VoLTE業(yè)務(wù)調(diào)度策略優(yōu)化及實(shí)踐

于吉濤 賀璟

【摘? 要】

為解決4G VoLTE語音業(yè)務(wù)過程中出現(xiàn)的用戶時(shí)延增大、MOS值下降、體驗(yàn)變差的問題。通過對(duì)SR配置及調(diào)度策略的優(yōu)化、AMC算法優(yōu)化、SPS調(diào)度策略優(yōu)化等，采用理論仿真和實(shí)際測(cè)試相結(jié)合的方法，驗(yàn)證算法優(yōu)化前后對(duì)系統(tǒng)性能及用戶體驗(yàn)的改善效果。本文提出的優(yōu)化策略一方面保證了VoLTE業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)，另一方面兼顧了VoLTE業(yè)務(wù)的空口質(zhì)量，可有效縮短VoLTE業(yè)務(wù)時(shí)延，降低VoLTE業(yè)務(wù)的空口丟包率，增加基站VoLTE容量，最終達(dá)到提升語音質(zhì)量和用戶體驗(yàn)的目的。

【關(guān)鍵詞】VoLTE;語音業(yè)務(wù)質(zhì)量;用戶體驗(yàn);算法優(yōu)化

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.018? ? ? 中圖分類號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1006-1010（2020）04-0085-06

引用格式：于吉濤，賀璟. VoLTE業(yè)務(wù)調(diào)度策略優(yōu)化及實(shí)踐[J]. 移動(dòng)通信， 2020，44（4）： 85-90.

Optimization and Practice of Scheduling Strategy for VoLTE Service

YU Jitao1， HE Jing2

（1. Guanghzhou TAIPU Telecom System Co.， Ltd.， Guangzhou 510630， China;

2. Comba Telecom Technology （Guangzhou） Co.， Ltd.， Guangzhou 510630， China）

[Abstract]

To solve the problems of increased time delay， decreased MOS， and poor user experience during the 4G VoLTE service， the SR configuration and scheduling strategy， AMC algorithm， and SPS scheduling strategy， etc. are optimized. A combination of theory， simulation and actual testing is used to verify the improvement of system performance and user experience with the algorithm optimization. The proposed optimization strategy in this paper guarantees the priority of VoLTE services， and takes into account the air interface quality of VoLTE services， which can effectively reduce the delay of VoLTE service， reduce the air interface packet loss rate of VoLTE service， and increase the VoLTE capacity of base stations， and improve the voice quality and user experience.

[Key words]VoLTE; voice service quality; user experience; algorithm optimization

0? ?引言

VoLTE是基于IP和IMS的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，這與2G/3G時(shí)代基于電路交換網(wǎng)絡(luò)的語音方案有本質(zhì)的不同，VoLTE也明顯優(yōu)于CSFB或SGLTE等其他語音解決方案。對(duì)于用戶來說，最明顯的感知就是呼叫時(shí)延更短、語音/視頻通話質(zhì)量更清晰流暢，這得益于LTE系統(tǒng)扁平化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及自適應(yīng)多速率寬帶AMR-WB編碼方式的引入。從2014年開始，多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的運(yùn)營(yíng)商先后推出了VoLTE商用服務(wù)。

盡管VoLTE具備上述一系列的優(yōu)勢(shì)并在商用網(wǎng)絡(luò)中得到了驗(yàn)證，但隨著近年來4G用戶數(shù)的不斷增加、用戶流量需求的進(jìn)一步提升，4G網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷不斷提高，許多站點(diǎn)出現(xiàn)了“信號(hào)覆蓋很好，用戶駐留后卻無法上網(wǎng)”的情況，同時(shí)4G站點(diǎn)密度的提升，也導(dǎo)致同頻干擾問題明顯。此類站點(diǎn)中的VoLTE體驗(yàn)出現(xiàn)了一定程度的下降，主要表現(xiàn)為通話時(shí)延增加、卡頓次數(shù)增加、MOS值下降等。本文從基站調(diào)度算法優(yōu)化的角度出發(fā)，探討現(xiàn)網(wǎng)中提升語音質(zhì)量的一系列策略。

1? ?調(diào)度策略的優(yōu)化

1.1? 采用動(dòng)態(tài)調(diào)度的VoLTE業(yè)務(wù)

4G系統(tǒng)一般通過QOS對(duì)不同業(yè)務(wù)進(jìn)行區(qū)別化的處理，協(xié)議一共定義了9種服務(wù)等級(jí)（QCI1～QCI9）來標(biāo)記不同的業(yè)務(wù)類型。具體到VoLTE業(yè)務(wù)，QCI1對(duì)應(yīng)語音的專用承載，QCI2對(duì)應(yīng)視頻通話的專用承載，而SIP信令則是通過QCI5的承載傳輸。采用動(dòng)態(tài)調(diào)度時(shí)，對(duì)于高優(yōu)先級(jí)的承載需要優(yōu)先調(diào)度，但需要注意的是，QCI對(duì)應(yīng)的是承載級(jí)別，而不是UE級(jí)別。因此，對(duì)于QCI的優(yōu)先級(jí)調(diào)度控制一般應(yīng)用于下行（因?yàn)閷?duì)于下行數(shù)據(jù)，基站可以很明確地區(qū)分出各邏輯信道的QCI等級(jí)），而對(duì)于UE的上行需求，尤其是上行的SR（調(diào)度請(qǐng)求），基站由于無法獲取到明確的QCI等級(jí)，往往采用和普通業(yè)務(wù)相同的處理方法，在基站負(fù)荷較高或信道環(huán)境較差時(shí)，高優(yōu)先級(jí)的語音業(yè)務(wù)難以得到完全保障。

（1）SR配置及調(diào)度優(yōu)化

UE的正常上行數(shù)據(jù)傳輸過程如圖1所示。

SR是UE進(jìn)行上行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡谝徊?，?dāng)小區(qū)內(nèi)大量UE有上行需求時(shí)，每個(gè)UE會(huì)按照基站配置的SR周期發(fā)送調(diào)度請(qǐng)求。當(dāng)并發(fā)SR較多時(shí)，由于基站單幀調(diào)度能力和RB資源的限制，通常會(huì)按照接收到的每個(gè)UE的SR次數(shù)進(jìn)行排序，對(duì)于SR累計(jì)次數(shù)較多的UE優(yōu)先調(diào)度。這種依據(jù)SR絕對(duì)數(shù)量進(jìn)行排序的方法有可能導(dǎo)致高QCI等級(jí)的用戶（比如VoLTE用戶）的SR請(qǐng)求不能第一時(shí)間得到調(diào)度，增加了VoLTE用戶的上行時(shí)延。因此需要對(duì)SR相關(guān)處理進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化點(diǎn)包括SR周期的動(dòng)態(tài)調(diào)整及SR的分類管理，具體的流程如圖2所示。

如圖2所示，對(duì)激活QCI1的用戶重配置更短的SR周期，并優(yōu)先處理這類用戶的SR，可以使得VoLTE用戶在動(dòng)態(tài)調(diào)度時(shí)，上行的調(diào)度請(qǐng)求得到最短時(shí)間的響應(yīng)，縮短了上行語音包的空口時(shí)延。構(gòu)建如表1所示的場(chǎng)景配置參數(shù)，來計(jì)算執(zhí)行SR配置及調(diào)度優(yōu)化前后，VoLTE用戶的上行空口最大時(shí)延的具體數(shù)值，場(chǎng)景參數(shù)如表1。

根據(jù)以上的業(yè)務(wù)模型，可以計(jì)算出VoLTE用戶和非VoLTE用戶的上行空口最大時(shí)延：

VoLTE_U1_Delay

=（Sr_Tti_Total/Tti_Sch_Num）×VoLTE_Sr_Period

=（Sr_Tti_VoLTE+Sr_Tti_Other）/Tti_Sch_Num×

VoLTE_Sr_Period? ? ? ? （1）

公式（1）中，Sr_Tti_VoLTE表示32個(gè)VoLTE用戶平均每TTI內(nèi)的SR總次數(shù)，Sr_Tti_Other表示160個(gè)非VoLTE用戶平均每TTI內(nèi)SR總次數(shù)，Sr_Tti_Total表示平均每TTI內(nèi)總共需要處理的SR總次數(shù)，Tti_Sch_Num表示單幀最大調(diào)度用戶數(shù)（該模型取值為6），VoLTE_Sr_Period表示VoLTE用戶的SR周期。

1）不執(zhí)行SR優(yōu)化處理，VoLTE用戶和非VoLTE用戶的SR周期都設(shè)置為80 ms，TDD采用Config2時(shí)，每10 ms內(nèi)有2個(gè)上行子幀，可計(jì)算得到：

Sr_Tti_VoLTE=32/（（80/10）×2）=2

Sr_Tti_Other=160/（（80/10）×2）=10

VoLTE_U1_Delay=（Sr_Tti_VoLTE+Sr_Tti_Other）/

6×80=60 ms

在這種情況下，由于非VoLTE用戶的SR請(qǐng)求周期和VoLTE用戶有相同的優(yōu)先級(jí)，其上行最大空口時(shí)延也是160 ms。

2）執(zhí)行SR優(yōu)化處理，將VoLTE用戶的SR周期設(shè)置為20 ms，非VoLTE用戶的SR周期設(shè)置為80 ms，同時(shí)將VoLTE用戶的SR請(qǐng)求放入高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，對(duì)于非VoLTE用戶，基站每收到2次SR請(qǐng)求才轉(zhuǎn)入高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列處理，則可以得到：

Sr_Tti_VoLTE=32/（（20/10）×2）=8

Sr_Tti_Other=160/（（80×2/10）×2）=5

VoLTE_U1_Delay=（Sr_Tti_VoLTE+Sr_Tti_Other）/6×20=43 ms

由上述計(jì)算可知，對(duì)于VoLTE用戶來說，執(zhí)行SR優(yōu)化處理后，最大上行空口時(shí)延減少了：160-43=117 ms。

很顯然，SR優(yōu)化處理策略顯著地降低了VoLTE用戶的時(shí)延。同時(shí)也兼顧了低優(yōu)先級(jí)用戶的調(diào)度需求，不至于因?yàn)椴l(fā)VoLTE用戶數(shù)太多而導(dǎo)致其他用戶的需求長(zhǎng)時(shí)間無法得到響應(yīng)。

（2）上行預(yù)調(diào)度優(yōu)化

區(qū)別于正常的上行傳輸過程，還可以采用預(yù)調(diào)度的方式滿足UE的上行需求。預(yù)調(diào)度，即UE在還未發(fā)送SR時(shí)就提前給UE分配資源，這種方式可以顯著地縮短時(shí)延，但卻占用大量的調(diào)度機(jī)會(huì)。當(dāng)小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)目較多時(shí)，給每個(gè)用戶都進(jìn)行預(yù)調(diào)度是不實(shí)際的，因此，需要針對(duì)QCI1的用戶進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)調(diào)度，如圖3所示。

當(dāng)UE建立QCI1承載后才開啟上行預(yù)調(diào)度，結(jié)合語音業(yè)務(wù)上下行對(duì)稱的，每20 ms一個(gè)語音包的特點(diǎn)，在每次下行數(shù)據(jù)包下發(fā)后，每隔5 ms進(jìn)行一次上行調(diào)度，持續(xù)20 ms。該策略的優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)UE有上行語音包要發(fā)送時(shí)，在發(fā)送SR之前就大概率已經(jīng)收到了基站的調(diào)度命令，節(jié)省了上行請(qǐng)求的時(shí)間;同時(shí)，語音業(yè)務(wù)上下行數(shù)據(jù)包大小通常相同，基站可以根據(jù)每次下發(fā)的下行數(shù)據(jù)包大小得到上行數(shù)據(jù)包大小，因此只需要一次預(yù)調(diào)度就可以滿足UE的上行需求，避免了UE的一個(gè)語音包分片多次發(fā)送帶來的額外時(shí)延。使用UE模擬器對(duì)開啟和關(guān)閉預(yù)調(diào)度功能的基站進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，測(cè)試配置參數(shù)和測(cè)試結(jié)果如表2所示：

預(yù)調(diào)度開啟前后的時(shí)延對(duì)比如圖4所示。由以上的測(cè)試結(jié)果可以看出，在關(guān)閉了預(yù)調(diào)度的情況下，UE的上行傳輸由SR來觸發(fā)，大部分UE的RTP時(shí)延在80 ms～100 ms的范圍內(nèi)，而當(dāng)開啟了基于QCI1的預(yù)調(diào)度開關(guān)后，UE的上行傳輸由預(yù)調(diào)度驅(qū)動(dòng)，RTP時(shí)延下降到了50 ms～70 ms的范圍內(nèi)，時(shí)延縮短的效果比較明顯。

（3）AMC算法優(yōu)化

AMC（Adaptive Modulation and Coding）是無線通信中常見的空口控制算法，通常根據(jù)UE的信道質(zhì)量指示或者統(tǒng)計(jì)的BLER選擇合適的MCS（Modulation and Coding Scheme）。采用該算法時(shí)，通常會(huì)設(shè)置一個(gè)目標(biāo)BLER下限和上限，采用滑動(dòng)窗的方式進(jìn)行BLER的統(tǒng)計(jì)和比較，若某個(gè)UE統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)的BLER大于BLER上限，則進(jìn)行MCS的下調(diào);若BLER小于目標(biāo)BLER下限，則進(jìn)行MCS的上調(diào)。目標(biāo)BLER的下限和上限設(shè)置非常重要，若設(shè)置過大，則會(huì)導(dǎo)致UE空口丟包概率較高，但若設(shè)置太小，則又可能導(dǎo)致MCS被控制在較低范圍，影響吞吐率。因此，對(duì)于不同QCI等級(jí)的業(yè)務(wù)需要區(qū)別對(duì)待，具體的流程如圖5所示：

對(duì)于QCI1的語音業(yè)務(wù)，速率不是主要的需求，因此可以采用更保守的策略，也即更小的BLER門限，更短的BLER統(tǒng)計(jì)周期，這樣最大程度地降低了空口的BLER，可以有效降低語音過程中的丟包率。使用UE模擬器對(duì)設(shè)置不同VoLTE-BLER門限的基站進(jìn)行VoLTE業(yè)務(wù)測(cè)試，并在測(cè)試過程中進(jìn)行同頻加擾，測(cè)試配置參數(shù)和測(cè)試結(jié)果如表3所示：

AMC算法優(yōu)化前后的BLER分布和丟包率分布如圖6和圖7所示。由測(cè)試結(jié)果對(duì)比可知，若VoLTE業(yè)務(wù)采用和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)同樣的目標(biāo)BLER門限和統(tǒng)計(jì)窗口時(shí)，各用戶的平均BLER主要分布在9%～12%的范圍內(nèi)，大部分UE的丟包率都超過2%;而若VoLTE業(yè)務(wù)采用專用的更低的BLER門限和更短的統(tǒng)計(jì)窗口時(shí)，絕大多數(shù)用戶在干擾情況下的丟包率都小于1%，達(dá)到了提升語音體驗(yàn)的目的。

1.2? 采用SPS的VoLTE業(yè)務(wù)

采用SPS的VoLTE用戶，在收到基站激活SPS的命令后，就會(huì)以相同的周期、在相同的資源位置收發(fā)數(shù)據(jù)，因此空口時(shí)延抖動(dòng)通常較小，一般不會(huì)出現(xiàn)采用動(dòng)態(tài)調(diào)度時(shí)上行時(shí)延較大的問題。SPS的周期一般配置為20 ms，SPS分配的資源大小與語音包的大小有關(guān)，以23.85 k典型高清語音業(yè)務(wù)為例，一個(gè)語音包的大小為584 bit（開啟ROHC），代入公式（2）計(jì)算：

RBrequest= （2）

其中，PacketBitSize表示語音包的大小，NRePerRb表示一個(gè)RB上數(shù)據(jù)信道可用的RE數(shù)目（需要去掉參考信號(hào)，控制信道等占用的RE），Efficiency為效率值，表示RB中每個(gè)RE可攜帶的信息比特?cái)?shù)，由SNR-Efficiency映射表獲得。以上行資源分配為例，可以計(jì)算得到單個(gè)VoLTE用戶在60 s時(shí)間內(nèi)需要的RB總數(shù)目，如表4所示：

由表4計(jì)算得到，開啟SPS后，在上行SNR為5的條件下，單個(gè)VoLTE用戶在1 s內(nèi)的總RB需求數(shù)為15 000個(gè)。但在實(shí)際通話過程中，語音包并不總是存在的，當(dāng)用戶進(jìn)入靜默期后，終端實(shí)際上會(huì)變?yōu)橐?60 ms的周期發(fā)送SID（Silence Insertion Descriptor）包。SID包通常都很小，只有144 bit，如果還是按照SPS的20 ms周期和5個(gè)RB進(jìn)行語音包傳輸時(shí)，會(huì)造成RB資源的浪費(fèi)，當(dāng)小區(qū)負(fù)荷較高時(shí)，就可能導(dǎo)致RB資源不足。對(duì)此，可以利用SID包和正常語音包大小的差異，采用動(dòng)態(tài)識(shí)別檢測(cè)SID包的方法，當(dāng)VoLTE用戶進(jìn)入靜默期后，去激活SPS，改為動(dòng)態(tài)調(diào)度;當(dāng)UE重新發(fā)送語音包時(shí)，再次激活SPS，流程如圖8所示。

采用以上策略后，假設(shè)在靜默因子為0.5的情況下，可以計(jì)算出單個(gè)VoLTE用戶在60 s的時(shí)間內(nèi)需要的RB總數(shù)目，如表5所示：

由表5可知，采用基于SID包檢測(cè)的SPS激活及釋放調(diào)度策略后，由于在靜默期只需要給SID包分配較小的資源，且分配周期變長(zhǎng)，單個(gè)VoLTE用戶在60 s內(nèi)的RB總需求數(shù)降到了7 876個(gè)，相當(dāng)于節(jié)省了47%的RB資源。即采用SPS調(diào)度優(yōu)化策略后，小區(qū)內(nèi)容納的總VoLTE用戶數(shù)提升了90%。

2? ?結(jié)束語

本文針對(duì)現(xiàn)網(wǎng)中VoLTE業(yè)務(wù)存在的用戶體驗(yàn)相關(guān)問題，從基站調(diào)度算法優(yōu)化的角度出發(fā)，探討了一系列提升語音業(yè)務(wù)體驗(yàn)的策略，這些策略一方面保證了VoLTE業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)，另一方面兼顧了VoLTE業(yè)務(wù)的空口質(zhì)量，并考慮了資源的利用效率。可有效縮短VoLTE業(yè)務(wù)時(shí)延、降低VoLTE業(yè)務(wù)的空口丟包率、增加基站VoLTE容量，最終達(dá)到提升語音質(zhì)量和用戶體驗(yàn)的目的。

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作者簡(jiǎn)介

于吉濤（orcid.org/0000-0001-8069-8266）：中級(jí)工程師，碩士畢業(yè)于華南理工大學(xué)，現(xiàn)任職于廣州泰普通信系統(tǒng)有限公司，負(fù)責(zé)4G/5G移動(dòng)通信小基站系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究及產(chǎn)品研發(fā)的相關(guān)工作。

賀璟：中級(jí)工程師，碩士畢業(yè)于重慶大學(xué)，現(xiàn)任職于京信通信技術(shù)（廣州）有限公司，負(fù)責(zé)4G/5G移動(dòng)通信小基站系統(tǒng)MAC層關(guān)鍵技術(shù)研究及產(chǎn)品研發(fā)的相關(guān)工作。