VoLTE關鍵性能指標分析

諾基亞通信科技公司 北京 100028

VoLTE是GSMA所定義的標準LTE語音解決方案，它既需要滿足話音業務的編碼和實時性要求，又需要滿足LTE網絡的承載特性，因此，VoLTE的業務特點、無線調度機制、網絡體系結構、業務承載特性以及整體信令流程都相對比較復雜。只有充分了解其特點以及對應的關鍵指標，才能更好地保證VoLTE業務的質量要求，更好地進行VoLTE系統的維護和優化工作。本文結合理論與實際測試結果，從VoLTE業務和網絡這兩個方面對VoLTE性能指標進行分析和說明，有助于對VoLTE的性能體系建立全面的認識。

1 VoLTE基本業務特性

1.1 VoLTE話音編碼方式

VoLTE系統中，采用AMR(Adaptive Multi-Rate，自適應多碼率)話音編碼方式，以提高話音質量傳送的可靠性，滿足不同無線條件下的性能需求。

窄帶AMR編碼方式(AMR-NB)采用20ms的話音幀，采樣頻率為8KHz，每幀對應160個采樣點。AMRNB支持8種不同的編碼速率，最高為12.2Kb/s，最低為4.75Kb/s。寬帶AMR編碼方式(AMR-WB)仍采用20ms的話音幀，但是其采樣率增加一倍，變為16KHz，每幀對應320個采樣點。AMR-WB支持9種不同的編碼速率，最高速率為23.85Kb/s，最低為6.6Kb/s。各種AMR編碼之間可以靈活轉換，以保證不同網絡負荷下質量和容量之間的均衡。

1.2 VoLTE話音包長度

VoLTE系統中，AMR編碼采用RTP/UDP/IP協議進行承載。話音包經AMR編碼后，由各低層協議封裝并進行發送。

RTP報文由包頭和數據部分組成，其包頭一般為40到60字節，數據部分通常為20到160字節。將RTP包頭進行壓縮后，AMR話音幀長度約為23～165字節。舉例來講，AMR 12.2Kb/s有效載荷為244比特，增加各協議層包頭及填充位，并經RoHC頭壓縮處理后，對應的物理層典型包長度約為41～43字節[1]。而寬帶AMR 23.85Kb/s所對應的物理層典型包長度約為70字節。

不同AMR編碼方式下，數據包大小有所區別，因此，吞吐量也存在差異[2]。即使同一編碼方式下，是否采用RoHC對VoLTE速率也有明顯影響。另外，由于不同數據包大小對MCS和PRB的數目要求也有區別，因此，現網中AMR模式和比例也會影響到PRB利用率和MCS均值。

1.3 VoLTE業務激活模型

VoIP話務模型中，通常包含激活(交談)和靜默2個狀態。VoIP用戶處于靜默狀態和激活(交談)狀態的比例各約占50%。激活期間，每20ms發送一次話音包；靜默期間，每160ms發送一次SID(靜默插入描述)，如圖1所示。

圖1 VoIP話務模型

LTE的最小發送時間(即TTI)為1ms，因此，VoLTE業務中，每20個TTI傳送一個話音數據包。如果數據包的發送和接收在同一個TTI中進行，則其余時間手機都可以進入節電狀態，使用DTX/DRX技術來降低靜默期間的傳送速率，提升系統容量。

DRX/DTX參數需要根據VoLTE特性進行配置，不同的參數配置對終端耗電的影響較大。

2 VoLTE業務層面性能指標

VoLTE業務性能指標主要包括話音質量、MCS與PRB利用率和單向話音時延等幾個方面。其中，話音質量采用MOS(平均意見值)來衡量，MCS與PRB利用率由AMR話音包的大小所決定，單向話音時延則受調度算法和無線環境的影響。下面予以詳細分析。

2.1 平均意見值(MOS)

ITU規定了多種VoIP話音質量評估標準，以便更準確地評估不同網絡狀況下的話音質量。對收聽方的話音質量進行評估并判斷MOS(Mean opinion Score，平均意見值)，是ITU P.800定義的一種話音質量評估方法。MOS取值從1到5，分為5級，數值越大表示話音質量越好。VoIP話音質量受多種因素的影響，如無線環境、編碼方式、丟包、回聲、延遲以及延遲抖動等。

不同AMR編碼方式下，話音數據包有效載荷的長度不同，因此，所提供的話音質量也有區別。舉例來講，采用AMR-WB 23.85Kb/s編碼時，其MOS值平均可以達到3.9，而采用AMR-NB 12.2Kb/s時，MOS均值則只有2.9，如圖 2所示。

圖2 不同AMR模式下的MOS值

下行BLER對MOS也會產生影響，如圖3所示。

圖3 下行BLER與MOS的關系

2.2 MCS與PRB利用率

MAC層調度過程中，TBS大小決定了MCS和PRB的取值。TBS固定時，MCS和PRB相互制約，MCS取值越高，PRB數目越少，反之亦然[3]。不同AMR模式下的物理層數據包大小不同，因此所需的MCS和PRB也有所區別。測試過程中，無線環境的差異會導致AMR的自適應變化，從而會影響PRB和MCS利用率指標。

以AMR12.2Kb/s為例，假定TBS包長度為328比特，則根據表1可知，如果ITBS為10，則對應2個PRB；如果ITBS為7，則對應3個PRB；如果ITBS為4，則對應4個PRB。ITBS越大，意味著MCS取值越高。可見不同無線環境下，平均PRB和MCS有所變化。

表1 PRB與ITBS對應關系

無線條件較差時，為保證話音質量，VoLTE還可以將一個數據包分成多個數據段(即Segment)進行傳送。分段越多，每段所傳送的包長度越小，所產生的包頭開銷越大，從而使得包的總長度有所增加，因此，所需的PRB和MCS也有區別。舉例來講采用1個數據段傳送328比特時，包頭為40比特，包頭開銷為12%，數據包總長度為328比特；采用2個數據段進行傳送時，包頭為80比特，數據包總長度為368比特，每個數據段長度為184比特，包頭開銷為22%；采用4個字段傳送時，包頭長度為160比特，每個數據段長度為112比特，包頭開銷為36%。以ITBS=2為例簡單估算數據包總長度所需的PRB數目，則數據段數目為1時，總共需要8個PRB，2個數據段時需要10個PRB，4個數據段時需要12個PRB。

2.3 單向話音時延

VoIP端到端時延也稱為口到耳(Mouth-to-Ear，M2E)時延。LTE網絡中，VoIP數據包經過編碼和壓縮后進行發送，傳送過程中M2E時延主要包括空中傳播時延、核心網傳輸時延、組包時延以及抖動緩存時延等。單向時延受無線環境影響和系統負荷影響較大，因此，需要針對具體情況進行分析和優化。

對于話音業務來說，可接收的最大口到耳時延大約為250～300ms。假設核心網絡的時延約為100ms，則RLC和MAC層緩存、調度和檢測過程中可以容忍的時延應當小于150～200ms。3GPP所要求的eNodeB與UE之間的空口時延為50ms，在50ms的空口時延范圍內，如果單個VoIP用戶的話音幀發送成功率小于98%，就認為此用戶無法正常使用VoIP業務。

優化和測試過程中需要著重降低和消除時延抖動，以提升單向話音時延指標。

3 VoLTE網絡特性和性能指標

VoLTE業務過程中主要涉及EUTRAN、EPC以及IMS系統。其中，EUTRAN無線系統用于提供無線業務接入，EPC系統用于提供業務承載，IMS(IP多媒體子系統)系統用于實現業務控制功能，它們三者共同完成端到端的LTE語音和視頻通信業務。此外，還需要采用PCC架構實現用戶業務QoS控制以及計費策略的控制等功能。

3.1 VoLTE網絡特性

VoLTE系統中，需要傳送IMS控制消息、話音信息以及數據業務。用戶面話音數據采用RTP/RTCP協議進行承載，控制面消息采用SIP協議經由IMS網絡進行傳送。根據3GPP規定，QCI1適用于對實時性要求較高的GBR類業務(如話音業務)；QCI5專門用于IMS信令，其丟包率要求更嚴格；QCI9則適用于緩存視頻流業務或者基于TCP的各類業務。中國移動集團VoLTE測試過程中，要求建立3個DRB，其中IMS信令(SIP)采用QCI5的缺省承載，語音采用QCI1的專用承載，數據采用QCI9的缺省承載，如圖4所示。

圖4 VoLTE數據無線承載

LTE用戶進行VoLTE業務時，需要經過無線連接建立、EPS附著、IMS注冊、呼叫建立、呼叫保持以及呼叫釋放等過程。各個過程的主要作用如下。

1) LTE網絡附著。UE在LTE系統下附著，并建立數據業務缺省承載(QCI9)。

2) IMS注冊。UE注冊到IMS網絡中，并建立IMS業務缺省承載(QCI5)。

3) 主叫業務。用戶發起主叫業務時，通過SIP消息觸發VoIP進程建立和專用承載(QCI1)建立過程。呼叫完成后，通過SIP消息釋放進程連接和專用承載。

3.2 VoLTE網絡性能指標

呼叫過程中，UE需要建立RRC連接和E-RAB，因此，RRC和E-RAB相關的性能指標是首先需要關注的關鍵指標。另外，考慮到UE的移動性，切換相關的指標也非常重要。LTE核心網關鍵指標則包括UE與EPS之間相關連接的性能信息，決定了是否能夠成功建立VoLTE業務。

VoLTE建立過程中，首先需要保證良好的LTE無線性能指標，如RRC連接建立成功率、E-RAB建立成功率、E-RAB掉線率、EPS附著成功率等。除此之外，VoLTE業務相關的網絡層關鍵指標還包括以下5項。

1) VoLTE PDN連接/激活成功率。VoLTE業務中，UE與IMS以及Internet之間分別建立不同的PDN連接，并采用不同的QCI來進行表示。由于QoS特性不同，對系統應用和用戶感知的影響也有所區別，因此，需要對不同QCI的PDN連接激活成功率分別進行分析。比如，呼叫過程中，VoLTE需要采用QCI=1的專用承載來傳送話音信息，因此VoLTE專用承載是VoLTE業務進行的基礎。

2) IMS初始注冊成功率。附著在LTE網絡中的UE需要發起到IMS的注冊過程，以便接收IMS服務。UE發送SIP Register消息到P-CSCF，完成I-SCSF鑒權以及服務器設定等過程后才能夠注冊成功。如果鑒權失敗，UE就無法注冊到IMS網絡中，從而無法實現后續VoLTE業務。因此，IMS初始注冊成功率決定了UE是否能夠通過IMS建立VoLTE業務。

3) IMS平均進程建立時延和成功率。UE發起SIP Invite到P-CSCF后，如果接收到SIP 180 Ringing消息，就表示主叫業務成功建立。完整的VoIP呼叫包括3段連接，即主叫UE到主叫側VoIP應用服務器的連接，主被叫側VoIP應用服務器之間的連接，以及被叫側VoIP應用服務器到被叫之間的連接。

由于涉及網元和信令流程較多，因此，平均主叫進程建立時延和成功率是VoLTE的關鍵指標。被叫忙或者其他原因建立的失敗都對用戶感知造成很大影響。平均被叫進程建立時延和成功率也是需要重點關注的指標。

4）切換中斷時間和成功率。SRVCC切換過程中，話音中斷時間可以采用RTP包在源小區和目標小區中的中斷時間來衡量。根據3GPP TS22.278的要求[4]，VoLTE業務采用SRVCC方式從EUTRAN切換到UTRAN時，話音中斷時延不能大于300ms。從切換過程看，SRVCC過程中用戶通話中斷主要是由于IMS核心網過程導致的，另外，SRVCC信令過程的復雜性也將影響切換成功率。

實際網絡中，為了滿足語音業務的實時性要求，切換單向時延應小于150ms，而切換成功率應大于95%。

5) 呼叫建立時延。處于空閑狀態的UE發起Service Request時，需要進入到RRC連接狀態，然后通過SIP Invite過程建立VoLTE會話連接。從用戶的角度講, 呼叫建立時延是從主叫方撥號開始到主叫用戶聽到振鈴音的時間。從信令上看，如果假定用戶已經通過RRC連接附著到網絡上，則呼叫建立時延就是從主叫UE發送SIP Invite到主叫接收到SIP 180 Ringing消息或者200 OK(Invite)消息為止。

消息超時、網絡失敗或者鑒權失敗等問題都可能導致呼叫建立失敗。如果UE處于IDLE狀態，則首先需要建立RRC連接，此時RRC建立過程就是呼叫建立的一部分，所以RRC連接以及DRB(QCI1)直接影響VoLTE呼叫建立成功率。通常我們可以假定話音呼叫進行前缺省承載(QCI9)和IMS信令專用承載(QCI5)已經存在，則其建立過程與呼叫建立成功率無關。

4 VoLTE測試結果舉例

中國移動通信集團公司制定的VoLTE KPI指標分類和定義中，主要采用AMR-NB 12.2Kb/s(又稱為標清話音)和AMR-WB 23.85Kb/s(又稱為高清話音)進行測試，并將VoLTE關鍵指標大致分為以下3類[5]。1)資源占用類。主要考慮無線特性相關的指標，如上下行PRB數和MCS、上行終端發射功率、GSM通話時長占比以及呼叫SRVCC切換占比。2)話音質量類。包括MOS及其相關的時延、抖動、速率等指標。時延則包括呼叫建立時延、IP包時延、端到端時延、切換中斷時延及話音掛機時延等方面。3)KPI指標類。主要包括IMS附著成功率、話音接通成功率、切換成功率、尋呼成功率、平均呼叫保持時間、掉話率及里程掉話比等。以下對部分關鍵性能現網測試結果進行舉例分析和說明。

4.1 VoLTE速率

采用RoHC之后，AMR-NB 12.2Kbps和AMR-WB 23.85Kb/s的物理層數據包長度約為328比特和560比特，其對應的速率約為16Kb/s和28Kb/s。不使用RoHC時，速率和帶寬需求則較高。對RoHC啟用與否的情形進行對比測試，結果如圖5所示。

圖5 VoLTE中RoHC啟用與否測試結果舉例

VoLTE屬于上下行對稱業務，以采用RoHC為例，測試結果表明上下行速率大致相似，如圖6所示。

圖6 VoLTE上下行速率測試結果舉例

4.2 話音質量MOS

采用MOS測試盒對某網絡進行拉網路測，結果如圖7所示。可見，在SINR值大于3的時候，標清話音的MOS表現較為平穩，基本都保持在3.2左右，SINR小于3之后，標清MOS值開始出現波動，并呈現下降趨勢。

圖7 VoLTE標清(12.2Kb/s)話音MOS路測結果舉例

4.3 PRB/MCS分析

以高清業務拉網測試結果為例分析對比PRB與MCS之間的關系。

如圖8所示，隨著RSRP的降低，上行PRB數變化趨勢不明顯，基本可穩定在2個左右。上行MCS隨RSRP降低呈下降趨勢，但由于上行干擾較小，其下降趨勢不明顯，RSRP為-115時仍在10以上。

圖8 上行PRB/MCS隨RSRP變化舉例

如圖9所示，在SINR大于10的時候，下行PRB數穩定在4個，SINR小于10后呈上升趨勢。下行MCS隨SINR降低而降低，在SINR=-7時降低到0。

圖9 下行PRB/MCS隨SINR變化舉例

4.4 呼叫建立時延

VoLTE呼叫建立時延與成功率受UE狀態、無線環境、系統負荷以及網絡結構等因素的影響。

采用主叫側Invite到Ringing之間時延作為IMS呼叫時延，則實際測試結果表明，被叫側Invite時延僅為30ms，而主叫側Invite時延則接近1s。考慮RRC建立時間時，需要考慮主被叫UE所處的狀態。主被叫UE都處于RRC空閑模式時，呼叫建立時延接近2s，而對于主被叫都處于RRC連接模式的UE，其VoLTE呼叫建立時延則遠小于1s[5]。

現網中需要考慮各種因素，如終端和核心網絡會影響端到端呼叫建立時延。

5 總結

VoLTE業務性能測試和優化工作中，需要針對VoLTE業務特性和VoLTE網絡特性分別進行分析，這樣才能全面提升VoLTE系統的性能指標。VoLTE業務相關的話音質量(MOS)、調度特性(PRB和MCS關系)以及話音業務的單向時延(M2E時延)等指標直接表征VoLTE的業務質量，而LTE系統中和IMS系統中的一些常規性能指標以及VoLTE相關的性能指標，如注冊成功率、RRC/E-RAB建立成功率、IMS業務建立時延和掉線率等指標都會直接影響業務質量，從而影響客戶感知。只有全面提升VoLTE業務指標和LTE/IMS網絡指標，才能更好地完成VoLTE端到端優化工作。

參考文獻

[1]陳書貞,張旋,王玉鎮,等.LTE關鍵技術與無線性能[M].北京:機械工業出版社(第1版),2012

[2]Voice over LTE (VoLTE) Optimization[EB/OL].[2015-06-10].http://networks.nokia.com/sites/default/files/document/nokia_volte_optimization_white_paper_071114.pdf

[3]3GPP TS36.213 V9.3.0 Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical layer procedures(Release 9)[S]

[4]3GPP TS22.278-8a0 Service requirements for the Evolved Packet System (EPS)(Release 8)[S]

[5]Anehill M,Larsson M,Str?mberg G,et al.Validating voice over LTE End-to-End[EB/OL].[2015-06-10].http://www.ericsson.com/res/thecompany/docs/publications/ericsson_review/2012/er-volte-performance.pdf