eMTC語音業(yè)務容量規(guī)劃研究

黃 熒，張建國（.中國移動通信集團廣西有限公司，廣西南寧53003；.華信咨詢設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州3004）

0 引言

NB-IoT和eMTC是3GPP在Rel 13引入的2個功能，主要面向廣覆蓋、低功耗、大連接和低成本的應用。NB-IoT在成本、覆蓋、功耗、連接數(shù)等方面做到了極致，但是不支持語音、切換、測量報告等功能，NBIoT適合用在追求更低成本、更廣深覆蓋和長續(xù)航的靜態(tài)場景下。eMTC在覆蓋上弱于NB-IoT，在成本上高于NB-IoT，但是eMTC支持語音、切換等功能，適合用在有語音通話、高帶寬速率以及有移動需求的場景下，如穿戴類設(shè)備。

支持語音業(yè)務是eMTC網(wǎng)絡的主要特征，本文接下來將分析eMTC網(wǎng)絡承載語音業(yè)務的能力。

eMTC既可以使用FDD制式，也可以使用TDD制式，由于FDD制式的產(chǎn)業(yè)鏈更為成熟，且已經(jīng)部署或者預商用的eMTC網(wǎng)絡都是FDD制式，本文的eMTC語音業(yè)務容量規(guī)劃基于FDD制式。

eMTC有2種工作模式，分別是CEModeA和CEModeB，CEModeB支持更高的重傳次數(shù)、更低的調(diào)制方式，適用于更差的無線環(huán)境，但是CEModeB速率較低、時延較大，也不支持SPS、CSI報告等功能，由于語音業(yè)務對時延和速率都有較高的要求，本文的eMTC語音業(yè)務容量規(guī)劃基于CEModeA。

1 AMR語音編碼模型

在3GPP標準中，eMTC承載語音業(yè)務主要使用AMR-NB和AMR-WB 2種編碼方式，AMR-WB的編碼速率最高可達23.85 kbit/s［1］，對網(wǎng)絡速率和UE的處理能力都有較高的要求，eMTC網(wǎng)絡不適合使用AMRWB編碼方式。本文假定eMTC網(wǎng)絡使用AMR-NB編碼，AMR-NB編碼共有8種編碼速率，分別是4.75、5.15、5.9、6.7、7.4、7.95、10.2、12.2 kbit/s［2］。

AMR語音編碼的通話過程由3部分組成，分別是短暫態(tài)（Transient State）、通話期狀態(tài)（Talk Spurt）和靜默期（Silent Period）。短暫態(tài)是指業(yè)務建立初期尚未穩(wěn)定的狀態(tài)，數(shù)據(jù)包的間隔是20 ms。通話期狀態(tài)是指用戶正在通話的狀態(tài)，在該狀態(tài)下每20 ms發(fā)送1個數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包的大小取決于采用的編碼速率。靜默期是指用戶停頓的狀態(tài)，在該狀態(tài)下，間隔160 ms發(fā)送靜音描述符（SID）數(shù)據(jù)包［3］。AMR語音編碼的通話過程如圖1所示。

圖1 AMR語音編碼的通話過程

2 eMTC物理層信道和數(shù)據(jù)傳輸進程

eMTC在設(shè)計上考慮了與LTE兼容，eMTC UE使用LTE原有的PBCH、PSS、SSS。eMTC UE最大只能接收 6個 RB，不能共用 LTE的 PDCCH、PCFICH和PHICH，為了傳輸L1/L2層的控制信息，eMTC引入了MTC物理下行控制信道（MPDCCH——MTC Physical Downlink Control Channel），同時對PDSCH、PUSCH在調(diào)制方式、RB分配等方面進行了限制。

2.1 MPDCCH信道

MPDCCH信道在頻域上使用2、4或6個RB，在時域上使用1個或者多個連續(xù)子幀進行傳輸。

1個MPDCCH信道包含多個連續(xù)的增強型控制信道單元（ECCE），1個ECCE包含4個增強型資源單元組（EREG），1個EREG包含9個RE，1個RB中共有16個 EREG，編號為 0～15，其中 DM-RS（Demodulation Reference Signal）不參與編號［4］。當分配給 MPDCCH的RB數(shù)是2、4、6時，EREG的數(shù)量分別是32、64、96個，對應的ECCE的數(shù)量分別是8、16、24個。

MPDCCH信道的聚合等級，也就是1個MPDCCH使用的ECCE數(shù)可以是2、4、8、16或者24［6］。

聚合等級為2的MPDCCH信道如圖2所示［7］，該MPDCCH包含2個ECCE，編號分別是ECCE 0和ECCE 1，ECCE 0包含4個EREG，EREG的編號分別是0、4、8、12，ECCE 1包含另外4個EREG，EREG的編號分別是1、5、9、13。

圖2 聚合等級為2的MPDCCH信道

組成EREG的9個RE中，并不是所有的RE都用于MPDCCH的傳輸，其中PDCCH使用的RE、CRS使用的RE和CSI-RS使用的RE不能用于MPDCCH的傳輸，假定PDCCH使用2個OFDM符號，CRS配置為2天線端口，不配置CSI-RS，則在1個RB中，PDCCH使用24個RE，CRS使用12個RE，共計使用36個RE，還剩下16×9-36=108個RE，則平均每個EREG有108/16=6.75個RE能用于MPDCCH的傳輸。

2.2 eMTC數(shù)據(jù)傳輸進程

eMTC的下行數(shù)據(jù)傳輸進程如圖3所示，eNodeB通過MPDCCH發(fā)送DCI格式6-1A的調(diào)度消息給eMTC UE，通知UE接收下行數(shù)據(jù)，經(jīng)過1 ms后，eNo-deB通過PDSCH發(fā)送下行數(shù)據(jù)給UE，UE接收PDSCH并解碼出下行數(shù)據(jù)后，經(jīng)過3 ms后，UE通過PUSCH或者PUCCH發(fā)送HARQ信息給eNodeB，通知eNodeB是否正確接收下行數(shù)據(jù)。

eMTC的上行數(shù)據(jù)傳輸進程如圖4所示，eNodeB通過MPDCCH發(fā)送DCI格式6-0A的調(diào)度消息給eMTC UE，通知UE發(fā)送上行數(shù)據(jù)，經(jīng)過3 ms后，UE通過PUSCH發(fā)送上行數(shù)據(jù)給eNodeB，eNodeB接收PUSCH并解碼出上行數(shù)據(jù)后，通過MPDCCH里面的新數(shù)據(jù)指示信息，通知UE重傳上行數(shù)據(jù)或發(fā)送新的上行數(shù)據(jù)。

圖3 eMTC下行數(shù)據(jù)傳輸進程

圖4 eMTC上行數(shù)據(jù)傳輸進程

MPDCCH可以連續(xù)傳輸1、2、4、8、16或32次，采用 QPSK 調(diào)制［12］。

PDSCH和PUSCH可以連續(xù)傳輸1、2、4、8、16或32次［12］，采用QPSK調(diào)制或者16QAM調(diào)制，根據(jù)3GPP TS 36.213協(xié)議［6］，PDSCH/PUSCH的IMCS最大取值為15，ITBS最大取值為14。

PUCCH可以連續(xù)傳輸1、2、4或者8次，采用BPSK調(diào)制或者QPSK調(diào)制［12］。

3 eMTC語音業(yè)務容量規(guī)劃

3.1 eMTC同時承載的語音用戶數(shù)

語音業(yè)務是對稱性業(yè)務，20 ms內(nèi)需要在上行和下行各傳輸1個語音包，根據(jù)圖3和圖4可知，1個語音用戶在下行方向需要使用2個MPDCCH和1個PDSCH，在上行方向需要使用1個PUSCH或使用1個PUSCH+1個PUCCH。

AMR-NB最大編碼速率是12.2 kbit/s，最小編碼速率是4.75 kbit/s，在20 ms內(nèi)，4.75、12.2 kbit/s的編碼速率分別是95和244 bit，AMR封裝負荷是19 bit，采用RoHC技術(shù)，IP頭開銷是32 bit，PDCP頭開銷是8 bit，RLC頭開銷和MAC頭開銷分別是8和16 bit，則4.75、12.2 kbit/s的編碼速率在物理層的總負荷分別是178和327 bit，通過查找 3GPP TS 36.213協(xié)議［6］，與 178最接近的TBS尺寸是208，最少使用1個RB，與327最接近的TBS尺寸是328，最少使用2個RB。也即通過降低AMR的編碼速率，PDSCH只需要1個RB即可完成1個下行語音包的傳輸。

根據(jù)3GPP TS 36.212協(xié)議［5］，可以計算出DCI格式6-0A的最大尺寸是46 bit，DCI格式6-1A的最大尺寸是54 bit，DCI格式6-0A經(jīng)過填充后，大小與6-1A一致，因此，1個MPDCCH的最大尺寸是54 bit。MPDCCH的聚合等級為2時，1個MPDCCH有2個ECCE，共計有2×4×6.75=54個RE，經(jīng)過QPSK調(diào)制后，共有108 bit，信道編碼速率是54/108=0.5，編碼速率小于控制信道允許的最大編碼速率0.75，也即2個ECCE可以完成DCI格式6-0A或者6-1A的傳輸，2個MPDCCH共使用2×2=4個ECCE，對應1個RB。

在下行方向，在20 ms內(nèi)，PDSCH最少使用1個RB，2個MPDCCH最少使用1個RB，1個語音用戶最少使用2個RB，下行共有20×6=120個RB，因此，下行可以同時承載120/2=60個語音用戶。

在上行方向，如果在HARQ信息反饋的時序上有PUSCH，則通過PUSCH反饋HARQ信息，如果沒有PUSCH，則通過PUCCH反饋HARQ信息。如果所有UE的HARQ信息都通過PUSCH反饋，則理論上不用配置PUCCH，帶來的后果就是調(diào)度關(guān)系過于復雜以及部分RB不能被利用，本文假定配置PUCCH。

PUCCH配置為2個RB，通過碼分復用的方式，PUCCH可以承載多個UE的HARQ信息，PUSCH可以分配 6-2=4個 RB，在 20 ms內(nèi)共有 20×4=80個 RB，PUSCH最少只需要1個RB即可完成1個上行語音包的傳輸，因此，上行可以同時承載80/1=80個語音用戶。

根據(jù)上面的分析，eMTC網(wǎng)絡承載語音用戶時，下行容量首先受到限制，eMTC同時承載的語音用戶數(shù)是60個，本文接下來的分析只考慮下行方向的容量。

3.2 eMTC語音業(yè)務容量規(guī)劃

eMTC網(wǎng)絡承載語音業(yè)務時，還要考慮無線環(huán)境、靜默期因子、重傳、系統(tǒng)開銷、忙時話務量等因素。

eMTC承載語音業(yè)務時，下行使用2個RB是最理想的情況，現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境中不可能每個UE都只使用2個RB，因此需要考慮無線環(huán)境對容量的影響。假定用戶是均勻分布的，無線環(huán)境好、中、差的比例分別是40%、40%、20%。無線環(huán)境好時，1個語音用戶的PDSCH使用2個RB，MPDCCH的聚合等級為2，2個MPDCCH使用2×2=4個ECCE，相當于1個RB，共計使用2+1=3個RB；無線環(huán)境中等時，1個語音用戶的PDSCH使用4個RB，MPDCCH的聚合等級為8，2個MPDCCH使用2×8=16個ECCE，相當于4個RB，共計使用4+4=8個RB；無線環(huán)境差時，1個語音用戶的PDSCH使用4個RB，連續(xù)傳輸2次，MPDCCH的聚合等級為8，連續(xù)傳輸2次，2個MPDCCH使用2×8×2=32個ECCE，相當于8個RB，共計使用2×4+8=16個RB?？紤]無線環(huán)境因素后，1個語音用戶在通話期，20 ms內(nèi)平均使用3×40%+8×40%+16×20%=7.6個RB。

由于eMTC的業(yè)務信道是共享的，用戶靜默時，資源將被調(diào)度給其他用戶使用，因此計算用戶數(shù)時需要考慮靜默期這個因素，靜默期因子通常取值為0.4，則激活期（含通話期和短暫態(tài)）因子是0.6?？紤]靜默期因素后，1個語音用戶在20 ms內(nèi)平均使用7.6×（0.6+0.4/8）=4.94個RB。

語音包在物理層出現(xiàn)錯誤時，會多次重傳，隨著重傳次數(shù)的增加，所需的SINR要求降低，但會增加網(wǎng)絡資源消耗，本文假定下行傳輸BLER為10%，最大傳輸次數(shù)為2次，則平均傳輸次數(shù)為1+1×0.1=1.1次?？紤]重傳因素后，1個語音用戶在20 ms內(nèi)平均使用4.94×1.1=5.43個RB。

在20 ms時間內(nèi)，eMTC下行共有120個RB，除承載業(yè)務外，還要承載系統(tǒng)消息、RRC連接的建立和釋放、切換、NAS等信令開銷，假定信令開銷使用20%的RB，則下行共計有120×（1-20%）=96個RB用于業(yè)務。

假定每個語音用戶的忙時話務量為0.02 Erl，則eMTC網(wǎng)絡只承載語音業(yè)務時，可以承載96/5.43/0.02=884個語音用戶。網(wǎng)絡利用率為10%、25%、50%時，單小區(qū)可以承載的語音用戶數(shù)分別是88、221、442個。

4 結(jié)束語

本文給出的eMTC語音容量規(guī)劃，部分參數(shù)是通過假設(shè)的方法得出的，隨著運營商開始大規(guī)模部署eMTC網(wǎng)絡，可以通過收集eMTC語音用戶的忙時話務量、使用的RB數(shù)、重傳次數(shù)、系統(tǒng)開銷等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，再結(jié)合本文給出的eMTC語音容量規(guī)劃方法，可以更有效地指導eMTC網(wǎng)絡的容量規(guī)劃和擴容。