VoLTE增強技術綜合部署方案研究及試驗分析

王 榮

中國電信股份有限公司江蘇分公司

0 引言

隨著5G網絡建設的逐步推進，C網退頻重耕對于低成本快速提升中國電信5G和4G網絡的廣覆蓋和深度覆蓋水平具有重要意義。因此，在C網退頻過程中，為承接C網全網語音業務，并為VoNR的適時引入做好準備，進一步提升VoLTE業務質量和客戶感知十分必要。本文簡要介紹四個VoLTE增強技術的基本原理，結合現網試驗的測試數據，分析研究各項增強技術對VoLTE覆蓋、容量和性能等方面的影響，評估各種增強技術的優劣勢和適用場景，并在此基礎上給出VoLTE增強技術綜合部署的方案建議。

1 VoLTE增強技術

現階段，提升VoLTE業務的性能，可以通過各種VoLTE增強技術來實現，主流的VoLTE增強技術有：RoHC（Robust Header Compression，健壯報頭壓縮技術）、RLC分片（Radio Link Control Segmentation，無線鏈路層控制協議）與TTIB（Transmission Time Interval Bundling，傳輸時間間隔綁定）、半靜態調度SPS（Semi-Persistent Scheduling，半靜態調度）等。

1.1 RoHC技術

無線傳輸的空口資源是有限而寶貴的，對于某些語音或視頻多媒體應用而言，數據凈荷只占到整個IP報文的很少一部分。就VoLTE業務而言，一般語音數據的平均長度只有十幾個字節，但是報文RTP/UDP/IP的頭部會占到40字節，在IPv6中甚至達到60字節，因此空口帶寬利用率非常低（20%左右）。RoHC提供的頭壓縮算法能夠將RTP/UDP/IP頭壓縮至最小1個字節，大大提高了空口帶寬的利用率，具有很高的實用價值。

1.1.1 技術原理

LTE系統中的RoHC功能實體位于UE和eNodeB的用戶面PDCP（packet Date Convergence Protocol，分組數據匯聚協議）實體中，僅僅用于用戶面數據包的頭壓縮和解壓。

壓縮方對報文頭進行壓縮，并傳遞頭部壓縮信息給解壓方；解壓方則通過上下文來確保壓縮報文能夠被正確解壓。壓縮方位于發送端，根據Profile和上下文對報文進行頭部壓縮；解壓方位于接收端，根據Profile和上下文對壓縮后的報文頭部進行恢復。由于它的反饋機制，ROHC能很好地處理無線鏈路上高誤碼率和長時延等問題，能將報文頭最大壓縮到1字節，如圖1所示。

圖1 RoHC報文頭壓縮

采用RoHC壓縮技術具有以下優勢：報文頭最大壓縮到1字節，帶來最高97.5%的壓縮增益，改善頻譜效率并且減少誤比特率BER。RoHC技術的理論壓縮增益如表1所示。

表1 RoHC技術的理論壓縮增益The header compresssion gains :

1.2 TTI Bundling技術

1.2.1 技術原理

TTIB技術，用于提高用戶在小區邊緣上行覆蓋性能的一種方法。當TTI Bundling功能開啟時，上行調度DCI0一次授權后，在連續4個上行子幀上傳輸同一傳輸塊，每次傳輸采用不同RV版本用以做HARQ合并，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。所以，調度器僅需要指示第一個上行傳輸子幀的數據傳輸，而且PHICH只需要響應接收到的最后一個子幀。因此，可以充分利用4個上行子幀發送的數據進行合并，通過合并增益提升數據可靠性，如圖2所示。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，因而大大提高了數據接收的準確性和可靠性。

圖2 TTI Bundling示意圖

仿真表明，TTIB可以改善VoLTE邊緣用戶的上行覆蓋，仿真約有5dB增益（@10% BLER，3RB，MCS7）。

1.3 RLC分片技術

1.3.1 技術原理

當UE處于小區邊緣時，由于功率受限，上行覆蓋能力下降，可能導致UE無法在一個TTI時間內發送一個完整的數據包。RLC分片可將一個SDU在RLC層拆分成若干個分片，每個RLC分片安排在一個TTI內傳輸，傳輸時都會被重新添加RLC/MAC包頭和CRC校驗碼。因此，RLC分片技術減少了每個子幀上傳輸的數據量，從而提升了小區上行邊緣覆蓋能力。

上行RLC分片主要由上行調度分配的TBS決定，TBS越小，上行RLC分片越多。為防止上行RLC分片過多，導致VoLTE時延長、上行丟包率劣化，以及上行動態調度消耗的CCE資源和RB資源多的問題，我們可以根據VoLTE包大小設置最大RLC分段數，限制單次上行動態調度的TBS最小值，從而限制一個VoLTE包的上行RLC分段數不超過上限。

1.4 半靜態調度SPS技術

LTE的共享式資源分配調度方式可以很好地利用無線資源，但是這種調度方式帶來的開銷也是系統設計者必須要考慮的問題之一。LTE系統取消了電路域話音業務，取而代之的是分組域VoIP業務，但由于話音用戶的數量往往比較大，每次傳輸都需要相關的控制信息，所以控制信息開銷過大將可能成為制約LTE系統所能同時支持的用戶數，以及所能達到的系統吞吐量的瓶頸。

1.4.1 技術原理

針對語音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引入了一種新的調度方式——半靜態調度技術SPS（Semi-Persistent Scheduling）。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。使用半靜態調度傳輸，可以充分利用話音數據包周期性到達的特點，一次授權，周期使用，從而有效節省LTE系統用于調度指示的PDCCH資源，進而可以在不影響通話質量和系統性能的同時，支持更多的話音用戶。

以VoLTE業務為例，其數據包到達周期為20ms，則eNB只要通過PDCCH給UE半靜態調度指示，UE即按照PDCCH的指示進行本次調度數據的傳輸或者接收，并且在每隔20ms之后，在相同的時頻資源位置上進行新到達的語音包的傳輸或者接收，如圖3所示。圖3中，標記為綠色的資源即為UE周期進行發送或者接收的資源位置。

圖3 SPS調度示意圖

使用半靜態調度（SPS）技術主要有以下三方面的顯著優勢。（1）節省有限的PDCCH資源；（2）簡化基站側復雜的調度流程；（3）啟用SPS情況下，每UE所需的CCE數量較少，提高小區VoLTE用戶數。

2 VoLTE增強技術現網試驗結果分析

為了更好地驗證上述VoLTE關鍵技術的性能和實際使用效果，并為后續大規模部署提供指導意見，我們在現網選取部分基站（LTE 800M網絡，5MHz帶寬），對VoLTE增強技術進行了實際測試。

2.1 RoHC試驗結果

在開啟與關閉RoHC功能的情況下，分別采用12.65kbps和23.85kbps兩種語音編碼速率的VoLTE業務進行對比測試，RoHC功能對VoLTE業務上下行RB塊的節省比較明顯，可以提升VoLTE用戶容量。

RoHC開啟后，在近點能節省約20%的RB塊；在遠點，能節省約35%的RB塊。開啟RoHC后，能節省較多的上下行RB數，如圖4所示。圖4中，縱坐標為每秒鐘調度的RB數，橫坐標中的12.65表示語音編碼速率12.65kbps，23.85表示語音的編碼速率23.85kbps。

圖4 RoHC開啟和關閉情形下，上下行RB資源調度對比

表2 RoHC開啟和關閉是近遠點VoLTE關鍵指標對比

2.2 RLC分片試驗結果

在開啟和關閉RLC分片功能的情況下，分別做VoLTE業務拉深對比測試，測試結果如圖5所示。

從圖5中可以看出：當啟用RLC分片后，弱覆蓋位置MOS值有了明 顯 提 升（在-114＜RSRP＜-119區間提 升≈0.5，在-120＜RSRP＜-125區間提升≈1），上行覆蓋增益約為3～4dB。

圖5 RLC分片開啟和關閉時VoLTE MoS分值與RSRP關系

2.3 TTI Bundling試驗結果

在開啟和關閉TTIB功能的情況下，分別做VoLTE業務的拉深對比測試。測試結果如圖6所示。

圖6 TTIB開啟和關閉時VoLTE MoS分值與RSRP的關系

試驗效果：當啟用TTIB后，弱覆蓋位置MOS值有了明顯提升。在＜-115dBm時，差異在0.5，甚至更高，上行覆蓋增益約4～5dB。

TTIB開啟前后每秒調度的PUSCH RB數量對比：TTIB關閉情況下，每秒調度平均為151.78；TTIB開啟情況下，每秒調度平均為412.68，增加171.9%，是TTIB關閉時的2.72倍。

綜上，TTIB開啟后，VoLTE覆蓋增益約4～5dB，但同時占用PRB塊增多。因此小帶寬下，建議不開啟TTIB。

2.4 TTI Bundling（RLC分片開啟情況下）試驗結果

開啟RLC分片功能，并在開啟和關閉TTIB功能的情況下，分別做VoLTE業務拉深對比測試。測試結果分別如圖7、圖8所示。

圖7 RLC分片開啟情況下，TTIB分別開啟和關閉時VoLTE MoS分值與RSRP的關系

圖8 RLC分片開啟情況下，TTIB分別開啟和關閉時PUSCH RB資源的調度

從圖8中可以看出：（1）TTIB開啟后，當RSRP＜-118dBm，特別是 當RSRP＜-119dBm時，VoLTE覆蓋顯著增強。（2）TTIB開啟前后每秒調度的PUSCH RB數量對比：TTIB關閉情況下，每秒調度平均為151.78；TTIB開啟情況下，每秒調度平均為412.68，增加171.9%，是TTIB關閉時的2.72倍。

綜上，TTIB開啟后，VoLTE覆蓋增益約4～5dB，但同時占用PRB塊增多。因此小帶寬下，建議不開啟TTIB。

2.5 半靜態調度SPS技術

在開啟和關閉SPS功能的情況下，分別做VoLTE業務的拉深對比測試。測試結果分別如表3和圖9所示。

圖9 SPS開啟和關閉時VoLTE MoS分值與RSRP關系

表3 SPS開啟和關閉時PDCCH CCE每秒調度數量對比

從測試結果的圖表中可以看出：SPS開啟后，當RSRP大于-100dBm時，CCE節約了24.19%；當RSRP介于-100dBm至-115dBm之 間 時，CCE節 約 了36.56%；當RSRP小于-115dBm時，CCE節約了24.25%；在整段測試路線上，平均節約CCE約20%。

3 部署方案建議

通過對VoLTE增強技術的理論分析以及現網試驗測試數據的比較研究，我們發現，這些VoLTE增強技術各有特點，可以充分利用這些技術特點，將其中一種或多種技術綜合、靈活地應用在相關場合，從而提升VoLTE業務的性能和客戶感知。

RoHC功能的開啟可以減少冗余語音包頭，從而減少對業務信道的占用，有效節省VoLTE用戶所使用的空口RB資源，因而在不增加網絡資源配置的情況下，增加VoLTE用戶容量，同時提升VoLTE覆蓋水平。因此，在城區、縣城等話務密集區域使用RoHC技術，可以增強VoLTE深度覆蓋水平，增加業務容量，吸收更多話務。

RLC分片技術改善了基站小區邊緣的VoLTE用戶業務感知。由于對小區邊緣用戶的上行鏈路采用了RLC分片，使得用戶上行平均MCS增大或保持不變，并減少了上行弱覆蓋區域VoLTE用戶的丟包率。因此，在諸如小區邊緣、深度覆蓋不足、弱覆蓋等區域場景，可使用RLC分片技術提升VoLTE業務感知。

TTI Bundling技術充分利用了HARQ合并增益，提高了傳輸成功率，減少了重傳率，同時降低了RTT時延，提高了數據解調成功率。與RLC分片技術相比，TTI Bundling技術的增益僅在于減少了包頭Overhead開銷等。因此，與RLC分片技術類似，TTI Bundling技術適用于上行覆蓋受限的VoLTE業務場景，如室內深度覆蓋區域、邊緣覆蓋區域和弱覆蓋區域。但是，TTI Bundling采用RRC重配消息通知終端，因此不建議用于信道變化快的高速場景，防止UE因信道變化快而頻繁進入和退出Bundling，以減少對掉話率、語音質量和信令開銷的影響。另外，啟用TTI Bundling可能會增加上行PUSCH資源的利用，故對于小帶寬網絡（如1.4M、3M等帶寬），不建議采用TTI Bundling。

SPS技術給VoLTE用戶分配半靜態調度資源，節省PDCCH開銷，提高系統容量。因此，半靜態調度主要應用于小包業務和周期性傳輸的業務場景，即存在QCI 1業務（VoIP），且除了QCI 1、QCI 5和默認承載外沒有其他專有承載（DRB）的業務，例如VoLTE業務。但是，SPS開啟后，由于采用固定的MCS和RB分配，難以適應信道的快速變化，可能導致MOS值變差，因此不建議將SPS用于高速場景。SPS適用典型場景為靜止或慢速移動的用戶，如室內場景等。需要說明的是，RoHC、TTIB、SPS技術都需要終端的配合。

4 結束語

通過對VoLTE增強技術基本原理的介紹和現網試驗測試，研究分析了RoHC、RLC分片、TTI Bundling和SPS等技術在改善VoLTE覆蓋、容量和MoS分值等關鍵性能上的性能以及存在的不足，研究并給出了VoLTE增強技術綜合部署的方案建議。