农村地区基于覆盖最大化的VoLTE参数优化

陆健贤 黄济丘 赵旭

【摘  要】农村地区的覆盖质量是VoLTE商用面临的关键问题。根据链路预算，VoLTE与CDMA具有16 dB的覆盖差距，通过对比RLC分段、TTI Bundling等VoLTE上行覆盖增强技术的优缺点，并根据实测结果对比分析各种参数设置对用户感知及覆盖的影响，提出了实现农村VoLTE覆盖最大化的RLC分段、TTI Bundling及PDCP丢弃定时器设置。实测表明，优化后VoLTE覆盖仅为CDMA的90%，需进一步补点完善覆盖。

【关键词】VoLTE;覆盖增强;RLC分段;TTI Bundling;PDCP;丢弃定时器

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.10.016        中图分类号：TN911

文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2020）10-0087-05

引用格式：陆健贤，黄济丘，赵旭. 农村地区基于覆盖最大化的VoLTE参数优化[J]. 移动通信， 2020，44（10）： 87-91.

0   引言

VoLTE可提供高清语音及视频通话，呼叫时延短，显著提高了用户业务体验。对于语音业务，除了通话清晰外，网络还必须满足普遍覆盖、高接通率、低掉话率等要求，才能提供高质量的服务。2G网络经过多年建设和优化，覆盖已较为完善，能够满足语音业务的上述要求。由于LTE空中接口的特点，覆盖问题已成为VoLTE规模部署的难点，特别对地广人稀的农村地区，如何低成本实现VoLTE覆盖与2G基本可比是商用能否成功的关键。

1   VoLTE与CDMA网络上行覆盖比较

覆盖能力取决于在确保一定通话质量条件下基站与终端之间允许的最大路径损耗。对上行链路，最大路径损耗与终端最大发射功率PUE、基站接收灵敏度Sensitivity和基站的底噪抬升IoT关系如式（1）所示：

根据现场测试及网管统计，在农村地区，上述三个要素取值如表1所示：

VoLTE与CDMA语音业务相比，其上行链路的最大路径损耗差值高达16 dB，若不优化VoLTE覆盖，VoLTE覆盖将显著低于CDMA。造成该结果的原因主要包括以下三个方面：

（1）接收灵敏度：CDMA终端为连续发射，因农村无线环境较好，农村基站的接收灵敏度可达-132 dBm，接近香农定理给出的极限。LTE无线资源调度的粒度为1个TTI，如无RLC分段、HARQ重传，基站接收到的时域功率仅为终端连续发射情况下的1/20，造成VoLTE接收灵敏度远低于CDMA。

（2）底噪抬升：CDMA采用快速功率控制，将终端发射功率控制到最低，减少了对基站的底噪抬升。LTE为提高数据速率，终端发射功率较高，在相同的路损下，比CDMA高10 dB至30 dB。虽然LTE上行链路采用SC-FDMA避免了同小区不同用户的干扰，但高发射功率将对相邻小区产生干扰。CDMA和LTE底噪抬升情况如表2所示，参考CDMA相邻小区与本小区干擾的比值为0.65[2]，可以认为LTE相邻小区对底噪抬升的贡献占总底噪抬升值的40%，即2 dB，较CDMA高1.5 dB。

（3）终端最大发射功率：根据3GPP2规范[3]，只要终端最大发射功率在200 mW至1 W之间即符合规范要求，而3GPP规范[4]规定等级3的终端最大输出功率必须满足23±2 dBm。终端最大发射功率的差异取决于各终端厂家的实现，对几款主流终端的实测结果表明，CDMA终端的最大发射功率比LTE略高。

2   VoLTE上行覆盖增强技术

因LTE和CDMA的终端最大发射功率、底噪抬升差异较小，为使VoLTE覆盖尽可能接近CDMA，必须采用覆盖增强技术缩小两者接收灵敏度的差距。除了采用2T4R获得更高的接收分集增益，目前现网还使用了RoHC、RLC分段、TTI Bundling等VoLTE覆盖增强技术：

（1）RoHC：为无线链路设计的数据包头压缩机制，可以将语音报文的RTP/UDP/IP包头压缩为更小的字节，减少了RLC分段并可采用健壮的MCS确保语音包的正确传输。

（2）RLC分段：通过分段将一个RLC SDU拆分封装成若干个小的PDU，减少了每个TTI传输的净荷大小，使一个语音包可占用多个TTI并可采用更健壮的MCS发送，提高了每净荷比特的功率，改善了上行边缘区域的覆盖。RLC分段由调度器根据无线信道质量自动在层2进行，因分段产生的每个RLC PDU均使用单独的HARQ进程和上行调度授权，需占用较多PDCCH和PHICH信道资源。此外，每个RLC PDU均需要添加RLC/MAC包头，加大了包头开销。

（3）TTI Bundling：在4个连续的TTI上传输同一RLC PDU的不同冗余版本，4个捆绑的TTI作为整体采用同一个HARQ进程处理，在提高接收端累积能量的同时减少了所需的HARQ进程数量。TTI Bundling仅限于上行链路[5-6]、PRB数量不超过3且采用QPSK调制的条件下应用，根据无线信道质量通过RRC消息激活和去激活。TTI Bundling的优点是通过减少RLC分段数量降低包头及PDCCH、PHICH控制信道的开销。根据文献[7]，若ACK/NACK无差错传输，RLC分段为8 ms与4 ms的TTI Bundling（但不同时RLC分段）性能相当，当NACK误解码为ACK的概率0.1%的情况下，4 ms的TTI Bundling较RLC分段为8 ms具有2～3 dB的增益。与RLC类似，TTI Bundling激活后也会加大时延和抖动，未到覆盖边缘就过早启动该功能将导致MOS降低[8]。

3   覆盖增强技术对网络性能的影响分析

为了研究农村区域VoLTE覆盖增强技术对网络性能的影响，在一个典型的农村基站开展了多种参数设置的测试。该基站使用CDMA/LTE双模设备及同一天馈线，主要覆盖农村及周边道路。下文中如无特别说明均打开RoHC功能，VoLTE上行覆盖增强技术参数设置如表3所示，基站工作带宽为3 MHz、RS功率为27 dBm。

3.1  RoHC及2T4R对覆盖的提升

从基站近端向远端路测，VoLTE业务MOS随路径损耗变化的测试结果如图1所示。如不打开RoHC功能，2T4R的MOS拐点为路径损耗130 dB处，而打开该功能后拐点延伸至路径损耗140 dB处。RoHC将上行PDCP平均速率由原来的16.2 kbit/s降低至8.2 kbit/s，显著提升了VoLTE在小区边缘的覆盖能力。在路径损耗大于135 dB的覆盖边缘区域，对应相同的MOS值，2T4R的最大路径损耗相对2T2R具有约3～4 dB的增益，与预期一致。由于2T4R设备成本增幅有限且农村站址安装条件相对宽松，采用2T4R可显著改善上行覆盖。

3.2  TTI Bundling激活的影响

在实际网络中，当UE处于小区边缘时无线条件恶劣，为提升覆盖，TTI Bundling一般需与RLC分段结合。3种不同TTI Bundling及RLC分段设置的覆盖测试结果如图2所示：

对于覆盖良好的区域，3种测试场景的MOS值差异很小。在路径损耗大于135 dB的边缘区域：

（1）打开TTI Bundling功能的情况下，RLC最大分段为4的覆盖性能优于分段为2的设置。由表4的数据，更多的分段降低了BLER和丢包率。对应MOS=3的门限值，最大分段为4较分段为2具有约5 dB的覆盖增益。

（2）关闭TTI Bundling功能且RLC最大分段为8的覆盖性能更优，比打开TTI Bundling功能具有3～4 dB的增益。

造成上述现象的原因是，TTI Bundling激活后语音端到端时延增加，导致PDCP丢弃定时器超时产生丢包。AMR语音编码器每20 ms产生一个语音帧，如UE在20 ms内无法完成该语音帧的发送，将导致语音帧缓存，造成语音传输延迟。PDCP层对每个语音帧生成的SDU都会启动定时器计时，在缓存严重的情况下，传输延迟导致定时器超时，SDU就会被丢弃，造成语音帧丢失。简化的分析如图3所示，在激活TTI Bundling的情况下，假设1个语音帧生成的1个RLC SDU被拆分封装为4个PDU，关闭TTI Bundling时拆分封装为8个PDU。TTI Bundling发送1个RLC PDU需要占用4个TTI，重传的时间间隔为16TTI，而HARQ发送1个RLC PDU仅需1个TTI，重传的时间间隔为8个TTI。

当TTI Bundling激活时，仅当RLC PDU1传输次数不大于2且RLC PDU2～4传输次数为1时才能在20 ms内完成1个RLC SDU传输，其概率PTTIB_ON为：

而当关闭TTI Bundling功能时，只要RLC PDU1～4传输次数不大于3且RLC PDU5～8传输次数不大于2即可在20 ms内完成1个RLC SDU传输，其概率PTTIB_OFF为：

根据表4的BLER，PTTIB_ON为74.3%、PTTIB_OFF为84.6%。虽然TTI Bundling通过4个TTI连续发送产生的增益降低了BLER及HARQ的重传概率，但TTI Bundling减少重傳降低的时延并不足以抵消其重传时间间隔带来的开销，语音包延迟的概率相应增加，由于PDCP丢弃定时器仅为100 ms，定时器超时导致更高的语音丢包率。在实际网络中，还存在发送SR及重传、等待上行调度授权等时延，丢包更为严重。

3.3  PDCP丢弃定时器的影响

根据文献[9]，VoLTE端到端时延的推荐值为150 ms以内，最大时延不超过400 ms，而文献[10]给出的能够达到用户满意的最大时间为280 ms。由于农村网络性能的主要瓶颈为覆盖，通过适当加大PDCP丢弃定时器时长增加SR及HARQ重传次数，可降低边缘区域的丢包率。

QCI1的PDCP丢弃定时器延长后的测试结果如图4所示。对关闭TTI Bundling、RLC最大分段为8 ms的设置，由于HARQ重传周期较短，延长PDCP丢弃定时器增益并不明显。对打开TTI Bundling、RLC最大分段为4 ms的设置，由于重传周期较长，定时器延长后覆盖能力较100 ms显著提升。当PDCP丢弃定时器设置为无穷大，MOS=3对应的路径损耗从100 ms的144 dB提升至150 dB。此时，语音业务从时延要求严格的实时业务退化为尽力而为的业务，时延抖动加大造成MOS的波动，对路径损耗140 dB至145 dB区域的用户，虽然打开TTI Bundling较关闭的MOS降低了0.2至0.5，但MOS维持在3以上。考虑到因覆盖导致的掉话对感知的影响更为严重，在农村覆盖边缘区域，可通过适当降低通话质量进一步提升覆盖能力。

综合以上分析，在保障适当用户感知条件下，按照同站址VoLTE覆盖最大化的原则，VoLTE的最优设置为2T4R+打开RoHC+打开TTI Bundling+RLC最大分段4+PDCP定时器无穷大。

4   优化后VoLTE与CDMA覆盖的对比

对于本次研究的农村LTE/CDMA共址基站，优化设置后VoLTE和CDMA语音业务覆盖范围的测试结果如表5所示。对比表中多小区场景通话良好的覆盖距离，虽然800 MHz VoLTE已采用多种覆盖增强技术，但在CDMA原站址部署的VoLTE覆盖范围为1445 m、仅为CDMA语音覆盖距离1 604 m的90%，仍然需要补点弥补VoLTE与CDMA的覆盖差距。此外，对于MOS=2的门限，CDMA多小区覆盖距离为1 604 m，小于单小区的1 727 m。对应上述距离，多小区场景终端发射功率的测试值为20.3 dBm，小于单小区的22.7 dBm，即多小区场景的上行链路并非受限链路而是下行链路。其原因在于，CDMA导频、寻呼等公共控制信道约占基站最大发射功率20%，即使在话务较低的农村上述信道仍需发射，单小区并不存在邻区干扰，而多小区的覆盖边缘区域受邻区下行干扰较大。由于实际组网均为多个小区构成连片覆盖，与传统认知的语音业务是上行覆盖受限不同，农村CDMA下行干扰受限有可能先于上行覆盖受限出现。因多址方式不同，VoLTE多小区与单小区覆盖差距较小。

5   結束语

影响农村地区用户感知最重要的因素是网络覆盖。在保证适当用户感知前提下，为发挥CDMA原站址部署的800 MHz LTE基站的最大覆盖效益，应采用2T4R的基站设备和天线配置，打开RoHC和TTI Bundling功能、RLC最大分段设置为4 ms、PDCP丢弃定时器设置为无穷大。由于LTE的空口特性，即使采用上述最优设置，VoLTE覆盖仍低于CDMA语音，还需要通过补点完善VoLTE覆盖，以支撑VoLTE规模商用。

参考文献：

[1]    HHolm，AToskala. ISBN 978-0-470-66000-3： LTE for UMTS：Evolution to LTE-Advanced（Second Edition）[M].Hoboken： JohnWiley& Sons，2011.

[2]    HHolm， AToskala. ISBN 978-0-470-68646-1： WCDMA for UMTS（fifth Edition）[M].Hoboken： John Wiley & Sons，2010.

[3]    3GPP. 3GPP2 C.S0011-A： Recommended Minimum Performance Standards forcdma2000 Spread Spectrum Mobile Stations[S]. 2001.

[4]    3GPP. 3GPP TS 36.521-1 V16.0.0： User Equipment （UE） conformance specification;Radio transmission and reception;Part 1： Conformance Testing[S]. 2019.

[5]    3GPP. 3GPP TS 36.321V15.6.0： Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）; Medium Access Control （MAC） protocol specification [S]. 2019.

[6]    3GPP. 3GPP TS 36.331 V15.4.0： Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）; Radio Resource Control （RRC）; Protocol specification[S]. 2018.

[7]    R Susitaival， M Meyer. LTE Coverage Improvement by TTI Bundling[C]//IEEE Vehicular Technology Conference. IEEE， 2009.

[8]       AElnashar， M El-saidny.ISBN9781119063308： Practical Guide to LTE-A， VoLTE and IoT：Paving the Way Towards 5G[M]. Hoboken： JohnWiley& Sons，2018.

[9]    3GPP. 3GPP TS 22.105 V15.0.0： Services and service capabilities[S]. 2018.

[10]  ITU-T. ITU-T Recommendation G.114： One way transmission time[S].2003.