基于SINR最优的VoLTE异频切换优化

陆健贤，黄济丘，赵旭

（1.中国电信股份有限公司云浮分公司，广东 云浮 527300；2.中国电信股份有限公司研究院，广东 广州 510630）

0 引言

800—900 MHz 频段具有良好的无线传播特性，2G 网络首先采用该频段作为覆盖层，而后再利用高频段建设网络容量层。在LTE部署初期，因低频段仍需承载2G/3G 业务，各运营商采用1.8—2.6 GHz 的高频段建设LTE 网络，用于承载移动数据业务。近年来，随着800—900 MHz 频率重耕，原有2G/3G 站址叠加部署了低频段LTE 基站。对于国内CDMA 运营商，VoLTE 无法通过SRVCC 在LTE 覆盖弱区将语音回落到2G/3G 网络，如何在不新增投资和运营成本的条件下发挥多频LTE 网络的最大覆盖潜力、提高VoLTE服务质量是网络优化的重要课题。

1 1.8 GHz与800 MHz LTE的现网覆盖比较

LTE 常用的覆盖指标主要为RSRP 和SINR。因800 MHz和1.8 GHz 频段带宽不同导致RS 功率差异（800 MHz 较1.8 GHz 高约7 dB），为便于分析和论述，本文采用路径损耗（RS 功率与RSRP 的差值）和SINR 作为覆盖指标。在市区测试区域，800 MHz 和1.8GHz 频段LTE 重叠覆盖，基站数量、密度和站间距如表1 所示：

表1 测试区域的1.8 GHz和800 MHz基站数量及站间距

两个频段网络的路径损耗和SINR 分布如表2 所示：

表2 1.8 GHz和800 MHz LTE室外和室内覆盖质量对比

由测试结果得到：

（1）室外区域：1.8 GHz 路径损耗均值较800 MHz小11 dB，SINR 均值较800 MHz 高2.9 dB。

（2）室内区域：1.8 GHz 路径损耗均值较800 MHz大3 dB，SINR 均值较800 MHz 的低1 dB。

因1.8 GHz 基站密度是800 MHz 的2.65 倍，1.8 GHz室外覆盖全面优于800 MHz。但1.8 GHz 的穿透能力较弱，800 MHz 在室内深层区域优于1.8 GHz。与2G 网络不同，市区800 MHz LTE 网络并不具备绝对覆盖优势，若只使用其承载VoLTE 并不能发挥网络最大潜力。

2 影响通话质量的关键覆盖因素

VoLTE通话质量采用POLQA[1]算法评估的MOS值表示，覆盖问题导致的丢包、时延和抖动都会对通话质量产生影响：

（1）路径损耗对通话质量的影响如图1 所示，2T2R 基站的MOS 拐点出现在路径损耗约130 dB 处，此后MOS 均值不断降低，路径损耗大于135 dB 时，MOS 均值低于3.5。

图1 路径损耗对MOS均值的影响（RoHC功能打开，PDCP丢弃定时器设置为100 ms）

（2）SINR 对通话质量的影响如图2 所示，当SINR低于0 dB，MOS 均值将低于3.5，其后MOS 均值将随SINR 降低而急剧下降。

图2 SINR对MOS均值的影响（路径损耗约为130 dB）

根据测试结果，不同MOS 区间的路径损耗、SINR以及切换分布如表3 所示。对比高（大于3.5）低（小于3）MOS 区域，SINR 小于0 dB 占比的差异最大，路径损耗差异最小（不足5%），切换居中。在低MOS 值区域，SINR 小于0 dB 的占比高于10%，是高MOS 值区域的2倍以上。此外，由于切换发生在小区边缘，与SINR 具有较强的相关性。因此，从覆盖角度，低SINR（SINR 小于0 dB）是影响市区MOS 的最关键因素。

表3 高低MOS区域的路径损耗、SINR及切换对比

3 基于SINR最优的异频切换优化方法

3.1 优化目标及步骤

结合两个频段的覆盖情况及1.8 GHz 带宽优势，应将1.8 GHz 作为优选网络层、800 MHz 作为托底网络层，SINR最优的异频切换优化目标为：通过切换实现两个频段覆盖互补，尽可能降低SINR 小于0 dB 的占比，提升通话质量。

LTE 切换过程包括测量、上报、判决和执行4 个步骤[2]，即使在250 km 时速仍可保持良好性能[3]。文献[4]定义了切换涉及的测量事件，同频切换一般采用基于A3事件的切换[5-6]，本文主要研究基于A5 的1.8 GHz/800 MHz异频切换，主要事件包括：

（1）A1：服务小区质量高于一定门限，该事件触发时停止异频测量。

（2）A2：服务小区质量低于一定门限，该事件触发时启动异频测量。

（3）A5：服务小区质量低于门限1 并且邻区质量高于门限2，门限值可根据QCI 类型分别设置，该事件触发异频切换。

根据文献[7]，无线质量的测量指标为RSRP 或RSRQ，但RSRQ 单独作为异频切换的测量指标较RSRP并无优势[8]，现网采用基于RSRP 测量的异频切换。因SINR 不是可上报的测量指标，为实现RSRP 与SINR 的关联，基于SINR 最优的异频切换优化分为2 步：

（1）首先根据测试结果建立从RSRP-＞路径损耗-＞SINR 的映射关系。

（2）仅当服务小区的SINR 低于一定门限值且异频相邻小区的SINR 更优时执行异频切换。根据（1）得到的映射关系，先设置触发A5 事件的门限值，再由A5 门限值确定A1 和A2 门限值。

3.2 路径损耗到SINR的映射

图3 为路径损耗对应的SINR 小于0 dB 占比，由该图可获得从路径损耗-＞SINR 的映射关系。在室外路径损耗小于102 dB 的区域，两个频段SINR 小于0 dB 的占比基本一致，若要求SINR 小于0 的占比小于5%，1.8 GHz 对应路径损耗应小于116 dB、800 MHz 为120 dB。在室内路径损耗小于116 dB 的区域，1.8 GHz 和800 MHz SINR 小于0 的占比相当，大于116 dB 的区域，800 MHz 优于1.8 GHz，当路径损耗大于120 dB 后1.8 GHz SINR 逐步上升，路径损耗大于126 dB 后1.8 GHz SINR 急剧恶化。

图3 路径损耗->SINR的映射关系

3.3 基于映射关系的参数设置

因网络并不知道终端处于室外还是室内，A5 门限1和门限2 应综合考虑室内外测试结果设置，尽可能确保目标小区SINR 优于当前服务小区。此外，异频测量的测量间隔会导致15%～25% 的上行吞吐量损失[9]，A1、A2 门限设置应避免过早启动异频测量。根据3.2 节路径损耗-＞SINR 的映射关系和RS 功率，可计算出异频切换A1、A2 及A5 门限的RSRP 值。

（1）从1.8 GHz 切换到800 MHz：当1.8 GHz SINR 小于0 dB 占比大于5%且800 MHz SINR 优于1.8 GHz 时，执行从1.8 GHz 到800 MHz 的切换。参照图4，A5 门限1 设置为路径损耗116 dB 对应的RSRP=15.2（RS 发射功率）-116≈-101 dBm。同时为了保证800 MHz SINR 小于0 dB 的占比优于1.8 GHz，A5 门限2 的路径损耗应不高于120 dB，对应的RSRP=22.5（RS 发射功率）-120 ≈-98 dBm。A2 门限=A5门限1+3 dB，A1 门限=A2 门限+3 dB。

（2）从800 MHz 切换到1.8 GHz：当800 MHz 路径损耗大于130 dB（MOS 下降对应的路径损耗拐点）且1.8 GHz SINR 在稳定范围时，执行从800 MHz 到1.8 GHz的切换。A5 门限1 对应路径损耗为130 dB，根据图3，A5门限2 对应的路径损耗为120 dB，按照（1）相同的方法计算A5、A1、A2 的RSRP。

图4 从SINR到路径损耗到RSRP的切换参数设置过程

A1、A2 及A5 门限参数值如表4 所示。作为对比，表中也列出了网络中原先使用的基于800 MHz 优先的切换参数，该设置将VoLTE 尽可能使用800 MHz 承载。

表4 基于SINR最优的VoLTE切换参数设置

4 优化前后网络性能对比

优化后VoLTE 使用的频段分布如图5 所示，原来单独使用800 MHz 的低MOS 区域大部分切换至1.8 GHz 频段，实现了覆盖互补。各种设置的MOS 对比如表5 所示。基于SINR 最优的异频切换获得的通话质量最优，MOS 显著高于单独使用1.8 GHz 及800 MHz。同时，因市区800 MHz 总体覆盖并无绝对优势，基于SINR 最优的通话质量较800 MHz 优先具有较大提升，其MOS 均值较800 MHz 优先高0.09，MOS 大于3.5 的占比高5.04 个百分点。

图5 优化后VoLTE使用频段及单独800 MHz低MOS值区域分布对比

表5 各种场景的SINR及主要通话指标对比

从切换次数看，基于SINR 最优的切换次数与单独使用1.8 GHz 基本相当。虽然该区域内1.8 GHz 基站数量为800 MHz 的2.65 倍，但单独使用1.8 GHz 的切换次数仅比单独使用800MHz 高23%，大大低于两者基站比例。其原因在于，由于无线环境的复杂性，实际网络的小区并非边界清晰的六边形蜂窝，虽然800 MHz 单站覆盖面积大，但较少基站也导致信号的均匀性较差，更复杂的边界导致的频繁切换极大抵消了因单站覆盖范围大而减少的切换次数。

5 结束语

覆盖是影响VoLTE 通话质量的关键，基于目前市区800 MHz 及1.8 GHz LTE 网络均不具备绝对覆盖优势的实际情况，通过异频切换优化充分发挥现有多频段LTE 网络的互补覆盖是提高VoLTE 用户感知的重要手段。本文根据800 MHz 及1.8GHz 室内外覆盖数据，提出了基于SINR 最优的异频切换优化方法，经应用验证，优化切换参数设置后，VoLTE 用户感知的MOS 较单独使用1.8 GHz 或800 MHz 均显著提高，在不新增投资和成本的情况下挖掘了各覆盖层的潜力。