VoLTE高低频段覆盖能力研究

单 刚，张晓江（华信咨询设计研究院有限公司，浙江杭州310014）

1 概述

VoLTE是3GPP定义的基于IMS网络的LTE语音解决方案，其语音质量高，成本低，能有效节约频率资源，有利于运营商实现业务转型和升级。随着近2年三大运营商的LTE网络覆盖越来越完善，用户终端逐渐成熟，不少城市开始正式商用VoLTE。VoLTE承载于LTE网络之上，语音质量的优劣与LTE无线网络覆盖水平息息相关。由于频谱、带宽、政策、运营商策略等因素，导致不同城市、不同场景、不同阶段存在着低频、高频和低高频叠加组网等多种组网形式，在不同的频段，VoLTE的覆盖能力也各有不同。

本文以某运营商的网络为基础，分析一般城区场景800和1 800 MHz 2种频段下的VoLTE覆盖能力。

2 VoLTE关键技术

VoLTE是基于IMS的一种语音通话技术，与数据业务共同承载于LTE网络，可实现语音和数据同步进行。作为语音业务，其具有与数据业务不同的特性，如占空比低、单包小、实时性要求高等。为了提升VoLTE性能，3GPP定义了以下几个关键技术：ROHC报头压缩、时隙绑定、RLC分段技术、半静态调度。

a）RoHC报头压缩。在3GPP定义的VoLTE业务中，语音编码主要分为AMR-NB和AMR-WB 2种，其编码速率分别为4.75~12.2 kbit/s和6.6~23.85 kbit/s，通话期间每20 ms产生一个语音包，静默期间每160 ms产生一个数据包。以AMR-NB为例，按照一个典型语音包32 B计算，采用IPv4格式封装时，IP层包头开销达到20+8+12=40 B，采用IPv6格式封装时，IP层包头开销达到40+8+12=60 B，再加上PDCH层、RLC层和MAC层各8 B的包头开销，语音承载效率仅为33.3%（IPv4）和27.6%（IPv6），而采用ROHC报头压缩时，IP层包头开销可压缩为4~6 B，从MAC层统计，语音压缩效率分别达到了37.5%（IPv4）和48.3%（IPv6）。根据上述分析可知，通过ROHC报头压缩，封装后整个数据包大大缩小，既可降低VoIP的边缘速率，降低UE的功率需求，提升边缘覆盖，又可降低RB资源的占用，提高系统容量。

b）时隙绑定。当用户处于小区边缘，路径损耗较大，而UE由于本身发射功率受限，导致上行信道质量较差，误码率不能满足要求。为了解决这一问题，3GPP定义了时隙绑定技术，通过将上行连续时隙进行绑定（最大时隙绑定数量为4）并分配给同一UE，并在这些上行时隙中，发送相同内容的不同冗余版本，提高基站侧数据解码成功率，使得用户在覆盖较弱的基站边缘具有较高的上行速率和较低的误码率，从而提高上行覆盖能力。

c）RLC分段。当小区边缘功率受限时，上行覆盖能力下降，有可能导致UE无法在一个时隙内完成一个完整数据包的发送。而RLC分段增强技术，通过将一个RLC SDU拆分成多个小的PDU，降低小区边缘每个子帧需要上传的数据量，间接提升上行覆盖能力。而由于RLC分段降低了每个子帧传输的数据量，若分段过多，则会引起资源极大的浪费，从而降低VoLTE容量，因此在RLC分段时，需综合考虑容量和覆盖两者之间的平衡。

d）半静态调度。LTE中需要PDCCH信道对所有的业务信道进行动态调度，以满足上下行不同的业务需求，与传统的突发性高、带宽需求高的数据业务相比，VoLTE业务有着不同的特点，其占用时间长、周期规律、带宽占用需求小，如采用动态调度，eNodeB将每20 ms对语音用户进行一次调度，并占用大量的PDCH调度资源，从而影响用户容量。为了节省PDCH资源，避免因频繁调度影响VoLTE容量，VoLTE引入了半静态调度（SPS），在初始调度时，通过PDCCH指示UE当前的调度信息，以后每20 ms进行一次相同时频资源上的业务传输和接收，一次授权，周期性使用，从而有效节省用于调度的PDCCH资源，提高控制信道调度能力。

3 上行链路预算

CDMA网络经过多年建设，现阶段站点已遍布城区、干线、农村和景区等所有区域，基本实现全覆盖；LTE 1 800 MHz网络经过2015年到2018年3年多的建设，城区、乡镇、重要干线、重要景区和部分发达农村覆盖已较为完善；而LTE 800 MHz网络则是在CDMA网络基础上按1∶1同比建站，故虽然LTE 800 MHz网络起步晚，但总体覆盖已基本接近CDMA网络覆盖水平。

为了验证VoLTE不同频段之间、VoLTE和CDMA之间、VoLTE和LTE数据之间的覆盖能力差异，将CD⁃MA、VoLTE和LTE网络设定相同的工程参数，其中VoLTE采用标清语音12.2 kbit/s速率，LTE则采用上行256 kbit/s、下行1 024 kbit/s的边缘速率，基站侧CDMA采用1T2R天线，VoLTE和LTE采用2T4R天线。以下分别从VoLTE和CDMA语音之间、VoLTE和LTE数据之间2个方面进行上行链路预算的对比分析。

3.1 VoLTE和CDMA语音链路预算对比

由于CDMA、VoLTE和LTE均为上行受限，因此以下仅对上行覆盖进行链路预算分析（见表1）。表1中接收机灵敏度和干扰余量与厂商设备性能存在较大关系，文中选取了目前某主流厂家的参数。

对于12.2 kbit/s的VoLTE业务而言，不同的MCS，RB分配方式也有不同，分别有1RB、2RB、4RB等方式，带来的增益也存在差异，其中4RB方式覆盖效果相对较好，如无特殊说明，以下对比均基于4RB的分配方式。

根据链路预算结果，未考虑RoCH、时隙绑定等增强技术增益时，VoLTE的MAPL明显差于CDMA，若考虑RoCH、时隙绑定等增强技术增益时，VoLTE的MA⁃PL和CDMA相差不大，约1 dB，由此可见当VoLTE采用RoCH、时隙绑定等增强技术时，VoLTE 800 MHz与CDMA相比，室外覆盖差距约1 dB，差距不明显。

VoLTE 800 MHz和VoLTE 1 800 MHz相比，由于现阶段RRU均为近天线安装，跳线较短，故2种频段的馈线损耗和接头损耗相差不大，可忽略不计，MAPL基本接近，但由于两者频段差异较大，根据对应的传播模型Okumura-Hata模型和COST 231-Hata模型进行简单计算可知，VoLTE 1 800 MHz覆盖半径仅为VoLTE 800 MHz的50%左右。

表1 CDMA与VoLTE语音链路预算对比表

3.2 VoLTE语音和LTE数据业务链路预算对比

为了对比VoLTE和LTE数据覆盖水平，表2给出了VoLTE 800 MHz和LTE 800 MHz数据业务、VoLTE 1 800 MHz和LTE 1 800 MHz数据业务的MAPL预算值。表2中参数设定如下：VoLTE采用12.2 kbit/s、4RB分配方式，LTE采用上行256 kbit/s，需占用6RB资源。

根据链路预算结果可知，在不考虑RoCH、时隙绑定等增强技术增益的情况下，VoLTE和LTE数据覆盖能力相差不大，若考虑RoCH、时隙绑定等增强技术增益时，VoLTE覆盖甚至还优于LTE数据覆盖。

表2 LTE数据与VoLTE语音链路预算对比表

4 仿真

为了验证不同频段下VoLTE的覆盖性能，本文选取了某县城区进行了仿真分析，以县城现有的CDMA站址为基础，同站址进行CDMA、LTE 800/1 800 MHz、VoLTE 800/1 800 MHz仿真分析，并进行横向和纵向对比。

仿真采用Atoll3.1.2平台，数字地图精度为20 m，仿真参数同链路预算，仿真目标：

CDMA：接收功率Rx≥-95 dBm，导频信号信噪比Ec/Io≥-12 dB。

LTE数据：参考信号接收功率RSRP≥-105 dBm，信号与干扰加噪声比SINR≥-3 dB。

VoLTE：参考信号接收功率RSRP≥-105 dBm，信号与干扰加噪声比SINR≥-3 dB。

为了保证结果的可比性，本文对3个网络采用相同的数字地图，相同的仿真区域和相同的工参数据，同时采取Atoll系统自带模块进行自动邻区规划和自动PCI规划，相应的仿真结果如下。

4.1 接收信号功率对比

如图1所示，在共享现有CDMA物理站址的前提下：CDMA Rx≥-95 dBm的占比为99.8%，基本实现全覆盖；在不考虑RoCH、时隙绑定等增强技术增益的情况下，VoLTE800MHz的下行RSRP（800MHz）≥-105dBm的占比为93.9%，与CDMA覆盖存在一定的差距；VoLTE 1 800 MHz的下行RSRP（1 800 MHz）≥-105 dBm的占比为35.9%，远远低于CDMA和VoLTE 800 MHz的覆盖能力。

图1 CDMA/VoLTE信号接收功率分布对比图

若额外考虑VoLTE的RoCH、时隙绑定等增强技术，VoLTE 800 MHz和CDMA覆盖能力基本相当。而VoLTE 1 800 MHz由于站点数量不足，若单纯共享CD⁃MA站址，是无法满足连续覆盖要求的。

如图2所示，同频段下VoLTE的RSRP略差于LTE，其中VoLTE 800 MHz RSRP≥-105 dBm的占比仅比LTE数据低1.3个百分点，而VoLTE 1 800 MHz RSRP≥-105 dBm的占比则比LTE低了约4个百分点，主要是因为本次仿真的前提是共享CDMA现网站址，导致1 800 MHz站址严重不足，若1 800 MHz站址补齐，则满足最低RSRP的占比差距会大大缩小。

图2 不同频段下VoLTE与LTE信号接收功率分布对比图

4.2 信噪比对比

如图3所示，相同物理站址的前提下，无论是VoLTE还是LTE，SINR≥-3 dB的占比均超过97%，而1 800 MHz由于频段高，单站覆盖小，在完全共享CD⁃MA站址的情况下，SINR值甚至还优于LTE 800 MHz和VoLTE站点。

图3 不同频段下VoLTE与LTE SINR分布对比图

如图4所示，CDMA Ec/Io≥-12 dB的占比达到99%，优于VoLTE和LTE的指标。

4.3 仿真结论

根据仿真结果，得出以下2个结论。

a）在LTE和CDMA同站建设，并考虑RoCH、时隙绑定等增强技术增益情况下，VoLTE 800 MHz覆盖能力与CDMA基本相当，VoLTE 1 800 MHz覆盖能力无法满足要求。

b）VoLTE和同频段的LTE覆盖能力基本相似，在LTE覆盖能力达到要求的区域，同步开通VoLTE即可基本满足覆盖要求。

图4 CDMA Ec/Io分布对比图

5 结束语

目前，中国电信LTE 800 MHz与CDMA同站址建设，根据链路预算和仿真结果可知，VoLTE 800 MHz的覆盖能力基本与CDMA相当，而VoLTE 1 800 MHz单站覆盖能力则不如CDMA和VoLTE 800 MHz。当然，在计算VoLTE覆盖能力时，还需要从用户体验角度考虑，并非单纯追求极限覆盖能力，语音质量和时延指标也是VoLTE覆盖需要考虑的一个因素。同时，由于800 MHz频段可用带宽小，随着VoLTE用户的不断增加，在800 MHz频段上承载VoLTE将会容量受限，故在考虑VoLTE覆盖能力的同时需要协同考虑容量需求和扩容能力。

经过近几年的大力建设，城区LTE 1 800 MHz站点规模已远超CDMA站点规模，根据大量的路测数据和MR数据分析，城区1 800 MHz覆盖指标与800 MHz覆盖指标基本相当，根据前面分析，VoLTE 1 800 MHz与LTE 1 800 MHz覆盖能力也基本相当，由此可知，在不考虑VoLTE容量的情况下，在城区VoLTE无论承载在800 MHz频段还是1 800 MHz频段，均能较好满足覆盖需求，但随着VoLTE负荷不断增加，VoLTE频段承载策略和网络优化将是一个重要的课题。

而在郊区和农村，由于大部分省市未大规模建设LTE 1 800 MHz站点，LTE覆盖基本以LTE 800 MHz网络为主，故现阶段郊区农村更适合于将VoLTE承载在800 MHz频段上。