VoLTE覆蓋與容量分析

杜 剛，熊尚坤，陳曉冬

（中國電信股份有限公司廣州研究院 廣州510630）

1 引言

LTE網絡承載的語音業務與傳統的電路域（circuit switched，CS）語音業務，采用的空口技術有很大區別，本文主要通過理論方式，分析VoLTE（voice over LTE）[1]的覆蓋能力和頻譜效率。

目前在VoLTE方面的研究主要有：

[1]闡述了VoLTE的網絡架構，并給出了VoLTE的容量效率仿真結果；

·參考文獻[2]描述了VoLTE的性能影響因素。

2 影響VoLTE性能的因素

2.1 VoLTE的空口時延限制

參考文獻[3]對電話業務的時延特性進行了要求，達到“用戶滿意”標準的電話業務，端到端時延必須在285 ms以內；根據互聯網網絡現狀，并考慮到現有3GPP標準語音技術特征，扣除核心網時延（70 ms）、語音編碼時延（30 ms）、語音解碼時延（5 ms）后，允許的單邊最大空口時延約為90 ms，如圖1所示。

2.2 增強VoLTE覆蓋能力的技術手段

移動通信系統中，滿足覆蓋目標的CS語音業務，要求誤幀率（FER）小于等于1%，LTE系統空口采用了增量冗余的HARQ機制[4]，一般的系統實現要求HARQ初傳成功率達到90%，即初傳誤塊率（BLER）為10%，為了達到語音質量要求，必須經過一次HARQ重傳，語音誤幀率才能夠小于1%。如果HARQ初傳與第一次重傳是兩個獨立事件，并且每次發送的BLER都是10%，經過初傳與重傳后的FER=10%×10%=1%。

圖1 VoLTE網絡側時延分解

值得注意的是，如果HARQ初傳BLER=10%，并且重傳時MCS不進行改變，由于HARQ的軟合并機制，第二次HARQ發送（初傳后首次重傳）的BLER將遠小于10%，兩次HARQ發送后總體FER<<1%。

VoLTE必須支持ROHC頭壓縮[5]，將RTP/IP的頭開銷壓縮為1～3 byte；對于AMR-WB 12.65 KB寬帶語音[6]，一個20 ms語音分組MAC PDU輸出大約為320 bit。傳送一個語音分組，可以在一個TTI內采用1個SB（schedulling block）進行承載，此時MCS=17，語音分組占用一個RB（以下稱為占用一個PRB）；也可以采用PRB=2/MCS=11，或者PRB=4/MCS=5進行承載。終端上行發送語音數據時，選擇較低的MCS具有較低的解調門限，但造成終端發射功率在多個PRB上均分，因此，更低的MCS配置并不能夠保證覆蓋范圍顯著擴大。

鏈路惡化時，可以將上行語音分組在RLC層進行分段，形成更小的MAC PDU，從而在不增加RB配置的情況下，以更低的MCS傳送語音，因而可以具有更強的覆蓋能力。但是RLC分段后單個語音分組初次發送占用多個TTI，付出的代價是消耗更多的RLC層和MAC層以及PDCCH調度信令開銷。

HARQ重傳也可以增強覆蓋，這種覆蓋加強的理論依據是，在信號較差區域，多次重傳后在信道解碼器入口累積的SINR（signal to interference plus noise ratio）得到提升；在弱覆蓋區域，即使HARQ初傳BLER高于10%，通過多次HARQ重傳仍然可能保證語音質量。

與HARQ對覆蓋增強類似，TTI捆綁[7]機制在4個連續TTI內，將HARQ的4個冗余版本[7]捆綁發送，也能夠增強覆蓋，但是TTI捆綁后，HARQ重傳周期從8 ms增大為16 ms，因此，在一定的空口時延限制下，由于發送的TTI數量增加了一倍，采用TTI捆綁發送方式能夠帶來約3 dB的覆蓋增益。

2.3 RLC分段對增強覆蓋的影響

語音分組以20 ms為周期產生，考慮HARQ重傳，平均每個語音分組最多允許占用20個TTI，分段越多則HARQ過程越多，允許的HARQ重傳次數越少。因此，雖然RLC分段能夠在降低MCS的同時降低SINR解調門限，而增大初傳BLER=10%的覆蓋范圍，但是由于初傳占用的TTI增多，限制了HARQ最大允許重傳次數。

僅考慮TTI占用的約束，如果不采用RLC分段，雖然HARQ初傳BLER=10%的覆蓋范圍較小，但可以進行更多次HARQ重傳來增強覆蓋，可以通過更多次HARQ重傳獲得更大HARQ覆蓋增益（此處沒有考慮空口時延限制）。

在空口時延限制下，HARQ重傳次數不能過大，因此，在一定空口時延限制下，HARQ、TTI捆綁結合RLC分段（分段數仍然要有限制）才能獲得最大的覆蓋增強。

3 VoLTE上行鏈路預算

由于VoLTE的下行覆蓋較上行更強，僅對上行覆蓋進行鏈路預算分析。

表1是密集市區環境的VoLTE鏈路預算參數設置，噪聲系數與基站設備性能相關；干擾余量1.5 dB引用參考文獻[8]取值，反映一定負載時鄰小區終端對本小區的上行干擾。

表1 鏈路預算基本參數設置

表2給出了AMR-WB 12.65 kbit/s寬帶語音，無RLC分段，不同MCS配置時初傳BLER=10%對應的VoLTE最大允許路徑損耗，此路徑損耗范圍屬于上行功控有效區域。

功控有效的覆蓋范圍內，最多兩次TTI占用，即能滿足語音誤幀率要求；多次重傳在接收端進行能量累積帶來的覆蓋增益簡單計算方式為：10 log(TTI最大占用次數/2)；此處為保守分析計算，沒有考慮多次重發帶來的時間分集增益以及Turbo解碼器輸入軟信息累加形成的誤幀率下降。

無線配置為PRB=2/MCS=11時，假定允許TTI捆綁5次HARQ發送（一次初傳+4次重傳），空口時延68 ms，最大允許路徑損耗擴大為115.8+10 log（5×4/2）=125.8 dB。

可以通過低速率語音和4天線接收分集進一步擴大VoLTE覆蓋，獲得與3G語音技術相當的覆蓋能力。

表2 VoLTE鏈路預算結果

4 密集市區VoLTE容量計算

4.1 PRB資源限制的VoLTE容量

經過矯正的某城市密集市區800 MHz頻段傳播損耗式為：

其中，L為傳播損耗；d為距離，單位為km。

假定密集市區站間距500 m，小區半徑為333 m，則傳播損耗為112 dB，每20 ms產生的AMR-WB12.65K語音分組可以在上行PRB=1/MCS=17配置下傳送，考慮BLER=10%時需要的重傳，每個語音分組實際消耗的PRB資源為1.1個。

假定50%語音激活，近似認為語音靜默幀不消耗更多PRB資源，5 MHz載波帶寬，FDD模式，上行扣除PUCCH資源后平均每小區PUSCH可用RB配置20個，50%PRB資源消耗能夠承載的語音連接數為（上行）：

20（RB）×20（TTI）×50%（PRB負載）/50%（語音激活）/1.1(每語音分組資源消耗)=364

因此，PRB資源消耗50%時，VoLTE上行容量大約是364；進一步提升PRB資源消耗比例，可能造成鄰小區干擾抬升，造成每個語音分組的資源消耗增加，因此，提升PRB占用比例未必能夠很大幅度地提升語音容量。

4.2 PDCCH資源限制的VoLTE容量

基站的調度能力從信令面決定了VoLTE容量，以下分析基于PDCCH動態調度方式。5 MHz帶寬的LTE網絡，可用CCE[4]大約為20個，每個調度消耗CCE的多少受鏈路質量影響；密集市區環境，每次調度的平均CCE消耗實測值大約為2.5個，即5 MHz帶寬，每個TTI可以同時提供8個調度，由上、下行共享，考慮下行鏈路覆蓋較強，可以將下行兩個20 ms語音分組打包發送，以40 ms為周期調度；上行語音分組仍然每20 ms調度一次；并且，下行重傳的發送采用非同步機制因而需要新的調度命令，而上行HARQ重傳采用同步機制不必需要新的調度命令，下行、上行每個調度語音分組消耗的調度命令分別為1.1和1個；40 ms內，每個語音連接，下行將消耗1.1個調度，上行消耗2個調度，5 MHz帶寬，PDCCH可以容納的VoLTE用戶數約為：

40（ms）×20（CCE）/2.5（每調度CCE消耗）/（1.1+2）/0.5（語音激活）=206

5 結束語

本文從多個角度對VoLTE進行了分析，并認為VoLTE具有與3G語音技術相當的覆蓋能力。

容量分析方面，需要注意的是，第4.1節和第4.2節對800 MHz頻段密集市區環境的VoLTE容量，從物理資源消耗及信令容量兩個維度進行分析，實際的VoLTE容量還需考慮鄰小區干擾，鄰小區干擾抬升不僅與用戶數相關，也與設備廠商的具體實現相關，本文假定經過良好的規劃和良好的RB資源調度及分配，能夠將鄰小區干擾造成的平均IoT抬升控制在1.5 dB，基于此種假設對VoLTE容量進行了理論推導，并且認為在密集市區環境800 MHz頻段，5 MHz帶寬，采用動態調度時，每小區可以提供200個以上語音連接，此時語音容量受限因素為PDCCH調度信令。

VoLTE的容量效率與頻段、站間距、環境特征等因素相關，各種場景下的容量效率存在差異，需具體情況具體分析。

LTE網絡已經在全球規模部署，從維護便利性角度以及網絡演進的角度分析，VoLTE的普遍商用并且3G語音和3G網絡最終走向萎縮繼而退出歷史舞臺只是時間問題。隨著ICIC[4]、干擾消除等技術的進一步成熟，VoLTE的技術優勢將更加明顯，需要通信從業者對該技術足夠重視。

參考文獻

1 Poikselk M,Holma H,Hongisto J,et al.Voice over LTE(VoLTE).John Wiley & Sons Ltd,2012

2 陳書貞，張旋，王玉鎮等.LTE關鍵技術與無線性能.北京：機械工業出版社，2010

3 ITU-T Recommendation G.114.One-way Transmission Time,2000

4 堵久輝，謬慶育.4G移動通信技術權威指南LTE與LTEAdvanced.北京：人民郵電出版社，2012

5 GSMA IR.92 V4.0.IMS Profile for Voice and SMS,2011

6 3GPP TS 26.190 V10.0.0.Adaptive Multi-Rate-Wideband(AMRWB)Speech Codec，2009

7 3GPP TS 36.321 V10.0.0.Medium Access Control(MAC)Protocol Specification

8 Sesia S，Toufik I,Baker M.LTE-the UMTS Long Term Evolution from Theory to Practice,Second Edition.John Wiley &Sons Ltd,2011