VoLTE增强技术综合部署方案研究及试验分析

王 荣

中国电信股份有限公司江苏分公司

0 引言

随着5G网络建设的逐步推进，C网退频重耕对于低成本快速提升中国电信5G和4G网络的广覆盖和深度覆盖水平具有重要意义。因此，在C网退频过程中，为承接C网全网语音业务，并为VoNR的适时引入做好准备，进一步提升VoLTE业务质量和客户感知十分必要。本文简要介绍四个VoLTE增强技术的基本原理，结合现网试验的测试数据，分析研究各项增强技术对VoLTE覆盖、容量和性能等方面的影响，评估各种增强技术的优劣势和适用场景，并在此基础上给出VoLTE增强技术综合部署的方案建议。

1 VoLTE增强技术

现阶段，提升VoLTE业务的性能，可以通过各种VoLTE增强技术来实现，主流的VoLTE增强技术有：RoHC（Robust Header Compression，健壮报头压缩技术）、RLC分片（Radio Link Control Segmentation，无线链路层控制协议）与TTIB（Transmission Time Interval Bundling，传输时间间隔绑定）、半静态调度SPS（Semi-Persistent Scheduling，半静态调度）等。

1.1 RoHC技术

无线传输的空口资源是有限而宝贵的，对于某些语音或视频多媒体应用而言，数据净荷只占到整个IP报文的很少一部分。就VoLTE业务而言，一般语音数据的平均长度只有十几个字节，但是报文RTP/UDP/IP的头部会占到40字节，在IPv6中甚至达到60字节，因此空口带宽利用率非常低（20%左右）。RoHC提供的头压缩算法能够将RTP/UDP/IP头压缩至最小1个字节，大大提高了空口带宽的利用率，具有很高的实用价值。

1.1.1 技术原理

LTE系统中的RoHC功能实体位于UE和eNodeB的用户面PDCP（packet Date Convergence Protocol，分组数据汇聚协议）实体中，仅仅用于用户面数据包的头压缩和解压。

压缩方对报文头进行压缩，并传递头部压缩信息给解压方；解压方则通过上下文来确保压缩报文能够被正确解压。压缩方位于发送端，根据Profile和上下文对报文进行头部压缩；解压方位于接收端，根据Profile和上下文对压缩后的报文头部进行恢复。由于它的反馈机制，ROHC能很好地处理无线链路上高误码率和长时延等问题，能将报文头最大压缩到1字节，如图1所示。

图1 RoHC报文头压缩

采用RoHC压缩技术具有以下优势：报文头最大压缩到1字节，带来最高97.5%的压缩增益，改善频谱效率并且减少误比特率BER。RoHC技术的理论压缩增益如表1所示。

表1 RoHC技术的理论压缩增益The header compresssion gains :

1.2 TTI Bundling技术

1.2.1 技术原理

TTIB技术，用于提高用户在小区边缘上行覆盖性能的一种方法。当TTI Bundling功能开启时，上行调度DCI0一次授权后，在连续4个上行子帧上传输同一传输块，每次传输采用不同RV版本用以做HARQ合并，且仅在第四次传输后有对应的PHICH反馈，重传也是4个连续上行TTI发射。所以，调度器仅需要指示第一个上行传输子帧的数据传输，而且PHICH只需要响应接收到的最后一个子帧。因此，可以充分利用4个上行子帧发送的数据进行合并，通过合并增益提升数据可靠性，如图2所示。由于仅在第四次传输后有对应的PHICH反馈，所以此时反馈的为底层合并后数据的接收效果，因而大大提高了数据接收的准确性和可靠性。

图2 TTI Bundling示意图

仿真表明，TTIB可以改善VoLTE边缘用户的上行覆盖，仿真约有5dB增益（@10% BLER，3RB，MCS7）。

1.3 RLC分片技术

1.3.1 技术原理

当UE处于小区边缘时，由于功率受限，上行覆盖能力下降，可能导致UE无法在一个TTI时间内发送一个完整的数据包。RLC分片可将一个SDU在RLC层拆分成若干个分片，每个RLC分片安排在一个TTI内传输，传输时都会被重新添加RLC/MAC包头和CRC校验码。因此，RLC分片技术减少了每个子帧上传输的数据量，从而提升了小区上行边缘覆盖能力。

上行RLC分片主要由上行调度分配的TBS决定，TBS越小，上行RLC分片越多。为防止上行RLC分片过多，导致VoLTE时延长、上行丢包率劣化，以及上行动态调度消耗的CCE资源和RB资源多的问题，我们可以根据VoLTE包大小设置最大RLC分段数，限制单次上行动态调度的TBS最小值，从而限制一个VoLTE包的上行RLC分段数不超过上限。

1.4 半静态调度SPS技术

LTE的共享式资源分配调度方式可以很好地利用无线资源，但是这种调度方式带来的开销也是系统设计者必须要考虑的问题之一。LTE系统取消了电路域话音业务，取而代之的是分组域VoIP业务，但由于话音用户的数量往往比较大，每次传输都需要相关的控制信息，所以控制信息开销过大将可能成为制约LTE系统所能同时支持的用户数，以及所能达到的系统吞吐量的瓶颈。

1.4.1 技术原理

针对语音这类数据包大小比较固定，到达时间间隔满足一定规律的实时性业务，LTE引入了一种新的调度方式——半静态调度技术SPS（Semi-Persistent Scheduling）。半静态调度方式是指在LTE的调度传输过程中，eNB在初始调度时通过PDCCH指示UE当前的调度信息，UE识别是半静态调度，则保存当前的调度信息，每隔固定的周期在相同的时频资源位置上进行该业务数据的发送或接收。使用半静态调度传输，可以充分利用话音数据包周期性到达的特点，一次授权，周期使用，从而有效节省LTE系统用于调度指示的PDCCH资源，进而可以在不影响通话质量和系统性能的同时，支持更多的话音用户。

以VoLTE业务为例，其数据包到达周期为20ms，则eNB只要通过PDCCH给UE半静态调度指示，UE即按照PDCCH的指示进行本次调度数据的传输或者接收，并且在每隔20ms之后，在相同的时频资源位置上进行新到达的语音包的传输或者接收，如图3所示。图3中，标记为绿色的资源即为UE周期进行发送或者接收的资源位置。

图3 SPS调度示意图

使用半静态调度（SPS）技术主要有以下三方面的显著优势。（1）节省有限的PDCCH资源；（2）简化基站侧复杂的调度流程；（3）启用SPS情况下，每UE所需的CCE数量较少，提高小区VoLTE用户数。

2 VoLTE增强技术现网试验结果分析

为了更好地验证上述VoLTE关键技术的性能和实际使用效果，并为后续大规模部署提供指导意见，我们在现网选取部分基站（LTE 800M网络，5MHz带宽），对VoLTE增强技术进行了实际测试。

2.1 RoHC试验结果

在开启与关闭RoHC功能的情况下，分别采用12.65kbps和23.85kbps两种语音编码速率的VoLTE业务进行对比测试，RoHC功能对VoLTE业务上下行RB块的节省比较明显，可以提升VoLTE用户容量。

RoHC开启后，在近点能节省约20%的RB块；在远点，能节省约35%的RB块。开启RoHC后，能节省较多的上下行RB数，如图4所示。图4中，纵坐标为每秒钟调度的RB数，横坐标中的12.65表示语音编码速率12.65kbps，23.85表示语音的编码速率23.85kbps。

图4 RoHC开启和关闭情形下，上下行RB资源调度对比

表2 RoHC开启和关闭是近远点VoLTE关键指标对比

2.2 RLC分片试验结果

在开启和关闭RLC分片功能的情况下，分别做VoLTE业务拉深对比测试，测试结果如图5所示。

从图5中可以看出：当启用RLC分片后，弱覆盖位置MOS值有了明 显 提 升（在-114＜RSRP＜-119区间提 升≈0.5，在-120＜RSRP＜-125区间提升≈1），上行覆盖增益约为3～4dB。

图5 RLC分片开启和关闭时VoLTE MoS分值与RSRP关系

2.3 TTI Bundling试验结果

在开启和关闭TTIB功能的情况下，分别做VoLTE业务的拉深对比测试。测试结果如图6所示。

图6 TTIB开启和关闭时VoLTE MoS分值与RSRP的关系

试验效果：当启用TTIB后，弱覆盖位置MOS值有了明显提升。在＜-115dBm时，差异在0.5，甚至更高，上行覆盖增益约4～5dB。

TTIB开启前后每秒调度的PUSCH RB数量对比：TTIB关闭情况下，每秒调度平均为151.78；TTIB开启情况下，每秒调度平均为412.68，增加171.9%，是TTIB关闭时的2.72倍。

综上，TTIB开启后，VoLTE覆盖增益约4～5dB，但同时占用PRB块增多。因此小带宽下，建议不开启TTIB。

2.4 TTI Bundling（RLC分片开启情况下）试验结果

开启RLC分片功能，并在开启和关闭TTIB功能的情况下，分别做VoLTE业务拉深对比测试。测试结果分别如图7、图8所示。

图7 RLC分片开启情况下，TTIB分别开启和关闭时VoLTE MoS分值与RSRP的关系

图8 RLC分片开启情况下，TTIB分别开启和关闭时PUSCH RB资源的调度

从图8中可以看出：（1）TTIB开启后，当RSRP＜-118dBm，特别是 当RSRP＜-119dBm时，VoLTE覆盖显著增强。（2）TTIB开启前后每秒调度的PUSCH RB数量对比：TTIB关闭情况下，每秒调度平均为151.78；TTIB开启情况下，每秒调度平均为412.68，增加171.9%，是TTIB关闭时的2.72倍。

综上，TTIB开启后，VoLTE覆盖增益约4～5dB，但同时占用PRB块增多。因此小带宽下，建议不开启TTIB。

2.5 半静态调度SPS技术

在开启和关闭SPS功能的情况下，分别做VoLTE业务的拉深对比测试。测试结果分别如表3和图9所示。

图9 SPS开启和关闭时VoLTE MoS分值与RSRP关系

表3 SPS开启和关闭时PDCCH CCE每秒调度数量对比

从测试结果的图表中可以看出：SPS开启后，当RSRP大于-100dBm时，CCE节约了24.19%；当RSRP介于-100dBm至-115dBm之 间 时，CCE节 约 了36.56%；当RSRP小于-115dBm时，CCE节约了24.25%；在整段测试路线上，平均节约CCE约20%。

3 部署方案建议

通过对VoLTE增强技术的理论分析以及现网试验测试数据的比较研究，我们发现，这些VoLTE增强技术各有特点，可以充分利用这些技术特点，将其中一种或多种技术综合、灵活地应用在相关场合，从而提升VoLTE业务的性能和客户感知。

RoHC功能的开启可以减少冗余语音包头，从而减少对业务信道的占用，有效节省VoLTE用户所使用的空口RB资源，因而在不增加网络资源配置的情况下，增加VoLTE用户容量，同时提升VoLTE覆盖水平。因此，在城区、县城等话务密集区域使用RoHC技术，可以增强VoLTE深度覆盖水平，增加业务容量，吸收更多话务。

RLC分片技术改善了基站小区边缘的VoLTE用户业务感知。由于对小区边缘用户的上行链路采用了RLC分片，使得用户上行平均MCS增大或保持不变，并减少了上行弱覆盖区域VoLTE用户的丢包率。因此，在诸如小区边缘、深度覆盖不足、弱覆盖等区域场景，可使用RLC分片技术提升VoLTE业务感知。

TTI Bundling技术充分利用了HARQ合并增益，提高了传输成功率，减少了重传率，同时降低了RTT时延，提高了数据解调成功率。与RLC分片技术相比，TTI Bundling技术的增益仅在于减少了包头Overhead开销等。因此，与RLC分片技术类似，TTI Bundling技术适用于上行覆盖受限的VoLTE业务场景，如室内深度覆盖区域、边缘覆盖区域和弱覆盖区域。但是，TTI Bundling采用RRC重配消息通知终端，因此不建议用于信道变化快的高速场景，防止UE因信道变化快而频繁进入和退出Bundling，以减少对掉话率、语音质量和信令开销的影响。另外，启用TTI Bundling可能会增加上行PUSCH资源的利用，故对于小带宽网络（如1.4M、3M等带宽），不建议采用TTI Bundling。

SPS技术给VoLTE用户分配半静态调度资源，节省PDCCH开销，提高系统容量。因此，半静态调度主要应用于小包业务和周期性传输的业务场景，即存在QCI 1业务（VoIP），且除了QCI 1、QCI 5和默认承载外没有其他专有承载（DRB）的业务，例如VoLTE业务。但是，SPS开启后，由于采用固定的MCS和RB分配，难以适应信道的快速变化，可能导致MOS值变差，因此不建议将SPS用于高速场景。SPS适用典型场景为静止或慢速移动的用户，如室内场景等。需要说明的是，RoHC、TTIB、SPS技术都需要终端的配合。

4 结束语

通过对VoLTE增强技术基本原理的介绍和现网试验测试，研究分析了RoHC、RLC分片、TTI Bundling和SPS等技术在改善VoLTE覆盖、容量和MoS分值等关键性能上的性能以及存在的不足，研究并给出了VoLTE增强技术综合部署的方案建议。