高鐵場景4G語音創新方案研究及部署建議

徐德平，馬向辰，程日濤，耿魯靜

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京100080）

1 引言

3 GPP定義的語音解決方案有CSFB和VoLTE兩種。在網絡初期主要采用CSFB方案，即在用戶需要進行語音業務時，從LTE網絡回落到3G/2G的電路域重新接入，并按照電路域的業務流程發起或接聽語音業務；當LTE網絡達到全覆蓋時，VoLTE語音方案將成為運營商的終極解決方案。目前，國內運營商正在積極進行網絡改造，為開展VoLTE語音業務做準備。

高鐵場景是4G網絡中較為特殊的的場景，由于高鐵具備運行速度快、穿透損耗高、切換頻次多等特點，高鐵4G網絡覆蓋在工程規劃和建設上有特殊難度，如果簡單地在高鐵專網部署與公眾網相同的VoLTE語音方案，將無法保障語音質量，影響用戶體驗，因此需要研究可行的4G高鐵語音解決方案。

2 高鐵4G網絡規劃建設情況及語音業務支持能力分析

2.1 高鐵4G網絡規劃建設情況

為了實現高速鐵路4G網絡的有效覆蓋，保障客戶感知，對于時速達到250 km/h以上的高鐵線路主要采用“四?！钡膶＞W覆蓋技術方案：專用設備，2通道RRU+高增益天線；專用功能，配置高速移動、小區合并功能；專用頻率，優先選擇低頻段頻率、公網/專網異頻組網；專用參數，優化系統內切換優先級、TA參數規劃等參數。高鐵專網的規劃指標如下所示。

（1）RSRP（95%概率）

沿線：宏基站覆蓋指標為>-113 dBm，隧道（泄漏電纜）覆蓋指標為>-113 dBm。

車站：一般區域覆蓋指標為-105 dBm，業務量需求高的區域覆蓋指標為-95 dBm。

（2）RS-SINR(95%概率)

沿線：宏基站、隧道（泄漏電纜）覆蓋指標為-3 dB。

車站：一般區域覆蓋指標為6 dB，業務量需求高的區域覆蓋指標為9 dB。

（3）下行邊緣用戶速率指標（CDF 95%）為1 Mbit/s（50 RB）

按照以上網絡規劃指標，根據鏈路預算，高鐵沿線站址間距見表1。

表1 高鐵沿線站址間距

2.2 高鐵4G語音業務支持能力

與高鐵規劃設計指標進行對比分析，以F頻段郊區、農村場景為例。鏈路預算見表2。

覆蓋預算表明現網規劃建設情況可以滿足12.65 kbit/s速率的語音覆蓋要求，不滿足23.85 kbit/s速率的語音覆蓋要求。12.65 kbit/s速率語音業務覆蓋站間距為1.15 km，覆蓋能力優于高鐵現網規劃站間距要求（1 km），23.85 kbit/s速率語音業務覆蓋站間距為0.8 km，覆蓋能力劣于原規劃站間距要求（1 km），比原規劃覆蓋半徑小20%。

表2 鏈路預算

2.3 高鐵場景4G語音質量

通過仿真分析，在無線環境良好時，高、低編碼速率的語音業務質量差異不明顯，但在無線質量不足時，高編碼速率的語音業務質量的惡化速率會高于低編碼業務質量的惡化速率。因此，在無線覆蓋質量不足的情況下，更適合低編碼速率的語音業務，具體如圖1所示。

寧杭高鐵VoLTE語音業務測試情況表明現網規劃指標可以滿足標清語音覆蓋要求，不滿足高清語音覆蓋要求。從表3可看出，23.85 kbit/s高編碼速率的VoLTE業務質量低于12.65 kbit/s低編碼語音的業務質量。

圖1 高、低編碼速率的語音業務質量對比

3 高鐵語音業務可選方案

根據以上理論分析及實際無線規劃建設情況，高鐵場景可選的語音方案有CSFB方案、12.65 kbit/s低編碼速率VoLTE方案、23.85 kbit/s高編碼速率VoLTE方案。

3.1 CSFB方案

鑒于高鐵4G網絡工程規劃建設上的特殊難度，高鐵沿線有可能出現大范圍質量差、甚至無4G網絡覆蓋的情況，此時CSFB需作為基本語音解決方案。

高鐵如采用CSFB方案，需要核心網支持分場景部署CSFB和VoLTE語音方案的能力，否則會造成未打開VoLTE功能的eNode B的呼叫時延增加甚至失敗，影響用戶體驗。

主叫終端從空閑態發起RRC建立到收到SIP 183消息，時延在2 s左右；收到SIP 183消息后，啟動TQOS定時器，等待QCI1承載建立消息，等待時延為6 s；TQOS超時后，若QCI1未成功建立，主叫立即發起CSFB，CSFB時延在10 s左右。終端在未開通VoLTE的eNode B下發起主叫的總體時延在18 s左右。

被叫終端收到尋呼消息后，從空閑態發起RRC建立到收到SIP 183消息，時延在2 s左右；收到SIP 183消息后，啟動TQOS定時器，等待QCI1承載建立消息。等待時延最長為6 s；TQOS超時后向IMS回復SIP 580消息，通知Precondition失敗。如果核心網支持該階段的CS Retry功能，會發送CS域的尋呼，被叫CSFB到2G；如果不支持該功能，則本次呼叫失敗。終端在未開通VoLTE的eNode B下被叫VoLTE，時延在20 s左右，甚至會呼叫失敗。

綜上所述，CSFB方案主要適合于不滿足高鐵專網規劃指標（RSRP≥-113 dBm & SINR≥-3 dB占比大于95%）或沿線4G網絡未完全建成開通的場景。同時需要核心網支持分場景部署不同語音方案的能力。該功能屬于規范定義的標準功能，但現網軟件版本不支持該功能，需要統一進行升級。

表3 寧杭高鐵不同編碼速率語音業務質量對比

3.2 12.65 kbit/s編碼速率VoLTE方 案

根據理論預算分析和實際網絡測試數據，目前的站址規劃建設和無線覆蓋情況能夠滿足12.65 kbit/s低編碼速率VoLTE語音業務要求。但核心網僅支持統一速率方式，若大網采用23.85 kbit/s編碼速率VoLTE語音方案，則高鐵場景無法支持12.65 kbit/s編碼速率。

此方案要對核心網進行改造升級，支持分場景部署不同語音編碼速率的VoLTE語音方案。改造方案是在起呼過程中，核心網判斷用戶位置，當用戶處于高鐵沿線TA時，通過修改呼叫信令使終端只能使用低速編解碼。需要終端在發起編解碼協商時，同時攜帶AMR-WB多個mode-set（至少包含mode-set 0或1）。高鐵區域的TA需采用特殊標識，且SBC可識別；網絡維護中，如高鐵區域發生TA變化，需告知SBC。

此方案是非標方案，現網SBC廠商均不支持該功能，經評估及調研，預計方案完全明確后，至少6個月后可有廠商提供支持。

12.65 kbit/s編碼速率VoLTE方案適用于滿足規劃指標（RSRP≥-113 dBm & SINR≥-3 dB占比大于95%）場景的高鐵線路，目前大多數線路的規劃指標均按照此指標進行規劃建設，此方案適用于大多數高鐵場景。

3.3 23.85 kbit/s編碼速率VoLTE方 案

由于目前規劃指標和站址設置情況無法滿足承載23.85 kbit/s編碼速率VoLTE方案的要求。23.85 kbit/s編碼速率VoLTE業務的無線覆蓋指標要求達到RSRP≥-110 dBm & SINR≥-3 dB。如果按照此指標調整無線網絡覆蓋方案，會面臨以下難點。

（1）加密站址調整難度高

高鐵沿線站址獲取困難，若按照80%的站間距重新規劃站址，在高鐵沿線線形覆蓋帶基本無法實施。

（2）投資增加大

經初步估算，如需對已建線路和已規劃但尚未建設的線路按照滿足23.85 kbit/s高清語音連續覆蓋要求進行改造和建設，需增加投資約數十億元。

（3）嚴重影響工程實施進度

高鐵工程本身需要協調單位多、工程實施時間窗口受限等因素，工程建設進度滯后，如重新進行規劃和改造，工程進度將嚴重滯后。

綜上所述，23.85 kbit/s編碼速率VoLTE方案僅適合于已達到或者通過簡單優化可達到較優無線覆蓋指標（RSRP≥-110 dBm & SINR≥-3 dB占比大于95%）的高鐵場景。不適合全網的高鐵線路。

4 高鐵無線語音部署建議

考慮到高鐵實際建設進度、4G高鐵實際覆蓋性能以及大網VoLTE部署安排，可以采用初期方案和遠期方案的部署策略。

（1）初期方案

·已達到或者通過優化可達到更優性能（RSRP≥-110 dBm & SINR≥-3 dB占比大于95%）的，可開通23.85 kbit/s高清語音業務。

·滿足規劃指標（RSRP≥-113 dBm & SINR≥-3 dB占比大于95%）的，若2G專網語音質量較好，應通過核心網升級支持分場景部署語音方案能力，通過CSFB方式承載語音。否則，開通23.85 kbit/s高清語音業務，但面臨語音質量較差的問題。

·對于不滿足規劃指標（RSRP≥-113 dBm &SINR≥-3 dB占比大于95%）的，應通過核心網升級支持分場景部署語音方案能力，通過CSFB方式承載語音。

（2）遠期方案

若后續核心網可實現分場景部署VoLTE編碼方案的能力，則建議對于滿足規劃指標的線路開啟該功能，即在該場景下實現VoLTE 12.65 kbit/s編碼方案。

表4 各方案適用線路情況及說明

5 結束語

高鐵覆蓋在工程規劃和建設上有特殊難度，已規劃建設4G專網的高鐵線路總體建設情況參差不齊，需要根據線路具體情況分場景采用語音解決方案，具體見表4。

考慮到高鐵實際建設進度、網絡覆蓋性能以及大網VoLTE部署安排，可以采用初期和遠期兩種部署方案。

[1]中國移動通信集團有限公司.4G網絡高速鐵路覆蓋技術要求[EB/OL].[2015-04-30].http://wenku.baidu.com/link?url=soM mq6PNGLsjbm8ZGoYTKY9 JH1q5no039ngiifnfXu-d_bOe4NYLV ehpluvO5o3lgD cjJrRug6dPi4p7VD_L9tUNnzc2JQvdN9-FMl237.China Mobile Communications Corporation.4G network high-speed railway coverage technical requirements[EB/OL].[2015-04-30].http://wenku.baidu.com/link?url=soMmq6 PNGLsjbm 8ZGoYTK Y9 JH1q5no039ngiif nfXu-d_bOe4NYLVehpluvO5o3 lgDcjJr Rug6dPi4p7VD_L9tUNnzc2JQvdN9-FMl237.

[2]中國移動通信集團有限公司.關于高速鐵路覆蓋網絡建設的指導意見[EB/OL].[2014-11-25].http://wen ku.baidu.com/link?url=zphLc0RqVva-7wu6ax2rpkhkg6mpwRZ7_Tw6 aFSQttvTo MqZnU61J1uZgPnq0V-BYnjofrYtp7tl7JIX ZTtqGPrg-Rd9x5l7nn WgEzNtN63.China Mobile Communications Corporation.Guiding opinions on the 4G network coverage of high-speed railway[EB/OL][2014-11-25].http://wenku.baidu.com/li nk?url=zphLc0RqVva-7wu 6ax2rpkhkg6mpwRZ7_Tw6aFSQttvToMqZnU61J1uZgPnq0V_BY njofrYtp7tl7JIXZTtqGPrg-Rd9x5l7nnWgEzNtN63.

[3]中國移動通信集團有限公司.中國移動高鐵VoLTE試點測試規范[EB/OL].[2014-10-29].http://wenku.Baidu.com/link?url=UjKdms2IXnxzfiEwmd2PLgZygQ4YHPVh0e5OOrnaqxstDF-pOiD S1PWNmnZtbVOn69jukcvhU1peSrQ6kAbxTkMM_giNzHb-5TyITamoiDS.China Mobile Communications Corporation.High-speed railway VoLTE pilot test specification[EB/OL].[2014-10-29].http://wenku.Baidu.com/link?ur l=UjKdms2IXnxzfiEwmd2PLgZygQ4 YHPVh0e5OOrnaqxstDF-pOiDS1PWNmnZtbVOn69jukcvhU1peSr Q6kAbxTkMM_giNzHb-5TyITamoiDS.