VoLTE技术发展及其无线网络容量能力探究

董江波（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

专家视点

VoLTE技术发展及其无线网络容量能力探究

董江波
（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

本文对VoLTE技术原理及无线网络容量能力进行了分析，在对VoLTE全球发展及其优势进行分析的基础上，给出了VoLTE技术在未来发展需重点关注的问题。

VoLTE；ROHC；SPS；OTT

董江波 教授级高级工程师，毕业于北京邮电大学。现为中国移动通信集团设计院有限公司资深专家，长期从事移动通信新技术以及无线网络规划理论研究与开发工作。曾经承担了多项集团级重大重点项目的研发，带领团队开发完成的LTE无线网络规划仿真云平台得到了广泛应用。发表了数10篇技术论文，发明专利数10项。承担的研发课题曾获多个国家级、部级奖项。

VoLTE是一种IP数据传输技术，与2G/3G网络不同，全部业务都承载在4G网络之上。相对于2G/3G网络，通过引入高清编解码等技术，VoLTE可拥有比2G/3G话音业务更好的用户体验。同时，当终端离开LTE的覆盖区域时，VoLTE能够将LTE上的话音呼叫切换到2G/3G 网络上，保证话音呼叫的连续性。从用户体验上看，VoLTE能实现更丰富、更自然的高清话音通话。高清话音和视频编解码的引入将使得话音通话质量大幅提升，手机通话的声音效果更加立体保真。而且，VoLTE网络性能更优，其接续时间相比2G/3G网络可大幅缩短。

同时VoLTE也面临着互联网公司OTT业务的挑战。OTT是“Over The Top”的缩写，是指通过互联网向用户提供各种应用服务。这种应用和运营商所提供的通信业务不同，它仅利用运营商的网络，而服务由运营商之外的第三方提供。微信就是最典型的OTT 业务，其“微信电话本”业务就是把IP通话作为核心卖点。但是，与微信和QQ的免费视频通话相比，电信级的VoLTE服务具有保证业务QoS的能力，使得业务接通等待时间更短、音视频效果更稳定，用户体验更佳。

VoLTE技术实际落地用同时也面临诸多挑战。VoLTE业务对于LTE网络连续性要求高，对网络优化提出更高要求。数据业务和话音业务对于4G网络的要求不同，为保证VoLTE的话音体验，在原有数据网络的基础上，对4G网络的小区间切换性能有更高要求。VoLTE业务作为GBR业务，需要网络保证资源分配，那么对于现网4G网络承载数据业务的能力影响如何？另外，全球各运营商部署VoLTE的时间以及具体方案可能不同，导致互通以及漫游方案也存在差异，可能在很长的时间内还要用CSFB来实现国际漫游。

本文在阐述VoLTE技术原理并对其无线网络容量能力进行分析之后，对VoLTE在全球发展趋势以及优势进行具体分析；最后指出VoLTE未来发展还需重点关注的问题。相信在不久的将来，随着 LTE网络大规模覆盖、网络建设改造完成、产业链的不断成熟，VoLTE最终会在全球实现大规模商用。

1　VoLTE基本原理及关键技术

如前所述，VoLTE是承载于LTE网络上的话音业务，采用的是IP数据传输，属于VoIP。VoLTE所需引入的关键技术均与VoIP业务本身的业务特点有密切关系。VoIP业务特点如图1所示。从VoIP的某一个方向来看，一般都是说话声和短暂的沉默间隙交替出现。话音期周期为20 ms，静默期周期为160 ms。为了使话音之间的过渡更为自然，一般会在静默状态引入适量的背景噪声数据分组，即SID分组。

随着VoLTE话音业务速率的不同，激活期和静默期数据分组大小有所不同。但相比于FTP等大分组数据业务而言，VoIP业务数据分组的分组大小较小，且数据分组发送呈现周期性特点。为了更好地适应这种业务特点，要提升LTE网络的承载效率。

图1　VoIP业务特点

在引入VoIP后，LTE系统在无线方面主要增加了SPS、TTI bundling、ROHC等重要关键技术。

SPS即为半持续调度，指在VoIP业务达到稳态后，由于分组大小基本固定，因此可以在一定周期内固定业务传输所需占用的RB资源，从而减少对于PDCCH等控制信道的消耗。

ROHC即为头压缩技术，应用该技术能够提高LTE网络传输效率。在不采用ROHC头压缩技术的条件下，通常RTP头开销占12 byte，UDP头开销占8 byte，IPv4头开销占20 byte，IPv6头开销占40 byte；在采用ROHC头压缩技术后，ROHC头开销将减少为4～6 byte。因此能够提供传输效率。增加一个小区承载的VoLTE用户数，提升VoLTE覆盖。

TTI Bundling技术可以让UE在连续4个TTI上传输固定数目的数据，不需要等待HARQ进程，从而降低分片带来的系统头开销和分组丢失出错的概率，提升上行覆盖能力。但是在TD-LTE系统中，由于时序匹配问题，协议规定只有子帧配比0、1、6支持此技术，在当前TD-LTE网络采用1：3子帧配置条件下，不适合采用此绑定处理技术。

在LTE网络中承载VoIP业务，IR.92中推荐VoIP终端采用双APN方案，Default APN用于普通数据业务，其缺省承载采用为QCI=9的Non-GBR策略。Dedicated IMS APN用于IMS业务，其中Default承载用于SIP信令，采用QCI=5的Non-GBR策略；Dedicated承载用于话音，采用QCI=1的GBR策略。这样，在LTE网络中，基于承载的QoS保障了VoLTE信令与业务的调度权重。

这些关键技术的应用是网络资源利用率及VoLTE业务质量平衡的保障。但是在实际网络中，由于资源调度的非理想性，VoLTE引入后对于无线网络容量的影响需要特别关注和分析。

2　VoLTE无线网络容量分析

在纯数据业务网络中，对于网络容量的衡量指标通常应用小区吞吐量来表征。但是只有小区吞吐量指标还不能反映网络对于话音业务的承载能力。从用户体验的角度来考虑，VoLTE用户数是衡量网络承载能力的重要指标。

2.1动态调度机制下的用户数估算

如前所述，在采用动态调度技术时，由MAC调度器实时动态的分配RB资源和容许的传输速率，是按需分配的方式，这样每次调度需要调度信令的交互。对于小分组业务来说控制信令开销很大。在采用半静态调度后，eNode B在初始调度时通过PDCCH指示UE当前的调度信息，UE识别是半静态调度，则保存当前的调度信息，并每隔固定的周期在相同的时频资源位置上进行该业务数据的发送或接收。使用半静态调度传输，可以充分利用数据分组周期性到达的特点，一次授权，周期使用，可以有效的节省控制信令开销，在不影响通话质量和系统性能的同时支持更多的用户。因此VoLTE用户容量在动态调度条件下有可能受限于PDCCH信道，而在SPS调度机制下VoLTE用户容量则有可能受限于业务信道或者调度能力。

首先在CFI=3条件下对20 Mbit/s带宽条件下PDCCH信道所能支持的用户数进行估算。由于与设备中对于用于上行调度和下行调度的PDCCH资源分配机制以及处理能力不同，不同设备特点相同子帧配置所能支持的用户数有所不同。在综合业界不同设备厂商特点后，当PDCCH聚合等级4时，在2：2子帧配置时从控制信道角度考虑承载用户数约120个。

实际网络中网络能够容纳的VoLTE用户数与网络中的用户分布有关。假设在不同SINR条件下会采用不同的PDCCH聚合等级，在不同聚合级别条件下，最大用户数估算如表1所示。

表1　用户均匀分布条件下，2：2子帧配置时控制信道承载用户数估算

根据现网测试的经验，一般以RS SINR为18 dB、8 dB、-3 dB分别对应近、中、远点，假设近中远用户比例为3：4：3。对于PDCCH信道，远中近点分别对应采用聚合级别8、4、1；那么根据用户比例加权估算，网络能够承载的VoLTE用户数约239。

2.2SPS调度机制下的用户数估算

在SPS调度的情况下，VoIP业务用户容量受到共享信道资源的限制，按照20 ms间隔数据分组以及160 ms间隔数据分组出现的比例为2：1、MCS=11来计算，当2：2子帧配置时，20 Mbit/s带宽可以支持的用户数可以达到752。

对比以上两种情况课件，从业务信道角度考虑，承载用户数可能远远大于控制信道承载用户数。但是实际中设备每TTI并发调度用户数能力还可能受限于硬件处理能力，如设备每TTI能调度的用户数等，此时VoLTE用户容量就会进一步受限于设备能力。

2.3理想蜂窝结构下的VoLTE用户数分析

实际网络容量的评估与网络结构以及无线场景和用户分布密切相关，因此VoLTE用户容量的评估需要借助于能够真实模拟现网情况的无线网络规划仿真工具。

应用设计院自主研发的LTE无线网络规划工具APC（Advanced Planning Cloud）对VoLTE单一业务模型下的容量进行仿真。采用站间距为500 m的理想蜂窝结构，周围小区采用50%负荷，中心小区可以占用100%RB条件下，仿真可得VoLTE用户数如图2所示。

因此，单VoLTE业务条件下，采用动态调度机制时其容量受限于PDCCH信道；采用SPS调度机制时，其容量受限于业务信道（每VoLTE用户所占用RB数）或每TTI的调度能力。如前所述，SPS调度机制是自适应开启的，当用户所处位置较好时，采用SPS调度；当用户所处位置较差时，采用动态调度。由于在网络中大分组业务和小分组业务并发，因此实际网络中，网络容量的受限因素难以一概而论，LTE网络容量也难以定量估算。下面我们将对混合业务条件下网络容量衡量方法进行分析。

图2　理想蜂窝结构下VoLTE用户数容量仿真结果

在引入VoLTE业务后，LTE网络承载的业务类型将更加多样化。在网络容量指标上，不能单一地应用小区吞吐量来进行衡量，需要同时结合VoLTE用户数与数据业务吞吐量来进行衡量。在衡量机制上，也需要结合实际测试结果，应用无线网络规划工具进行容量仿真。此时，对于规划工具的容量仿真提出了更高的要求。不仅需要在容量仿真中能够反映多业务特点，如图3所示。对于FTP、网页浏览、视频、话音等不同业务的业务到达特点和分组发送机制进行模拟。同时，也需要在容量仿真中结合QCI等级等多种因素进行调度分析。

图3　数据业务特点

APC能够支持对多种数据业务的建模，在实际工程应用中，需要应用DPI等分析手段获取现网实际数据业务模型，然后通过无线网络规划仿真工具进行容量仿真，从而合理评估规划设计网络的综合容量承载能力。

3　VoLTE全球发展及优势分析

VoLTE具有许多技术优势，在呼叫时延上可以达到0.5～2s，仅是2G/3G网络现有5～ 8 s的1/10；在视频质量上，能够支持的典型分辨率为480×640，以及720 P/1 080 P，比2G/3G的分辨率176×144提升了10倍；在话音质量上，能够支持话音频率范围更宽达到50～7 000 Hz，编解码能够达到AMR-WB 23.85 kbit/s，比2G/3G网络中话音频率300～3 400 Hz，编解码仅支持AMR-NB 12.2 kbit/s提升了2倍。在频谱效率上，LTE网络承载话音业务能够达到2G/3G网络的3倍以上。同时，由于它承载在LTE网络上，使得LTE网络能够同时支持话音与数据业务，减少了运营商维护两张网络的复杂性。

现网运营数据表明传统移动话音服务使用量已经处于持续下降趋势，运营商需要为未来开发新的话音业务机会，这也是全球通信运营商所达成的基本共识。根据GSA统计，截止到2016年1月底，有186个国家的708个运营商商用或预商用了LTE网络；其中56个国家的118个运营商正在进行VoLTE相关投资活动，29个国家的46个运营商已经商用部署了VoLTE高清话音业务。可以说，当前VoLTE技术已经在全球蓬勃发展。其中亚太地区是部署VoLTE的主要地区之一，紧随其后的是美国。部分运营商商用时间信息如表2所示。

在国内，中国移动“2020战略愿景”表明，中国移动正在向数字化服务专家转型，在融合融信“新通话、新消息、新联系”的三新战略中，“新通话”就是以VoLTE为核心。当前，浙江、江苏等多个省公司已经正式宣布VoLTE商用，已经实现了里程碑式的突破。

纵观全球，发达市场和新兴市场的运营商在VoLTE商业部署方面存在差异：成熟LTE市场的运营商正在快速发展，比如韩国所有运营商都已经提供了VoLTE服务，美国的主要运营商也推出了VoLTE服务；而新兴市场的运营商鉴于所需IMS部署的费用和复杂性采取较为谨慎的态度。

表2　全球运营商VoLTE商用时间　

VoLTE能够为客户带来增强的话音体验，但它需要运营商大量投资部署IMS基础设施。但是不向VoLTE迁移也会面临运行两个独立网络的成本和复杂性的提高。因此运营商需要积极研究与评估VoLTE的商业模型，专注于提供引人注目的服务和差异化的体验，让客户愿意支付溢价。同时也要保持灵活的定价并仔细评估不同的收费模式以刺激VoLTE使用。

4　VoLTE未来发展需要重点关注的问题

为用户提供稳定且高质量的话音业务是VoLTE未来发展的重要基石。而VoLTE组网复杂，业务流程涉及终端、无线网、承载网、EPC、IMS核心网、业务支撑、业务平台等多个领域协同，端到端提供高质量业务难度增加。在未来发展中需要结合现网应用情况，首要关注VoLTE端到端业务质量监测手段的健全。摸索VoLTE话音质量大数据分析的方法，通过多维数据分析发现共性问题，提升问题定位的准确性和优化生产效率；其次要关注VoLTE话音业务与LTE数据业务协同优化，VoLTE业务和数据业务由LTE网络承载，既相互关联又相互区别，业务QoS特性、以及用户感知的差异决定了VoLTE业务在参数和功能上的个性化需求；同时也要关注VoLTE业务的国际漫游与互通方案的落地实现，让VoLTE用户能够走出去也能进得来。

［1］ 王映民，孙韶辉. TD-LTE 技术原理与系统设计［M］. 北京：人民邮电出版社，2010（6）.

［2］ 3GPP TS 36.211. Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）；Physical Channels and Modulation［S］.

［3］ 3GPP TS 36.321. Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； Medium Access Control （MAC）protocol specification［S］.

［4］ 颜军，徐皓. 运营商VoLTE发展策略探讨［J］. 科技创新与应用，2015（35）.

Research on wireless network capacity and technique of VoLTE

DONG Jiang-bo
（China Mobile Group Design Institute Co.， Ltd.， Beijing 100080， China）

The technique principle and wireless network capacity with VoLTE technology is studied in this paper. And the key issues in the future development are given when the global development of VoLTE is analyzed.

VoLTE； ROHC； SPS； OTT

TN929.5

A

1008-5599（2016）08-0001-05

2016-06-06