TD—LTE室分系統(tǒng)VoLTE容量性能分析

熊煉　彭先武

【摘 要】

研究分析了LTE室分網(wǎng)絡下的VoLTE業(yè)務和數(shù)據(jù)業(yè)務共存的性能，通過對VoLTE關鍵技術的研究和在相關場景下的仿真分析，得出隨著VoLTE用戶數(shù)的線性增加會導致數(shù)據(jù)速率線性下降的結論，可以根據(jù)無線信道環(huán)境合理地規(guī)劃VoLTE容量和覆蓋，對當前的VoLTE業(yè)務大規(guī)模部署有借鑒意義。

【關鍵詞】

VoLTE 半靜態(tài)調度 健壯性報頭壓縮 室內分布系統(tǒng) 吞吐量

1 引言

當前4G數(shù)據(jù)業(yè)務在各運營商收入中占比不斷增大，隨著4G的全面推廣，數(shù)據(jù)業(yè)務占的比重將會超過傳統(tǒng)語音業(yè)務。語音和短信的持續(xù)下滑直接導致運營商凈利潤持續(xù)下跌，同時還面臨著來自OTT互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的通訊軟件諸如微信、Skype的不斷沖擊，為了改變這一現(xiàn)狀并且為用戶提供更優(yōu)質量、更低價格的通話服務，運營商一直在加速VoLTE的商用進程，2015年6月底，上海移動就實現(xiàn)VoLTE業(yè)務全網(wǎng)覆蓋，可以說2016年是VoLTE商用元年。

基于IMS的VoLTE/SRVCC（Single Radio Voice Call Continuity，單一無線語音呼叫連續(xù)性）是4G提供語音服務的終極解決方案。相對于OTT互聯(lián)網(wǎng)運營商基于VoIP技術的APP（微信、Skype等）語音服務，VoLTE比VoIP音質提高40%、省電40%、延時低94%、節(jié)省50%的流量消耗，電話接通時間更短、信號更穩(wěn)定，而且VoLTE支持緊急通信、通話監(jiān)聽等政府管制類業(yè)務，其標準化程度高、互聯(lián)互通性能好。文章接下來將研究VoLTE關鍵技術，并進行相關場景下的仿真分析。

2 VoLTE關鍵技術

VoLTE用到了幾個關鍵技術如AMR-WB編碼方案、ROHC（Robust Header Compression，健壯性報頭壓縮）、SPS（Semi-Persistent scheduling，半靜態(tài)調度）、TTI（Transmission Time Interval，傳輸時間間隔）bundling等來提升業(yè)務的覆蓋和容量。AMR-WB（Adaptive Multi-Rate WideBand，自適應多碼率寬帶語音編碼）是VoLTE沿用的比較成熟的3G技術，TTI bundling是當用戶處在覆蓋較弱的情況下（如小區(qū)邊緣），為獲得較高的上行速率才開啟的，為此本小節(jié)將簡單介紹ROHC和SPS技術。

2.1 ROHC頭壓縮技術

AMR-WB的編碼幀長為20ms，即每個語音包負荷的尺寸為17～60Byte，按照典型的一個語音包占32個字節(jié)來算，若按照IPV4的格式封裝，其報頭尺寸為40個字節(jié)，那么承載掉率只有44%；若按照IPV6封裝，則承載效率更低，只有35%，這大大降低了網(wǎng)絡的業(yè)務容納能力。為此，3GPP采用了ROHC協(xié)議來解決這一問題，利用ROHC最多可以將報頭尺寸壓縮到1個字節(jié)，大幅減少VoLTE語音包尺寸，減少用戶流量消耗，大大提升VoLTE容量。

2.2 半靜態(tài)調度技術

LTE數(shù)據(jù)業(yè)務采用的是動態(tài)調度，動態(tài)調度可以高效靈活的根據(jù)無線信道環(huán)境使用信道資源，對于一些QoS要求不高的高寬帶移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務來說，動態(tài)調度無疑是最好的。

對于VoLTE語音業(yè)務而言，由于VoLTE用戶會長時間、周期性地占用業(yè)務信道資源，且有可能出現(xiàn)大量語音業(yè)務并發(fā)情況，動態(tài)調度機制會消耗大量的調度資源，帶來VoLTE業(yè)務容量瓶頸，而SPS能解決這一問題。SPS是指在通話狀態(tài)的激活期，每個數(shù)據(jù)包的到達周期為20ms，數(shù)據(jù)傳輸過程中，UE通過識別SPS來保存當前的調度信息，并每隔20ms在相同的時頻資源上進行該業(yè)務數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收。使用SPS技術可以有效節(jié)省控制信令開銷，支持更多的用戶，提高系統(tǒng)容量。

3 VoLTE容量計算

限制VoLTE容量的因素主要是業(yè)務信道和控制信道可用資源數(shù)。如果采用SPS技術，那么共享信道受限是影響VoLTE容量的主要因素，而在一些業(yè)務熱點區(qū)域，用戶容量是主要關注問題，特別是本文分析的場景是基于某商場室內分布系統(tǒng)，是采用了SPS和ROHC技術來提升容量的。另外VoLTE業(yè)務是上下行對稱業(yè)務，因此主要是上行容量受限。所以本文主要考慮計算和仿真分析PUSCH信道容量。

業(yè)務信道容量用VoLTE用戶數(shù)表示如下：

NVoLTE （1）

其中，表示上行可用RB數(shù)；NTTI 表示一個語音數(shù)據(jù)包傳送周期內的TTI數(shù)；η表示重傳因子；ηPRACH為PRACH因子；ηTDD為ηTDD因子；表示每個VoLTE呼叫占用RB數(shù)；α為話音激活因子。

根據(jù)現(xiàn)場軟件測試和3GPP相關標準，其各個變量取值如表1所示：

表1 業(yè)務信道容量各個變量取值

變量 本室分場景20M組網(wǎng)、TM3模式、DL：UL=2：2

可用RB數(shù) 100，PUCCH占用

每個VoLTE呼叫占用RB數(shù) MCS>16時，1個VoLTE語音包需要2個PRB

15>MCS>12時，1個VoLTE語音包需要3個PRB

11>MCS>7時，1個VoLTE語音包需要5個PRB

TTI數(shù) 20

重傳因子 10%HARQ

PRACH因子 占用6個RB

TDD因子 上行TDD因子=0.2

話音激活因子 0.65

根據(jù)表1參數(shù)，在不同MCS模式下可以分別計算出23.85kbps速率下VoLTE用戶數(shù)如表2所示：

表2 23.85kbps速率下用戶數(shù)

編碼速率/kbps 傳輸方向 MCS VoLTE用戶數(shù)

23.85 上行 MCS>16 385

15>MCS>1 224

11>MCS>7 148

通過表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，MCS值越高即無線環(huán)境越好，VoLTE用戶數(shù)越多。

4 VoLTE和數(shù)據(jù)業(yè)務性能分析

在引入了VoLTE業(yè)務后，衡量LTE網(wǎng)絡容量指標需要同時結合VoLTE用戶數(shù)和數(shù)據(jù)業(yè)務吞吐量。VoLTE業(yè)務相對于其他數(shù)據(jù)業(yè)務有絕對高的調度優(yōu)先級，其它數(shù)據(jù)業(yè)務之間采用的是比例公平調度方式。系統(tǒng)為每個預定用戶分配的PDCCH資源數(shù)是根據(jù)傳輸模式和資源配置方式進行的，對于PDCCH資源的可用性，分兩種情況來仿真分析：PDCCH容量受限；SPS（即PDCCH不受限）。

對于同一小區(qū)用戶，具體的用戶分布通過同心圓模型獲得近似結果，因此近點、中點、遠點用戶比例為1：3：5。同時，根據(jù)實際場景所測結果可知，MCS主要集中在27、28，根據(jù)表1結果，單小區(qū)總的最大VoLTE用戶數(shù)為385，故近中遠三點VoLTE用戶數(shù)取40、120、200。

根據(jù)參考文獻[2]的公式計算，可以得知在20M組網(wǎng)、TM3模式、DL：UL=2：2、22MIMO雙流、最大MCS組網(wǎng)情況下，最大吞吐量約為145Mbps，實際環(huán)境因MCS為27，所以實測偏小，如圖1所示。

由此可將數(shù)據(jù)業(yè)務用戶吞吐量制成表，近中遠三點的吞吐量和VoLTE用戶數(shù)以及PDCCH受限和SPS關系如表3所示。

從表3可以看出，隨著VoLTE用戶數(shù)的增加，用戶吞吐量逐漸變小，幾乎是呈線性變化的。同時采用SPS技術比PDCCH受限在相同情況下會有吞吐量的提升。

VoLTE用戶對數(shù)據(jù)業(yè)務性能影響主要有兩個方面：

（1）會減少分配給數(shù)據(jù)業(yè)務用戶的資源塊；

（2）降低數(shù)據(jù)業(yè)務用戶的多用戶分集增益。

第一個方面主要是由于VoLTE業(yè)務具有更高的優(yōu)先級，當VoLTE用戶線性增加，其需調度使用更多的RB，而RB有限，留給數(shù)據(jù)業(yè)務用戶的可用RB數(shù)變少，相應的吞吐量呈線性下降，如圖2所示；第二個方面主要是在某種程度上緩和了VoLTE用戶的絕對優(yōu)先級。

當PDCCH信道容量受限時，隨著VoLTE用戶數(shù)增加，還會對數(shù)據(jù)業(yè)務帶來額外的影響。從圖2可以看出，同樣的場景下，SPS比PDCCH受限可以提供更高的吞吐量和VoLTE用戶。

5 結束語

本文研究了在LTE室內覆蓋網(wǎng)絡中VoLTE和數(shù)據(jù)業(yè)務共存時的性能，仿真結果和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)在相同的參數(shù)配置下相差不大，仿真結果表明當VoLTE用戶數(shù)增加時數(shù)據(jù)吞吐量近似成線性下降，VoLTE業(yè)務擁有絕對的調度優(yōu)先級導致數(shù)據(jù)業(yè)務用戶可用的RB數(shù)減少是主要原因。研究本課題對目前正在大規(guī)模部署的VoLTE業(yè)務在容量和覆蓋的規(guī)劃上有一定參考價值，ROHC建議開啟，SPS在信噪比較好且穩(wěn)定的情況下開啟，另外對于一些頻譜資源純凈、信道環(huán)境較好的室分站點，在人流量不是很大的情況下可以開啟TTI bundling來增強VoLTE的上行覆蓋。

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