VoLTE能力研究及分析

肖清华

（华信咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

1 引言

VoLTE（Voice Over LTE，LTE语音）[1]是基于IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒体子系统）的语音业务。由于IMS支持多种接入和丰富的多媒体业务，因此成为了全IP时代的核心网标准架构，VoLTE也得以借助IP数据传输技术完全承载于4G网络，实现数据与语音在同一网络的统一。与CSFB（Circuit Switched Fallback，电路域回落）[2]不同的是，VoLTE是一种SRVCC（Single Radio Voice Call Continuity，单一无线语音呼叫持续）方案，能够带来更高质量、时延更短的音视频通话效果，因此也成为运营商提升用户体验以及网络频谱利用率的直接手段。

对VoLTE的研究亦是越来越多，刘娜[3]通过分析VoLTE的关键技术，如ROHC（Robust Header Compression，鲁棒性头压缩）、SPS（Semi-Persistent Scheduling，半静态调度），给出了VoLTE业务数据包的特征，进而提出分析VoLTE能力的相关方法及主要结论，但其研究过于笼统，也没有具体的思路与实现。早在2012年作者本人[4]便基于TD-LTE对VoLTE的容量能力作过分析，并给出了量化的结果，但对于上下行差异化的调度结果同样没有分析。杜刚[5]对VoLTE的能力也进行了初步的分析，但结果单一，同样没有具体考虑到信令和控制信道的开销等。汪丁鼎等[6]随后在EPC系统提到了VoLTE，也只是更多地停留在VoLTE流程分析和质量保证上，对其本身的能力只字未提。为此，本文基于VoLTE业务的应用需求，从覆盖和容量2个维度详细展开，阐述其能力，为即将到来的LTE语音应用作好铺垫。

2 VoLTE语音覆盖能力

VoLTE作为LTE的语音承载，在分析其覆盖能力时，需要结合LTE的资源分配机制，按照差异化的场景进行总体分析。由于上行链路损耗小于下行链路，因此出于篇幅限制，本文仅以上行链路为例展开分析。

2.1 密集市区

以发送端、接收端、过程增益和损耗等几部分进行区分。

对于12.2Kbps的VoLTE业务而言，可能存在的RB（Resource Block，资源块）分配有1、2、4等方式，带来的增益也存在差异。

先假设LTE系统的发射方式为1×2MIMO，系统参数如表1所示：

表1 LTE系统参数表

如表2所示，VoLTE发射端参数包括终端发射功率、天线增益及人体损耗等，而接收端参数则有接收机的热噪声系数、基站天线增益及馈线损耗等。

表2 上行发送和接收端参数表

此外，在上行链路过程存在的损耗或增益如表3所示：

表3 上行链路过程参数

2.2 其它区域

在其它区域，如一般市区、郊区及农村等，如表4所示，先给出相关参数的差异：

表4 其它区域参数

由此，得到如表5所示的VoLTE分别在4个场景下的链路预算。

2.3 覆盖增强

为了保证语音业务的质量要求，其FER（Frame Error Rate，误帧率）必须不超过1%。为此，VoLTE采取了增量冗余的H A R Q机制[7]。如果初传成功率达到9 0%，即初始F E R为1 0%，则二次重传为10%×10%=1%。同时，二次或多次重传后可以提升系统的SINR（Signal to Interference Noise Ratio，信噪比），进而提高VoLTE的覆盖能力。

表5 VoLTE链路预算

此外，当链路恶化时，VoLTE会在RLC层进行分段以形成更小的MAC PDU，从而在不增加RB配置的情况下以更低的MCS（Modulation and Coding Scheme，调制与编码策略）传送语音，具备更强的覆盖能力，代价是需要消耗更多的RLC层和MAC层开销，以及更多的PDCCH调度信令。

3 VoLTE语音容量能力

3.1 信道开销

影响VoLTE容量能力的因素很多，包括系统带宽、调度算法、基站功率、CP长度、资源分配方式、子载波间隔、上下行时隙及特殊子帧配置、上下行链路开销、MIMO和干扰消除等。本文仅以常规CP长度下的20MHz带宽为例对VoLTE的容量进行分析。

如表6、表7所示，LTE系统在上下行链路中均存在一定的开销，并且有所差异，在计算VoLTE容量时需要将这些开销剔除。

表6 LTE系统在上行链路的开销表

表7 LTE系统在下行链路的开销表

3.2 控制信道容量

V o L T E采取S P S半静态调度，其调度周期为20ms，调度能力与CCE个数及聚合度相关，CFI与CCE关系如表8所示：

表8 CFI与CCE关系

SPS调度时，存在“一次分配、多次使用”的特点，不需要在每个TTI（Transmission Time Interval，传输时间间隔）都为终端下发DCI（Downlink Control Information，下行控制信息），减少了对CCE的占用，从而降低对PDCCH的开销。如表9所示，一般来说，SPS调度能力可以根据动态调度能力计算出来：

表9 SPS调度能力

根据终端距离基站的分布，可设置相应的权值，若C/D表示远距离终端比例，B表示中距离终端比例，A表示近距离终端比例，则最终的调度能力，即VoLTE的控制信道容量计算如下：

比如，远、中、近用户分别是2:3:5，则相应的VoLTE控制信道调度能力为：

50%×888+30%×444+20%×111=599（个）

3.3 业务信道容量

假设VoLTE业务的激活因子为α（静默期用户不消耗RB资源），SPS调度周期TSPS，VoLTE用户在静默期SID（Silence Descriptor，静默指示符）帧的传输周期为TSID，在静默期与通话期MAC层包的大小分别为PSPS和PACT。则VoLTE业务信道的容量可以计算如下：

其中，NeRB表示每个用户初传平均需要的RB资源块数量；NRB表示上、下行链路业务信道占用的RB资源块数量；NeRB可计算如下：

其中，N1、N2、N4分别表示初传需要的1、2、4个RB数；x1、x2、x4分别表示1、2、4个RB所占的比例。

假设初传需要占用1个RB的用户占20%，需要占用2和4个RB的用户分别占30%和50%，则每个用户初传平均需要的RB个数NeRB=1×50%+2×40%+4×10%=2.8。

NRB可计算如下：

其中，LHARQ表示相应链路的重传比例；LCT表示相应链路存在的信令开销；NTRB表示相应带宽下的总RB资源块数。

根据上下行链路的重传比例及开销的不同，可以计算出相应的业务信道容量。

（1）上行链路

假设上行链路重传比例为0.25，上行信道开销可由表6查询，包括P U S C H、R S、R A C H、S R S和控制信道开销等，在不同的带宽下，其开销也不同。在20MHz带宽的前提下，上行总体开销值为20.7%+14.3%+1%+1.8%+3.6%=41.4%。

在上下行比例为2:3的情况下，根据公式（4）计算出上行业务信道可用的RB资源：NRB=20×(1-0.25)×(1-41.4%)×100×2/5=351（个），将此值代入公式（2），可计算得出上行链路的VoLTE容量数为：CapU-VoLTE=1/0.5×1/(1+144/328+20/160)×351/2.8=237（个）。

（2）下行链路

类似地，也可计算出下行链路的VoLTE容量。假设下行链路重传比例为0.15，下行信道开销可由表7查询，包括PDSCH、RS、SCH、BCH和控制信道开销等。在20MHz带宽的前提下，下行总体开销值为：18.88%+9.05%+9.5%+0.17%+0.16=37.25%。

在上下行比例为2:3的情况下，根据公式（4）计算出下行业务信道可用的RB资源：NRB=20×(1-0.15)×(1-37.25%)×100×3/5×3/5=640（个），将此值代入公式（2），可得下行链路的VoLTE容量数为：CapD-VoLTE=1/0.5×1/(1+144/328+20/160)×60/2.8=433（个）。

最终的VoLTE容量可计算如下：

在上述条件下，LTE系统的VoLTE系统容量为：CapVoLTE=min(599, min(237, 433))=237（个）。由此可见 ，在一般情况下控制信道不存在资源瓶颈。

4 结束语

本文对VoLTE的覆盖及容量能力进行了系统性的研究，并提出了相关覆盖增强的措施。在容量维度上分别针对控制信道和上下行业务信道展开相应的容量分析，并提出量化的核算方法，有助于为即将到来的VoLTE应用提供参考。但VoLTE容量跟系统带宽、上下行的RB资源配置，以及所处环境导致的链路恶化都有关系，本文仅是以20MHz为例进行描述，在实际扩展使用时需要具体问题具体分析。

[1]中国移动通信集团公司. VoLTE技术白皮书（2013）[EB/OL]. http://www.docin.com/p-919735329.html.

[2]朱军. 基于IMS的VoLTE解决方案研究[J]. 电信技术,2014(7): 28-32.

[3]肖清华,汪丁鼎,许光斌,等. TD-LTE网络规划设计与优化[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2013.

[4]姜怡,俞承志,魏冰. SRVCC对移动核心网的功能增强要求研究[J]. 移动通信, 2010(8): 41-46.

[5]刘娜. VoLTE背景下的无线网络容量能力分析[J]. 移动通信, 2014(17): 37-37.

[6]肖清华,毛卓华,凌文杰,等. TD-LTE容量能力综合分析[J]. 邮电设计技术, 2012(4): 36-40.

[7]杜刚,熊尚坤,陈晓冬. VoLTE覆盖与容量分析[J]. 电信科学, 2015(S1): 193-196.

[8]汪丁鼎,景建新,肖清华,等. LTE FDD EPC网络规划设计与优化[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2014.

[9]赵勇洙,金宰权,杨元勇,等. MIMO-OFDM无线通信技术及MATLAB实现[M]. 北京: 电子工业出版社, 2013.

[10]3GPP TS 36.321 V10.00. Medium Access Control(MAC)Protocol Specification[S]. 2010.