VoLTE關(guān)鍵性能指標(biāo)分析

諾基亞通信科技公司 北京 100028

VoLTE是GSMA所定義的標(biāo)準(zhǔn)LTE語音解決方案，它既需要滿足話音業(yè)務(wù)的編碼和實(shí)時性要求，又需要滿足LTE網(wǎng)絡(luò)的承載特性，因此，VoLTE的業(yè)務(wù)特點(diǎn)、無線調(diào)度機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)承載特性以及整體信令流程都相對比較復(fù)雜。只有充分了解其特點(diǎn)以及對應(yīng)的關(guān)鍵指標(biāo)，才能更好地保證VoLTE業(yè)務(wù)的質(zhì)量要求，更好地進(jìn)行VoLTE系統(tǒng)的維護(hù)和優(yōu)化工作。本文結(jié)合理論與實(shí)際測試結(jié)果，從VoLTE業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)這兩個方面對VoLTE性能指標(biāo)進(jìn)行分析和說明，有助于對VoLTE的性能體系建立全面的認(rèn)識。

1 VoLTE基本業(yè)務(wù)特性

1.1 VoLTE話音編碼方式

VoLTE系統(tǒng)中，采用AMR(Adaptive Multi-Rate，自適應(yīng)多碼率)話音編碼方式，以提高話音質(zhì)量傳送的可靠性，滿足不同無線條件下的性能需求。

窄帶AMR編碼方式(AMR-NB)采用20ms的話音幀，采樣頻率為8KHz，每幀對應(yīng)160個采樣點(diǎn)。AMRNB支持8種不同的編碼速率，最高為12.2Kb/s，最低為4.75Kb/s。寬帶AMR編碼方式(AMR-WB)仍采用20ms的話音幀，但是其采樣率增加一倍，變?yōu)?6KHz，每幀對應(yīng)320個采樣點(diǎn)。AMR-WB支持9種不同的編碼速率，最高速率為23.85Kb/s，最低為6.6Kb/s。各種AMR編碼之間可以靈活轉(zhuǎn)換，以保證不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷下質(zhì)量和容量之間的均衡。

1.2 VoLTE話音包長度

VoLTE系統(tǒng)中，AMR編碼采用RTP/UDP/IP協(xié)議進(jìn)行承載。話音包經(jīng)AMR編碼后，由各低層協(xié)議封裝并進(jìn)行發(fā)送。

RTP報文由包頭和數(shù)據(jù)部分組成，其包頭一般為40到60字節(jié)，數(shù)據(jù)部分通常為20到160字節(jié)。將RTP包頭進(jìn)行壓縮后，AMR話音幀長度約為23～165字節(jié)。舉例來講，AMR 12.2Kb/s有效載荷為244比特，增加各協(xié)議層包頭及填充位，并經(jīng)RoHC頭壓縮處理后，對應(yīng)的物理層典型包長度約為41～43字節(jié)[1]。而寬帶AMR 23.85Kb/s所對應(yīng)的物理層典型包長度約為70字節(jié)。

不同AMR編碼方式下，數(shù)據(jù)包大小有所區(qū)別，因此，吞吐量也存在差異[2]。即使同一編碼方式下，是否采用RoHC對VoLTE速率也有明顯影響。另外，由于不同數(shù)據(jù)包大小對MCS和PRB的數(shù)目要求也有區(qū)別，因此，現(xiàn)網(wǎng)中AMR模式和比例也會影響到PRB利用率和MCS均值。

1.3 VoLTE業(yè)務(wù)激活模型

VoIP話務(wù)模型中，通常包含激活(交談)和靜默2個狀態(tài)。VoIP用戶處于靜默狀態(tài)和激活(交談)狀態(tài)的比例各約占50%。激活期間，每20ms發(fā)送一次話音包；靜默期間，每160ms發(fā)送一次SID(靜默插入描述)，如圖1所示。

圖1 VoIP話務(wù)模型

LTE的最小發(fā)送時間(即TTI)為1ms，因此，VoLTE業(yè)務(wù)中，每20個TTI傳送一個話音數(shù)據(jù)包。如果數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收在同一個TTI中進(jìn)行，則其余時間手機(jī)都可以進(jìn)入節(jié)電狀態(tài)，使用DTX/DRX技術(shù)來降低靜默期間的傳送速率，提升系統(tǒng)容量。

DRX/DTX參數(shù)需要根據(jù)VoLTE特性進(jìn)行配置，不同的參數(shù)配置對終端耗電的影響較大。

2 VoLTE業(yè)務(wù)層面性能指標(biāo)

VoLTE業(yè)務(wù)性能指標(biāo)主要包括話音質(zhì)量、MCS與PRB利用率和單向話音時延等幾個方面。其中，話音質(zhì)量采用MOS(平均意見值)來衡量，MCS與PRB利用率由AMR話音包的大小所決定，單向話音時延則受調(diào)度算法和無線環(huán)境的影響。下面予以詳細(xì)分析。

2.1 平均意見值(MOS)

ITU規(guī)定了多種VoIP話音質(zhì)量評估標(biāo)準(zhǔn)，以便更準(zhǔn)確地評估不同網(wǎng)絡(luò)狀況下的話音質(zhì)量。對收聽方的話音質(zhì)量進(jìn)行評估并判斷MOS(Mean opinion Score，平均意見值)，是ITU P.800定義的一種話音質(zhì)量評估方法。MOS取值從1到5，分為5級，數(shù)值越大表示話音質(zhì)量越好。VoIP話音質(zhì)量受多種因素的影響，如無線環(huán)境、編碼方式、丟包、回聲、延遲以及延遲抖動等。

不同AMR編碼方式下，話音數(shù)據(jù)包有效載荷的長度不同，因此，所提供的話音質(zhì)量也有區(qū)別。舉例來講，采用AMR-WB 23.85Kb/s編碼時，其MOS值平均可以達(dá)到3.9，而采用AMR-NB 12.2Kb/s時，MOS均值則只有2.9，如圖 2所示。

圖2 不同AMR模式下的MOS值

下行BLER對MOS也會產(chǎn)生影響，如圖3所示。

圖3 下行BLER與MOS的關(guān)系

2.2 MCS與PRB利用率

MAC層調(diào)度過程中，TBS大小決定了MCS和PRB的取值。TBS固定時，MCS和PRB相互制約，MCS取值越高，PRB數(shù)目越少，反之亦然[3]。不同AMR模式下的物理層數(shù)據(jù)包大小不同，因此所需的MCS和PRB也有所區(qū)別。測試過程中，無線環(huán)境的差異會導(dǎo)致AMR的自適應(yīng)變化，從而會影響PRB和MCS利用率指標(biāo)。

以AMR12.2Kb/s為例，假定TBS包長度為328比特，則根據(jù)表1可知，如果ITBS為10，則對應(yīng)2個PRB；如果ITBS為7，則對應(yīng)3個PRB；如果ITBS為4，則對應(yīng)4個PRB。ITBS越大，意味著MCS取值越高?？梢姴煌瑹o線環(huán)境下，平均PRB和MCS有所變化。

表1 PRB與ITBS對應(yīng)關(guān)系

無線條件較差時，為保證話音質(zhì)量，VoLTE還可以將一個數(shù)據(jù)包分成多個數(shù)據(jù)段(即Segment)進(jìn)行傳送。分段越多，每段所傳送的包長度越小，所產(chǎn)生的包頭開銷越大，從而使得包的總長度有所增加，因此，所需的PRB和MCS也有區(qū)別。舉例來講采用1個數(shù)據(jù)段傳送328比特時，包頭為40比特，包頭開銷為12%，數(shù)據(jù)包總長度為328比特；采用2個數(shù)據(jù)段進(jìn)行傳送時，包頭為80比特，數(shù)據(jù)包總長度為368比特，每個數(shù)據(jù)段長度為184比特，包頭開銷為22%；采用4個字段傳送時，包頭長度為160比特，每個數(shù)據(jù)段長度為112比特，包頭開銷為36%。以ITBS=2為例簡單估算數(shù)據(jù)包總長度所需的PRB數(shù)目，則數(shù)據(jù)段數(shù)目為1時，總共需要8個PRB，2個數(shù)據(jù)段時需要10個PRB，4個數(shù)據(jù)段時需要12個PRB。

2.3 單向話音時延

VoIP端到端時延也稱為口到耳(Mouth-to-Ear，M2E)時延。LTE網(wǎng)絡(luò)中，VoIP數(shù)據(jù)包經(jīng)過編碼和壓縮后進(jìn)行發(fā)送，傳送過程中M2E時延主要包括空中傳播時延、核心網(wǎng)傳輸時延、組包時延以及抖動緩存時延等。單向時延受無線環(huán)境影響和系統(tǒng)負(fù)荷影響較大，因此，需要針對具體情況進(jìn)行分析和優(yōu)化。

對于話音業(yè)務(wù)來說，可接收的最大口到耳時延大約為250～300ms。假設(shè)核心網(wǎng)絡(luò)的時延約為100ms，則RLC和MAC層緩存、調(diào)度和檢測過程中可以容忍的時延應(yīng)當(dāng)小于150～200ms。3GPP所要求的eNodeB與UE之間的空口時延為50ms，在50ms的空口時延范圍內(nèi)，如果單個VoIP用戶的話音幀發(fā)送成功率小于98%，就認(rèn)為此用戶無法正常使用VoIP業(yè)務(wù)。

優(yōu)化和測試過程中需要著重降低和消除時延抖動，以提升單向話音時延指標(biāo)。

3 VoLTE網(wǎng)絡(luò)特性和性能指標(biāo)

VoLTE業(yè)務(wù)過程中主要涉及EUTRAN、EPC以及IMS系統(tǒng)。其中，EUTRAN無線系統(tǒng)用于提供無線業(yè)務(wù)接入，EPC系統(tǒng)用于提供業(yè)務(wù)承載，IMS(IP多媒體子系統(tǒng))系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)控制功能，它們?nèi)吖餐瓿啥说蕉说腖TE語音和視頻通信業(yè)務(wù)。此外，還需要采用PCC架構(gòu)實(shí)現(xiàn)用戶業(yè)務(wù)QoS控制以及計費(fèi)策略的控制等功能。

3.1 VoLTE網(wǎng)絡(luò)特性

VoLTE系統(tǒng)中，需要傳送IMS控制消息、話音信息以及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。用戶面話音數(shù)據(jù)采用RTP/RTCP協(xié)議進(jìn)行承載，控制面消息采用SIP協(xié)議經(jīng)由IMS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送。根據(jù)3GPP規(guī)定，QCI1適用于對實(shí)時性要求較高的GBR類業(yè)務(wù)(如話音業(yè)務(wù))；QCI5專門用于IMS信令，其丟包率要求更嚴(yán)格；QCI9則適用于緩存視頻流業(yè)務(wù)或者基于TCP的各類業(yè)務(wù)。中國移動集團(tuán)VoLTE測試過程中，要求建立3個DRB，其中IMS信令(SIP)采用QCI5的缺省承載，語音采用QCI1的專用承載，數(shù)據(jù)采用QCI9的缺省承載，如圖4所示。

圖4 VoLTE數(shù)據(jù)無線承載

LTE用戶進(jìn)行VoLTE業(yè)務(wù)時，需要經(jīng)過無線連接建立、EPS附著、IMS注冊、呼叫建立、呼叫保持以及呼叫釋放等過程。各個過程的主要作用如下。

1) LTE網(wǎng)絡(luò)附著。UE在LTE系統(tǒng)下附著，并建立數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)缺省承載(QCI9)。

2) IMS注冊。UE注冊到IMS網(wǎng)絡(luò)中，并建立IMS業(yè)務(wù)缺省承載(QCI5)。

3) 主叫業(yè)務(wù)。用戶發(fā)起主叫業(yè)務(wù)時，通過SIP消息觸發(fā)VoIP進(jìn)程建立和專用承載(QCI1)建立過程。呼叫完成后，通過SIP消息釋放進(jìn)程連接和專用承載。

3.2 VoLTE網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)

呼叫過程中，UE需要建立RRC連接和E-RAB，因此，RRC和E-RAB相關(guān)的性能指標(biāo)是首先需要關(guān)注的關(guān)鍵指標(biāo)。另外，考慮到UE的移動性，切換相關(guān)的指標(biāo)也非常重要。LTE核心網(wǎng)關(guān)鍵指標(biāo)則包括UE與EPS之間相關(guān)連接的性能信息，決定了是否能夠成功建立VoLTE業(yè)務(wù)。

VoLTE建立過程中，首先需要保證良好的LTE無線性能指標(biāo)，如RRC連接建立成功率、E-RAB建立成功率、E-RAB掉線率、EPS附著成功率等。除此之外，VoLTE業(yè)務(wù)相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)層關(guān)鍵指標(biāo)還包括以下5項(xiàng)。

1) VoLTE PDN連接/激活成功率。VoLTE業(yè)務(wù)中，UE與IMS以及Internet之間分別建立不同的PDN連接，并采用不同的QCI來進(jìn)行表示。由于QoS特性不同，對系統(tǒng)應(yīng)用和用戶感知的影響也有所區(qū)別，因此，需要對不同QCI的PDN連接激活成功率分別進(jìn)行分析。比如，呼叫過程中，VoLTE需要采用QCI=1的專用承載來傳送話音信息，因此VoLTE專用承載是VoLTE業(yè)務(wù)進(jìn)行的基礎(chǔ)。

2) IMS初始注冊成功率。附著在LTE網(wǎng)絡(luò)中的UE需要發(fā)起到IMS的注冊過程，以便接收IMS服務(wù)。UE發(fā)送SIP Register消息到P-CSCF，完成I-SCSF鑒權(quán)以及服務(wù)器設(shè)定等過程后才能夠注冊成功。如果鑒權(quán)失敗，UE就無法注冊到IMS網(wǎng)絡(luò)中，從而無法實(shí)現(xiàn)后續(xù)VoLTE業(yè)務(wù)。因此，IMS初始注冊成功率決定了UE是否能夠通過IMS建立VoLTE業(yè)務(wù)。

3) IMS平均進(jìn)程建立時延和成功率。UE發(fā)起SIP Invite到P-CSCF后，如果接收到SIP 180 Ringing消息，就表示主叫業(yè)務(wù)成功建立。完整的VoIP呼叫包括3段連接，即主叫UE到主叫側(cè)VoIP應(yīng)用服務(wù)器的連接，主被叫側(cè)VoIP應(yīng)用服務(wù)器之間的連接，以及被叫側(cè)VoIP應(yīng)用服務(wù)器到被叫之間的連接。

由于涉及網(wǎng)元和信令流程較多，因此，平均主叫進(jìn)程建立時延和成功率是VoLTE的關(guān)鍵指標(biāo)。被叫忙或者其他原因建立的失敗都對用戶感知造成很大影響。平均被叫進(jìn)程建立時延和成功率也是需要重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)。

4）切換中斷時間和成功率。SRVCC切換過程中，話音中斷時間可以采用RTP包在源小區(qū)和目標(biāo)小區(qū)中的中斷時間來衡量。根據(jù)3GPP TS22.278的要求[4]，VoLTE業(yè)務(wù)采用SRVCC方式從EUTRAN切換到UTRAN時，話音中斷時延不能大于300ms。從切換過程看，SRVCC過程中用戶通話中斷主要是由于IMS核心網(wǎng)過程導(dǎo)致的，另外，SRVCC信令過程的復(fù)雜性也將影響切換成功率。

實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，為了滿足語音業(yè)務(wù)的實(shí)時性要求，切換單向時延應(yīng)小于150ms，而切換成功率應(yīng)大于95%。

5) 呼叫建立時延。處于空閑狀態(tài)的UE發(fā)起Service Request時，需要進(jìn)入到RRC連接狀態(tài)，然后通過SIP Invite過程建立VoLTE會話連接。從用戶的角度講, 呼叫建立時延是從主叫方撥號開始到主叫用戶聽到振鈴音的時間。從信令上看，如果假定用戶已經(jīng)通過RRC連接附著到網(wǎng)絡(luò)上，則呼叫建立時延就是從主叫UE發(fā)送SIP Invite到主叫接收到SIP 180 Ringing消息或者200 OK(Invite)消息為止。

消息超時、網(wǎng)絡(luò)失敗或者鑒權(quán)失敗等問題都可能導(dǎo)致呼叫建立失敗。如果UE處于IDLE狀態(tài)，則首先需要建立RRC連接，此時RRC建立過程就是呼叫建立的一部分，所以RRC連接以及DRB(QCI1)直接影響VoLTE呼叫建立成功率。通常我們可以假定話音呼叫進(jìn)行前缺省承載(QCI9)和IMS信令專用承載(QCI5)已經(jīng)存在，則其建立過程與呼叫建立成功率無關(guān)。

4 VoLTE測試結(jié)果舉例

中國移動通信集團(tuán)公司制定的VoLTE KPI指標(biāo)分類和定義中，主要采用AMR-NB 12.2Kb/s(又稱為標(biāo)清話音)和AMR-WB 23.85Kb/s(又稱為高清話音)進(jìn)行測試，并將VoLTE關(guān)鍵指標(biāo)大致分為以下3類[5]。1)資源占用類。主要考慮無線特性相關(guān)的指標(biāo)，如上下行PRB數(shù)和MCS、上行終端發(fā)射功率、GSM通話時長占比以及呼叫SRVCC切換占比。2)話音質(zhì)量類。包括MOS及其相關(guān)的時延、抖動、速率等指標(biāo)。時延則包括呼叫建立時延、IP包時延、端到端時延、切換中斷時延及話音掛機(jī)時延等方面。3)KPI指標(biāo)類。主要包括IMS附著成功率、話音接通成功率、切換成功率、尋呼成功率、平均呼叫保持時間、掉話率及里程掉話比等。以下對部分關(guān)鍵性能現(xiàn)網(wǎng)測試結(jié)果進(jìn)行舉例分析和說明。

4.1 VoLTE速率

采用RoHC之后，AMR-NB 12.2Kbps和AMR-WB 23.85Kb/s的物理層數(shù)據(jù)包長度約為328比特和560比特，其對應(yīng)的速率約為16Kb/s和28Kb/s。不使用RoHC時，速率和帶寬需求則較高。對RoHC啟用與否的情形進(jìn)行對比測試，結(jié)果如圖5所示。

圖5 VoLTE中RoHC啟用與否測試結(jié)果舉例

VoLTE屬于上下行對稱業(yè)務(wù)，以采用RoHC為例，測試結(jié)果表明上下行速率大致相似，如圖6所示。

圖6 VoLTE上下行速率測試結(jié)果舉例

4.2 話音質(zhì)量MOS

采用MOS測試盒對某網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拉網(wǎng)路測，結(jié)果如圖7所示?？梢?，在SINR值大于3的時候，標(biāo)清話音的MOS表現(xiàn)較為平穩(wěn)，基本都保持在3.2左右，SINR小于3之后，標(biāo)清MOS值開始出現(xiàn)波動，并呈現(xiàn)下降趨勢。

圖7 VoLTE標(biāo)清(12.2Kb/s)話音MOS路測結(jié)果舉例

4.3 PRB/MCS分析

以高清業(yè)務(wù)拉網(wǎng)測試結(jié)果為例分析對比PRB與MCS之間的關(guān)系。

如圖8所示，隨著RSRP的降低，上行PRB數(shù)變化趨勢不明顯，基本可穩(wěn)定在2個左右。上行MCS隨RSRP降低呈下降趨勢，但由于上行干擾較小，其下降趨勢不明顯，RSRP為-115時仍在10以上。

圖8 上行PRB/MCS隨RSRP變化舉例

如圖9所示，在SINR大于10的時候，下行PRB數(shù)穩(wěn)定在4個，SINR小于10后呈上升趨勢。下行MCS隨SINR降低而降低，在SINR=-7時降低到0。

圖9 下行PRB/MCS隨SINR變化舉例

4.4 呼叫建立時延

VoLTE呼叫建立時延與成功率受UE狀態(tài)、無線環(huán)境、系統(tǒng)負(fù)荷以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等因素的影響。

采用主叫側(cè)Invite到Ringing之間時延作為IMS呼叫時延，則實(shí)際測試結(jié)果表明，被叫側(cè)Invite時延僅為30ms，而主叫側(cè)Invite時延則接近1s。考慮RRC建立時間時，需要考慮主被叫UE所處的狀態(tài)。主被叫UE都處于RRC空閑模式時，呼叫建立時延接近2s，而對于主被叫都處于RRC連接模式的UE，其VoLTE呼叫建立時延則遠(yuǎn)小于1s[5]。

現(xiàn)網(wǎng)中需要考慮各種因素，如終端和核心網(wǎng)絡(luò)會影響端到端呼叫建立時延。

5 總結(jié)

VoLTE業(yè)務(wù)性能測試和優(yōu)化工作中，需要針對VoLTE業(yè)務(wù)特性和VoLTE網(wǎng)絡(luò)特性分別進(jìn)行分析，這樣才能全面提升VoLTE系統(tǒng)的性能指標(biāo)。VoLTE業(yè)務(wù)相關(guān)的話音質(zhì)量(MOS)、調(diào)度特性(PRB和MCS關(guān)系)以及話音業(yè)務(wù)的單向時延(M2E時延)等指標(biāo)直接表征VoLTE的業(yè)務(wù)質(zhì)量，而LTE系統(tǒng)中和IMS系統(tǒng)中的一些常規(guī)性能指標(biāo)以及VoLTE相關(guān)的性能指標(biāo)，如注冊成功率、RRC/E-RAB建立成功率、IMS業(yè)務(wù)建立時延和掉線率等指標(biāo)都會直接影響業(yè)務(wù)質(zhì)量，從而影響客戶感知。只有全面提升VoLTE業(yè)務(wù)指標(biāo)和LTE/IMS網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)，才能更好地完成VoLTE端到端優(yōu)化工作。

參考文獻(xiàn)

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