影響VoLTE容量能力的因素分析及優(yōu)化措施初探

周銳

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影響VoLTE容量能力的因素分析及優(yōu)化措施初探

周銳

（重慶市信息通信咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400041）

VoLTE技術(shù)是一項(xiàng)基于IMS網(wǎng)絡(luò)中的語(yǔ)音業(yè)務(wù)，雖然其技術(shù)所使用的是IP數(shù)據(jù)傳輸，但VoLTE可以通過(guò)高清編解碼技術(shù)來(lái)有效提高語(yǔ)音通話品質(zhì)。在4G語(yǔ)音支持下，可以帶給用戶(hù)更好的用戶(hù)體驗(yàn)?；诖?，針對(duì)影響VoLTE容量能力因素進(jìn)行分析，可以更好地總結(jié)出具體的優(yōu)化措施，為其技術(shù)的穩(wěn)定發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

VoLTE技術(shù)；容量能力；優(yōu)化措施；動(dòng)態(tài)調(diào)度

VoLTE語(yǔ)音技術(shù)是基于IMS系統(tǒng)的一項(xiàng)語(yǔ)音業(yè)務(wù)，通過(guò)其系統(tǒng)支持可以實(shí)現(xiàn)多種接入方式，并能夠有效豐富各項(xiàng)多媒體業(yè)務(wù)。從本質(zhì)上來(lái)分析，VoLTE技術(shù)所使用的IP數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，是依托于4G網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)穩(wěn)定技術(shù)，可以完成數(shù)據(jù)與語(yǔ)音處于同一網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一。VoLTE技術(shù)給用戶(hù)帶來(lái)了高品質(zhì)的音視頻通話質(zhì)量，為用戶(hù)提供了更優(yōu)質(zhì)的用戶(hù)體驗(yàn)。VoLTE與傳統(tǒng)電路域語(yǔ)音業(yè)務(wù)有一定的區(qū)別，想要對(duì)其網(wǎng)絡(luò)容量進(jìn)行優(yōu)化，必須要研究能夠產(chǎn)生影響的各種因素，并通過(guò)預(yù)估VoLTE容量的方式來(lái)對(duì)其網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化。

1 影響VoLTE容量能力的各項(xiàng)因素分析

1.1 業(yè)務(wù)信道對(duì)VoLTE容量形成的影響

對(duì)LTE業(yè)務(wù)信道而言，可以劃分為PUSCH、PDSCH兩種類(lèi)型，即物理層上、下行共享信道。在VaLTE業(yè)務(wù)中的上下行業(yè)務(wù)量，通常會(huì)表現(xiàn)出相對(duì)對(duì)稱(chēng)，其語(yǔ)音數(shù)據(jù)包主要承載于上、下行的RB資源塊中。在這樣的業(yè)務(wù)信道系統(tǒng)中，有可能會(huì)受到上、下行物理共享信道的影響，讓其成為系統(tǒng)容量一個(gè)瓶頸。在VoLTE技術(shù)中的VoIP業(yè)務(wù)，其用戶(hù)容量主要是選擇上行或者下行用戶(hù)容量最小的一項(xiàng)。

1.2 控制信道對(duì)VoLTE容量形成的影響

基于LTE系統(tǒng)存在相應(yīng)的調(diào)度器，其作用是對(duì)相關(guān)資源塊開(kāi)展實(shí)時(shí)調(diào)度。因此，想要讓其系統(tǒng)中的資源得到合理配置與使用，需要在每一次調(diào)試過(guò)程中進(jìn)行調(diào)度信令交互。所以，系統(tǒng)中的PDCCH控制信令會(huì)產(chǎn)生非常大的開(kāi)銷(xiāo)，較大的開(kāi)銷(xiāo)會(huì)導(dǎo)致PDCCH控制信道對(duì)VoLTE系統(tǒng)容量形成影響。

1.3 設(shè)備調(diào)度性能對(duì)VoLTE容量形成的影響

任何網(wǎng)絡(luò)體系都需要設(shè)備給予支持，不同設(shè)備所對(duì)于每TTI的調(diào)度能力是特定的，但可以通過(guò)設(shè)備性能以及調(diào)試策略來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)前許多相關(guān)設(shè)備生產(chǎn)商出產(chǎn)的設(shè)備其調(diào)度能力并不高，所以設(shè)備每TTI的調(diào)度能力則會(huì)成為對(duì)其系統(tǒng)容量產(chǎn)生影響的因素之一。

2 VoLTE容量計(jì)算方式

2.1 針對(duì)業(yè)務(wù)信道容量計(jì)算方式

VoLTE在開(kāi)展業(yè)務(wù)過(guò)程中，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包是基于LTE物理資源塊的。整個(gè)系統(tǒng)需要按照用戶(hù)需求進(jìn)行資源塊調(diào)度，可以更好地將其資源塊分配到不同用戶(hù)群體中。LTE資源塊不僅承載著相關(guān)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，還需要對(duì)公共控制信息進(jìn)行承載。因此，信道容量可以通過(guò)以下方法來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

單業(yè)務(wù)場(chǎng)景下可支持VoLTE用戶(hù)數(shù)量=單個(gè)無(wú)線幀內(nèi)實(shí)際可用資源塊數(shù)量/相關(guān)業(yè)務(wù)占單個(gè)無(wú)線幀中的平均使用資源塊數(shù)量。針對(duì)此計(jì)算方法進(jìn)行分析，其中的單個(gè)無(wú)線幀內(nèi)實(shí)際可用資源塊數(shù)量等于系統(tǒng)中單個(gè)無(wú)線幀總資源塊數(shù)——物理層協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)與業(yè)務(wù)目標(biāo)負(fù)荷的乘積。在此算式中的物理層協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)可以劃分為上、下行兩個(gè)部分。

因此，計(jì)算時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行分別計(jì)算：上行物理層行物=PUCCH開(kāi)銷(xiāo)+PRACH開(kāi)銷(xiāo)+SRS開(kāi)銷(xiāo)，下行物理層行物=PBCH開(kāi)銷(xiāo)+PSS開(kāi)銷(xiāo)+SSS開(kāi)銷(xiāo)+SIB開(kāi)銷(xiāo)。比如，可以以D頻段帶寬20 M為案例，其網(wǎng)絡(luò)上下行時(shí)隙配置是ZU2D，CFI配置是3.同時(shí)，其網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)目標(biāo)負(fù)荷是0.5時(shí)，單個(gè)無(wú)線幀下行實(shí)際可用資源塊數(shù)量可以通過(guò)上式計(jì)算得到270，而其上行資源塊數(shù)量應(yīng)該為1 840.

在不相同的無(wú)線場(chǎng)景以及各類(lèi)型設(shè)備調(diào)度機(jī)制和性能條件下，單業(yè)務(wù)在不同的單個(gè)無(wú)線幀中的資源需求數(shù)量也會(huì)產(chǎn)生差異。因此，需要通過(guò)仿真形式來(lái)進(jìn)行計(jì)算。比如在某個(gè)場(chǎng)景中，利用仿真技術(shù)可以獲取到VoLTE語(yǔ)音業(yè)務(wù)的消耗的平均PRB數(shù)，如表1所示。

表1 基于12.3 kbps速率下的PRB值

速率/kbps天線數(shù)量UL平均PRB值DL平均PRB值 12.382.012 62.057 5

通過(guò)表1 中的相關(guān)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，單個(gè)語(yǔ)音包所分配到的1個(gè)資源塊。當(dāng)VoIP業(yè)務(wù)模型中的語(yǔ)音包以及SID包各占一半時(shí)，則得出單12.2 kbps業(yè)務(wù)在單個(gè)無(wú)線幀中傳輸所占用的資源塊數(shù)量為：

上行：0.5×2.012 6資源塊×（10 ms/20 ms）+0.5×1資源塊×（10 ms/160 ms）=0.534 4資源塊。

下行：0.5×2.057 5資源塊×（10 ms/20 ms）+0.5×1資源塊×（10 ms/160 ms）=0.545 6資源塊。

在此過(guò)程中，如果上行HARQ平均傳輸次數(shù)為1.25，下行HARQ平均傳輸次數(shù)為1.15，同樣可以計(jì)算出上、下行所需求的資源：上行資行資源=0.534 4資源塊×1.25=0.668資源塊，下行資行資源=0.545 6資源塊×1.15=0.627 5資源塊。通過(guò)上述計(jì)算方法，可以得到具體的業(yè)務(wù)信道所支持VoLTE的用戶(hù)數(shù)量，上行支持量為275個(gè)，而下行支持量則為430個(gè)?？傊?，可以根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)配置、設(shè)計(jì)性能有相應(yīng)的環(huán)境等情況，根據(jù)以上方式來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

2.2 針對(duì)設(shè)備調(diào)度性能的容量計(jì)算方式

當(dāng)前不同設(shè)備支持的每TTI調(diào)度數(shù)量均有所限制，其具體的支持程序主要與設(shè)備性能以及調(diào)度策略相關(guān)。從當(dāng)前市場(chǎng)主流設(shè)備來(lái)進(jìn)行分析，所支持用戶(hù)數(shù)量為10～20個(gè)。因此，可以通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)度以及SPS調(diào)度進(jìn)行分析，計(jì)算出具體VoLTE設(shè)備所具有的調(diào)度能力容量。

2.2.1 動(dòng)態(tài)調(diào)度分析

當(dāng)選擇動(dòng)態(tài)調(diào)度時(shí)，如果PDCCH信道沒(méi)有相應(yīng)的限制，其UL/DL UE per TTI能力可以最高達(dá)到20.假如每20 ms發(fā)送1個(gè)語(yǔ)音編碼包，則可以根據(jù)以下公式計(jì)算出相應(yīng)的系統(tǒng)容量：

系統(tǒng)容量=Min[（20 ms內(nèi)ULTTI數(shù)量）×（ULTTI調(diào)度能力），（20ms內(nèi)ULTTI數(shù)量）×（ULTTI調(diào)度能力）]. （1）

當(dāng)帶寬為20 MHz，其上下行時(shí)隙配置為2U2D，UE per TTI調(diào)度能力20，根據(jù)式（1）可以計(jì)算出其系統(tǒng)容量：Min（160=8×20 240=12×20）=160 UE。

在此計(jì)算過(guò)程中，需要考慮語(yǔ)音通話所存在的不連續(xù)特性。如果不存在真實(shí)語(yǔ)音包時(shí)，則會(huì)以舒適噪聲SID包的方式出現(xiàn)，其整個(gè)周期為160 ms。而SID包的實(shí)際調(diào)度時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的有效調(diào)度，并將其應(yīng)用到其他VoLTE用戶(hù)的語(yǔ)音包調(diào)度中。

如果語(yǔ)音中的靜默因子為0.4，則代表在整個(gè)通話中，有6層時(shí)間在說(shuō)話，其等價(jià)系統(tǒng)容量折算系數(shù)為1.4 b，可以根據(jù)上式計(jì)算出系統(tǒng)容量：160×1.4=224 UE。

2.2.2 SPS調(diào)度分析

如果選擇SPS調(diào)度，所有網(wǎng)絡(luò)配置以及相關(guān)業(yè)務(wù)模型與上述相同，則可以通過(guò)擴(kuò)展SPS調(diào)度時(shí)間為40 ms。其設(shè)備的調(diào)度性能所支持的容量則可以計(jì)算得出：224×2=448.

3 VoLTE容量能力優(yōu)化措施

3.1 采用ROHC頭壓縮技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化

應(yīng)用VoLTE技術(shù)可切實(shí)提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系的質(zhì)量，并增強(qiáng)用戶(hù)體驗(yàn)。VoLTE應(yīng)用了許多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，這些關(guān)鍵技術(shù)可以對(duì)其容量的提高起到非常大的影響，比如ROHC技術(shù)和SPS技術(shù)。在針對(duì)ROHC頭壓縮技術(shù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，VoLTE語(yǔ)音業(yè)務(wù)通過(guò)編碼處理來(lái)完成。針對(duì)包含32字節(jié)有效載荷VoIP傳輸分組進(jìn)行分析，如果使用IPv6報(bào)頭會(huì)提高到60字節(jié)，當(dāng)使用IPv4報(bào)頭時(shí)則提高到了40字節(jié)。比率提高了188%和125%，自然會(huì)產(chǎn)生較多的額外開(kāi)銷(xiāo)。所以，如果不對(duì)其信令開(kāi)銷(xiāo)進(jìn)行優(yōu)化，則會(huì)導(dǎo)致無(wú)線資源信令產(chǎn)生非常大的開(kāi)銷(xiāo)。通過(guò)使用ROHC頭壓縮技術(shù)之后，整個(gè)開(kāi)銷(xiāo)量會(huì)減少5字節(jié)左右。此外，再針對(duì)單語(yǔ)音用戶(hù)的空口傳輸速率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，其速率通常會(huì)表現(xiàn)為34 kbps，在使用ROHC頭壓縮之后，可以將其速度降低為20 kbps。簡(jiǎn)單而言，也就是說(shuō)開(kāi)啟ROHC頭壓縮機(jī)制后，提高了信道的利用率和分組數(shù)據(jù)的有效性，進(jìn)而從業(yè)務(wù)信道開(kāi)銷(xiāo)方面提高了系統(tǒng)容量。

3.2 采用SPS半靜態(tài)調(diào)度方式

在以往的LTE系統(tǒng)中，所使用的調(diào)度方式主要是以動(dòng)態(tài)調(diào)度為主。即通過(guò)MAC實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)分配機(jī)制，對(duì)相關(guān)資源以及傳輸速度進(jìn)行分配。在此過(guò)程中，主要是以按需分配的方式進(jìn)行資源分析，不同調(diào)度都需要完成調(diào)度信令交互。這樣的調(diào)度方式會(huì)產(chǎn)生非常大的開(kāi)銷(xiāo)。如何選擇SPS半靜態(tài)調(diào)度方式，則可以在相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，將UE識(shí)別為半靜態(tài)調(diào)度。不僅可以對(duì)調(diào)度信息進(jìn)行保存，還可以在一定固定時(shí)間內(nèi)對(duì)時(shí)頻資源位置上的相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送或接收。選擇半靜態(tài)調(diào)度傳輸方式，還可以利用好數(shù)據(jù)包周性到達(dá)的特征，通過(guò)一次授權(quán)的方式可以在相應(yīng)周期進(jìn)行使用，最終達(dá)到節(jié)省開(kāi)銷(xiāo)的目的。通過(guò)這種優(yōu)化措施，不僅對(duì)通話質(zhì)量不會(huì)產(chǎn)生影響，還可以支持更多的用戶(hù)，進(jìn)一步提升系統(tǒng)容量。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，VoLTE系統(tǒng)所具備的容量能力，主要與網(wǎng)絡(luò)配置、環(huán)境以及設(shè)備性能等相關(guān)。所以，需要根據(jù)不同的配置以及具體的場(chǎng)景進(jìn)行正確計(jì)算，在得出不同影響因素的受限容量之后，設(shè)置最小值進(jìn)行系統(tǒng)容量預(yù)估，從而尋找到有效的優(yōu)化措施，為用戶(hù)提供更優(yōu)質(zhì)的用戶(hù)體驗(yàn)。

［1］望誠(chéng).VoLTE關(guān)鍵技術(shù)與優(yōu)化方法研究［J］.通訊世界，2016（19）：81.

［2］溫慶華，梁金山.淺談VOLTE關(guān)鍵技術(shù)及優(yōu)化思路［J］.通訊世界，2016（5）：54-55.

［3］沈愛(ài)國(guó)，李方偉，朱江.不連續(xù)接收與電壓島結(jié)合的省電方法［J］.電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2012，12（11）：71-74.

2095－6835（2019）05－0074－02

TN929.5

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.05.074

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕