【华信技术文摘】VoLTE能力研究及分析

★摘要：给出密集市区VoLTE的覆盖能力，将其扩展到一般市区、郊区和农村等区域，根据覆盖机制提出在链路恶化区...

VoLTE（Voice Over LTE，LTE语音）[1]是基于IMS(IP Multimedia Subsystem，IP多媒体子系统)的语音业务。由于IMS支持多种接入和丰富的多媒体业务，成为全IP时代的核心网标准架构，VoLTE也得以借助IP数据传输技术，完全承载于4G网络，实现数据与语音在同一网络的统一。与CSFB(Circuit Switched Fallback，电路域回落)[2]不同的是，VoLTE是一种SRVCC（Single Radio Voice Call Continuity，单一无线语音呼叫持续）方案，能够带来更高质量、时延更短的音视频通话效果，因此也成为运营商提升用户体验以及网络频谱利用率的直接手段。

对VoLTE的研究也越来越多，刘娜[3]通过分析VoLTE的关键技术，如ROHC(Robust Header Compression，鲁棒性头压缩)、SPS(Semi-Persistent Scheduling，半静态调度)，给出VoLTE业务数据包的特征，进而提出分析VoLTE能力的相关方法及主要结论。但本文的研究过于笼统，也没有具体的思路与实现。作者本人[4]早在2012年便基于TD-LTE对VoLTE的容量能力作过分析，并给出了量化的结果，但对于上下行差异化的调度结果同样没有分析。杜刚[5]对VoLTE的能力也进行了初步的分析，但结果单一，同样没有具体考虑到信令和控制信道的开销等。汪丁鼎等[6]随后在EPC系统提到了VoLTE，也只是更多地停留在VoLTE流程分析和质量保证上，对其本身的能力只字未提。为此，本文基于VoLTE业务的应用需求，从覆盖、容量两个维度详细展开，阐述其能力，为即将到来的LTE语音应用作好铺垫。

VoLTE作为LTE的语音承载，在分析其覆盖能力时，需要结合LTE的资源分配机制，按照差异化的场景进行总体分析。由于上行链路损耗小于下行链路，因此，出于篇幅限制，本文仅以上行链路为例展开分析。

2.1 密集市区以发送端、接收端，以及过程增益及损耗等几部分进行区分。

对于12.2kpbs的VoLTE业务而言，可能存在的RB(Resource Block，资源块)分配有1、2、4等方式，带来的增益也是差异化的。

先假设LTE系统的发射方式为1*2MIMO，系统参数如下。

VoLTE发射端存在终端发射功率、天线增益及人体损耗等，而在接收端则有接收机的热噪声系数、基站天线增益、馈线损耗等。

此外，在上行链路过程存在的损耗或增益如下：

2.2 其他区域

在其它区域，如一般市区、郊区及农村等，先给出相关参数的差异：

由此，分别得到VoLTE分别在四个场景下的链路预算：

2.3 覆盖增强

为了保证语音业务的质量要求，其FER（Frame Error Rate，误帧率）必须不超过1%。为此，VoLTE采取了增量冗余的HARQ机制[7]。如，初传成功率达到90%，即初始FER为10%，则二次重传为10%*10%=1%。同时，二次或多次重传后可以提升系统的SINR（Signal to InterferenceNoise Ratio，信噪比），进而提高VoLTE的覆盖能力。

此外，在链路恶化时，VoLTE会在RLC层进行分段，以形成更小的MAC PDU，从而在不增加RB配置的情况以更低的MCS（Modulation and Coding Scheme，调制与编码策略）传送语音，具备更强的覆盖能力，代价是需要消耗更多的RLC层和MAC层开销，以及更多的PDCCH调度信令。

3.1 信道开销

影响VoLTE容量能力的因素很多，包括系统带宽、调度算法、基站功率、CP长度、资源分配方式、子载波间隔、上下行时隙及特殊子帧配置、上下行链路开销、MIMO、干扰消除等。本文不一一列举，仅以常规CP长度下的20MHz带宽为例对VoLTE的容量进行分析。

我们知道，LTE系统在上下行链路中均存在一定的开销，并且是不同的。

在计算VoLTE容量时需要将这些开销剔除。

3.2 控制信道容量

VoLTE采取SPS半静态调度，其调度周期为20ms，调度能力与CCE个数及聚合度相关。

SPS调度时，存在“一次分配、多次使用”的特点，不需要在每个TTI（Transmission Time Interval，传输时间间隔）都为终端下发DCI（Downlink Control Information，下行控制信息），减少了对CCE的占用，从而降低对PDCCH的开销。一般来说，SPS调度能力可以根据动态调度能力计算出来：

根据终端距离基站的分布，可设置相应的权值，若C/D表示远距离终端比例，B表示中距离终端比例，A表示近距离终端比例。则最终的调度能力，即VoLTE的控制信道容量计算如下：

CapC-VoLTE=(C/D)*111+B*444+A*888  （1）

比如，远、中、近用户分别是2：3：5，则相应的VoLTE控制信道调度能力为：

50%*888+30%*444+20%*111=599（个）

3.3 业务信道容量

假设VoLTE业务的激活因子为α（静默期用户不消耗RB资源），SPS调度周期TSPS，VoLTE用户在静默期SID（SilenceDescriptor，静默指示符）帧的传输周期为TSID，在静默期与通话期MAC层包的大小分别为PSPS和PACT。则VoLTE业务信道的容量可以计算如下：式中，

NeRB表示每个用户初传平均需要的RB资源块数量；

NRB表示上、下行链路业务信道占用的RB资源块数量。

NeRB可计算如下，

NeRB=x1*N1+x2*N2+x4*N4                 （3）

N1,N2,N4分别表示初传需要的1、2、4个RB数；

x1,x2,x4分别表示1、2、4个RB所占的比例。

假设初传需要占用1个RB的用户占20%，需要占用2和4个RB的用户分别占30%和50%，则每个用户初传平均需要的RB个数NeRB=1*50%+2*40%+4*10%=2.8。

NRB可计算如下：

NRB=TSPS*(1-LHARQ)*(1-LCT)*NTRB      （4）

式中，

LHARQ表示相应链路的重传比例；

LCT表示相应链路存在的信令开销；

NTRB表示相应带宽下的总RB资源块数；

根据上下行链路的重传比例及开销的不同，可以计算出相应的业务信道容量。

1）  上行链路

假设上行链路重传比例为0.25，上行信道开销可由表3.1查询，包括PUSCH、RS、RACH、SRS，以及控制信道开销等，在不同的带宽下，其开销也不同。在20MHz带宽的前提下（下同），上行总体开销值为20.7%+14.3%+1%+1.8%+3.6%=41.4%。

在上下行比例为2：3的情况下，根据式（4）计算出上行业务信道可用的RB资源：NRB=20*(1-0.25)*(1-41.4%)*100*2/5=351（个），将此值代入公式（2），可得上行链路的VoLTE容量数为：

CapU-VoLTE=1/0.5*1/(1+144/328+20/160)*351/2.8=237（个）。

2）  下行链路

类似地，也可计算出下行链路的VoLTE容量。假设下行链路重传比例为0.15，下行信道开销可由表3.2查询，包括PDSCH、RS、SCH、BCH以及控制信道开销等。在20MHz带宽的前提下，下行总体开销值为：18.88%+9.05%+9.5%+0.17%+0.16=37.25%。

在上下行比例为2：3的情况下，根据（4）式计算出下行业务信道可用的RB资源，NRB=20*(1-0.15)*(1-37.25%)*100*3/5*3/5=640（个），将此值代入公式（2），可得下行链路的VoLTE容量数为：

CapD-VoLTE=1/0.5*1/(1+144/328+20/160)*60/2.8=433。

最终的VoLTE容量可计算如下：

CapVoLTE=min(CapC-VoLTE,CapS-VoLTE)=min(CapC-VoLTE,min(CapU-VoLTE,CapD-VoLTE))  （5）

在上述条件下，LTE系统的VoLTE系统容量为：CapVoLTE=min(599,min(237,433)=237。由此也可见，在一般情况下，控制信道不存在资源瓶颈。

本文通过对VoLTE的覆盖及容量能力进行了系统性的研究，并提出了相关覆盖增强的措施。在容量维度分别针对控制信道、上下行业务信道展开相应的容量分析，并提出量化的核算方法，有助于我们在即将到来的VoLTE应用提供参考。但VoLTE容量跟系统带宽、上下行的RB资源配置，以及所处环境导致的链路恶化都有关系，本文也只是以20MHz为例进行描述，在实际扩展使用时需要具体问题具体分析。



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