VoLTE覆盖与容量分析

杜 刚，熊尚坤，陈晓冬

（中国电信股份有限公司广州研究院 广州510630）

1 引言

LTE网络承载的语音业务与传统的电路域（circuit switched，CS）语音业务，采用的空口技术有很大区别，本文主要通过理论方式，分析VoLTE（voice over LTE）[1]的覆盖能力和频谱效率。

目前在VoLTE方面的研究主要有：

[1]阐述了VoLTE的网络架构，并给出了VoLTE的容量效率仿真结果；

·参考文献[2]描述了VoLTE的性能影响因素。

2 影响VoLTE性能的因素

2.1 VoLTE的空口时延限制

参考文献[3]对电话业务的时延特性进行了要求，达到“用户满意”标准的电话业务，端到端时延必须在285 ms以内；根据互联网网络现状，并考虑到现有3GPP标准语音技术特征，扣除核心网时延（70 ms）、语音编码时延（30 ms）、语音解码时延（5 ms）后，允许的单边最大空口时延约为90 ms，如图1所示。

2.2 增强VoLTE覆盖能力的技术手段

移动通信系统中，满足覆盖目标的CS语音业务，要求误帧率（FER）小于等于1%，LTE系统空口采用了增量冗余的HARQ机制[4]，一般的系统实现要求HARQ初传成功率达到90%，即初传误块率（BLER）为10%，为了达到语音质量要求，必须经过一次HARQ重传，语音误帧率才能够小于1%。如果HARQ初传与第一次重传是两个独立事件，并且每次发送的BLER都是10%，经过初传与重传后的FER=10%×10%=1%。

图1 VoLTE网络侧时延分解

值得注意的是，如果HARQ初传BLER=10%，并且重传时MCS不进行改变，由于HARQ的软合并机制，第二次HARQ发送（初传后首次重传）的BLER将远小于10%，两次HARQ发送后总体FER<<1%。

VoLTE必须支持ROHC头压缩[5]，将RTP/IP的头开销压缩为1～3 byte；对于AMR-WB 12.65 KB宽带语音[6]，一个20 ms语音分组MAC PDU输出大约为320 bit。传送一个语音分组，可以在一个TTI内采用1个SB（schedulling block）进行承载，此时MCS=17，语音分组占用一个RB（以下称为占用一个PRB）；也可以采用PRB=2/MCS=11，或者PRB=4/MCS=5进行承载。终端上行发送语音数据时，选择较低的MCS具有较低的解调门限，但造成终端发射功率在多个PRB上均分，因此，更低的MCS配置并不能够保证覆盖范围显著扩大。

链路恶化时，可以将上行语音分组在RLC层进行分段，形成更小的MAC PDU，从而在不增加RB配置的情况下，以更低的MCS传送语音，因而可以具有更强的覆盖能力。但是RLC分段后单个语音分组初次发送占用多个TTI，付出的代价是消耗更多的RLC层和MAC层以及PDCCH调度信令开销。

HARQ重传也可以增强覆盖，这种覆盖加强的理论依据是，在信号较差区域，多次重传后在信道解码器入口累积的SINR（signal to interference plus noise ratio）得到提升；在弱覆盖区域，即使HARQ初传BLER高于10%，通过多次HARQ重传仍然可能保证语音质量。

与HARQ对覆盖增强类似，TTI捆绑[7]机制在4个连续TTI内，将HARQ的4个冗余版本[7]捆绑发送，也能够增强覆盖，但是TTI捆绑后，HARQ重传周期从8 ms增大为16 ms，因此，在一定的空口时延限制下，由于发送的TTI数量增加了一倍，采用TTI捆绑发送方式能够带来约3 dB的覆盖增益。

2.3 RLC分段对增强覆盖的影响

语音分组以20 ms为周期产生，考虑HARQ重传，平均每个语音分组最多允许占用20个TTI，分段越多则HARQ过程越多，允许的HARQ重传次数越少。因此，虽然RLC分段能够在降低MCS的同时降低SINR解调门限，而增大初传BLER=10%的覆盖范围，但是由于初传占用的TTI增多，限制了HARQ最大允许重传次数。

仅考虑TTI占用的约束，如果不采用RLC分段，虽然HARQ初传BLER=10%的覆盖范围较小，但可以进行更多次HARQ重传来增强覆盖，可以通过更多次HARQ重传获得更大HARQ覆盖增益（此处没有考虑空口时延限制）。

在空口时延限制下，HARQ重传次数不能过大，因此，在一定空口时延限制下，HARQ、TTI捆绑结合RLC分段（分段数仍然要有限制）才能获得最大的覆盖增强。

3 VoLTE上行链路预算

由于VoLTE的下行覆盖较上行更强，仅对上行覆盖进行链路预算分析。

表1是密集市区环境的VoLTE链路预算参数设置，噪声系数与基站设备性能相关；干扰余量1.5 dB引用参考文献[8]取值，反映一定负载时邻小区终端对本小区的上行干扰。

表1 链路预算基本参数设置

表2给出了AMR-WB 12.65 kbit/s宽带语音，无RLC分段，不同MCS配置时初传BLER=10%对应的VoLTE最大允许路径损耗，此路径损耗范围属于上行功控有效区域。

功控有效的覆盖范围内，最多两次TTI占用，即能满足语音误帧率要求；多次重传在接收端进行能量累积带来的覆盖增益简单计算方式为：10 log(TTI最大占用次数/2)；此处为保守分析计算，没有考虑多次重发带来的时间分集增益以及Turbo解码器输入软信息累加形成的误帧率下降。

无线配置为PRB=2/MCS=11时，假定允许TTI捆绑5次HARQ发送（一次初传+4次重传），空口时延68 ms，最大允许路径损耗扩大为115.8+10 log（5×4/2）=125.8 dB。

可以通过低速率语音和4天线接收分集进一步扩大VoLTE覆盖，获得与3G语音技术相当的覆盖能力。

表2 VoLTE链路预算结果

4 密集市区VoLTE容量计算

4.1 PRB资源限制的VoLTE容量

经过矫正的某城市密集市区800 MHz频段传播损耗式为：

其中，L为传播损耗；d为距离，单位为km。

假定密集市区站间距500 m，小区半径为333 m，则传播损耗为112 dB，每20 ms产生的AMR-WB12.65K语音分组可以在上行PRB=1/MCS=17配置下传送，考虑BLER=10%时需要的重传，每个语音分组实际消耗的PRB资源为1.1个。

假定50%语音激活，近似认为语音静默帧不消耗更多PRB资源，5 MHz载波带宽，FDD模式，上行扣除PUCCH资源后平均每小区PUSCH可用RB配置20个，50%PRB资源消耗能够承载的语音连接数为（上行）：

20（RB）×20（TTI）×50%（PRB负载）/50%（语音激活）/1.1(每语音分组资源消耗)=364

因此，PRB资源消耗50%时，VoLTE上行容量大约是364；进一步提升PRB资源消耗比例，可能造成邻小区干扰抬升，造成每个语音分组的资源消耗增加，因此，提升PRB占用比例未必能够很大幅度地提升语音容量。

4.2 PDCCH资源限制的VoLTE容量

基站的调度能力从信令面决定了VoLTE容量，以下分析基于PDCCH动态调度方式。5 MHz带宽的LTE网络，可用CCE[4]大约为20个，每个调度消耗CCE的多少受链路质量影响；密集市区环境，每次调度的平均CCE消耗实测值大约为2.5个，即5 MHz带宽，每个TTI可以同时提供8个调度，由上、下行共享，考虑下行链路覆盖较强，可以将下行两个20 ms语音分组打包发送，以40 ms为周期调度；上行语音分组仍然每20 ms调度一次；并且，下行重传的发送采用非同步机制因而需要新的调度命令，而上行HARQ重传采用同步机制不必需要新的调度命令，下行、上行每个调度语音分组消耗的调度命令分别为1.1和1个；40 ms内，每个语音连接，下行将消耗1.1个调度，上行消耗2个调度，5 MHz带宽，PDCCH可以容纳的VoLTE用户数约为：

40（ms）×20（CCE）/2.5（每调度CCE消耗）/（1.1+2）/0.5（语音激活）=206

5 结束语

本文从多个角度对VoLTE进行了分析，并认为VoLTE具有与3G语音技术相当的覆盖能力。

容量分析方面，需要注意的是，第4.1节和第4.2节对800 MHz频段密集市区环境的VoLTE容量，从物理资源消耗及信令容量两个维度进行分析，实际的VoLTE容量还需考虑邻小区干扰，邻小区干扰抬升不仅与用户数相关，也与设备厂商的具体实现相关，本文假定经过良好的规划和良好的RB资源调度及分配，能够将邻小区干扰造成的平均IoT抬升控制在1.5 dB，基于此种假设对VoLTE容量进行了理论推导，并且认为在密集市区环境800 MHz频段，5 MHz带宽，采用动态调度时，每小区可以提供200个以上语音连接，此时语音容量受限因素为PDCCH调度信令。

VoLTE的容量效率与频段、站间距、环境特征等因素相关，各种场景下的容量效率存在差异，需具体情况具体分析。

LTE网络已经在全球规模部署，从维护便利性角度以及网络演进的角度分析，VoLTE的普遍商用并且3G语音和3G网络最终走向萎缩继而退出历史舞台只是时间问题。随着ICIC[4]、干扰消除等技术的进一步成熟，VoLTE的技术优势将更加明显，需要通信从业者对该技术足够重视。

参考文献

1 Poikselk M,Holma H,Hongisto J,et al.Voice over LTE(VoLTE).John Wiley & Sons Ltd,2012

2 陈书贞，张旋，王玉镇等.LTE关键技术与无线性能.北京：机械工业出版社，2010

3 ITU-T Recommendation G.114.One-way Transmission Time,2000

4 堵久辉，谬庆育.4G移动通信技术权威指南LTE与LTEAdvanced.北京：人民邮电出版社，2012

5 GSMA IR.92 V4.0.IMS Profile for Voice and SMS,2011

6 3GPP TS 26.190 V10.0.0.Adaptive Multi-Rate-Wideband(AMRWB)Speech Codec，2009

7 3GPP TS 36.321 V10.0.0.Medium Access Control(MAC)Protocol Specification

8 Sesia S，Toufik I,Baker M.LTE-the UMTS Long Term Evolution from Theory to Practice,Second Edition.John Wiley &Sons Ltd,2011