VoLTE业务调度策略优化及实践

于吉涛 贺璟

【摘  要】

为解决4G VoLTE语音业务过程中出现的用户时延增大、MOS值下降、体验变差的问题。通过对SR配置及调度策略的优化、AMC算法优化、SPS调度策略优化等，采用理论仿真和实际测试相结合的方法，验证算法优化前后对系统性能及用户体验的改善效果。本文提出的优化策略一方面保证了VoLTE业务的优先级，另一方面兼顾了VoLTE业务的空口质量，可有效缩短VoLTE业务时延，降低VoLTE业务的空口丢包率，增加基站VoLTE容量，最终达到提升语音质量和用户体验的目的。

【关键词】VoLTE;语音业务质量;用户体验;算法优化

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.018      中图分类号：TN929.5

文献标志码：A      文章编号：1006-1010（2020）04-0085-06

引用格式：于吉涛，贺璟. VoLTE业务调度策略优化及实践[J]. 移动通信， 2020，44（4）： 85-90.

Optimization and Practice of Scheduling Strategy for VoLTE Service

YU Jitao1， HE Jing2

（1. Guanghzhou TAIPU Telecom System Co.， Ltd.， Guangzhou 510630， China;

2. Comba Telecom Technology （Guangzhou） Co.， Ltd.， Guangzhou 510630， China）

[Abstract]

To solve the problems of increased time delay， decreased MOS， and poor user experience during the 4G VoLTE service， the SR configuration and scheduling strategy， AMC algorithm， and SPS scheduling strategy， etc. are optimized. A combination of theory， simulation and actual testing is used to verify the improvement of system performance and user experience with the algorithm optimization. The proposed optimization strategy in this paper guarantees the priority of VoLTE services， and takes into account the air interface quality of VoLTE services， which can effectively reduce the delay of VoLTE service， reduce the air interface packet loss rate of VoLTE service， and increase the VoLTE capacity of base stations， and improve the voice quality and user experience.

[Key words]VoLTE; voice service quality; user experience; algorithm optimization

0   引言

VoLTE是基于IP和IMS的數据传输技术，这与2G/3G时代基于电路交换网络的语音方案有本质的不同，VoLTE也明显优于CSFB或SGLTE等其他语音解决方案。对于用户来说，最明显的感知就是呼叫时延更短、语音/视频通话质量更清晰流畅，这得益于LTE系统扁平化的网络架构以及自适应多速率宽带AMR-WB编码方式的引入。从2014年开始，多个国家和地区的运营商先后推出了VoLTE商用服务。

尽管VoLTE具备上述一系列的优势并在商用网络中得到了验证，但随着近年来4G用户数的不断增加、用户流量需求的进一步提升，4G网络负荷不断提高，许多站点出现了“信号覆盖很好，用户驻留后却无法上网”的情况，同时4G站点密度的提升，也导致同频干扰问题明显。此类站点中的VoLTE体验出现了一定程度的下降，主要表现为通话时延增加、卡顿次数增加、MOS值下降等。本文从基站调度算法优化的角度出发，探讨现网中提升语音质量的一系列策略。

1   调度策略的优化

1.1  采用动态调度的VoLTE业务

4G系统一般通过QOS对不同业务进行区别化的处理，协议一共定义了9种服务等级（QCI1～QCI9）来标记不同的业务类型。具体到VoLTE业务，QCI1对应语音的专用承载，QCI2对应视频通话的专用承载，而SIP信令则是通过QCI5的承载传输。采用动态调度时，对于高优先级的承载需要优先调度，但需要注意的是，QCI对应的是承载级别，而不是UE级别。因此，对于QCI的优先级调度控制一般应用于下行（因为对于下行数据，基站可以很明确地区分出各逻辑信道的QCI等级），而对于UE的上行需求，尤其是上行的SR（调度请求），基站由于无法获取到明确的QCI等级，往往采用和普通业务相同的处理方法，在基站负荷较高或信道环境较差时，高优先级的语音业务难以得到完全保障。

（1）SR配置及调度优化

UE的正常上行数据传输过程如图1所示。

SR是UE进行上行数据传输的第一步，当小区内大量UE有上行需求时，每个UE会按照基站配置的SR周期发送调度请求。当并发SR较多时，由于基站单帧调度能力和RB资源的限制，通常会按照接收到的每个UE的SR次数进行排序，对于SR累计次数较多的UE优先调度。这种依据SR绝对数量进行排序的方法有可能导致高QCI等级的用户（比如VoLTE用户）的SR请求不能第一时间得到调度，增加了VoLTE用户的上行时延。因此需要对SR相关处理进行优化，优化点包括SR周期的动态调整及SR的分类管理，具体的流程如图2所示。

如图2所示，对激活QCI1的用户重配置更短的SR周期，并优先处理这类用户的SR，可以使得VoLTE用户在动态调度时，上行的调度请求得到最短时间的响应，缩短了上行语音包的空口时延。构建如表1所示的场景配置参数，来计算执行SR配置及调度优化前后，VoLTE用户的上行空口最大时延的具体数值，场景参数如表1。

根据以上的业务模型，可以计算出VoLTE用户和非VoLTE用户的上行空口最大时延：

VoLTE_U1_Delay

=（Sr_Tti_Total/Tti_Sch_Num）×VoLTE_Sr_Period

=（Sr_Tti_VoLTE+Sr_Tti_Other）/Tti_Sch_Num×

VoLTE_Sr_Period        （1）

公式（1）中，Sr_Tti_VoLTE表示32个VoLTE用户平均每TTI内的SR总次数，Sr_Tti_Other表示160个非VoLTE用户平均每TTI内SR总次数，Sr_Tti_Total表示平均每TTI内总共需要处理的SR总次数，Tti_Sch_Num表示单帧最大调度用户数（该模型取值为6），VoLTE_Sr_Period表示VoLTE用户的SR周期。

1）不执行SR优化处理，VoLTE用户和非VoLTE用户的SR周期都设置为80 ms，TDD采用Config2时，每10 ms内有2个上行子帧，可计算得到：

Sr_Tti_VoLTE=32/（（80/10）×2）=2

Sr_Tti_Other=160/（（80/10）×2）=10

VoLTE_U1_Delay=（Sr_Tti_VoLTE+Sr_Tti_Other）/

6×80=60 ms

在这种情况下，由于非VoLTE用户的SR请求周期和VoLTE用户有相同的优先级，其上行最大空口时延也是160 ms。

2）执行SR优化处理，将VoLTE用户的SR周期设置为20 ms，非VoLTE用户的SR周期设置为80 ms，同时将VoLTE用户的SR请求放入高优先级队列，对于非VoLTE用户，基站每收到2次SR请求才转入高优先级队列处理，则可以得到：

Sr_Tti_VoLTE=32/（（20/10）×2）=8

Sr_Tti_Other=160/（（80×2/10）×2）=5

VoLTE_U1_Delay=（Sr_Tti_VoLTE+Sr_Tti_Other）/6×20=43 ms

由上述计算可知，对于VoLTE用户来说，执行SR优化处理后，最大上行空口时延减少了：160-43=117 ms。

很显然，SR优化处理策略显著地降低了VoLTE用户的时延。同时也兼顾了低优先级用户的调度需求，不至于因为并发VoLTE用户数太多而导致其他用户的需求长时间无法得到响应。

（2）上行预调度优化

区别于正常的上行传输过程，还可以采用预调度的方式满足UE的上行需求。预调度，即UE在还未发送SR时就提前给UE分配资源，这种方式可以显著地缩短时延，但却占用大量的調度机会。当小区内用户数目较多时，给每个用户都进行预调度是不实际的，因此，需要针对QCI1的用户进行精准预调度，如图3所示。

当UE建立QCI1承载后才开启上行预调度，结合语音业务上下行对称的，每20 ms一个语音包的特点，在每次下行数据包下发后，每隔5 ms进行一次上行调度，持续20 ms。该策略的优点是：当UE有上行语音包要发送时，在发送SR之前就大概率已经收到了基站的调度命令，节省了上行请求的时间;同时，语音业务上下行数据包大小通常相同，基站可以根据每次下发的下行数据包大小得到上行数据包大小，因此只需要一次预调度就可以满足UE的上行需求，避免了UE的一个语音包分片多次发送带来的额外时延。使用UE模拟器对开启和关闭预调度功能的基站进行对比测试，测试配置参数和测试结果如表2所示：

预调度开启前后的时延对比如图4所示。由以上的测试结果可以看出，在关闭了预调度的情况下，UE的上行传输由SR来触发，大部分UE的RTP时延在80 ms～100 ms的范围内，而当开启了基于QCI1的预调度开关后，UE的上行传输由预调度驱动，RTP时延下降到了50 ms～70 ms的范围内，时延缩短的效果比较明显。

（3）AMC算法优化

AMC（Adaptive Modulation and Coding）是无线通信中常见的空口控制算法，通常根据UE的信道质量指示或者统计的BLER选择合适的MCS（Modulation and Coding Scheme）。采用该算法时，通常会设置一个目标BLER下限和上限，采用滑动窗的方式进行BLER的统计和比较，若某个UE统计周期内的BLER大于BLER上限，则进行MCS的下调;若BLER小于目标BLER下限，则进行MCS的上调。目标BLER的下限和上限设置非常重要，若设置过大，则会导致UE空口丢包概率较高，但若设置太小，则又可能导致MCS被控制在较低范围，影响吞吐率。因此，对于不同QCI等级的业务需要区别对待，具体的流程如图5所示：

对于QCI1的语音业务，速率不是主要的需求，因此可以采用更保守的策略，也即更小的BLER门限，更短的BLER统计周期，这样最大程度地降低了空口的BLER，可以有效降低语音过程中的丢包率。使用UE模拟器对设置不同VoLTE-BLER门限的基站进行VoLTE业务测试，并在测试过程中进行同频加扰，测试配置参数和测试结果如表3所示：

AMC算法优化前后的BLER分布和丢包率分布如图6和图7所示。由测试结果对比可知，若VoLTE业务采用和数据业务同样的目标BLER门限和统计窗口时，各用户的平均BLER主要分布在9%～12%的范围内，大部分UE的丢包率都超过2%;而若VoLTE业务采用专用的更低的BLER门限和更短的统计窗口时，绝大多数用户在干扰情况下的丢包率都小于1%，达到了提升语音体验的目的。

1.2  采用SPS的VoLTE业务

采用SPS的VoLTE用户，在收到基站激活SPS的命令后，就会以相同的周期、在相同的资源位置收发数据，因此空口时延抖动通常较小，一般不会出现采用动态调度时上行时延较大的问题。SPS的周期一般配置为20 ms，SPS分配的资源大小与语音包的大小有关，以23.85 k典型高清语音业务为例，一个语音包的大小为584 bit（开启ROHC），代入公式（2）计算：

RBrequest= （2）

其中，PacketBitSize表示语音包的大小，NRePerRb表示一个RB上数据信道可用的RE数目（需要去掉参考信号，控制信道等占用的RE），Efficiency为效率值，表示RB中每个RE可携带的信息比特数，由SNR-Efficiency映射表获得。以上行资源分配为例，可以计算得到单个VoLTE用户在60 s时间内需要的RB总数目，如表4所示：

由表4计算得到，开启SPS后，在上行SNR为5的条件下，单个VoLTE用户在1 s内的总RB需求数为15 000个。但在实际通话过程中，语音包并不总是存在的，当用户进入静默期后，终端实际上会变为以160 ms的周期发送SID（Silence Insertion Descriptor）包。SID包通常都很小，只有144 bit，如果还是按照SPS的20 ms周期和5个RB进行语音包传输时，会造成RB资源的浪费，当小区负荷较高时，就可能导致RB资源不足。对此，可以利用SID包和正常语音包大小的差异，采用动态识别检测SID包的方法，当VoLTE用户进入静默期后，去激活SPS，改为动态调度;當UE重新发送语音包时，再次激活SPS，流程如图8所示。

采用以上策略后，假设在静默因子为0.5的情况下，可以计算出单个VoLTE用户在60 s的时间内需要的RB总数目，如表5所示：

由表5可知，采用基于SID包检测的SPS激活及释放调度策略后，由于在静默期只需要给SID包分配较小的资源，且分配周期变长，单个VoLTE用户在60 s内的RB总需求数降到了7 876个，相当于节省了47%的RB资源。即采用SPS调度优化策略后，小区内容纳的总VoLTE用户数提升了90%。

2   结束语

本文针对现网中VoLTE业务存在的用户体验相关问题，从基站调度算法优化的角度出发，探讨了一系列提升语音业务体验的策略，这些策略一方面保证了VoLTE业务的优先级，另一方面兼顾了VoLTE业务的空口质量，并考虑了资源的利用效率。可有效缩短VoLTE业务时延、降低VoLTE业务的空口丢包率、增加基站VoLTE容量，最终达到提升语音质量和用户体验的目的。

参考文献：

[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： 115-120.

[2]    望诚. VoLTE关键技术与优化方法研究[J]. 通讯世界， 2016（19）： 81.

[3]    徐德平，程日涛，张新程，等. VoLTE关键技术及部署策略研究[J]. 电信工程技术与标准化， 2014（10）： 175-179.

[4]    吕亚莉. VoLTE接通率低和掉话的常见排查方法研究[J]. 移动通信， 2017，41（4）： 10-14.

[5]    温庆华，梁金山. 浅谈VoLTE关键技术及优化思路[J]. 通讯世界， 2016（5）： 54-55.★

作者简介

于吉涛（orcid.org/0000-0001-8069-8266）：中级工程师，硕士毕业于华南理工大学，现任职于广州泰普通信系统有限公司，负责4G/5G移动通信小基站系统关键技术研究及产品研发的相关工作。

贺璟：中级工程师，硕士毕业于重庆大学，现任职于京信通信技术（广州）有限公司，负责4G/5G移动通信小基站系统MAC层关键技术研究及产品研发的相关工作。