eMTC语音业务容量规划研究

2019-06-27张建国中国移动通信集团广西有限公司广西南宁53003华信咨询设计研究院有限公司浙江杭州3004

邮电设计技术 2019年6期

黄荧，张建国（.中国移动通信集团广西有限公司，广西南宁53003；.华信咨询设计研究院有限公司，浙江杭州3004）

0 引言

NB-IoT和eMTC是3GPP在Rel 13引入的2个功能，主要面向广覆盖、低功耗、大连接和低成本的应用。NB-IoT在成本、覆盖、功耗、连接数等方面做到了极致，但是不支持语音、切换、测量报告等功能，NBIoT适合用在追求更低成本、更广深覆盖和长续航的静态场景下。eMTC在覆盖上弱于NB-IoT，在成本上高于NB-IoT，但是eMTC支持语音、切换等功能，适合用在有语音通话、高带宽速率以及有移动需求的场景下，如穿戴类设备。

支持语音业务是eMTC网络的主要特征，本文接下来将分析eMTC网络承载语音业务的能力。

eMTC既可以使用FDD制式，也可以使用TDD制式，由于FDD制式的产业链更为成熟，且已经部署或者预商用的eMTC网络都是FDD制式，本文的eMTC语音业务容量规划基于FDD制式。

eMTC有2种工作模式，分别是CEModeA和CEModeB，CEModeB支持更高的重传次数、更低的调制方式，适用于更差的无线环境，但是CEModeB速率较低、时延较大，也不支持SPS、CSI报告等功能，由于语音业务对时延和速率都有较高的要求，本文的eMTC语音业务容量规划基于CEModeA。

1 AMR语音编码模型

在3GPP标准中，eMTC承载语音业务主要使用AMR-NB和AMR-WB 2种编码方式，AMR-WB的编码速率最高可达23.85 kbit/s［1］，对网络速率和UE的处理能力都有较高的要求，eMTC网络不适合使用AMRWB编码方式。本文假定eMTC网络使用AMR-NB编码，AMR-NB编码共有8种编码速率，分别是4.75、5.15、5.9、6.7、7.4、7.95、10.2、12.2 kbit/s［2］。

AMR语音编码的通话过程由3部分组成，分别是短暂态（Transient State）、通话期状态（Talk Spurt）和静默期（Silent Period）。短暂态是指业务建立初期尚未稳定的状态，数据包的间隔是20 ms。通话期状态是指用户正在通话的状态，在该状态下每20 ms发送1个数据包，数据包的大小取决于采用的编码速率。静默期是指用户停顿的状态，在该状态下，间隔160 ms发送静音描述符（SID）数据包［3］。AMR语音编码的通话过程如图1所示。

图1 AMR语音编码的通话过程

2 eMTC物理层信道和数据传输进程

eMTC在设计上考虑了与LTE兼容，eMTC UE使用LTE原有的PBCH、PSS、SSS。eMTC UE最大只能接收 6个 RB，不能共用 LTE的 PDCCH、PCFICH和PHICH，为了传输L1/L2层的控制信息，eMTC引入了MTC物理下行控制信道（MPDCCH——MTC Physical Downlink Control Channel），同时对PDSCH、PUSCH在调制方式、RB分配等方面进行了限制。

2.1 MPDCCH信道

MPDCCH信道在频域上使用2、4或6个RB，在时域上使用1个或者多个连续子帧进行传输。

1个MPDCCH信道包含多个连续的增强型控制信道单元（ECCE），1个ECCE包含4个增强型资源单元组（EREG），1个EREG包含9个RE，1个RB中共有16个 EREG，编号为 0～15，其中 DM-RS（Demodulation Reference Signal）不参与编号［4］。当分配给 MPDCCH的RB数是2、4、6时，EREG的数量分别是32、64、96个，对应的ECCE的数量分别是8、16、24个。

MPDCCH信道的聚合等级，也就是1个MPDCCH使用的ECCE数可以是2、4、8、16或者24［6］。

聚合等级为2的MPDCCH信道如图2所示［7］，该MPDCCH包含2个ECCE，编号分别是ECCE 0和ECCE 1，ECCE 0包含4个EREG，EREG的编号分别是0、4、8、12，ECCE 1包含另外4个EREG，EREG的编号分别是1、5、9、13。

图2 聚合等级为2的MPDCCH信道

组成EREG的9个RE中，并不是所有的RE都用于MPDCCH的传输，其中PDCCH使用的RE、CRS使用的RE和CSI-RS使用的RE不能用于MPDCCH的传输，假定PDCCH使用2个OFDM符号，CRS配置为2天线端口，不配置CSI-RS，则在1个RB中，PDCCH使用24个RE，CRS使用12个RE，共计使用36个RE，还剩下16×9-36=108个RE，则平均每个EREG有108/16=6.75个RE能用于MPDCCH的传输。

2.2 eMTC数据传输进程

eMTC的下行数据传输进程如图3所示，eNodeB通过MPDCCH发送DCI格式6-1A的调度消息给eMTC UE，通知UE接收下行数据，经过1 ms后，eNo-deB通过PDSCH发送下行数据给UE，UE接收PDSCH并解码出下行数据后，经过3 ms后，UE通过PUSCH或者PUCCH发送HARQ信息给eNodeB，通知eNodeB是否正确接收下行数据。

eMTC的上行数据传输进程如图4所示，eNodeB通过MPDCCH发送DCI格式6-0A的调度消息给eMTC UE，通知UE发送上行数据，经过3 ms后，UE通过PUSCH发送上行数据给eNodeB，eNodeB接收PUSCH并解码出上行数据后，通过MPDCCH里面的新数据指示信息，通知UE重传上行数据或发送新的上行数据。

图3 eMTC下行数据传输进程

图4 eMTC上行数据传输进程

MPDCCH可以连续传输1、2、4、8、16或32次，采用 QPSK 调制［12］。

PDSCH和PUSCH可以连续传输1、2、4、8、16或32次［12］，采用QPSK调制或者16QAM调制，根据3GPP TS 36.213协议［6］，PDSCH/PUSCH的IMCS最大取值为15，ITBS最大取值为14。

PUCCH可以连续传输1、2、4或者8次，采用BPSK调制或者QPSK调制［12］。

3 eMTC语音业务容量规划

3.1 eMTC同时承载的语音用户数

语音业务是对称性业务，20 ms内需要在上行和下行各传输1个语音包，根据图3和图4可知，1个语音用户在下行方向需要使用2个MPDCCH和1个PDSCH，在上行方向需要使用1个PUSCH或使用1个PUSCH+1个PUCCH。

AMR-NB最大编码速率是12.2 kbit/s，最小编码速率是4.75 kbit/s，在20 ms内，4.75、12.2 kbit/s的编码速率分别是95和244 bit，AMR封装负荷是19 bit，采用RoHC技术，IP头开销是32 bit，PDCP头开销是8 bit，RLC头开销和MAC头开销分别是8和16 bit，则4.75、12.2 kbit/s的编码速率在物理层的总负荷分别是178和327 bit，通过查找 3GPP TS 36.213协议［6］，与 178最接近的TBS尺寸是208，最少使用1个RB，与327最接近的TBS尺寸是328，最少使用2个RB。也即通过降低AMR的编码速率，PDSCH只需要1个RB即可完成1个下行语音包的传输。

根据3GPP TS 36.212协议［5］，可以计算出DCI格式6-0A的最大尺寸是46 bit，DCI格式6-1A的最大尺寸是54 bit，DCI格式6-0A经过填充后，大小与6-1A一致，因此，1个MPDCCH的最大尺寸是54 bit。MPDCCH的聚合等级为2时，1个MPDCCH有2个ECCE，共计有2×4×6.75=54个RE，经过QPSK调制后，共有108 bit，信道编码速率是54/108=0.5，编码速率小于控制信道允许的最大编码速率0.75，也即2个ECCE可以完成DCI格式6-0A或者6-1A的传输，2个MPDCCH共使用2×2=4个ECCE，对应1个RB。

在下行方向，在20 ms内，PDSCH最少使用1个RB，2个MPDCCH最少使用1个RB，1个语音用户最少使用2个RB，下行共有20×6=120个RB，因此，下行可以同时承载120/2=60个语音用户。

在上行方向，如果在HARQ信息反馈的时序上有PUSCH，则通过PUSCH反馈HARQ信息，如果没有PUSCH，则通过PUCCH反馈HARQ信息。如果所有UE的HARQ信息都通过PUSCH反馈，则理论上不用配置PUCCH，带来的后果就是调度关系过于复杂以及部分RB不能被利用，本文假定配置PUCCH。

PUCCH配置为2个RB，通过码分复用的方式，PUCCH可以承载多个UE的HARQ信息，PUSCH可以分配 6-2=4个 RB，在 20 ms内共有 20×4=80个 RB，PUSCH最少只需要1个RB即可完成1个上行语音包的传输，因此，上行可以同时承载80/1=80个语音用户。

根据上面的分析，eMTC网络承载语音用户时，下行容量首先受到限制，eMTC同时承载的语音用户数是60个，本文接下来的分析只考虑下行方向的容量。

3.2 eMTC语音业务容量规划

eMTC网络承载语音业务时，还要考虑无线环境、静默期因子、重传、系统开销、忙时话务量等因素。

eMTC承载语音业务时，下行使用2个RB是最理想的情况，现网环境中不可能每个UE都只使用2个RB，因此需要考虑无线环境对容量的影响。假定用户是均匀分布的，无线环境好、中、差的比例分别是40%、40%、20%。无线环境好时，1个语音用户的PDSCH使用2个RB，MPDCCH的聚合等级为2，2个MPDCCH使用2×2=4个ECCE，相当于1个RB，共计使用2+1=3个RB；无线环境中等时，1个语音用户的PDSCH使用4个RB，MPDCCH的聚合等级为8，2个MPDCCH使用2×8=16个ECCE，相当于4个RB，共计使用4+4=8个RB；无线环境差时，1个语音用户的PDSCH使用4个RB，连续传输2次，MPDCCH的聚合等级为8，连续传输2次，2个MPDCCH使用2×8×2=32个ECCE，相当于8个RB，共计使用2×4+8=16个RB。考虑无线环境因素后，1个语音用户在通话期，20 ms内平均使用3×40%+8×40%+16×20%=7.6个RB。

由于eMTC的业务信道是共享的，用户静默时，资源将被调度给其他用户使用，因此计算用户数时需要考虑静默期这个因素，静默期因子通常取值为0.4，则激活期（含通话期和短暂态）因子是0.6。考虑静默期因素后，1个语音用户在20 ms内平均使用7.6×（0.6+0.4/8）=4.94个RB。

语音包在物理层出现错误时，会多次重传，随着重传次数的增加，所需的SINR要求降低，但会增加网络资源消耗，本文假定下行传输BLER为10%，最大传输次数为2次，则平均传输次数为1+1×0.1=1.1次。考虑重传因素后，1个语音用户在20 ms内平均使用4.94×1.1=5.43个RB。

在20 ms时间内，eMTC下行共有120个RB，除承载业务外，还要承载系统消息、RRC连接的建立和释放、切换、NAS等信令开销，假定信令开销使用20%的RB，则下行共计有120×（1-20%）=96个RB用于业务。

假定每个语音用户的忙时话务量为0.02 Erl，则eMTC网络只承载语音业务时，可以承载96/5.43/0.02=884个语音用户。网络利用率为10%、25%、50%时，单小区可以承载的语音用户数分别是88、221、442个。