基于空口丢包的VoLTE 网络质量与感知提升研究

贾英杰，梁松柏，刘亚柯，李丽霞，衡丽花

（1.北京华信东方科技有限公司，河南 郑州 450000；2.中国联通河南省分公司，河南 郑州 450008；3.中国联通洛阳市分公司，河南 洛阳 471000）

0 引言

长期演进语音承载（Voice over Long-Term Evolution，VoLTE）业务用以解决5G 到来后的语音承载问题。然而，VoLTE 业务在推广过程中面临各级网元协议流程冲突、网络问题频发且定界定位难、网络质量和业务感知标准门限重定义以及网络质量用户感知提升难度大等问题。如何快速、系统地解决针对VoLTE 业务的无线网络质量提升这一当前主要矛盾，是当前各运营商面临的挑战。

本文以VoLTE 业务“接得通、接得快、听得清、不掉话”感知提升为目标，从原理和影响因素分析入手，以影响VoLTE 无线网络质量瓶颈的数据丢、弃包为抓手，进行根因分析研究，以求探索出一条筑牢基础网络质量、快速提升VoLTE 业务感知的体系化方法。

1 原理分析

1.1 原理分析

1.1.1 VoLTE 语音原理

VoLTE 是基于IP 多媒体子系统（IP Multimedia Subsystem，IMS），在现有LTE 网络上使用SIP/SDP作为控制面（Control plane）信令协议和RTP/RTCP作为语音媒体层面（Media plane）协议，形成的语音服务（控制和媒体层面）作为数据流在LTE 数据承载网络中传输。由于VoLTE 数据包采用头包压缩功能，因此能更有效地利用网络带宽。

1.1.2 VoLTE 语音特点

VoLTE 语音业务与普通的上网数据业务相比，用户面时延要求更高，对带宽的需求不高，有如下几点差异。

（1）VoLTE 业务为非确认模式，而非实时类数据业务为确认模式。非确认模式下，不能正常解调的数据包将直接丢弃，这是引起语音感知不好的关键因素所在。而非实时类数据业务，丢包之后可以重传。

（2）VoLTE 业务要求端到端（E2E）丢包率小于1%，丢包过大会导致VoLTE 业务掉话、吞字、断续等。另外，干扰对语音业务会更敏感。

（3）VoLTE 时延抖动敏感，抖动大（时延过长）易造成语音数据包丢弃。

（4）VoLTE 对时延大，沟通会有延迟感；可以针对性地调整QCI=1 的层一、层二参数和定时器。

（5）VoLTE 业务对切换敏感，频繁切换会影响语音质量。

（6）VoLTE 较数据业务增加10 多个VoLTE特性和70 多个参数设计。

1.2 感知根因分析

VoLTE 用户业务感知感受主要体现在打电话能否接通、听得清以及是否经常掉话。用户业务感知对应于无线网络性能统计主要表征在时延是否过长、丢包是否过大。

为找出影响VoLTE 质量和感知的无线网关键因素，本文以与语音感知密切相关的编码、时延与抖动、丢包为切入点，分析无线侧根因如下。

1.2.1 编码分析

根据第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）协议定义，用户终端（User Equipment，UE）和IMS 中的媒体面网元必须支持AMR-NB 和AMR-WB 语音编码以及这8种编码模式的所有子集［1］。其中，AMR-NB 即从4.75 kb·s-1到12.2 kb·s-1，帧长20 ms，采样率为8 kHz，因此，一个语音帧采样160 个点。AMR-WB编码从6.6 kb·s-1到23.85 kb·s-1，帧长20 ms，采样率为16 kHz，因此，一个语音帧采样320 个点。

为确保感知，现网优选AMR-WB 的23.85 kb·s-1的语音编码速率，覆盖边缘可启动自适应低速语音编码，可减少数传压力和丢包。VoLTE 通话感知主要受对端终端能力、驻留网络下层封装协议、传输编码及调度处理机制等因素影响，因此应用层的语音编码不是影响无线网络质量的关键因素。在功率资源不足的前提下可降低语音编码速率。

1.2.2 时延抖动

时延抖动是指时延变化。数据业务对时延抖动不敏感。语音业务和视频业务对时延及抖动比较敏感。抖动与网络中的队列或缓冲相关。

语音抖动与网络时延、网络抖动相关。时延是指一个数据包在网络上传输的平均时间，主要包含空口、传输以及核心网转发时延等。抖动是指数据包传输时间长短的变化。当语音时延大于200 ms，通话双方一般采用半双工模式。另外，如果网络抖动较为严重，部分语音包会被丢弃，就产生断续及失真现象。而且，抖动是随机产生的。当语音和数据混合传输，抖动的产生就不可避免。

时延抖动一般发生在大数据包或低速率链路排队场景，同时因迟到数据包丢弃影响网络质量。因此在无线网络中反映为丢（弃）包。

1.2.3 丢包分析

丢包（Packet loss）是指一个或多个数据数据包（packet）的数据无法通过网络从一端传输至另一端［2］，包含两部分：一是无线网络弃包，在测量周期内，因基站资源不足、调度不及时导致VoLTE 数据包被基站（eNodeB）主动丢弃删除；二是无线网络丢包，因为干扰、弱覆盖、无线环境差等造成数据包丢失或无法正常解调。

3GPP 标准中丢包率门限为1%。丢包超过1%，则丢包过大，会引起无法接通、时延增加、断续、掉话、听不清等问题。实际网络运行也证明了这个结论，外场实地某市分公司近万个小区统计，丢包引起的VoLTE 业务质量差问题占比达80%～90%。

因此，分析VoLTE 语音质量的四大影响因素，发现其他因素都与丢包相关，最终定位丢包是引起VoLTE 无线网络质量和感知差的根本原因。

1.3 丢包原因分析

以某市全量小区为样本，剔除外部干扰及话务为0 小区，分析丢包与重叠覆盖、底噪抬升（上行非外部干扰）以及业务资源负荷之间的关系，以找到影响丢包的关键原因。

1.3.1 重叠覆盖与丢包率

重叠覆盖度主要影响下行丢包率。当重叠覆盖度大于25%时，下行丢包率大于0.5%。同时，重叠覆盖度在0.3～0.4 时，上下行质差趋势相关。

1.3.2 底噪（干扰）与丢包率

丢包率随底噪抬升、干扰电平增加呈上升趋势，线性强相关，如图1 所示。

图1 丢包率与上行底噪抬升（干扰）关联图

丢包产生的根源与下行的网络结构——重叠覆盖率、上行底噪高、干扰大密切相关，还与网络弱覆盖相关［3］。外场实地验证，因重叠覆盖过大下行干扰占比30%，因上行干扰（含下行重叠覆盖大、外部干扰影响）导致链路差丢包占比50%，弱覆盖造成丢包占比达15%左右，高负荷及其他占比5%左右。

2 丢包优化策略

按照系统性优化思路，VoLTE 优化体系及举措按顺序执行如下。

2.1 确定重叠覆盖贡献大小区

采取如下方法处理重叠覆盖贡献大小区。

2.1.1 理论仿真

理想情况下，六边形蜂窝拓扑结构下的重叠覆盖区如图2 所示。

图2 理想网络结构下的重叠区域

基于六边形结构，重叠覆盖区域的面积等于扇形区域的面积减去三角形区域的面积的两倍，重叠覆盖区最大距离等于扇形的高减去三角形的高的两倍［4］。根据以上推理，重叠覆盖区最大距离是基站间距的0.15 倍，重叠覆盖区域面积是小区覆盖面积的17%。

之后分析如何能够达到理想的重叠覆盖区以及此时的网络性能。仿真参数设定为：FDD-LTE 1 800 MHz 频段，19 个站点共57 个小区，基站间距400 m，站高30 m，邻小区电平差3 dB，下倾角遍历5～17°，其他参数选取默认值。

仿真结果如表1 所示。从仿真结果来看，在相同的预置条件下，下倾角在12～14°时网络综合性能最佳。

表1 重叠覆盖标准拓扑仿真结果

2.1.2 重叠覆盖与CQI 关系

重叠覆盖的定义为，在主服小区的电平大于-105 dbm 的情况下，测量样本在大于等于“主服务小区电平-6 dB”的范围内，若存在大于等于3 个邻区的接收信号，则认为该样本为重叠覆盖样本。

重叠覆盖的严重等级划分，主要依据满足条件的邻区数量。存在3 个满足条件的邻区的严重等级＜存在4 个邻区的严重等级＜存在5 个邻区的严重等级，等等。

通过分析邻小区与主小区相差-6 dB 的邻区数，随着强干扰邻区个数的增加，低阶占比越来越高，表明重叠覆盖度越高，严重影响下行信道的信号与干扰加噪声比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）值。如表2 所示。

表2 重叠覆盖与CQI 关联分析

2.1.3 干扰贡献计算方法

小区的干扰贡献度用来衡量该小区对周边其他小区的干扰贡献情况。小区干扰贡献度越大，说明该小区对周边其他小区的干扰越大。

小区干扰贡献度的定义为：A/（A+B）。A为本小区作为主服务小区的采样点数，B是与重叠覆盖小区列表中该小区作为邻区的采样点数。小区的干扰贡献度越高，说明作为干扰邻区的样次数越多，相应的重叠覆盖就越严重。

调整天馈重叠覆盖率高的问题小区，降低重叠覆盖度，提升质量，降低网内上下行干扰。随着SINR 提升明显，用户边缘丢包率下降60%以上。空口下行丢包率均值从0.36%降到0.18%，如图3 所示。

图3 覆盖控制后空口下行丢包率效果

2.2 在小区覆盖边缘启用频选调度、COMP 功能

加强排查网络外部干扰，在小区覆盖边缘启用频选调度、COMP 功能，具体措施如下。

（1）开启QCI1 上行NI 频选调度功能。按小区级干扰情况，排列出可供语音业务使用的最佳子带位置，保证语音业务能够分配在最优的子带上，更能保证语音的调度。QCI1 上行NI 频选开通后，对比问题小区调整前后指标，上行丢包率由4%左右降为2.5%左右。如图4 所示，效果改善明显。

图4 QCI 上行NI 频选调度效果

（2）开启PUCCH IRC 增强。该功能可以提升PUCCH 的解调性能，提升上行远点用户控制信道的抗干扰能力，降低控制信道误检率。

（3）开启PDCCH 自适应功能。在PDCCH 干扰较大的情况下，通过PDCCH 自适应功能，可以提升语音业务CCE 调整步长，增加抗干扰性，减少DCI0 LOST 次数，降低丢包率。PDCCH 自适应调整后，对比问题小区调整前后指标，下行丢包率由1.5%左右降为1.0%左右。

（4）COMP 是一种多点联合发送与接收技术，其原理是在不同小区间通过协同处理干扰，避免干扰，或将干扰转换为有用信号。

（5）在小区边缘启用硬频率复用或软频率复用功能。

2.3 开启TTI Bundling、启用eSRVCC 功能

TTI Bundling 是一种提高用户在小区边缘覆盖的方法。启动该方法时，上行调度DCI0 一次授权之后，在4 个连续的上行子帧上传输同一个传输块，充分利用4 个上行子帧发送的数据进行数据合并，并且，仅在第四次传输后有对应的PHICH 反馈。此时反馈的为底层合并后数据的接收效果，利用合并增益增强数据可靠性。TTI Bundling 开通后，对比问题小区调整前后指标，上行丢包率由2%左右降为1%左右。如图5 所示，改善明显。

图5 TTI Bundling 调度效果

此外，可以基于专利《eSRVCC 功能配置方法、网络设备和存储介质》，准确定义3G 邻区信息，解决VoLTE 覆盖空洞问题。基于质量的eSRVCC 切换开关打开后，对比问题小区调整前后指标，上行丢包率由4.0%左右降为2.0%左右，下行丢包率由18%左右降为12%左右。改善明显。

AMR 自适应功能是通过修改语音速率，增加语音对信道的适应性。如果上行功率受限或者信道限制语音带宽受限而无法保证语音速率，那么可以通过降低语音速率来保证语音质量。例如在小区的边缘，由于当前信道质量无法满足语音编码为23.85 kb·s-1的要求，则基站降低该VoLTE 用户的编码来适应信道情况。功能打开后，对比问题小区调整前后指标，上行丢包率由0.5%左右降为0.25%左右，下行丢包率由0.3%左右降为0.15%左右，改善明显。

2.4 降低时延抖动、延长缓存时长和丢弃时长

QCI1 预调度在静默期，外场有时候会配置80 ms 的上行调度请求（Scheduling Request，SR）周期。当出现SR 漏检时（高干扰导致），在较长的SR 周期下，RTP 包非常容易出现弃包，因此在这种情况下，静默期期间的预调度就产生了［5］。静默期的预调度可以规避掉基站漏检SR 出现的问题，降低RTP 的弃包率。在高话务小区，由于调度资源紧张，不建议预调度周期配置过小。QCI1 预调度调整后，对比问题小区调整前后指标，上行丢包率由0.25%左右降为0.1%左右，下行丢包率由1.6%左右降为0.9%左右。改善明显。

2.5 优化切换参数、防止乒乓切换

乒乓切换会导致终端与基站之间频繁地断开与连接，不仅在基站侧占用了较多的信令开销，对无线网络质量也产生了很大的影响，进而影响丢包率。

为防止乒乓切换，可对切换相关的参数进行优化调整，具体优化措施为：

（1）同频切换幅度迟滞（Hys）从2 优化为4；

（2）同频切换时间迟滞从320 ms 优化为640 ms；

（3）针对两两小区乒乓切换优化，将同频邻区关系中A3 事件小区偏移量从0 调整为-2。

3 结语

本文通过对用户语音感知评价四要素（丢包、时延、抖动、编码）的研判分析，得出丢包是关键因素，而造成丢包的主要原因是网络结构重叠覆盖高、上行干扰、弱覆盖、乒乓切换和高负荷。针对每一项原因，结合日常优化工作经验，本文制定了具体的优化解决措施，并取得明显的效果，能够为今后语音用户感知提升提供借鉴。