LTE系統中語音業務空口承載能力分析

陳曉冬，王慶揚，蔡 康

（中國電信股份有限公司廣東研究院 廣州510630）

1 引言

LTE（long term evolution）是 3GPP標準組織所制定的移動通信長期演進標準，第一版標準R8已經在2009年3月完成。LTE在空口下行采用正交頻分多址（OFDMA），上行采用單載波頻分多址（SC-FDMA），并引入多入多出天線（MIMO）、混合自動重傳（HARQ）、自適應調制編碼（AMR）等關鍵技術，從而大大提高頻譜利用率，獲得下行大于100 Mbit/s，上行大于50 Mbit/s的峰值速率。

LTE在核心網中采用純分組域的結構，并在空口針對分組數據包傳輸進行了優化，因此語音業務在LTE網絡中，只能通過VoIP的方式實現。而VoIP是一種高實時性、低速率、高用戶數的突發性業務，這些業務特征對于LTE的空口無線資源管理提出了極大的挑戰，并直接影響LTE系統中VoIP的覆蓋與容量。

本文通過對LTE空口協議的研究，分析LTE中為實現VoIP業務所采用的關鍵技術與流程，從而初步評估LTE空中接口的VoIP承載能力。

2 VoIP空口數據包結構

AMR語音編碼器輸出的語音幀，采用IP方式承載，引入了RTP/UDP/IP的開銷。而在LTE空口，還需要引入PDCP/RLC/MAC等各層開銷，圖1以AMR語音幀為例，說明以上各協議層關系。

使用AMR語音編碼時，語音幀長度為20 ms，語音編碼速率會隨著音源特征的不同而改變語音幀速率。典型的VoIP話務模型如圖2所示。

2.1 AMR語音編碼

AMR是一種廣泛使用在GPRS和WCDMA網絡上的音頻標準。在規范ETSI GSM06.90中對GSM-AMR進行了定義，AMR語音編碼是GSM2+和WCDMA的默認編碼標準。GSM-AMR標準基于ACELP（代數激勵線性預測）編碼，它能在廣泛的傳輸條件下提供高品質的語音效果。

AMR的基本原理是當通信干擾增加時，降低編譯碼速率，能減少干擾，還能實現更多的校錯（error correction）功能。AMR語音編碼器在20 ms內的輸出語音幀速率為4.75～12.2 kbit/s。

2.2 VoIP數據包結構

VoIP采用RTP方式進行傳輸，對于AMR語音業務，RTP凈荷包括CMR、ToC和AMR語音幀3個字段。其中，4 bit的CMR字段描述發送側希望接收到的語音編碼器模式，6 bit的ToC字段主要用于描述攜帶語音幀的類型。圖3給出了從語音編碼器輸出到PDCP（RoHC）之前的數據包過程，其中Padding為了使數據包為byte對齊。

VoIP如果采用IPv4，引入的RTP/UDP/IP數據包頭開銷為40 byte，其中20 byte IP數據包頭，8 byte UDP數據包頭以及12 byte的RTP數據包頭開銷；如果采用IPv6，則引入60 byte的數據包頭開銷，其中IP頭開銷為40 byte。

2.3 LTE空口語音包結構

LTE空中接口協議棧分為用戶面和控制面。其中VoIP數據包需經過用戶面各協議層處理，完成用戶面的頭壓縮、加密、調度、HARQ和ARQ功能。

LTE空中接口用戶面協議棧包括物理層（PHY）、MAC層、RLC層和PDCP層。

LTE的PDCP層采用RoHC對RTP/UDP/IP進行壓縮，壓縮后的典型包頭大小為3 byte。LTE的PDCP層除進行頭壓縮之外，還提供加/解密、底層重置（通常發生在切換）時的按序交付等功能，LTE PDCP頭最小包括兩個字段（共8 bit），即1 bit的D/C字段和PDCP SN字段。前者表明該PDCP PDU是用于控制還是用于數據，而PDCP SN最短為7 bit（用戶平面）[1]。RLC層采用UM模式傳輸語音，其數據包頭中包括2 bit的FI字段、1 bit的Extension字段和5 bit的SN字段[2]。MAC層則包括 2 bit的保留比特（R）、1 bit Extension和5 bit的LCID字段[3]。其整個過程可以用圖4表示。

以AMR12.2 kbit/s語音為例，MAC層輸出數據包大小最小為：244+12+24+8+8+8=304 bit。在實際LTE空口傳輸時，需將MAC層語音包封裝到相應大小的傳輸塊（TB）中。

3 LTE相關技術與流程

VoIP業務與傳統的大流量、非實時數據業務不同，往往呈現高實時性、突發性、多用戶小流量等特征，從而對LTE空口資源分配和管理機制提出了特殊的要求。因此，LTE在空中接口中，通過端到端QoS機制、TTI Bundling、半靜態調度等技術與流程的采用，有效地提高VoIP業務的承載能力。

3.1 QoS機制

QoS是指系統為用戶提供的服務質量，主要通過速率、時延、丟包率等參數得以體現。LTE系統通過端到端的QoS管理以及差異化服務策略來滿足業務的QoS需求。

LTE系統中，業務承載分為GBR和Non GBR兩種類型。其中GBR指有速率保證的業務承載，Non GBR指無速率保證的業務承載。

相應的承載級QoS參數包括QCI（QoS class identifier）、ARP（allocation and retention priority）、GBR、MBR（maximum bit rate）和 AMBR（aggregate maximum bit rate）。

LTE協議所定義的QoS級別與屬性見表1[4]。

表1 QCI屬性

LTE系統中VoIP語音一般采用QCI=1的QoS屬性，以滿足VoIP低時延但對誤包率不敏感的特性。

3.2 TTI Bundling技術

LTE為了滿足低時延的要求，在空口幀結構設計上采用1 ms TTI。但1 ms的TTI設計，可能在上行覆蓋受限的場景中，造成邊緣VoIP用戶無法在單個TTI中傳遞足夠的信元能量，以達到所需的上行鏈路解調門限。

若要實現單個用戶VoIP數據包在多個空口TTI中的傳輸，提高上行鏈路信元能量與信噪比，最簡單的辦法是對VoIP數據包在LTE空口RLC層進行分割，從而實現VoIP數據包的多TTI傳輸的方式。

此方法并沒有引入額外的協議過程，實現簡單，但分割后的每一個子數據包，在調度和傳輸中，都會分配一個獨立的PDCCH和上行HARQ過程，造成大量的控制信道資源以及RLC/MAC頭和HARQ開銷，極大地降低了LTE對VoIP用戶數的支持。

為降低小區邊緣VoIP用戶對于控制信道資源的占用，減小RLC/MAC頭開銷和HARQ開銷，LTE空口協議中提出了TTI綁定的機制（TTI Bundling）。TTI Bundling技術對整個PDCP語音數據包，附加RLC/MAC頭后，通過信道編碼形成不同的冗余版本，不同的冗余版本分別在連續的TTI中傳輸，從而實現與簡單RLC層分割類似的效果。其TTI Bundling過程如圖5所示[5]。

TTI Bundling采用特有的HARQ方式以減小HARQ開銷，對于4 TTI Bundling的情況，4個連續時隙屬于相同的HARQ過程。若在初始傳送時，在時隙0～時隙3進行，則第一次重傳將會在時隙16～時隙19進行。

可見，TTI Bundling技術通過占用更多的傳輸時隙，以獲得更高的上行信元能量和鏈路信噪比，從而改善LTE系統中VoIP用戶的覆蓋能力。同時TTI Bundling技術避免了傳統RLC層分割方式所帶來的控制信道資源瓶頸，以及MAC/RLC頭開銷、HARQ開銷的增大對LTE系統中VoIP容量能力的不利影響。

3.3 半靜態調度技術

LTE系統在空口資源劃分中，分為頻域和時域兩個維度。LTE空口資源多用戶共享，并通過一定的方式在不同用戶內進行調度。LTE的調度模式可以分為3種。

·動態調度：由MAC層實時地、動態地分配時頻資源和允許的傳輸速率，靈活度高，但信令開銷也大。

·半靜態調度：RRC連接建立時就分配時頻資源和允許的傳輸速率，但是通過RRC重配資源是允許的。類似于持續調度，靈活性較差，但控制信令開銷也較小。

·靜態調度：預定義分配是通過OAM配置的方式，將不同QoS業務的資源和速率設置好，但是具體的資源位置等由MAC自己選擇。在實際中此類應用并不常見。

由于VoIP用戶數量往往比較龐大，若采用動態調度的方式，每次TTI都需要相關的控制信息，控制信息的開銷將可能變成限制LTE系統所能夠同時支持的用戶數，成為系統吞吐量的瓶頸。因此，針對VoIP這類數據包大小比較固定，到達時間間隔滿足一定規律的實時性業務，LTE引入了半靜態調度技術。半靜態調度方式是指在LTE的調度傳輸過程中，eNB在初始調度時通過PDCCH指示UE當前的調度信息，UE識別是半靜態調度，則保存當前的調度信息，每隔固定的周期在相同的時頻資源位置上進行該業務數據的發送或接收。

半靜態調度傳輸包括半靜態調度傳輸的激活和半靜態調度傳輸資源的釋放兩個個關鍵步驟。半靜態調度傳輸的激活由用SPS-C-RNTI進行掩碼的PDCCH指示，UE接收到PDCCH指示后，按照其授權信息在固定的頻率資源上周期性地發送或接收信息，激活半靜態調度傳輸；半靜態調度傳輸資源的釋放同樣通過以SPS-C-RNTI掩碼的PDCCH指示，UE接收到PDCCH釋放指示后，釋放半靜態調度資源。UE如果釋放成功，還需要進行ACK/NACK的反饋確認[3]。

使用半靜態調度傳輸，可以充分利用語音數據包周期性到達的特點，有效地節省LTE系統用于調度指示的PDCCH資源，從而可以在不影響通話質量和系統性能的同時，支持更多的語音用戶，并且仍然為動態調度的業務保留一定的控制信息以供使用。

4 LTE空口VoIP承載能力

4.1 VoIP業務覆蓋

結合以上章節中對VoIP空口數據包結構以及LTE相關技術的分析，以下以AMR 12.2 kbit/s和AMR 7.95 kbit/s語音為例，對VoIP上行鏈路預算進行計算，見表2。

可見，在上行鏈路上，控制信道允許的最大鏈路損耗要大于VoIP業務信道允許的最大鏈路損耗，因此上行鏈路預算以VoIP業務信道為準。

但以上計算并沒有考慮HRAQ重傳所帶來的增益，實際上，由于VoIP數據包傳輸時為非連續傳輸，占空比較低，因此在小區邊緣由于誤碼率過高所導致的一定數量的HARQ重傳，不會影響VoIP時延。在20 ms語音幀周期內，采用4 TTI Bundling的VoIP業務，可以允許一次重傳，并在理論上產生3 dB的覆蓋增益。

從LTE鏈路預算結果可以看到，即使采用了各種改進技術，LTE上的VoIP的覆蓋能力仍不理想。要滿足類似電路域語音全網覆蓋的效果，需要引入更多的覆蓋增強技術。

4.2 VoIP業務容量

在LTE系統中，影響空口VoIP用戶容量的因素很多，包括：

·VoIP語音編碼方式的選擇；

·資源調度模式的選擇；

·PDCCH CCE數的設置；

·語音時延預算（delay budget）；

·TTI Bundling技術的采用。

雖然，目前業界對于LTE系統中VoIP業務容量的評估，尚未取得完全共識，其熱點仍處于不同關鍵技術和不同系統配置對VoIP容量影響方面。但隨著LTE標準和關鍵技術的完善，各方面所取得的VoIP仿真結果也漸漸趨于一致。

表2 AMR 12.2 kbit/s和AMR 7.95 kbit/s語音業務的上行鏈路預算

以下將基于3GPP所定義的仿真條件和場景，給出典型的VoIP仿真結果[6]。

（1）3GPP仿真場景定義

3GPP仿真場景定義見表3。

表3 3GPP仿真場景定義

（2）VoIP語音編碼方式

VoIP語音編碼方式的參數值見表4。

表4 VoIP語音編碼方式的參數值

（3）通用仿真參數

通用仿真參數見表5。

表5 通用仿真參數

VoIP容量仿真結果如圖6所示。

從仿真結果可以看出，場景1中VoIP容量數約為300個，略優于傳統3G網絡。場景3相比場景1，VoIP容量并沒有明顯的下降，說明在此場景下，站間距的增大對VoIP的容量影響不大。場景2比較場景1，VoIP容量下降約35%，說明移動速度對VoIP容量影響較為明顯。

5 結束語

LTE空中接口，針對VoIP業務特征引入了一系列的關鍵技術與流程，從而大大提高了LTE空口VoIP業務的承載能力。雖然在語音業務容量性能上，LTE相對傳統3G系統略有提升，但在覆蓋能力上，卻表現出不足，需考慮引入新的覆蓋增強技術以滿足全網覆蓋要求。

1 3GPP TS 36.323.Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA); packet data convergence protocol (PDCP)specification

2 3GPP TS 36.322.Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA);radio link control(RLC)protocol specification

3 3GPP TS 36.321.Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA);medium access control(MAC)protocol specification

4 3GPP TS 23.107.Technical specification group services and system aspects,quality of service(QoS)concept and architecture

5 3GPP TDoc R2-072630.HARQ operation in case of UL power limitation,Ericsson,June 2007

6 Puttonen J,Henttonen T,Kolehmainen N.Voice-over-IP performance in UTRA long term evolution downlink.In:IEEE Vehicular Technology Conference(VTC),Singapore,May 11-14,2008