VoLTE關(guān)鍵技術(shù)及部署策略研究

徐德平，程日濤，張新程

（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司，北京 100080）

VoLTE關(guān)鍵技術(shù)及部署策略研究

徐德平，程日濤，張新程

（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司，北京 100080）

本文首先介紹了VoLTE的原理和關(guān)鍵技術(shù)，隨后從覆蓋規(guī)劃、容量規(guī)劃等角度分析了VoLTE的規(guī)劃設(shè)計要求，最后對VoLTE的網(wǎng)絡(luò)部署影響因素進(jìn)行了具體分析，并提出了部署的策略。

基于LTE的話音；半持續(xù)調(diào)度；健壯性頭壓縮；RLC分段；TTI綁定

1 概述

LTE網(wǎng)絡(luò)為用戶提供了更高速率的移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)，并為這種服務(wù)提供了通信網(wǎng)絡(luò)向全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)的架構(gòu)。但毫無疑問，話音業(yè)務(wù)仍然是運營商重要的收入來源之一，隨著中國移動TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模部署，如何與2G/3G網(wǎng)絡(luò)協(xié)同提供理想的話音服務(wù)是面臨的重要課題之一。中國移動參照3GPP規(guī)范定義的標(biāo)準(zhǔn)解決方案，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀及產(chǎn)業(yè)發(fā)展預(yù)期提出了相應(yīng)的話音連續(xù)性解決方案，主要有以下3種。

方案1：CS Fallback（Circuit Switched Fallback）。當(dāng)LTE用戶使用話音業(yè)務(wù)時，呼叫均切換至2G/3G網(wǎng)絡(luò)，由核心網(wǎng)電路域負(fù)責(zé)疏通。

方案2：VoLTE（Voice Over LTE）+ SRVCC（Single Radio Voice Call Continuity）。當(dāng)LTE用戶位于LTE網(wǎng)絡(luò)時，由IMS網(wǎng)絡(luò)控制實現(xiàn)話音業(yè)務(wù)；并通過SRVCC技術(shù)保障用戶在LTE網(wǎng)絡(luò)與2G/3G網(wǎng)絡(luò)間切換過程中的“不掉話”。

方案3：雙待機。即終端同時連接到TD-LTE網(wǎng)絡(luò)和能夠提供電路域話音業(yè)務(wù)的2G/3G網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)終端業(yè)務(wù)在多網(wǎng)的并發(fā)。

VoLTE/SRVCC是3GPP明確的目標(biāo)話音方案，但目前廠家設(shè)備支持、終端成熟性尚不具備。CSFB是國際規(guī)范確定的過渡方案，目前國際運營商LTE話音均采用該方案。雙待機方案（2G/3G一待＋4G一待和2G一待3G/4G一待）： 長期存在方案。3種方案的對比如表1所示。

2 VoLTE原理及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 VoLTE基本概念

VoLTE是GSMA定義的標(biāo)準(zhǔn)LTE話音解決方案，IMS網(wǎng)絡(luò)是業(yè)務(wù)控制網(wǎng)絡(luò)，配合LTE和EPC網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)端到端的基于分組域的話音、視頻通信業(yè)務(wù)。通過IMS系統(tǒng)的控制，VoLTE解決方案可以提供和電路域性能相當(dāng)?shù)脑捯魳I(yè)務(wù)及其補充業(yè)務(wù)，包括號碼顯示、呼叫轉(zhuǎn)移、呼叫等待、會議電話等。

在《中國移動VoLTE技術(shù)白皮書》中明確要求VoLTE提供高質(zhì)量音視頻業(yè)務(wù)體驗：支持高清話音、高清視頻，采用eSRVCC支持話音業(yè)務(wù)連續(xù)性，與融合通信結(jié)合，提供更為豐富的業(yè)務(wù)體驗。

表1 話音解決方案比較

目前，3GPP中最常用的話音編碼算法為AMR算法和AMR-WB算法。AMRWB算法是新提出的話音編碼算法，與AMR算法不同的是其話音帶寬更寬（16kHz代替8kHz），以更高的編碼率為代價產(chǎn)生更好的話音質(zhì)量。AMR話音速率為4.75～12.2 kbit/s，AMR-WB話音速率為6.6～23.85 kbit/s。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 半持續(xù)調(diào)度 (如圖1所示）

半持續(xù)調(diào)度是基于VoIP業(yè)務(wù)特點，20 ms調(diào)度一次，MCS、RB資源、傳輸模式都不再修改。

在transient state階段，沒有話音分組調(diào)度，可進(jìn)行其它業(yè)務(wù)的動態(tài)調(diào)度。在talk spurt state階段，每20 ms產(chǎn)生一個采樣分組，使用半靜態(tài)調(diào)度，避免每次都進(jìn)行上行動態(tài)調(diào)度請求，可獲得20%左右的話音傳輸能力提升。靜默期理論只有160 ms一次的背景音符號，沒有話音數(shù)據(jù)調(diào)度，此時可以進(jìn)行其它業(yè)務(wù)的動態(tài)調(diào)度。在用戶話音進(jìn)行半靜態(tài)調(diào)度時，如果有動態(tài)調(diào)度數(shù)據(jù)，可延遲調(diào)度，延遲動態(tài)調(diào)度能獲得20%左右的話音能力提升。

圖1 半持續(xù)調(diào)度流程

2.2.2 頭壓縮 (如圖2所示）

LTE系統(tǒng)中的ROHC功能實體位于UE和eNode B的用戶面PDCP（Packet Data Convergence Protocol）實體中，僅用于用戶面數(shù)據(jù)分組的頭壓縮和解壓。壓縮方對報文頭進(jìn)行壓縮，并傳遞頭部壓縮信息給解壓方；解壓方通過上下文來確保頭壓縮報文能夠被正確的解壓。

不采用ROHC頭壓縮情況下，RTP開銷占12 byte，UDP頭占8byte，IP頭占20 byte（IPv4）。采用ROHC頭壓縮，ROHC頭壓縮開銷占6 byte左右。對于AMR12.2 kbit/s話音編碼速率，凈荷為33 byte，采用ROHC頭壓縮，共39 byte，考慮PDCP、RLC和MAC頭后，共43 byte，即344 bit，而如果不采用ROHC，則數(shù)據(jù)分組長度達(dá)到77 byte，即616 bit，壓縮效率非常顯著。

圖2 頭壓縮處理示意圖

2.2.3 RLC分段與TTI綁定 (如圖3所示）

RLC分段指RLC層會根據(jù)底層上報信息：如分配的無線資源的數(shù)據(jù)承載能力，對PDCP PDU進(jìn)行分段形成RLC PDU，以適應(yīng)所分配的無線資源的大小。

RLC分段可以降低業(yè)務(wù)解調(diào)要求，通過占用更多的時域資源降低SINR要求，但RLC分段方式會帶來額外的分組頭開銷。

RLC分段是MAC層默認(rèn)功能，對于3：1，20 ms中有4個上行子幀，可實現(xiàn)的最大分片數(shù)量為4個，對于2：2，20 ms中有8個上行子幀，可實現(xiàn)的最大分片數(shù)量為8個。

TTI綁定指UE在連續(xù)多個TTI（協(xié)議規(guī)定為4個）上傳輸固定數(shù)目的數(shù)據(jù)，不需要等待HARQ進(jìn)程。從而降低了分片帶來的系統(tǒng)頭開銷和分組丟失出錯的概率。HARQ進(jìn)程也采用TTI Boundling。

當(dāng)測量SINR小于一定的值時，啟動TTI Boundling功能，小區(qū)邊緣需要啟動TTI Boundling。 eTU3信道下，TTI Boundling的增益約為2～4 dB。

3 VoLTE業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃指標(biāo)的影響

3.1 覆蓋指標(biāo)

針對VoLTE業(yè)務(wù)進(jìn)行鏈路預(yù)算，按VoLTE業(yè)務(wù)占用3RB。AMR 12.2 kbit/s業(yè)務(wù)解調(diào)門限為PB3信道條件下，MCS2，BLER=1%的解調(diào)門限。鏈路級仿真使用RLC分段技術(shù)，未使用TTI Bundling。得到鏈路預(yù)算結(jié)果如表2所示。

以密集城區(qū)為例，AMR 12.2 kbit/s話音業(yè)務(wù)的MAPL大于目前RSRP規(guī)劃指標(biāo)的MAPL要求，即當(dāng)前規(guī)劃指標(biāo)能夠滿足AMR 12.2 kbit/s話音業(yè)務(wù)的覆蓋要求。

低速WB-AMR業(yè)務(wù)（12.65 kbit/s）與AMR 12.2 kbit/s話音業(yè)務(wù)覆蓋能力相同，高速WB-AMR業(yè)務(wù)（23.85 kbit/s）的MPAL低于AMR 12.2 kbit/s業(yè)務(wù)約4 dB（估算）?？赏ㄟ^占用更多的RB資源或使用TTI Bundling 實現(xiàn)連續(xù)覆蓋。

3.2 容量核算

VoLTE容量與小區(qū)性能（RS-SINR及吞吐量），業(yè)務(wù)類型及速率，PDCCH等控制信道調(diào)度能力，業(yè)務(wù)信道資源等均密切相關(guān)。

圖3 RLC分段與TTI綁定處理示意圖

表2 VoLTE業(yè)務(wù)鏈路預(yù)算

以VoLTE AMR 12.2 kbit/s業(yè)務(wù)估算條件，按50%網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷估算，假設(shè)遠(yuǎn)、中、近點的MCS為2階、8階、14階。且用戶數(shù)比例為3：4：3。激活因子c為0.4。

控制信道PDCCH所容納的容量為172個。業(yè)務(wù)信道F頻段：用戶數(shù)126個。D頻段：用戶數(shù)252個。對于VoIP業(yè)務(wù)，因上下行業(yè)務(wù)需求是一致的，因此2：2子幀配比能夠提供更高的容量。

綜合來看，在假設(shè)的場景下，F(xiàn)頻段配置支持用戶數(shù)126個，D頻段配置支持用戶數(shù)172個。

3.3 其它影響

VoLTE引入還與多業(yè)務(wù)調(diào)度算法，SRVCC控制問題相關(guān)，需要通過測試等手段進(jìn)行研究。

4 網(wǎng)絡(luò)部署策略

4.1 影響因素分析

因素1：產(chǎn)業(yè)進(jìn)展。

華為、愛立信等廠商的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備現(xiàn)已具備測試條件，但產(chǎn)業(yè)進(jìn)展參差不齊，全面支持將在2014下半年。芯片及終端發(fā)展有所滯后， SQN最早于2013年Q3發(fā)布，其它芯片將在2014年上半年陸續(xù)推出，終端涉及與VoLTE深度集成，與APP方式相比更為復(fù)雜，初步估計需在芯片推出后增加3～6個月的開發(fā)周期。

因素2：網(wǎng)絡(luò)改造進(jìn)程。

VoLTE部署是復(fù)雜的端到端系統(tǒng)工程，涉及LTE、IMS、現(xiàn)有2G網(wǎng)絡(luò)9類網(wǎng)元設(shè)備改造，以及LTE、電路域、IMS的多網(wǎng)絡(luò)間互操作。以現(xiàn)網(wǎng)規(guī)模試驗6城市為例，涉及9個廠家、5個接口改造（S1，Sv，S6a，SGi，Rx），共有超過20個配對測試。目前eSRVCC國外尚未部署，包括FDD在內(nèi)，欠缺可參考的部署經(jīng)驗，改造過程存在未知風(fēng)險。

因素3：LTE連續(xù)覆蓋及優(yōu)化程度。

LTE連續(xù)覆蓋程度做到與TDSCDMA類似時，與現(xiàn)網(wǎng)切換比例為5%～10%。為提升用戶體驗，建議VoLTE商用的覆蓋條件為連續(xù)覆蓋及優(yōu)化程度與TD-SCDMA相當(dāng)。

4.2 部署策略 (如圖4所示）

VoLTE標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)相對比較成熟，但網(wǎng)絡(luò)性能，包括終端支持度還不是很成熟。加上目前還沒有運營商完成部署及商用。建議在初期階段可適當(dāng)作為增值或特殊業(yè)務(wù)推動，在后期技術(shù)成熟，SRVCC，IMS等技術(shù)比較完善后，在整網(wǎng)規(guī)劃，逐步取代CSFB，雙待等方案。

圖4 VoLTE建議部署步驟

5 總結(jié)及建議

VoLTE由于具有性能好、方案簡單和高效低成本等優(yōu)勢，是中國移動在LTE話音解決方案中的目標(biāo)方案，同時，VoLTE要同步引入與GSM網(wǎng)絡(luò)的切換功能（即eSRVCC），以縮短VoLTE與2G切換的時延。應(yīng)持續(xù)推進(jìn)VoLTE的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范、網(wǎng)絡(luò)改造方案、部署實施方案、終端方案等相關(guān)工作。

面對全新的話音服務(wù)體系，VoLTE部署還應(yīng)重點關(guān)注VoLTE業(yè)務(wù)性能評價體系制定，性能驗證與產(chǎn)業(yè)推動，多承載網(wǎng)絡(luò)間的話音業(yè)務(wù)承載策略等關(guān)鍵問題。

[1] IETF RFC 3095, "RObust Header Compression (ROHC)"

[2] 3GPP 26.114, "IMS; Multimedia Telephony; Media handling and interaction"

[3] 3GPP 36.321 "Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Medium Access Control (MAC) protocol specification"

[4] 3GPP 36.322 "Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Link Control (RLC) protocol specification"

Research on the key technology and deployment strategy of VoLTE

XU De-ping, CHENG Ri-tao, ZHANG Xin-cheng
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

This paper introduces the principle and key technologies of VoLTE, then analyses the requirements of planning and design of VoLTE from the coverage planning and capacity planning, the last analyses network deployment on the infuencing factors of VoLTE, and puts forward the deployment strategy.

voice over LTE; semi persistent scheduling; robust header compression; RLC segmentation; TTI bundling

TN929.5

A

1008-5599（2014）02-0075-05

全新Emulex以太網(wǎng)及融合網(wǎng)絡(luò)適配器可大幅優(yōu)化云及虛擬化性能與可擴展性

2014-01-18

1月22日，網(wǎng)絡(luò)連接、監(jiān)控和管理領(lǐng)域的Emulex公司宣布推出面向虛擬化、企業(yè)和云數(shù)據(jù)中心的下一代高性能以太網(wǎng)連接解決方案。OneConnect OCe14000系列10吉比特及40吉比特以太網(wǎng)（10/40GbE）網(wǎng)絡(luò)適配器和融合網(wǎng)絡(luò)適配器（CNA）基于下一代Emulex Engine（XE）100系列I/O控制器，可實現(xiàn)更高的虛擬機（VM）密度，并通過虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)支持安全的混合云。全新解決方案可利用基于RDMA over Converged Ethernet（RoCE）的低延時架構(gòu)交付應(yīng)用加速功能，并提供開放應(yīng)用編程界面來集成下一代軟件定義網(wǎng)絡(luò)解決方案。

Emulex營銷及企業(yè)發(fā)展高級副總裁Shaun Walsh表示：“為滿足企業(yè)、云和電信應(yīng)用需求，我們在一個高度可擴展、可優(yōu)化用于的平臺上量身打造了這一鏈接解決方案。我們提供了一種全新的方式來優(yōu)化新的Web規(guī)模應(yīng)用、虛擬化環(huán)境和軟件定義基礎(chǔ)架構(gòu)的部署，同時助力在3個維度上擴展性能——實現(xiàn)更高的帶寬、更短的延時和更高的IOPS（每秒I/O操作數(shù)）性能，從而輕松應(yīng)對IP流量和全球存儲的爆炸性增長。”