農(nóng)村地區(qū)基于覆蓋最大化的VoLTE參數(shù)優(yōu)化

陸健賢 黃濟(jì)丘 趙旭

【摘? 要】農(nóng)村地區(qū)的覆蓋質(zhì)量是VoLTE商用面臨的關(guān)鍵問題。根據(jù)鏈路預(yù)算，VoLTE與CDMA具有16 dB的覆蓋差距，通過對比RLC分段、TTI Bundling等VoLTE上行覆蓋增強(qiáng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并根據(jù)實(shí)測結(jié)果對比分析各種參數(shù)設(shè)置對用戶感知及覆蓋的影響，提出了實(shí)現(xiàn)農(nóng)村VoLTE覆蓋最大化的RLC分段、TTI Bundling及PDCP丟棄定時(shí)器設(shè)置。實(shí)測表明，優(yōu)化后VoLTE覆蓋僅為CDMA的90%，需進(jìn)一步補(bǔ)點(diǎn)完善覆蓋。

【關(guān)鍵詞】VoLTE;覆蓋增強(qiáng);RLC分段;TTI Bundling;PDCP;丟棄定時(shí)器

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.10.016? ? ? ? 中圖分類號：TN911

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）10-0087-05

引用格式：陸健賢，黃濟(jì)丘，趙旭. 農(nóng)村地區(qū)基于覆蓋最大化的VoLTE參數(shù)優(yōu)化[J]. 移動通信， 2020，44（10）： 87-91.

0? ?引言

VoLTE可提供高清語音及視頻通話，呼叫時(shí)延短，顯著提高了用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)。對于語音業(yè)務(wù)，除了通話清晰外，網(wǎng)絡(luò)還必須滿足普遍覆蓋、高接通率、低掉話率等要求，才能提供高質(zhì)量的服務(wù)。2G網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過多年建設(shè)和優(yōu)化，覆蓋已較為完善，能夠滿足語音業(yè)務(wù)的上述要求。由于LTE空中接口的特點(diǎn)，覆蓋問題已成為VoLTE規(guī)模部署的難點(diǎn)，特別對地廣人稀的農(nóng)村地區(qū)，如何低成本實(shí)現(xiàn)VoLTE覆蓋與2G基本可比是商用能否成功的關(guān)鍵。

1? ?VoLTE與CDMA網(wǎng)絡(luò)上行覆蓋比較

覆蓋能力取決于在確保一定通話質(zhì)量條件下基站與終端之間允許的最大路徑損耗。對上行鏈路，最大路徑損耗與終端最大發(fā)射功率PUE、基站接收靈敏度Sensitivity和基站的底噪抬升IoT關(guān)系如式（1）所示：

根據(jù)現(xiàn)場測試及網(wǎng)管統(tǒng)計(jì)，在農(nóng)村地區(qū)，上述三個(gè)要素取值如表1所示：

VoLTE與CDMA語音業(yè)務(wù)相比，其上行鏈路的最大路徑損耗差值高達(dá)16 dB，若不優(yōu)化VoLTE覆蓋，VoLTE覆蓋將顯著低于CDMA。造成該結(jié)果的原因主要包括以下三個(gè)方面：

（1）接收靈敏度：CDMA終端為連續(xù)發(fā)射，因農(nóng)村無線環(huán)境較好，農(nóng)村基站的接收靈敏度可達(dá)-132 dBm，接近香農(nóng)定理給出的極限。LTE無線資源調(diào)度的粒度為1個(gè)TTI，如無RLC分段、HARQ重傳，基站接收到的時(shí)域功率僅為終端連續(xù)發(fā)射情況下的1/20，造成VoLTE接收靈敏度遠(yuǎn)低于CDMA。

（2）底噪抬升：CDMA采用快速功率控制，將終端發(fā)射功率控制到最低，減少了對基站的底噪抬升。LTE為提高數(shù)據(jù)速率，終端發(fā)射功率較高，在相同的路損下，比CDMA高10 dB至30 dB。雖然LTE上行鏈路采用SC-FDMA避免了同小區(qū)不同用戶的干擾，但高發(fā)射功率將對相鄰小區(qū)產(chǎn)生干擾。CDMA和LTE底噪抬升情況如表2所示，參考CDMA相鄰小區(qū)與本小區(qū)干擾的比值為0.65[2]，可以認(rèn)為LTE相鄰小區(qū)對底噪抬升的貢獻(xiàn)占總底噪抬升值的40%，即2 dB，較CDMA高1.5 dB。

（3）終端最大發(fā)射功率：根據(jù)3GPP2規(guī)范[3]，只要終端最大發(fā)射功率在200 mW至1 W之間即符合規(guī)范要求，而3GPP規(guī)范[4]規(guī)定等級3的終端最大輸出功率必須滿足23±2 dBm。終端最大發(fā)射功率的差異取決于各終端廠家的實(shí)現(xiàn)，對幾款主流終端的實(shí)測結(jié)果表明，CDMA終端的最大發(fā)射功率比LTE略高。

2? ?VoLTE上行覆蓋增強(qiáng)技術(shù)

因LTE和CDMA的終端最大發(fā)射功率、底噪抬升差異較小，為使VoLTE覆蓋盡可能接近CDMA，必須采用覆蓋增強(qiáng)技術(shù)縮小兩者接收靈敏度的差距。除了采用2T4R獲得更高的接收分集增益，目前現(xiàn)網(wǎng)還使用了RoHC、RLC分段、TTI Bundling等VoLTE覆蓋增強(qiáng)技術(shù)：

（1）RoHC：為無線鏈路設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)包頭壓縮機(jī)制，可以將語音報(bào)文的RTP/UDP/IP包頭壓縮為更小的字節(jié)，減少了RLC分段并可采用健壯的MCS確保語音包的正確傳輸。

（2）RLC分段：通過分段將一個(gè)RLC SDU拆分封裝成若干個(gè)小的PDU，減少了每個(gè)TTI傳輸?shù)膬艉纱笮?，使一個(gè)語音包可占用多個(gè)TTI并可采用更健壯的MCS發(fā)送，提高了每凈荷比特的功率，改善了上行邊緣區(qū)域的覆蓋。RLC分段由調(diào)度器根據(jù)無線信道質(zhì)量自動在層2進(jìn)行，因分段產(chǎn)生的每個(gè)RLC PDU均使用單獨(dú)的HARQ進(jìn)程和上行調(diào)度授權(quán)，需占用較多PDCCH和PHICH信道資源。此外，每個(gè)RLC PDU均需要添加RLC/MAC包頭，加大了包頭開銷。

（3）TTI Bundling：在4個(gè)連續(xù)的TTI上傳輸同一RLC PDU的不同冗余版本，4個(gè)捆綁的TTI作為整體采用同一個(gè)HARQ進(jìn)程處理，在提高接收端累積能量的同時(shí)減少了所需的HARQ進(jìn)程數(shù)量。TTI Bundling僅限于上行鏈路[5-6]、PRB數(shù)量不超過3且采用QPSK調(diào)制的條件下應(yīng)用，根據(jù)無線信道質(zhì)量通過RRC消息激活和去激活。TTI Bundling的優(yōu)點(diǎn)是通過減少RLC分段數(shù)量降低包頭及PDCCH、PHICH控制信道的開銷。根據(jù)文獻(xiàn)[7]，若ACK/NACK無差錯傳輸，RLC分段為8 ms與4 ms的TTI Bundling（但不同時(shí)RLC分段）性能相當(dāng)，當(dāng)NACK誤解碼為ACK的概率0.1%的情況下，4 ms的TTI Bundling較RLC分段為8 ms具有2～3 dB的增益。與RLC類似，TTI Bundling激活后也會加大時(shí)延和抖動，未到覆蓋邊緣就過早啟動該功能將導(dǎo)致MOS降低[8]。

3? ?覆蓋增強(qiáng)技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)性能的影響分析

為了研究農(nóng)村區(qū)域VoLTE覆蓋增強(qiáng)技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)性能的影響，在一個(gè)典型的農(nóng)村基站開展了多種參數(shù)設(shè)置的測試。該基站使用CDMA/LTE雙模設(shè)備及同一天饋線，主要覆蓋農(nóng)村及周邊道路。下文中如無特別說明均打開RoHC功能，VoLTE上行覆蓋增強(qiáng)技術(shù)參數(shù)設(shè)置如表3所示，基站工作帶寬為3 MHz、RS功率為27 dBm。

3.1? RoHC及2T4R對覆蓋的提升

從基站近端向遠(yuǎn)端路測，VoLTE業(yè)務(wù)MOS隨路徑損耗變化的測試結(jié)果如圖1所示。如不打開RoHC功能，2T4R的MOS拐點(diǎn)為路徑損耗130 dB處，而打開該功能后拐點(diǎn)延伸至路徑損耗140 dB處。RoHC將上行PDCP平均速率由原來的16.2 kbit/s降低至8.2 kbit/s，顯著提升了VoLTE在小區(qū)邊緣的覆蓋能力。在路徑損耗大于135 dB的覆蓋邊緣區(qū)域，對應(yīng)相同的MOS值，2T4R的最大路徑損耗相對2T2R具有約3～4 dB的增益，與預(yù)期一致。由于2T4R設(shè)備成本增幅有限且農(nóng)村站址安裝條件相對寬松，采用2T4R可顯著改善上行覆蓋。

3.2? TTI Bundling激活的影響

在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)UE處于小區(qū)邊緣時(shí)無線條件惡劣，為提升覆蓋，TTI Bundling一般需與RLC分段結(jié)合。3種不同TTI Bundling及RLC分段設(shè)置的覆蓋測試結(jié)果如圖2所示：

對于覆蓋良好的區(qū)域，3種測試場景的MOS值差異很小。在路徑損耗大于135 dB的邊緣區(qū)域：

（1）打開TTI Bundling功能的情況下，RLC最大分段為4的覆蓋性能優(yōu)于分段為2的設(shè)置。由表4的數(shù)據(jù)，更多的分段降低了BLER和丟包率。對應(yīng)MOS=3的門限值，最大分段為4較分段為2具有約5 dB的覆蓋增益。

（2）關(guān)閉TTI Bundling功能且RLC最大分段為8的覆蓋性能更優(yōu)，比打開TTI Bundling功能具有3～4 dB的增益。

造成上述現(xiàn)象的原因是，TTI Bundling激活后語音端到端時(shí)延增加，導(dǎo)致PDCP丟棄定時(shí)器超時(shí)產(chǎn)生丟包。AMR語音編碼器每20 ms產(chǎn)生一個(gè)語音幀，如UE在20 ms內(nèi)無法完成該語音幀的發(fā)送，將導(dǎo)致語音幀緩存，造成語音傳輸延遲。PDCP層對每個(gè)語音幀生成的SDU都會啟動定時(shí)器計(jì)時(shí)，在緩存嚴(yán)重的情況下，傳輸延遲導(dǎo)致定時(shí)器超時(shí)，SDU就會被丟棄，造成語音幀丟失。簡化的分析如圖3所示，在激活TTI Bundling的情況下，假設(shè)1個(gè)語音幀生成的1個(gè)RLC SDU被拆分封裝為4個(gè)PDU，關(guān)閉TTI Bundling時(shí)拆分封裝為8個(gè)PDU。TTI Bundling發(fā)送1個(gè)RLC PDU需要占用4個(gè)TTI，重傳的時(shí)間間隔為16TTI，而HARQ發(fā)送1個(gè)RLC PDU僅需1個(gè)TTI，重傳的時(shí)間間隔為8個(gè)TTI。

當(dāng)TTI Bundling激活時(shí)，僅當(dāng)RLC PDU1傳輸次數(shù)不大于2且RLC PDU2～4傳輸次數(shù)為1時(shí)才能在20 ms內(nèi)完成1個(gè)RLC SDU傳輸，其概率PTTIB_ON為：

而當(dāng)關(guān)閉TTI Bundling功能時(shí)，只要RLC PDU1～4傳輸次數(shù)不大于3且RLC PDU5～8傳輸次數(shù)不大于2即可在20 ms內(nèi)完成1個(gè)RLC SDU傳輸，其概率PTTIB_OFF為：

根據(jù)表4的BLER，PTTIB_ON為74.3%、PTTIB_OFF為84.6%。雖然TTI Bundling通過4個(gè)TTI連續(xù)發(fā)送產(chǎn)生的增益降低了BLER及HARQ的重傳概率，但TTI Bundling減少重傳降低的時(shí)延并不足以抵消其重傳時(shí)間間隔帶來的開銷，語音包延遲的概率相應(yīng)增加，由于PDCP丟棄定時(shí)器僅為100 ms，定時(shí)器超時(shí)導(dǎo)致更高的語音丟包率。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，還存在發(fā)送SR及重傳、等待上行調(diào)度授權(quán)等時(shí)延，丟包更為嚴(yán)重。

3.3? PDCP丟棄定時(shí)器的影響

根據(jù)文獻(xiàn)[9]，VoLTE端到端時(shí)延的推薦值為150 ms以內(nèi)，最大時(shí)延不超過400 ms，而文獻(xiàn)[10]給出的能夠達(dá)到用戶滿意的最大時(shí)間為280 ms。由于農(nóng)村網(wǎng)絡(luò)性能的主要瓶頸為覆蓋，通過適當(dāng)加大PDCP丟棄定時(shí)器時(shí)長增加SR及HARQ重傳次數(shù)，可降低邊緣區(qū)域的丟包率。

QCI1的PDCP丟棄定時(shí)器延長后的測試結(jié)果如圖4所示。對關(guān)閉TTI Bundling、RLC最大分段為8 ms的設(shè)置，由于HARQ重傳周期較短，延長PDCP丟棄定時(shí)器增益并不明顯。對打開TTI Bundling、RLC最大分段為4 ms的設(shè)置，由于重傳周期較長，定時(shí)器延長后覆蓋能力較100 ms顯著提升。當(dāng)PDCP丟棄定時(shí)器設(shè)置為無窮大，MOS=3對應(yīng)的路徑損耗從100 ms的144 dB提升至150 dB。此時(shí)，語音業(yè)務(wù)從時(shí)延要求嚴(yán)格的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)退化為盡力而為的業(yè)務(wù)，時(shí)延抖動加大造成MOS的波動，對路徑損耗140 dB至145 dB區(qū)域的用戶，雖然打開TTI Bundling較關(guān)閉的MOS降低了0.2至0.5，但MOS維持在3以上。考慮到因覆蓋導(dǎo)致的掉話對感知的影響更為嚴(yán)重，在農(nóng)村覆蓋邊緣區(qū)域，可通過適當(dāng)降低通話質(zhì)量進(jìn)一步提升覆蓋能力。

綜合以上分析，在保障適當(dāng)用戶感知條件下，按照同站址VoLTE覆蓋最大化的原則，VoLTE的最優(yōu)設(shè)置為2T4R+打開RoHC+打開TTI Bundling+RLC最大分段4+PDCP定時(shí)器無窮大。

4? ?優(yōu)化后VoLTE與CDMA覆蓋的對比

對于本次研究的農(nóng)村LTE/CDMA共址基站，優(yōu)化設(shè)置后VoLTE和CDMA語音業(yè)務(wù)覆蓋范圍的測試結(jié)果如表5所示。對比表中多小區(qū)場景通話良好的覆蓋距離，雖然800 MHz VoLTE已采用多種覆蓋增強(qiáng)技術(shù)，但在CDMA原站址部署的VoLTE覆蓋范圍為1445 m、僅為CDMA語音覆蓋距離1 604 m的90%，仍然需要補(bǔ)點(diǎn)彌補(bǔ)VoLTE與CDMA的覆蓋差距。此外，對于MOS=2的門限，CDMA多小區(qū)覆蓋距離為1 604 m，小于單小區(qū)的1 727 m。對應(yīng)上述距離，多小區(qū)場景終端發(fā)射功率的測試值為20.3 dBm，小于單小區(qū)的22.7 dBm，即多小區(qū)場景的上行鏈路并非受限鏈路而是下行鏈路。其原因在于，CDMA導(dǎo)頻、尋呼等公共控制信道約占基站最大發(fā)射功率20%，即使在話務(wù)較低的農(nóng)村上述信道仍需發(fā)射，單小區(qū)并不存在鄰區(qū)干擾，而多小區(qū)的覆蓋邊緣區(qū)域受鄰區(qū)下行干擾較大。由于實(shí)際組網(wǎng)均為多個(gè)小區(qū)構(gòu)成連片覆蓋，與傳統(tǒng)認(rèn)知的語音業(yè)務(wù)是上行覆蓋受限不同，農(nóng)村CDMA下行干擾受限有可能先于上行覆蓋受限出現(xiàn)。因多址方式不同，VoLTE多小區(qū)與單小區(qū)覆蓋差距較小。

5? ?結(jié)束語

影響農(nóng)村地區(qū)用戶感知最重要的因素是網(wǎng)絡(luò)覆蓋。在保證適當(dāng)用戶感知前提下，為發(fā)揮CDMA原站址部署的800 MHz LTE基站的最大覆蓋效益，應(yīng)采用2T4R的基站設(shè)備和天線配置，打開RoHC和TTI Bundling功能、RLC最大分段設(shè)置為4 ms、PDCP丟棄定時(shí)器設(shè)置為無窮大。由于LTE的空口特性，即使采用上述最優(yōu)設(shè)置，VoLTE覆蓋仍低于CDMA語音，還需要通過補(bǔ)點(diǎn)完善VoLTE覆蓋，以支撐VoLTE規(guī)模商用。

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