弱覆盖环境下VoLTE语音感知提升研究

陈 贞，周晓南

(1.莆田学院 信息工程学院, 福建 莆田 351100； 2.贵州大学 学报编辑部，贵州 贵阳 550025)

目前主流的长期演进(Long Term Evolution，LTE)语音解决方案包括三种：双待机、电路域回落(Circuit Switch Fall Back，CSFB)、长期演进语音承载(Voice over Long-Term Evolution，VoLTE)三种[1]，VoLTE被公认为是LTE语音的最终形态。VoLTE是架构在LTE网络上全IP条件下的端到端语音方案，VoLTE的语音作为IP数据传输，无需2G/3G网，全部业务承载于LTE网络上，可实现数据与语音业务在同一网络下的统一[2]。随着VoLTE业务商用和逐步成熟，VoLTE客户日益增长，感知问题也日益凸显。尤其是在LTE整体覆盖较弱的场景下，频繁地出现语音质差问题，严重影响VoLTE的使用感知及市场业务发展。

导致弱覆盖的原因很多，比如缺站、站点布局不合理、天馈不合理、建筑物遮挡、小区功率不足以及用户所处位置较封闭等。解决弱覆盖问题，最有效的办法是增强物理覆盖，但受限于站点储备的困难、美化天线的大量应用以及城市建设的快速发展，局部的弱覆盖仍无法避免。虽然通过提升基站的发射功率可以一定程度上改善弱覆盖问题，但目前的功率主要受限于上行，一味地提高下行功率有可能导致上下行不平衡，使得用户接入困难[3]。

鉴于此，有必要在无法通过物理手段增强覆盖的前提下，另辟蹊径，应用其他手段来对弱场条件下的用户感知进行提升。本文通过对弱覆盖场景下影响用户感知的各类问题进行分析，从优化网络参数及应用新功能方面来提升弱场条件下的VoLTE用户语音感知。

1 影响VoLTE语音业务的主要问题分析

1.1 弱覆盖对VoLTE语音业务影响分析

在4G通信中，弱覆盖或深度覆盖不足是影响VoLTE语音用户感知的主要因素，据统计，用户投诉中约60%的投诉由弱覆盖引起，主要表现为未接通、起呼慢、掉话、断续或单通等，使用户对所谓的VoLTE高清语音的体验极差。从专业角度分析，这些异常事件在物理层体现为丢包、抖动、端到端时延过长或质差，最终影响用户的语音质量平均意见分(Mean Opinion Score，MOS)及使用感知[4-5]。

通过分析现网MOS值随参考信号接收功率(Reference Signal Received Power，RSRP)变化的趋势表明，当RSRP低于-110 dBm时，MOS值明显恶化(图1)。

图1 RSRP对语音MOS值的影响Fig.1 Effect of RSRP on speech MOS value

1.2 PDCCH调度容量分析

VoLTE是上下行对称业务，容量受限于资源少的一方，目前上下行时隙配置为1UL∶3DL，在弱场环境下VoLTE语音业务容易出现调度上行资源的物理下行链路控制信道(Physical Downlink Control Channel，PDCCH)容量受限，导致上行语音包来不及调度，影响VoLTE语音业务通话质量[6]。

根据3GPP 36.213规范[7-8]，时分双工(Time Division Duplexing，TDD)上下行时隙配置为2时(DL∶UL=4∶1)，终端在上行子帧2,7发送数据，网络只能通过下行子帧3,8的PDCCH分配资源，如图2所示。

图2 PDCCH与对应的PUSCH传输之间的定时关系Fig.2 Timing relationship between PDCCH and corresponding PUSCH transmission

eNodeB使用物理混合自动重传指示信道(Physical Hybrid ARQ Indicator Channel，PHICH)来反馈对应物理上行链路共享信道(Physical Uplink Shared Channel，PUSCH)传输的ACK/NACK。上下行时隙配置为2时，PHICH固定配置在下行子帧3,8里面，如图3所示。即如果用户设备(User Equipment，UE)在子帧2发送了PUSCH，则UE会在子帧8接收对应的PHICH；如果UE在子帧7发送了PUSCH，则UE会在下一系统帧的子帧3接收对应的PHICH。PHICH相应地挤占了下行子帧3,8里PDCCH的可用信道容量。

图3 PUSCH传输与对应的PHICH(ACK/NACK)之间的定时关系Fig.3 Timing relationship between PUSCH transmission and corresponding PHICH(ACK/NACK)

上下行时隙配置为2且特殊子帧配置为7时，prach采用 format 0,1和2，random access message 2固定分配在下行子帧3,8上面，如图4所示。

图4 随机接入消息之间的定时关系Fig.4 Timing relationship between random access messages

从上述分析可以看出，在当前网络配置下，上行子帧2,7的资源只能通过下行子帧3,8里的PDCCH信道分配，PHICH和random access message2也固定分配在下行子帧3,8里面，相应地挤占了子帧3,8里PDCCH可用的信道容量，因此这两个下行子帧里的PDCCH资源相对紧张。

同时，对PDCCH的需求还跟用户所处的无线环境相关。PDCCH信道在一个或多个连续的CCE上传输，根据3GPP 36.211规范[9]， PDCCH信道分成4种不同的聚合等级(表1)，等级越高，健壮性越强，但需要占用更多的无线资源。

表1 PDCCH格式Tab.1 PDCCH format

在弱场环境下，为了提高PDCCH的解调性能，需要用到较高的控制信道资源单位(Control Channel Element，CCE)聚合度，即占用更多的CCE资源。如图5所示，正常小区主要使用低聚合度的PDCCH,而弱覆盖小区其高聚合度的PDCCH占比更高，加剧了对PDCCH资源的需求。据现网统计，弱覆盖小区的PDCCH拥塞率可达正常环境下的小区的2倍以上。

图5 弱场与正常环境下PDCCH各聚合等级占比对比Fig.5 Comparison of the proportion of PDCCH aggregation levels between weak and normal coverage environment

1.3 VoLTE QoS分析

现网常规子帧配置为2，10 ms的无线帧中仅包含两个上行子帧，上行资源配置相对匮乏，导致进行Volte语音和视频业务时，上行资源成为保证比特速率(Guaranteed Bit Rate，GBR)业务的主要瓶颈。

LTE中每一类业务都有相应的业务质量(Quality of Service，QoS)保障，关键参数包括资源类型 (GBR或者Non-GBR)、优先级、数据时延和丢包率[10-11]。对于VoLTE视频通话，需要建立2个Qos等级标识(QoS Class Identifier，QCI)承载，即QCI1和QCI2，分别用于承载语音数据和视频数据。其中，Priority(优先级)和优先比特率(Prioritised BitRate，PBR)对于优先保障语音质量起关键作用，而在现网视频业务测试中，如图6所示，QCI1的PBR=8 kBps，QCI2的PBR=256 kBps， QCI1的PRB设置过小，远低于规范要求的64 kBps。

电工电子技术课程是面向非电类专业开设的一门重要技术基础课，随着时代和科技的发展，该课程教学内容不断更新与扩充，如果仍采用传统方法进行教学，无论从学时上，还是从教学形式上，都不能满足现代教学的需要，必须进行教学模式改革。《国务院关于积极推进“互联网＋”行动的指导意见》提出要通过互联网探索新型教育服务供给方式，以此实现教育资源共享，提高教育质量。在“互联网+”背景下，对电工电子技术课程采用混合式教学模式，实现教学模式与学习方式的创新。

图6 现网QCI1与QCI2上行逻辑信道配置Fig.6 Uplink Logic channel configuration of QCI1 and QCI2 in current network

这种配置导致语音承载只有8 kBps得到优先保障，在上行资源受限的情况下，QCI2还有256 kBps的优先调度数据需求，有可能导致话音承载8 kBps以外的数据得不到保障，造成语音质差。

1.4 bSRVCC导致未接通分析

VoLTE基于分组域提供IP语音业务，在LTE弱覆盖或无覆盖区域，可通过单待无线语音呼叫连续性(Single Radio Voice Call Continuity，SRVCC)将VoLTE话音切换至2G/3G电路域来保证通话的连续性[12-13]。其中bSRVCC(即振铃前SRVCC到2G)需要R12版本才能支持，现网网络或终端设备都无法支持bSRVCC。在弱场环境下，VoLTE终端有较大概率bSRVCC到2G,由于bSRVCC 处于VoLTE起呼阶段，因此bSRVCC问题必然导致起呼失败，影响用户接入。

1.5 数据业务重定向导致掉话分析

相对于传统的2/3G语音，VoLTE支持高清语音、高清视频以及更短的接续时长。最大的特点是支持语音与数据并发业务，即打电话和上网可以同时进行，这本是VoLTE的一大特点，但是如果设置不当则可能导致掉话。

在无线信号趋于变弱时，VoLTE通过eSRVCC切换到全球移动通信系统(Global System for Mobile Communications，GSM)网络，而数据业务通过重定向转换到GSM网络，两者各有不同的参数设置(图7)[14]。由于VoLTE业务的B2切换判决门限与数据业务重定向A2门限相差不大，且前者的判决规则要严于后者，加上弱场下信号波动较大，导致VoLTE业务进入覆盖风险区时，会先行触发数据业务重定向到GSM网络，由于GSM不支持VoLTE业务，从而导致VoLTE中断发生掉话事件。

图7 VoLTE语音业务与数据业务覆盖差异Fig.7 Comparisons of coverage differences between VoLTE services and data services

2 VoLTE语音业务感知优化方案

通过上述对弱场下影响VoLTE语音感知最主要的因素进行分析，下面从参数调优、容量优化、不同等级QCI参数设置、新功能应用、SRVCC优化、语音与数据协同等多个维度进行综合性优化与提升，着重解决了丢包、抖动、MOS值低、未接通及掉话等问题，有效地提升了弱场环境下的VoLTE用户语音感知。

2.1 PDCCH上行调度容量优化

2.1.1PDCCH相关参数优化

前述分析得知，弱场环境下用于上行的PDCCH资源较为紧张，基于此，一方面是调低用于下行调度的PDCCH开销，另一方面是调高用于上行调度的PDCCH资源，以优先保障上行调度，相关参数优化如表2所示。

表2 PDCCH相关参数优化Tab.2 Optimization of PDCCH related parameters

2.1.2SPS功能开启

VoLTE语音业务每20 ms产生一个语音包，如果每个语音包都通过PDCCH进行调度，对PDCCH资源消耗极大，因此引入了半静态调度 (Semi-Persistent Scheduling，SPS)功能。

与动态调度时，在每个传输时间间隔(Transmission Time Interval，TTI)1 ms都需要通过PDCCH为UE分配资源不同，针对语音包周期性收发的特点，半静态调度(Semi-Persisting Scheduling，SPS)可以只分配一次资源即可供VoLTE语音用户在较长一段时间内使用， 这种“一次分配，多次使用”的特点，极大地降低了PDCCH的开销，原理如图8所示。

图8 SPS原理图Fig.8 SPS schematic diagram

2.2 VoLTE业务QoS优化

根据规范，在每个上行调度时机，终端按照优先级递减顺序组包，即先分配QCI1的PBR，再分配QCI2的PBR，如果QCI2的PBR设置太大，有可能QCI1的PBR以外的带宽需求就会受到影响。现网QCI1的PBR设置过小，鉴于用户对语音质量的敏感度高于视频质量，因此通过提升QCI1的优化级及降低QCI2的PBR，可以避免在上行资源受限的情况下，QCI2抢占过多资源，同时优先保障了语音QCI1的资源需求。

在上行资源受限的情况下，通过把QCI2的PBR由256减少到128，话音实时传输协议(Real-time Transport Protocol，RTP)抖动时延由66.808 ms减少到29.973 ms,改善明显。

另一方面，为了进一步验证QCI1优先级对话音的影响，我们在弱场(RSRP=-120 dBm)做了如下测试，把QCI1的优先级由5提升到3(即PBR配置成无穷大(“infinity”))，对视频业务的话音MOS值有明显提升作用，对单独话音的MOS值影响不大。

表3 QCI1不同优先级对业务的影响Tab.3 Impacts of different priorities of QCI1 on services

2.3 SRVCC优化

通过引入Smart SRVCC功能，可以规避bSRVCC现象，解决VoLTE用户弱场起呼失败问题。Smart SRVCC基本设计思想：VoLTE起呼过程中，增加一个延迟定时器，在QCI1承载建立时，启动该定时器，在定时器超时前，忽略终端上报的B2/B1 测量报告，当定时器超时后，正常响应终端上报的B2/B1 测量报告，尽量将SRVCC切换发生时间点推迟至Alerting之后，从而规避bSRVCC问题，如图9所示。

图9 VoLTE不同呼叫阶段的SRVCCFig.9 SRVCC in different call phases of VoLTE

为了找出延时定时器的最优值，在弱场下进行VoLTE拨打VoLTE，VoLTE拨打电路域回落(Circuit Switch Fall Back，CSFB)的拨打测试，通过设置不同Timer定时器值，验证对VoLTE呼叫成功率和掉线率的影响。

如图10测试结果可见，合理的Timer延迟定时器时长可以有效减少bSRVCC的概率，提高VoLTE弱场接通率，由于目前现网还是VoLTE用户拨打非VoLTE用户的出现概率高，从测试结果来看，要尽量避免bSRVCC的发生，Timer至少要配置在6 s以上。

但是过高的Smart SRVCC Timer延迟设置，可能会造成快衰场景中VoLTE起呼接通后由于SRVCC切换不及时，引起VoLTE掉线，因此需对接通率和掉线率进行平衡。

图10 弱场下Smart SRVCC延迟定时器不同设置值对接通率的影响Fig.10 Effects of different setting values of Smart SRVCC Delay Timer on connection rate in weak field

对快衰场景中不同的Smart SRVCC Timer测试如图11所示，当Timer延迟设置在7.5 s以上时，掉线率上升明显，结合弱场下的测试结果，合理的Timer延迟配置应该在6～7 s，最终定为6.5 s，此设置对用户感知影响最小，即为最优解。当然6.5 s的延时定时器设置为全网建议配置，优化人员也可以进行小区级粒度的精细化设置。

图11 弱场下Smart SRVCC延迟定时器不同设置值对掉线率的影响Fig.11 Effects of different setting values of Smart SRVCC Delay Timer on dropping rate in weak field

2.4 数据业务重定向优化

通过设置参数a2RedirectQci1= disabled，当终端存在语音QCI1承载时，数据业务A2重定向测量将不会激活，即在VoLTE语音业务下，即使并发了数据业务，终端也不会再发起重定向业务，这样就规避了因数据业务重定向到GSM而造成的VoLTE语音业务掉话。当终端不存在任何QCI1承载时，也不会影响正常的A2重定向测量。

3 VoLTE语音感知优化成效

通过对VoLTE容量、用户感知、指标提升等方面进行全面的分析，在现网应用上述优化提升方案，不管是在网管统计方面还是路测统计方面，弱覆盖场景下VoLTE语音感知均有明显的改善，如图12和图13所示，较好地解决了弱场环境导致的通话异常问题，极大地提升了VoLTE用户的4G网络高清语音体验和感知，提升效果显著。

图12 网络性能提升效果Fig.12 Improvement effects of network performance

图13 优化前后路测指标提升情况Fig.13 Improvement effects of driving test

4 结语

目前VoLTE网络覆盖仍在不断完善中，同时网络与终端的配合度及相关功能仍存在一些缺陷，导致VoLTE用户，特别是弱场环境下的用户更容易出现通话异常事件，极大地影响了用户感知。本文通过对弱场环境下各类异常事件的分析，从参数调优、容量分析、分QCI参数设置、新功能应用、SRVCC、语音与数据协同等多个维度进行综合性分析与优化，有针对性地提出了相应的解决方案，较好地解决或改善了上述问题。该方案建议应用在无法通过物理覆盖增强的弱场环境下或深度覆盖不足区域，方案实施简单实用，效果明显。