高铁场景4G语音创新方案研究及部署建议

徐德平，马向辰，程日涛，耿鲁静

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京100080）

1 引言

3 GPP定义的语音解决方案有CSFB和VoLTE两种。在网络初期主要采用CSFB方案，即在用户需要进行语音业务时，从LTE网络回落到3G/2G的电路域重新接入，并按照电路域的业务流程发起或接听语音业务；当LTE网络达到全覆盖时，VoLTE语音方案将成为运营商的终极解决方案。目前，国内运营商正在积极进行网络改造，为开展VoLTE语音业务做准备。

高铁场景是4G网络中较为特殊的的场景，由于高铁具备运行速度快、穿透损耗高、切换频次多等特点，高铁4G网络覆盖在工程规划和建设上有特殊难度，如果简单地在高铁专网部署与公众网相同的VoLTE语音方案，将无法保障语音质量，影响用户体验，因此需要研究可行的4G高铁语音解决方案。

2 高铁4G网络规划建设情况及语音业务支持能力分析

2.1 高铁4G网络规划建设情况

为了实现高速铁路4G网络的有效覆盖，保障客户感知，对于时速达到250 km/h以上的高铁线路主要采用“四专”的专网覆盖技术方案：专用设备，2通道RRU+高增益天线；专用功能，配置高速移动、小区合并功能；专用频率，优先选择低频段频率、公网/专网异频组网；专用参数，优化系统内切换优先级、TA参数规划等参数。高铁专网的规划指标如下所示。

（1）RSRP（95%概率）

沿线：宏基站覆盖指标为>-113 dBm，隧道（泄漏电缆）覆盖指标为>-113 dBm。

车站：一般区域覆盖指标为-105 dBm，业务量需求高的区域覆盖指标为-95 dBm。

（2）RS-SINR(95%概率)

沿线：宏基站、隧道（泄漏电缆）覆盖指标为-3 dB。

车站：一般区域覆盖指标为6 dB，业务量需求高的区域覆盖指标为9 dB。

（3）下行边缘用户速率指标（CDF 95%）为1 Mbit/s（50 RB）

按照以上网络规划指标，根据链路预算，高铁沿线站址间距见表1。

表1 高铁沿线站址间距

2.2 高铁4G语音业务支持能力

与高铁规划设计指标进行对比分析，以F频段郊区、农村场景为例。链路预算见表2。

覆盖预算表明现网规划建设情况可以满足12.65 kbit/s速率的语音覆盖要求，不满足23.85 kbit/s速率的语音覆盖要求。12.65 kbit/s速率语音业务覆盖站间距为1.15 km，覆盖能力优于高铁现网规划站间距要求（1 km），23.85 kbit/s速率语音业务覆盖站间距为0.8 km，覆盖能力劣于原规划站间距要求（1 km），比原规划覆盖半径小20%。

表2 链路预算

2.3 高铁场景4G语音质量

通过仿真分析，在无线环境良好时，高、低编码速率的语音业务质量差异不明显，但在无线质量不足时，高编码速率的语音业务质量的恶化速率会高于低编码业务质量的恶化速率。因此，在无线覆盖质量不足的情况下，更适合低编码速率的语音业务，具体如图1所示。

宁杭高铁VoLTE语音业务测试情况表明现网规划指标可以满足标清语音覆盖要求，不满足高清语音覆盖要求。从表3可看出，23.85 kbit/s高编码速率的VoLTE业务质量低于12.65 kbit/s低编码语音的业务质量。

图1 高、低编码速率的语音业务质量对比

3 高铁语音业务可选方案

根据以上理论分析及实际无线规划建设情况，高铁场景可选的语音方案有CSFB方案、12.65 kbit/s低编码速率VoLTE方案、23.85 kbit/s高编码速率VoLTE方案。

3.1 CSFB方案

鉴于高铁4G网络工程规划建设上的特殊难度，高铁沿线有可能出现大范围质量差、甚至无4G网络覆盖的情况，此时CSFB需作为基本语音解决方案。

高铁如采用CSFB方案，需要核心网支持分场景部署CSFB和VoLTE语音方案的能力，否则会造成未打开VoLTE功能的eNode B的呼叫时延增加甚至失败，影响用户体验。

主叫终端从空闲态发起RRC建立到收到SIP 183消息，时延在2 s左右；收到SIP 183消息后，启动TQOS定时器，等待QCI1承载建立消息，等待时延为6 s；TQOS超时后，若QCI1未成功建立，主叫立即发起CSFB，CSFB时延在10 s左右。终端在未开通VoLTE的eNode B下发起主叫的总体时延在18 s左右。

被叫终端收到寻呼消息后，从空闲态发起RRC建立到收到SIP 183消息，时延在2 s左右；收到SIP 183消息后，启动TQOS定时器，等待QCI1承载建立消息。等待时延最长为6 s；TQOS超时后向IMS回复SIP 580消息，通知Precondition失败。如果核心网支持该阶段的CS Retry功能，会发送CS域的寻呼，被叫CSFB到2G；如果不支持该功能，则本次呼叫失败。终端在未开通VoLTE的eNode B下被叫VoLTE，时延在20 s左右，甚至会呼叫失败。

综上所述，CSFB方案主要适合于不满足高铁专网规划指标（RSRP≥-113 dBm & SINR≥-3 dB占比大于95%）或沿线4G网络未完全建成开通的场景。同时需要核心网支持分场景部署不同语音方案的能力。该功能属于规范定义的标准功能，但现网软件版本不支持该功能，需要统一进行升级。

表3 宁杭高铁不同编码速率语音业务质量对比

3.2 12.65 kbit/s编码速率VoLTE方 案

根据理论预算分析和实际网络测试数据，目前的站址规划建设和无线覆盖情况能够满足12.65 kbit/s低编码速率VoLTE语音业务要求。但核心网仅支持统一速率方式，若大网采用23.85 kbit/s编码速率VoLTE语音方案，则高铁场景无法支持12.65 kbit/s编码速率。

此方案要对核心网进行改造升级，支持分场景部署不同语音编码速率的VoLTE语音方案。改造方案是在起呼过程中，核心网判断用户位置，当用户处于高铁沿线TA时，通过修改呼叫信令使终端只能使用低速编解码。需要终端在发起编解码协商时，同时携带AMR-WB多个mode-set（至少包含mode-set 0或1）。高铁区域的TA需采用特殊标识，且SBC可识别；网络维护中，如高铁区域发生TA变化，需告知SBC。

此方案是非标方案，现网SBC厂商均不支持该功能，经评估及调研，预计方案完全明确后，至少6个月后可有厂商提供支持。

12.65 kbit/s编码速率VoLTE方案适用于满足规划指标（RSRP≥-113 dBm & SINR≥-3 dB占比大于95%）场景的高铁线路，目前大多数线路的规划指标均按照此指标进行规划建设，此方案适用于大多数高铁场景。

3.3 23.85 kbit/s编码速率VoLTE方 案

由于目前规划指标和站址设置情况无法满足承载23.85 kbit/s编码速率VoLTE方案的要求。23.85 kbit/s编码速率VoLTE业务的无线覆盖指标要求达到RSRP≥-110 dBm & SINR≥-3 dB。如果按照此指标调整无线网络覆盖方案，会面临以下难点。

（1）加密站址调整难度高

高铁沿线站址获取困难，若按照80%的站间距重新规划站址，在高铁沿线线形覆盖带基本无法实施。

（2）投资增加大

经初步估算，如需对已建线路和已规划但尚未建设的线路按照满足23.85 kbit/s高清语音连续覆盖要求进行改造和建设，需增加投资约数十亿元。

（3）严重影响工程实施进度

高铁工程本身需要协调单位多、工程实施时间窗口受限等因素，工程建设进度滞后，如重新进行规划和改造，工程进度将严重滞后。

综上所述，23.85 kbit/s编码速率VoLTE方案仅适合于已达到或者通过简单优化可达到较优无线覆盖指标（RSRP≥-110 dBm & SINR≥-3 dB占比大于95%）的高铁场景。不适合全网的高铁线路。

4 高铁无线语音部署建议

考虑到高铁实际建设进度、4G高铁实际覆盖性能以及大网VoLTE部署安排，可以采用初期方案和远期方案的部署策略。

（1）初期方案

·已达到或者通过优化可达到更优性能（RSRP≥-110 dBm & SINR≥-3 dB占比大于95%）的，可开通23.85 kbit/s高清语音业务。

·满足规划指标（RSRP≥-113 dBm & SINR≥-3 dB占比大于95%）的，若2G专网语音质量较好，应通过核心网升级支持分场景部署语音方案能力，通过CSFB方式承载语音。否则，开通23.85 kbit/s高清语音业务，但面临语音质量较差的问题。

·对于不满足规划指标（RSRP≥-113 dBm &SINR≥-3 dB占比大于95%）的，应通过核心网升级支持分场景部署语音方案能力，通过CSFB方式承载语音。

（2）远期方案

若后续核心网可实现分场景部署VoLTE编码方案的能力，则建议对于满足规划指标的线路开启该功能，即在该场景下实现VoLTE 12.65 kbit/s编码方案。

表4 各方案适用线路情况及说明

5 结束语

高铁覆盖在工程规划和建设上有特殊难度，已规划建设4G专网的高铁线路总体建设情况参差不齐，需要根据线路具体情况分场景采用语音解决方案，具体见表4。

考虑到高铁实际建设进度、网络覆盖性能以及大网VoLTE部署安排，可以采用初期和远期两种部署方案。

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