LTE系统中语音业务空口承载能力分析

陈晓冬，王庆扬，蔡 康

（中国电信股份有限公司广东研究院 广州510630）

1 引言

LTE（long term evolution）是 3GPP标准组织所制定的移动通信长期演进标准，第一版标准R8已经在2009年3月完成。LTE在空口下行采用正交频分多址（OFDMA），上行采用单载波频分多址（SC-FDMA），并引入多入多出天线（MIMO）、混合自动重传（HARQ）、自适应调制编码（AMR）等关键技术，从而大大提高频谱利用率，获得下行大于100 Mbit/s，上行大于50 Mbit/s的峰值速率。

LTE在核心网中采用纯分组域的结构，并在空口针对分组数据包传输进行了优化，因此语音业务在LTE网络中，只能通过VoIP的方式实现。而VoIP是一种高实时性、低速率、高用户数的突发性业务，这些业务特征对于LTE的空口无线资源管理提出了极大的挑战，并直接影响LTE系统中VoIP的覆盖与容量。

本文通过对LTE空口协议的研究，分析LTE中为实现VoIP业务所采用的关键技术与流程，从而初步评估LTE空中接口的VoIP承载能力。

2 VoIP空口数据包结构

AMR语音编码器输出的语音帧，采用IP方式承载，引入了RTP/UDP/IP的开销。而在LTE空口，还需要引入PDCP/RLC/MAC等各层开销，图1以AMR语音帧为例，说明以上各协议层关系。

使用AMR语音编码时，语音帧长度为20 ms，语音编码速率会随着音源特征的不同而改变语音帧速率。典型的VoIP话务模型如图2所示。

2.1 AMR语音编码

AMR是一种广泛使用在GPRS和WCDMA网络上的音频标准。在规范ETSI GSM06.90中对GSM-AMR进行了定义，AMR语音编码是GSM2+和WCDMA的默认编码标准。GSM-AMR标准基于ACELP（代数激励线性预测）编码，它能在广泛的传输条件下提供高品质的语音效果。

AMR的基本原理是当通信干扰增加时，降低编译码速率，能减少干扰，还能实现更多的校错（error correction）功能。AMR语音编码器在20 ms内的输出语音帧速率为4.75～12.2 kbit/s。

2.2 VoIP数据包结构

VoIP采用RTP方式进行传输，对于AMR语音业务，RTP净荷包括CMR、ToC和AMR语音帧3个字段。其中，4 bit的CMR字段描述发送侧希望接收到的语音编码器模式，6 bit的ToC字段主要用于描述携带语音帧的类型。图3给出了从语音编码器输出到PDCP（RoHC）之前的数据包过程，其中Padding为了使数据包为byte对齐。

VoIP如果采用IPv4，引入的RTP/UDP/IP数据包头开销为40 byte，其中20 byte IP数据包头，8 byte UDP数据包头以及12 byte的RTP数据包头开销；如果采用IPv6，则引入60 byte的数据包头开销，其中IP头开销为40 byte。

2.3 LTE空口语音包结构

LTE空中接口协议栈分为用户面和控制面。其中VoIP数据包需经过用户面各协议层处理，完成用户面的头压缩、加密、调度、HARQ和ARQ功能。

LTE空中接口用户面协议栈包括物理层（PHY）、MAC层、RLC层和PDCP层。

LTE的PDCP层采用RoHC对RTP/UDP/IP进行压缩，压缩后的典型包头大小为3 byte。LTE的PDCP层除进行头压缩之外，还提供加/解密、底层重置（通常发生在切换）时的按序交付等功能，LTE PDCP头最小包括两个字段（共8 bit），即1 bit的D/C字段和PDCP SN字段。前者表明该PDCP PDU是用于控制还是用于数据，而PDCP SN最短为7 bit（用户平面）[1]。RLC层采用UM模式传输语音，其数据包头中包括2 bit的FI字段、1 bit的Extension字段和5 bit的SN字段[2]。MAC层则包括 2 bit的保留比特（R）、1 bit Extension和5 bit的LCID字段[3]。其整个过程可以用图4表示。

以AMR12.2 kbit/s语音为例，MAC层输出数据包大小最小为：244+12+24+8+8+8=304 bit。在实际LTE空口传输时，需将MAC层语音包封装到相应大小的传输块（TB）中。

3 LTE相关技术与流程

VoIP业务与传统的大流量、非实时数据业务不同，往往呈现高实时性、突发性、多用户小流量等特征，从而对LTE空口资源分配和管理机制提出了特殊的要求。因此，LTE在空中接口中，通过端到端QoS机制、TTI Bundling、半静态调度等技术与流程的采用，有效地提高VoIP业务的承载能力。

3.1 QoS机制

QoS是指系统为用户提供的服务质量，主要通过速率、时延、丢包率等参数得以体现。LTE系统通过端到端的QoS管理以及差异化服务策略来满足业务的QoS需求。

LTE系统中，业务承载分为GBR和Non GBR两种类型。其中GBR指有速率保证的业务承载，Non GBR指无速率保证的业务承载。

相应的承载级QoS参数包括QCI（QoS class identifier）、ARP（allocation and retention priority）、GBR、MBR（maximum bit rate）和 AMBR（aggregate maximum bit rate）。

LTE协议所定义的QoS级别与属性见表1[4]。

表1 QCI属性

LTE系统中VoIP语音一般采用QCI=1的QoS属性，以满足VoIP低时延但对误包率不敏感的特性。

3.2 TTI Bundling技术

LTE为了满足低时延的要求，在空口帧结构设计上采用1 ms TTI。但1 ms的TTI设计，可能在上行覆盖受限的场景中，造成边缘VoIP用户无法在单个TTI中传递足够的信元能量，以达到所需的上行链路解调门限。

若要实现单个用户VoIP数据包在多个空口TTI中的传输，提高上行链路信元能量与信噪比，最简单的办法是对VoIP数据包在LTE空口RLC层进行分割，从而实现VoIP数据包的多TTI传输的方式。

此方法并没有引入额外的协议过程，实现简单，但分割后的每一个子数据包，在调度和传输中，都会分配一个独立的PDCCH和上行HARQ过程，造成大量的控制信道资源以及RLC/MAC头和HARQ开销，极大地降低了LTE对VoIP用户数的支持。

为降低小区边缘VoIP用户对于控制信道资源的占用，减小RLC/MAC头开销和HARQ开销，LTE空口协议中提出了TTI绑定的机制（TTI Bundling）。TTI Bundling技术对整个PDCP语音数据包，附加RLC/MAC头后，通过信道编码形成不同的冗余版本，不同的冗余版本分别在连续的TTI中传输，从而实现与简单RLC层分割类似的效果。其TTI Bundling过程如图5所示[5]。

TTI Bundling采用特有的HARQ方式以减小HARQ开销，对于4 TTI Bundling的情况，4个连续时隙属于相同的HARQ过程。若在初始传送时，在时隙0～时隙3进行，则第一次重传将会在时隙16～时隙19进行。

可见，TTI Bundling技术通过占用更多的传输时隙，以获得更高的上行信元能量和链路信噪比，从而改善LTE系统中VoIP用户的覆盖能力。同时TTI Bundling技术避免了传统RLC层分割方式所带来的控制信道资源瓶颈，以及MAC/RLC头开销、HARQ开销的增大对LTE系统中VoIP容量能力的不利影响。

3.3 半静态调度技术

LTE系统在空口资源划分中，分为频域和时域两个维度。LTE空口资源多用户共享，并通过一定的方式在不同用户内进行调度。LTE的调度模式可以分为3种。

·动态调度：由MAC层实时地、动态地分配时频资源和允许的传输速率，灵活度高，但信令开销也大。

·半静态调度：RRC连接建立时就分配时频资源和允许的传输速率，但是通过RRC重配资源是允许的。类似于持续调度，灵活性较差，但控制信令开销也较小。

·静态调度：预定义分配是通过OAM配置的方式，将不同QoS业务的资源和速率设置好，但是具体的资源位置等由MAC自己选择。在实际中此类应用并不常见。

由于VoIP用户数量往往比较庞大，若采用动态调度的方式，每次TTI都需要相关的控制信息，控制信息的开销将可能变成限制LTE系统所能够同时支持的用户数，成为系统吞吐量的瓶颈。因此，针对VoIP这类数据包大小比较固定，到达时间间隔满足一定规律的实时性业务，LTE引入了半静态调度技术。半静态调度方式是指在LTE的调度传输过程中，eNB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，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。

半静态调度传输包括半静态调度传输的激活和半静态调度传输资源的释放两个个关键步骤。半静态调度传输的激活由用SPS-C-RNTI进行掩码的PDCCH指示，UE接收到PDCCH指示后，按照其授权信息在固定的频率资源上周期性地发送或接收信息，激活半静态调度传输；半静态调度传输资源的释放同样通过以SPS-C-RNTI掩码的PDCCH指示，UE接收到PDCCH释放指示后，释放半静态调度资源。UE如果释放成功，还需要进行ACK/NACK的反馈确认[3]。

使用半静态调度传输，可以充分利用语音数据包周期性到达的特点，有效地节省LTE系统用于调度指示的PDCCH资源，从而可以在不影响通话质量和系统性能的同时，支持更多的语音用户，并且仍然为动态调度的业务保留一定的控制信息以供使用。

4 LTE空口VoIP承载能力

4.1 VoIP业务覆盖

结合以上章节中对VoIP空口数据包结构以及LTE相关技术的分析，以下以AMR 12.2 kbit/s和AMR 7.95 kbit/s语音为例，对VoIP上行链路预算进行计算，见表2。

可见，在上行链路上，控制信道允许的最大链路损耗要大于VoIP业务信道允许的最大链路损耗，因此上行链路预算以VoIP业务信道为准。

但以上计算并没有考虑HRAQ重传所带来的增益，实际上，由于VoIP数据包传输时为非连续传输，占空比较低，因此在小区边缘由于误码率过高所导致的一定数量的HARQ重传，不会影响VoIP时延。在20 ms语音帧周期内，采用4 TTI Bundling的VoIP业务，可以允许一次重传，并在理论上产生3 dB的覆盖增益。

从LTE链路预算结果可以看到，即使采用了各种改进技术，LTE上的VoIP的覆盖能力仍不理想。要满足类似电路域语音全网覆盖的效果，需要引入更多的覆盖增强技术。

4.2 VoIP业务容量

在LTE系统中，影响空口VoIP用户容量的因素很多，包括：

·VoIP语音编码方式的选择；

·资源调度模式的选择；

·PDCCH CCE数的设置；

·语音时延预算（delay budget）；

·TTI Bundling技术的采用。

虽然，目前业界对于LTE系统中VoIP业务容量的评估，尚未取得完全共识，其热点仍处于不同关键技术和不同系统配置对VoIP容量影响方面。但随着LTE标准和关键技术的完善，各方面所取得的VoIP仿真结果也渐渐趋于一致。

表2 AMR 12.2 kbit/s和AMR 7.95 kbit/s语音业务的上行链路预算

以下将基于3GPP所定义的仿真条件和场景，给出典型的VoIP仿真结果[6]。

（1）3GPP仿真场景定义

3GPP仿真场景定义见表3。

表3 3GPP仿真场景定义

（2）VoIP语音编码方式

VoIP语音编码方式的参数值见表4。

表4 VoIP语音编码方式的参数值

（3）通用仿真参数

通用仿真参数见表5。

表5 通用仿真参数

VoIP容量仿真结果如图6所示。

从仿真结果可以看出，场景1中VoIP容量数约为300个，略优于传统3G网络。场景3相比场景1，VoIP容量并没有明显的下降，说明在此场景下，站间距的增大对VoIP的容量影响不大。场景2比较场景1，VoIP容量下降约35%，说明移动速度对VoIP容量影响较为明显。

5 结束语

LTE空中接口，针对VoIP业务特征引入了一系列的关键技术与流程，从而大大提高了LTE空口VoIP业务的承载能力。虽然在语音业务容量性能上，LTE相对传统3G系统略有提升，但在覆盖能力上，却表现出不足，需考虑引入新的覆盖增强技术以满足全网覆盖要求。

1 3GPP TS 36.323.Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA); packet data convergence protocol (PDCP)specification

2 3GPP TS 36.322.Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA);radio link control(RLC)protocol specification

3 3GPP TS 36.321.Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA);medium access control(MAC)protocol specification

4 3GPP TS 23.107.Technical specification group services and system aspects,quality of service(QoS)concept and architecture

5 3GPP TDoc R2-072630.HARQ operation in case of UL power limitation,Ericsson,June 2007

6 Puttonen J,Henttonen T,Kolehmainen N.Voice-over-IP performance in UTRA long term evolution downlink.In:IEEE Vehicular Technology Conference(VTC),Singapore,May 11-14,2008