淺談VOLTE關鍵技術及發展趨勢

廈門縱橫集團建設開發有限公司 黃風彬

淺談VOLTE關鍵技術及發展趨勢

廈門縱橫集團建設開發有限公司 黃風彬

隨著LTE網絡的不斷發展和廣泛應用，僅僅提供分組域業務的這個特性已經遠遠不能滿足人們的需求了，所以想要使LTE網絡基礎上提供傳統的語音業務就成為了學者們新的研究問題和研究方向。本文就這種現實情況下，主要闡述了VOLTE相關的關鍵技術，并對其優化技術開展充分討論。

VOLTE關鍵技術；發展趨勢；無線網絡

網絡建設工作隨著人們生產生活的需要，逐漸增多，尤其是LTE網絡的建設有更加突出的表現。VOLTE以高質量與低延時的優點，為LTE的語音提供更有利的技術基礎，為提升通信的語音質量做出了積極意義。

1.分析VOLTE基本概念

1.1 VOLTE技術背景

目前業界對LTE語音的解決方案有三種，分別是VOLTE、CSFB、SGLTE， VOLTE與CSFB是3GPP標準化方案，SGLTE為終端實現方案，其中VOLTE是移動4G語音解決方案的終極方案；SGLTE不需要對網絡進行改動，VOLTE與CSFB均需對網絡進行改造。

VOLTE最直接簡單的理解就是VOIP，只是網絡的承載體由互聯網變成了LTE，同時在LTE的業務中給了一個高優先級保證QOS。

VOLTE是GSMA IR 92定義的標準LTE語音解決方案，最大的網絡改動就是引入IMS網絡，由IMS配合LTE和EPC網絡實現端到端的基于分組域的語音、視頻通信業務。通過IMS系統的控制，VOLTE解決方案可以提供和電路域性能相當的語音業務及其補充業務，包括號碼顯示、呼叫轉移、呼叫等待、會議電話等。

1.2 VOLTE技術特點

VOLTE開啟了向移動寬帶語音演進之路，其給運營商帶來兩方面的價值，一是提升無線頻譜利用率、降低網絡成本。LTE的頻譜利用效率GSM的4倍以上。另一個價值就是提升用戶體驗，VOLTE的體驗明顯優于傳統CS語音。首先，高清語音和視頻編解碼的引入顯著提高了通信質量；其次，VOLTE的呼叫接續時長大幅縮短，VOLTE比CS呼叫縮短一半以上。

下面是實際測試的一些指標：

呼叫建立時延更短：第一條隨機接入消息到終端接收到網絡側下發的SIP 180 Ring消息之間的時間差，在外場短呼測試中看到平均時延為2S左右，而2G時代在6-7秒，用戶感知為秒通。

語音質量更高：因為使用23.85K寬帶AMR技術，語音質量相比2G、3G語音質量有質的提高，在外場測試時，在好點MOS值在4.1左右，而3G MOS值在3.0—3.5之間，在同一地點的OTT語音在3.5左右（無線資源不受限）。對運營商來說在這一點上體現了移動網絡相對于OTT的優勢。

系統間切換方面使用eSRVCC切換，測試切換時延在150MS以內，對用戶感知無影響，且切換成功率高。

視頻質量更好：在同一地點，視頻通話的圖像遠比OTT視頻通話的圖像清晰。

1.3 VOLTE技術傳輸原理

傳統的電話網是以電路交換方式傳輸語音，所要求的傳輸寬帶為64kbit/s.而所謂的VOLTE是以IP分組交換網絡為傳輸平臺，對模擬的語音信號進行壓縮、打包等一系列的特殊處理，使之可以采用無連接的UDP協議進行傳輸。

為了在一個IP網絡上傳輸語音信號，要求幾個元素和功能。最簡單形式的網絡由兩個或多個具有VOLTE功能的設備組成，這一設備通過一個IP網絡連接,因此可以簡單地將VOLTE的傳輸過程分為下列幾個階段。

（1）語音-數據轉換

語音信號是模擬波形，通過IP方式來傳輸語音，不管是實時應用業務還是非實時應用業務，首先要對語音信號進行模擬數據轉換，也就是對模擬語音信號進行8位或6位的量化，然后送入到緩沖存儲區中，緩沖器的大小可以根據延遲和編碼的要求選擇。許多低比特率的編碼器是采取以幀為單位進行編碼。典型幀長為10~30ms.考慮傳輸過程中的代價，語音包通常由60、120或240m s的語音數據組成。數字化可以使用各種語音編碼方案來實現，目前采用的語音編碼標準主要有ITU-T G.711.源和目的地的語音編碼器必須實現相同的算法，這樣目的地的語音設備幫可以還原模擬語音信號。

（2）原數據到IP轉換

一旦語音信號進行數字編碼，下一步就是對語音包以特定的幀長進行壓縮編碼。大部份的編碼器都有特定的幀長，若一個編碼器使用15ms的幀，則把從第一來的60ms的包分成4幀，并按順序進行編碼。每個幀合120個語音樣點（抽樣率為 8kHz）。編碼后，將4個壓縮的幀合成一個壓縮的語音包送入網絡處理器。網絡處理器為語音添加包頭、時標和其它信息后通過網絡傳送到另一端點。語音網絡簡單地建立通信端點之間的物理連接（一條線路），并在端點之間傳輸編碼的信號。IP網絡不像電路交換網絡，它不形成連接，它要求把數據放在可變長的數據報或分組中，然后給每個數據報附帶尋址和控制信息，并通過網絡發送，一站一站地轉發到目的地。

（3）傳送

在這個通道中，全部網絡被看成一個從輸入端接收語音包，然后在一定時間（t）內將其傳送到網絡輸出端。t可以在某全范圍內變化，反映了網絡傳輸中的抖動。網絡中的同間節點檢查每個IP數據附帶的尋址信息，并使用這個信息把該數據報轉發到目的地路徑上的下一站。網絡鏈路可以是支持IP數據流的任何拓結構或訪問方法。

（4）IP包-數據的轉換

目的地VOLTE設備接收這個IP數據并開始處理。網絡級提供一個可變長度的緩沖器，用來調節網絡產生的抖動。該緩沖器可容納許多語音包，用戶可以選擇緩沖器的大小。小的緩沖器產生延遲較小，但不能調節大的抖動。其次，解碼器將經編碼的語音包解壓縮后產生新的語音包，這個模塊也可以按幀進行操作，完全和解碼器的長度相同。若幀長度為15ms，是60ms的語音包被分成4幀，然后它們被解碼還原成60ms的語音數據流送入解碼緩沖器。在數據報的處理過程中，去掉尋址和控制信息，保留原始的原數據，然后把這個原數據提供給解碼器。

（5）數字語音轉換為模擬語音

播放驅動器將緩沖器中的語音樣點（480個）取出送入聲卡，通過揚聲器按預定的頻率（例如8kHz）播出。簡而言之，語音信號在IP網絡上的傳送要經過從模擬信號到數字信號的轉換、數字語音封裝成IP分組、IP分組通過網絡的傳送、IP分組的解包和數字語音還原到模擬信號等過程。

2.分析VOLTE關鍵技術

2.1 半持續調度SPS(Semi Persistent Schedule)

對于VOLTE類型的業務，其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(典型的話音業務周期一般是20ms)，針對這種特性，LTE系統引入了半持續調度技術(Semi-Persistent Scheduling)。SPS是在指定子幀上按照預先分配的資源進行新傳，但重傳時為了降低時延，仍然采用動態調度的方式。

系統資源（包括上行和下行）是通過PDCCH分配的，UE通過保存相應的資源分配，而后就可以周期性重復使用相同的時頻資源。不需要在每個TTI都為UE下發DCI（包括上行或下行的），從而降低了對應的PDCCH CCE資源開銷，有效提升了系統效率及容量。

VOLTE業務采用SPS技術，可以有效的節省CCE資源，提高小區的VOLTE用戶容量

2.2 IP頭壓縮ROHC(Radio Overhead Compression)

由于相鄰節點之間，同一數據流連續分組報文頭中存在一些不變的冗余信息頭和一些有變化規律的動態信息頭，即壓縮中的靜態域和動態域。為了節省空口的帶寬資源，可以在數據流開始傳遞時發送完整報文頭部信息，后續數據包信頭中只傳遞報文頭部中變化的部分和相對于同一個流的關聯標識符，達到縮小數據頭的字節數，從而有效利用無線帶寬資源。

ROHC主要功能是將核心網和UE之間的數據報文的報文頭，如IP頭、UDP頭、RTP頭進行壓縮后，再進行傳輸，達到節省空口帶寬資源的作用。

(1)壓縮端原理：在數據流剛開始傳遞時，ROHC壓縮方將完整的信頭(即靜態域和動態域)保存在本地上下文結構中(Context)，后續數據包參照此進行壓縮，僅傳遞變化的值域。并且壓縮方為每個Context分配一個標識(CID)標識此數據流。

(2)解壓端原理：解壓縮方接收到新的數據流分組時，將完整的信頭保存到本地的上下文中(CID)。只有解壓縮方建立了完整的上下文，壓縮方才發送壓縮分組。在后續數據流傳輸中，解壓縮方根據分組的CID查找相應的上下文進行解壓縮。

開啟ROHC功能，可以節約每個UE占用的空口資源，節省PRB資源，提升小區容量

2.3 TTI捆綁或者子幀捆綁TTI bundling

TTI Bundling用于提高用戶在小區邊緣覆蓋的一種方法。當TTI Bundling使能時，上行調度DCI0一次授權后，在連續的4個上行子幀上傳輸同一傳輸塊，且僅在第四次傳輸后有對應的PHICH反饋，重傳也是4個連續上行TTI發射的一種調度方法，可以充分利用4個上行子幀發送的數據進行數據合并，通過合并增益提升數據可靠性。由于僅在第四次傳輸后有對應的PHICH反饋，所以此時反饋的為底層合并后數據的接收效果，從而大大提高的數據的可靠性。

TTIB只適用于上行，通常在遠點低 SINR下被激活，TTI 捆綁對TDD僅僅適用于上下行配比為0、1、6的情況。對于上下行1：3配置協議明確不適用TTI Bundling技術做補償增益。

VOLTE業務采用TTIB技術，可以有效地提高小區的覆蓋半徑，對于邊緣用戶上行會有2-3dB的增益。

3.VOLTE技術發展趨勢

3.1 系統切換的技術發展

在VOLTE技術運用的過程中，切換主要是指在系統運行的過程中，同一個信道將其他信息轉移到其他信道之中，充分保證信道系統通信的連續性，在這種系統運行的過程中，是一種較為重要的無線資源管理方式，并在此基礎上保證網絡優化在空閑狀態下的項目實效性，實現網絡資源的全部覆蓋。在項目流程系統切換的過程中，與之相關的切換口令合理分別設計為eNb、S1 口以及 X2 口等，對于站內的切換系統相對簡單，因此，應該將目標以及切換的源基控制在一個區域之內，實現信息傳輸以及資源優化的快速申請

3.2 系統中干擾的技術發展

在VOLTE技術運用的過程中，系統的運用所產生的干擾會對LTE系統造成一定的影響，例如，網絡環境下的掉話率、接通率以及通話的質量等，而且，在干擾分析中，可以通過對干擾源的分析，將其分為外部干擾以及內部干擾，外部干擾主要是在系統運行及調節中，出現的互調、雜散以及阻塞等現象；內部干擾主要是設備隱性、天饋系統以及GPS不準確等問題。因此，在系統干擾項目優化的過程中，應該做到以下幾點內容：第一，系統維護人員應該確立干擾源發生對位置；第二，采用適當的方式進行系統的干擾及分析；第三，通過對干擾問題的合理分析，構建故障排除措施，從而降低系統出現的干擾形式，從而為網絡系統的穩定運行提供良好保證。在LTE系統檢測的過程中，其發現干擾的方式主要有檢查RSSI 、路測以及應用 LMT 輔助技術進行干擾分析

3.3 系統參數的技術發展

在LTE系統運行的過程中，對系統參數調整中主要會采用PCI、切換以及天線技術，并將 2G/3G網絡技術的優化方式作為網絡設計的基礎，但是，在 2G/3G以及LTE系統設計的過程中，由于運行中存在著一定的差異性，所以，其技術調節中應該注意相關資源的相關參數。而且，在參數分析中，也應該對系統的容量、覆蓋以及質量等指標進行綜合性的分析，并在系統參數優化之前，通過OMC進行項目的統計，并在此基礎上采用系統性的數據

統計方式，將網絡資源進行合理的定位分析，從而使整個網絡狀態保持動態化的平衡機制。同時，在VOLTE技術優化的過程中，人們應該注意到技術中“秒通”以及“高清” 的技術優勢性，其中的“秒通”主要是在呼叫接通的狀態下，將時間縮短到1s左右的狀態；而“高清”主要是使語音運用中語言的表述更為通透。通過這兩種技能的提升，可以逐漸提升用戶的感知能力，同時，也可以優化 VOLTE技術的質量性。在參數項目優化的過程中，人們為了提高網絡質量的優質性，應該構建一種 VOLTE工具布局形式，通過網絡資源的優化，構架網元狀態下的項目設計，并在此基礎上實現全程、全網工作的項目優化，提升人們對 VOLTE業務技術的感知能力，降低該技術運用中用戶的投訴率，從而為網絡資源的優化及項目的設計提供穩定支持。

4.結束語

VOLTE網絡的高質量與低時延的優點，成為未來網絡發展的趨勢，因此相關工作人員必須要對這一技術進行深入的研究，并不斷探索，了解其關鍵性技術，并對其優化方案做積極的研究工作，像網絡覆蓋基礎的不斷優化，構建更簡化的信令跟蹤支撐系統，對相應的參數配置進行優化，進而將VOLTE網絡優化。

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