TD—LTE室分系统VoLTE容量性能分析

熊炼　彭先武

【摘 要】

研究分析了LTE室分网络下的VoLTE业务和数据业务共存的性能，通过对VoLTE关键技术的研究和在相关场景下的仿真分析，得出随着VoLTE用户数的线性增加会导致数据速率线性下降的结论，可以根据无线信道环境合理地规划VoLTE容量和覆盖，对当前的VoLTE业务大规模部署有借鉴意义。

【关键词】

VoLTE 半静态调度 健壮性报头压缩 室内分布系统 吞吐量

1 引言

当前4G数据业务在各运营商收入中占比不断增大，随着4G的全面推广，数据业务占的比重将会超过传统语音业务。语音和短信的持续下滑直接导致运营商净利润持续下跌，同时还面临着来自OTT互联网企业的通讯软件诸如微信、Skype的不断冲击，为了改变这一现状并且为用户提供更优质量、更低价格的通话服务，运营商一直在加速VoLTE的商用进程，2015年6月底，上海移动就实现VoLTE业务全网覆盖，可以说2016年是VoLTE商用元年。

基于IMS的VoLTE/SRVCC（Single Radio Voice Call Continuity，单一无线语音呼叫连续性）是4G提供语音服务的终极解决方案。相对于OTT互联网运营商基于VoIP技术的APP（微信、Skype等）语音服务，VoLTE比VoIP音质提高40%、省电40%、延时低94%、节省50%的流量消耗，电话接通时间更短、信号更稳定，而且VoLTE支持紧急通信、通话监听等政府管制类业务，其标准化程度高、互联互通性能好。文章接下来将研究VoLTE关键技术，并进行相关场景下的仿真分析。

2 VoLTE关键技术

VoLTE用到了几个关键技术如AMR-WB编码方案、ROHC（Robust Header Compression，健壮性报头压缩）、SPS（Semi-Persistent scheduling，半静态调度）、TTI（Transmission Time Interval，传输时间间隔）bundling等来提升业务的覆盖和容量。AMR-WB（Adaptive Multi-Rate WideBand，自适应多码率宽带语音编码）是VoLTE沿用的比较成熟的3G技术，TTI bundling是当用户处在覆盖较弱的情况下（如小区边缘），为获得较高的上行速率才开启的，为此本小节将简单介绍ROHC和SPS技术。

2.1 ROHC头压缩技术

AMR-WB的编码帧长为20ms，即每个语音包负荷的尺寸为17～60Byte，按照典型的一个语音包占32个字节来算，若按照IPV4的格式封装，其报头尺寸为40个字节，那么承载掉率只有44%；若按照IPV6封装，则承载效率更低，只有35%，这大大降低了网络的业务容纳能力。为此，3GPP采用了ROHC协议来解决这一问题，利用ROHC最多可以将报头尺寸压缩到1个字节，大幅减少VoLTE语音包尺寸，减少用户流量消耗，大大提升VoLTE容量。

2.2 半静态调度技术

LTE数据业务采用的是动态调度，动态调度可以高效灵活的根据无线信道环境使用信道资源，对于一些QoS要求不高的高宽带移动互联网业务来说，动态调度无疑是最好的。

对于VoLTE语音业务而言，由于VoLTE用户会长时间、周期性地占用业务信道资源，且有可能出现大量语音业务并发情况，动态调度机制会消耗大量的调度资源，带来VoLTE业务容量瓶颈，而SPS能解决这一问题。SPS是指在通话状态的激活期，每个数据包的到达周期为20ms，数据传输过程中，UE通过识别SPS来保存当前的调度信息，并每隔20ms在相同的时频资源上进行该业务数据的发送或接收。使用SPS技术可以有效节省控制信令开销，支持更多的用户，提高系统容量。

3 VoLTE容量计算

限制VoLTE容量的因素主要是业务信道和控制信道可用资源数。如果采用SPS技术，那么共享信道受限是影响VoLTE容量的主要因素，而在一些业务热点区域，用户容量是主要关注问题，特别是本文分析的场景是基于某商场室内分布系统，是采用了SPS和ROHC技术来提升容量的。另外VoLTE业务是上下行对称业务，因此主要是上行容量受限。所以本文主要考虑计算和仿真分析PUSCH信道容量。

业务信道容量用VoLTE用户数表示如下：

NVoLTE （1）

其中，表示上行可用RB数；NTTI 表示一个语音数据包传送周期内的TTI数；η表示重传因子；ηPRACH为PRACH因子；ηTDD为ηTDD因子；表示每个VoLTE呼叫占用RB数；α为话音激活因子。

根据现场软件测试和3GPP相关标准，其各个变量取值如表1所示：

表1 业务信道容量各个变量取值

变量 本室分场景20M组网、TM3模式、DL：UL=2：2

可用RB数 100，PUCCH占用

每个VoLTE呼叫占用RB数 MCS>16时，1个VoLTE语音包需要2个PRB

15>MCS>12时，1个VoLTE语音包需要3个PRB

11>MCS>7时，1个VoLTE语音包需要5个PRB

TTI数 20

重传因子 10%HARQ

PRACH因子 占用6个RB

TDD因子 上行TDD因子=0.2

话音激活因子 0.65

根据表1参数，在不同MCS模式下可以分别计算出23.85kbps速率下VoLTE用户数如表2所示：

表2 23.85kbps速率下用户数

编码速率/kbps 传输方向 MCS VoLTE用户数

23.85 上行 MCS>16 385

15>MCS>1 224

11>MCS>7 148

通过表中数据可以发现，MCS值越高即无线环境越好，VoLTE用户数越多。

4 VoLTE和数据业务性能分析

在引入了VoLTE业务后，衡量LTE网络容量指标需要同时结合VoLTE用户数和数据业务吞吐量。VoLTE业务相对于其他数据业务有绝对高的调度优先级，其它数据业务之间采用的是比例公平调度方式。系统为每个预定用户分配的PDCCH资源数是根据传输模式和资源配置方式进行的，对于PDCCH资源的可用性，分两种情况来仿真分析：PDCCH容量受限；SPS（即PDCCH不受限）。

对于同一小区用户，具体的用户分布通过同心圆模型获得近似结果，因此近点、中点、远点用户比例为1：3：5。同时，根据实际场景所测结果可知，MCS主要集中在27、28，根据表1结果，单小区总的最大VoLTE用户数为385，故近中远三点VoLTE用户数取40、120、200。

根据参考文献[2]的公式计算，可以得知在20M组网、TM3模式、DL：UL=2：2、22MIMO双流、最大MCS组网情况下，最大吞吐量约为145Mbps，实际环境因MCS为27，所以实测偏小，如图1所示。

由此可将数据业务用户吞吐量制成表，近中远三点的吞吐量和VoLTE用户数以及PDCCH受限和SPS关系如表3所示。

从表3可以看出，随着VoLTE用户数的增加，用户吞吐量逐渐变小，几乎是呈线性变化的。同时采用SPS技术比PDCCH受限在相同情况下会有吞吐量的提升。

VoLTE用户对数据业务性能影响主要有两个方面：

（1）会减少分配给数据业务用户的资源块；

（2）降低数据业务用户的多用户分集增益。

第一个方面主要是由于VoLTE业务具有更高的优先级，当VoLTE用户线性增加，其需调度使用更多的RB，而RB有限，留给数据业务用户的可用RB数变少，相应的吞吐量呈线性下降，如图2所示；第二个方面主要是在某种程度上缓和了VoLTE用户的绝对优先级。

当PDCCH信道容量受限时，随着VoLTE用户数增加，还会对数据业务带来额外的影响。从图2可以看出，同样的场景下，SPS比PDCCH受限可以提供更高的吞吐量和VoLTE用户。

5 结束语

本文研究了在LTE室内覆盖网络中VoLTE和数据业务共存时的性能，仿真结果和现场实测数据在相同的参数配置下相差不大，仿真结果表明当VoLTE用户数增加时数据吞吐量近似成线性下降，VoLTE业务拥有绝对的调度优先级导致数据业务用户可用的RB数减少是主要原因。研究本课题对目前正在大规模部署的VoLTE业务在容量和覆盖的规划上有一定参考价值，ROHC建议开启，SPS在信噪比较好且稳定的情况下开启，另外对于一些频谱资源纯净、信道环境较好的室分站点，在人流量不是很大的情况下可以开启TTI bundling来增强VoLTE的上行覆盖。

参考文献：

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