路徑損耗范圍屬于上行功控有效區(qū)域。

功控有效的覆蓋范圍內(nèi)，最多兩次TTI占用，即能滿足語(yǔ)音誤幀率要求；多次重傳在接收端進(jìn)行能量累積帶來(lái)的覆蓋增益簡(jiǎn)單計(jì)算方式為：10 log(TTI最大占用次數(shù)/2)；此處為保守分析計(jì)算，沒(méi)有考慮多次重發(fā)帶來(lái)的時(shí)間分集增益以及Turbo解碼器輸入軟信息累加形成的誤幀率下降。

無(wú)線配置為PRB=2/MCS=11時(shí)，假定允許TTI捆綁5次HARQ發(fā)送（一次初傳+4次重傳），空口時(shí)延68 ms，最大允許路徑損耗擴(kuò)大為115.8+10 log（5×4/2）=125.8 dB。

可以通過(guò)低速率語(yǔ)音和4天線接收分集進(jìn)一步擴(kuò)大VoLTE覆蓋，獲得與3G語(yǔ)音技術(shù)相當(dāng)?shù)母采w能力。

表2 VoLTE鏈路預(yù)算結(jié)果

4 密集市區(qū)VoLTE容量計(jì)算

4.1 PRB資源限制的VoLTE容量

經(jīng)過(guò)矯正的某城市密集市區(qū)800 MHz頻段傳播損耗式為：

其中，L為傳播損耗；d為距離，單位為km。

假定密集市區(qū)站間距500 m，小區(qū)半徑為333 m，則傳播損耗為112 dB，每20 ms產(chǎn)生的AMR-WB12.65K語(yǔ)音分組可以在上行PRB=1/MCS=17配置下傳送，考慮BLER=10%時(shí)需要的重傳，每個(gè)語(yǔ)音分組實(shí)際消耗的PRB資源為1.1個(gè)。

假定50%語(yǔ)音激活，近似認(rèn)為語(yǔ)音靜默幀不消耗更多PRB資源，5 MHz載波帶寬，F(xiàn)DD模式，上行扣除PUCCH資源后平均每小區(qū)PUSCH可用RB配置20個(gè)，50%PRB資源消耗能夠承載的語(yǔ)音連接數(shù)為（上行）：

20（RB）×20（TTI）×50%（PRB負(fù)載）/50%（語(yǔ)音激活）/1.1(每語(yǔ)音分組資源消耗)=364

因此，PRB資源消耗50%時(shí)，VoLTE上行容量大約是364；進(jìn)一步提升PRB資源消耗比例，可能造成鄰小區(qū)干擾抬升，造成每個(gè)語(yǔ)音分組的資源消耗增加，因此，提升PRB占用比例未必能夠很大幅度地提升語(yǔ)音容量。

4.2 PDCCH資源限制的VoLTE容量

基站的調(diào)度能力從信令面決定了VoLTE容量，以下分析基于PDCCH動(dòng)態(tài)調(diào)度方式。5 MHz帶寬的LTE網(wǎng)絡(luò)，可用CCE[4]大約為20個(gè)，每個(gè)調(diào)度消耗CCE的多少受鏈路質(zhì)量影響；密集市區(qū)環(huán)境，每次調(diào)度的平均CCE消耗實(shí)測(cè)值大約為2.5個(gè)，即5 MHz帶寬，每個(gè)TTI可以同時(shí)提供8個(gè)調(diào)度，由上、下行共享，考慮下行鏈路覆蓋較強(qiáng)，可以將下行兩個(gè)20 ms語(yǔ)音分組打包發(fā)送，以40 ms為周期調(diào)度；上行語(yǔ)音分組仍然每20 ms調(diào)度一次；并且，下行重傳的發(fā)送采用非同步機(jī)制因而需要新的調(diào)度命令，而上行HARQ重傳采用同步機(jī)制不必需要新的調(diào)度命令，下行、上行每個(gè)調(diào)度語(yǔ)音分組消耗的調(diào)度命令分別為1.1和1個(gè)；40 ms內(nèi)，每個(gè)語(yǔ)音連接，下行將消耗1.1個(gè)調(diào)度，上行消耗2個(gè)調(diào)度，5 MHz帶寬，PDCCH可以容納的VoLTE用戶數(shù)約為：

40（ms）×20（CCE）/2.5（每調(diào)度CCE消耗）/（1.1+2）/0.5（語(yǔ)音激活）=206

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從多個(gè)角度對(duì)VoLTE進(jìn)行了分析，并認(rèn)為VoLTE具有與3G語(yǔ)音技術(shù)相當(dāng)?shù)母采w能力。

容量分析方面，需要注意的是，第4.1節(jié)和第4.2節(jié)對(duì)800 MHz頻段密集市區(qū)環(huán)境的VoLTE容量，從物理資源消耗及信令容量?jī)蓚€(gè)維度進(jìn)行分析，實(shí)際的VoLTE容量還需考慮鄰小區(qū)干擾，鄰小區(qū)干擾抬升不僅與用戶數(shù)相關(guān)，也與設(shè)備廠商的具體實(shí)現(xiàn)相關(guān)，本文假定經(jīng)過(guò)良好的規(guī)劃和良好的RB資源調(diào)度及分配，能夠?qū)⑧徯^(qū)干擾造成的平均IoT抬升控制在1.5 dB，基于此種假設(shè)對(duì)VoLTE容量進(jìn)行了理論推導(dǎo)，并且認(rèn)為在密集市區(qū)環(huán)境800 MHz頻段，5 MHz帶寬，采用動(dòng)態(tài)調(diào)度時(shí)，每小區(qū)可以提供200個(gè)以上語(yǔ)音連接，此時(shí)語(yǔ)音容量受限因素為PDCCH調(diào)度信令。

VoLTE的容量效率與頻段、站間距、環(huán)境特征等因素相關(guān)，各種場(chǎng)景下的容量效率存在差異，需具體情況具體分析。

LTE網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在全球規(guī)模部署，從維護(hù)便利性角度以及網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的角度分析，VoLTE的普遍商用并且3G語(yǔ)音和3G網(wǎng)絡(luò)最終走向萎縮繼而退出歷史舞臺(tái)只是時(shí)間問(wèn)題。隨著ICIC[4]、干擾消除等技術(shù)的進(jìn)一步成熟，VoLTE的技術(shù)優(yōu)勢(shì)將更加明顯，需要通信從業(yè)者對(duì)該技術(shù)足夠重視。

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