王 榮

中國(guó)電信股份有限公司江蘇分公司

0 引言

隨著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的逐步推進(jìn)，C網(wǎng)退頻重耕對(duì)于低成本快速提升中國(guó)電信5G和4G網(wǎng)絡(luò)的廣覆蓋和深度覆蓋水平具有重要意義。因此，在C網(wǎng)退頻過(guò)程中，為承接C網(wǎng)全網(wǎng)語(yǔ)音業(yè)務(wù)，并為VoNR的適時(shí)引入做好準(zhǔn)備，進(jìn)一步提升VoLTE業(yè)務(wù)質(zhì)量和客戶感知十分必要。本文簡(jiǎn)要介紹四個(gè)VoLTE增強(qiáng)技術(shù)的基本原理，結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)試驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)，分析研究各項(xiàng)增強(qiáng)技術(shù)對(duì)VoLTE覆蓋、容量和性能等方面的影響，評(píng)估各種增強(qiáng)技術(shù)的優(yōu)劣勢(shì)和適用場(chǎng)景，并在此基礎(chǔ)上給出VoLTE增強(qiáng)技術(shù)綜合部署的方案建議。

1 VoLTE增強(qiáng)技術(shù)

現(xiàn)階段，提升VoLTE業(yè)務(wù)的性能，可以通過(guò)各種VoLTE增強(qiáng)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，主流的VoLTE增強(qiáng)技術(shù)有：RoHC（Robust Header Compression，健壯報(bào)頭壓縮技術(shù)）、RLC分片（Radio Link Control Segmentation，無(wú)線鏈路層控制協(xié)議）與TTIB（Transmission Time Interval Bundling，傳輸時(shí)間間隔綁定）、半靜態(tài)調(diào)度SPS（Semi-Persistent Scheduling，半靜態(tài)調(diào)度）等。

1.1 RoHC技術(shù)

無(wú)線傳輸?shù)目湛谫Y源是有限而寶貴的，對(duì)于某些語(yǔ)音或視頻多媒體應(yīng)用而言，數(shù)據(jù)凈荷只占到整個(gè)IP報(bào)文的很少一部分。就VoLTE業(yè)務(wù)而言，一般語(yǔ)音數(shù)據(jù)的平均長(zhǎng)度只有十幾個(gè)字節(jié)，但是報(bào)文RTP/UDP/IP的頭部會(huì)占到40字節(jié)，在IPv6中甚至達(dá)到60字節(jié)，因此空口帶寬利用率非常低（20%左右）。RoHC提供的頭壓縮算法能夠?qū)TP/UDP/IP頭壓縮至最小1個(gè)字節(jié)，大大提高了空口帶寬的利用率，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

1.1.1 技術(shù)原理

LTE系統(tǒng)中的RoHC功能實(shí)體位于UE和eNodeB的用戶面PDCP（packet Date Convergence Protocol，分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議）實(shí)體中，僅僅用于用戶面數(shù)據(jù)包的頭壓縮和解壓。

壓縮方對(duì)報(bào)文頭進(jìn)行壓縮，并傳遞頭部壓縮信息給解壓方；解壓方則通過(guò)上下文來(lái)確保壓縮報(bào)文能夠被正確解壓。壓縮方位于發(fā)送端，根據(jù)Profile和上下文對(duì)報(bào)文進(jìn)行頭部壓縮；解壓方位于接收端，根據(jù)Profile和上下文對(duì)壓縮后的報(bào)文頭部進(jìn)行恢復(fù)。由于它的反饋機(jī)制，ROHC能很好地處理無(wú)線鏈路上高誤碼率和長(zhǎng)時(shí)延等問(wèn)題，能將報(bào)文頭最大壓縮到1字節(jié)，如圖1所示。

圖1 RoHC報(bào)文頭壓縮

采用RoHC壓縮技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：報(bào)文頭最大壓縮到1字節(jié)，帶來(lái)最高97.5%的壓縮增益，改善頻譜效率并且減少誤比特率BER。RoHC技術(shù)的理論壓縮增益如表1所示。

表1 RoHC技術(shù)的理論壓縮增益The header compresssion gains :

1.2 TTI Bundling技術(shù)

1.2.1 技術(shù)原理

TTIB技術(shù)，用于提高用戶在小區(qū)邊緣上行覆蓋性能的一種方法。當(dāng)TTI Bundling功能開啟時(shí)，上行調(diào)度DCI0一次授權(quán)后，在連續(xù)4個(gè)上行子幀上傳輸同一傳輸塊，每次傳輸采用不同RV版本用以做HARQ合并，且僅在第四次傳輸后有對(duì)應(yīng)的PHICH反饋，重傳也是4個(gè)連續(xù)上行TTI發(fā)射。所以，調(diào)度器僅需要指示第一個(gè)上行傳輸子幀的數(shù)據(jù)傳輸，而且PHICH只需要響應(yīng)接收到的最后一個(gè)子幀。因此，可以充分利用4個(gè)上行子幀發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，通過(guò)合并增益提升數(shù)據(jù)可靠性，如圖2所示。由于僅在第四次傳輸后有對(duì)應(yīng)的PHICH反饋，所以此時(shí)反饋的為底層合并后數(shù)據(jù)的接收效果，因而大大提高了數(shù)據(jù)接收的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖2 TTI Bundling示意圖

仿真表明，TTIB可以改善VoLTE邊緣用戶的上行覆蓋，仿真約有5dB增益（@10% BLER，3RB，MCS7）。

1.3 RLC分片技術(shù)

1.3.1 技術(shù)原理

當(dāng)UE處于小區(qū)邊緣時(shí)，由于功率受限，上行覆蓋能力下降，可能導(dǎo)致UE無(wú)法在一個(gè)TTI時(shí)間內(nèi)發(fā)送一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包。RLC分片可將一個(gè)SDU在RLC層拆分成若干個(gè)分片，每個(gè)RLC分片安排在一個(gè)TTI內(nèi)傳輸，傳輸時(shí)都會(huì)被重新添加RLC/MAC包頭和CRC校驗(yàn)碼。因此，RLC分片技術(shù)減少了每個(gè)子幀上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，從而提升了小區(qū)上行邊緣覆蓋能力。

上行RLC分片主要由上行調(diào)度分配的TBS決定，TBS越小，上行RLC分片越多。為防止上行RLC分片過(guò)多，導(dǎo)致VoLTE時(shí)延長(zhǎng)、上行丟包率劣化，以及上行動(dòng)態(tài)調(diào)度消耗的CCE資源和RB資源多的問(wèn)題，我們可以根據(jù)VoLTE包大小設(shè)置最大RLC分段數(shù)，限制單次上行動(dòng)態(tài)調(diào)度的TBS最小值，從而限制一個(gè)VoLTE包的上行RLC分段數(shù)不超過(guò)上限。

1.4 半靜態(tài)調(diào)度SPS技術(shù)

LTE的共享式資源分配調(diào)度方式可以很好地利用無(wú)線資源，但是這種調(diào)度方式帶來(lái)的開銷也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須要考慮的問(wèn)題之一。LTE系統(tǒng)取消了電路域話音業(yè)務(wù)，取而代之的是分組域VoIP業(yè)務(wù)，但由于話音用戶的數(shù)量往往比較大，每次傳輸都需要相關(guān)的控制信息，所以控制信息開銷過(guò)大將可能成為制約LTE系統(tǒng)所能同時(shí)支持的用戶數(shù)，以及所能達(dá)到的系統(tǒng)吞吐量的瓶頸。

1.4.1 技術(shù)原理

針對(duì)語(yǔ)音這類數(shù)據(jù)包大小比較固定，到達(dá)時(shí)間間隔滿足一定規(guī)律的實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)，LTE引入了一種新的調(diào)度方式——半靜態(tài)調(diào)度技術(shù)SPS（Semi-Persistent Scheduling）。半靜態(tài)調(diào)度方式是指在LTE的調(diào)度傳輸過(guò)程中，eNB在初始調(diào)度時(shí)通過(guò)PDCCH指示UE當(dāng)前的調(diào)度信息，UE識(shí)別是半靜態(tài)調(diào)度，則保存當(dāng)前的調(diào)度信息，每隔固定的周期在相同的時(shí)頻資源位置上進(jìn)行該業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收。使用半靜態(tài)調(diào)度傳輸，可以充分利用話音數(shù)據(jù)包周期性到達(dá)的特點(diǎn)，一次授權(quán)，周期使用，從而有效節(jié)省LTE系統(tǒng)用于調(diào)度指示的PDCCH資源，進(jìn)而可以在不影響通話質(zhì)量和系統(tǒng)性能的同時(shí)，支持更多的話音用戶。

以VoLTE業(yè)務(wù)為例，其數(shù)據(jù)包到達(dá)周期為20ms，則eNB只要通過(guò)PDCCH給UE半靜態(tài)調(diào)度指示，UE即按照PDCCH的指示進(jìn)行本次調(diào)度數(shù)據(jù)的傳輸或者接收，并且在每隔20ms之后，在相同的時(shí)頻資源位置上進(jìn)行新到達(dá)的語(yǔ)音包的傳輸或者接收，如圖3所示。圖3中，標(biāo)記為綠色的資源即為UE周期進(jìn)行發(fā)送或者接收的資源位置。

圖3 SPS調(diào)度示意圖

使用半靜態(tài)調(diào)度（SPS）技術(shù)主要有以下三方面的顯著優(yōu)勢(shì)。（1）節(jié)省有限的PDCCH資源；（2）簡(jiǎn)化基站側(cè)復(fù)雜的調(diào)度流程；（3）啟用SPS情況下，每UE所需的CCE數(shù)量較少，提高小區(qū)VoLTE用戶數(shù)。

2 VoLTE增強(qiáng)技術(shù)現(xiàn)網(wǎng)試驗(yàn)結(jié)果分析

為了更好地驗(yàn)證上述VoLTE關(guān)鍵技術(shù)的性能和實(shí)際使用效果，并為后續(xù)大規(guī)模部署提供指導(dǎo)意見，我們?cè)诂F(xiàn)網(wǎng)選取部分基站（LTE 800M網(wǎng)絡(luò)，5MHz帶寬），對(duì)VoLTE增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。

2.1 RoHC試驗(yàn)結(jié)果

在開啟與關(guān)閉RoHC功能的情況下，分別采用12.65kbps和23.85kbps兩種語(yǔ)音編碼速率的VoLTE業(yè)務(wù)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，RoHC功能對(duì)VoLTE業(yè)務(wù)上下行RB塊的節(jié)省比較明顯，可以提升VoLTE用戶容量。

RoHC開啟后，在近點(diǎn)能節(jié)省約20%的RB塊；在遠(yuǎn)點(diǎn)，能節(jié)省約35%的RB塊。開啟RoHC后，能節(jié)省較多的上下行RB數(shù)，如圖4所示。圖4中，縱坐標(biāo)為每秒鐘調(diào)度的RB數(shù)，橫坐標(biāo)中的12.65表示語(yǔ)音編碼速率12.65kbps，23.85表示語(yǔ)音的編碼速率23.85kbps。

圖4 RoHC開啟和關(guān)閉情形下，上下行RB資源調(diào)度對(duì)比

表2 RoHC開啟和關(guān)閉是近遠(yuǎn)點(diǎn)VoLTE關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比

2.2 RLC分片試驗(yàn)結(jié)果

在開啟和關(guān)閉RLC分片功能的情況下，分別做VoLTE業(yè)務(wù)拉深對(duì)比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看出：當(dāng)啟用RLC分片后，弱覆蓋位置MOS值有了明 顯 提 升（在-114＜RSRP＜-119區(qū)間提 升≈0.5，在-120＜RSRP＜-125區(qū)間提升≈1），上行覆蓋增益約為3～4dB。

圖5 RLC分片開啟和關(guān)閉時(shí)VoLTE MoS分值與RSRP關(guān)系

2.3 TTI Bundling試驗(yàn)結(jié)果

在開啟和關(guān)閉TTIB功能的情況下，分別做VoLTE業(yè)務(wù)的拉深對(duì)比測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 TTIB開啟和關(guān)閉時(shí)VoLTE MoS分值與RSRP的關(guān)系

試驗(yàn)效果：當(dāng)啟用TTIB后，弱覆蓋位置MOS值有了明顯提升。在＜-115dBm時(shí)，差異在0.5，甚至更高，上行覆蓋增益約4～5dB。

TTIB開啟前后每秒調(diào)度的PUSCH RB數(shù)量對(duì)比：TTIB關(guān)閉情況下，每秒調(diào)度平均為151.78；TTIB開啟情況下，每秒調(diào)度平均為412.68，增加171.9%，是TTIB關(guān)閉時(shí)的2.72倍。

綜上，TTIB開啟后，VoLTE覆蓋增益約4～5dB，但同時(shí)占用PRB塊增多。因此小帶寬下，建議不開啟TTIB。

2.4 TTI Bundling（RLC分片開啟情況下）試驗(yàn)結(jié)果

開啟RLC分片功能，并在開啟和關(guān)閉TTIB功能的情況下，分別做VoLTE業(yè)務(wù)拉深對(duì)比測(cè)試。測(cè)試結(jié)果分別如圖7、圖8所示。

圖7 RLC分片開啟情況下，TTIB分別開啟和關(guān)閉時(shí)VoLTE MoS分值與RSRP的關(guān)系

圖8 RLC分片開啟情況下，TTIB分別開啟和關(guān)閉時(shí)PUSCH RB資源的調(diào)度

從圖8中可以看出：（1）TTIB開啟后，當(dāng)RSRP＜-118dBm，特別是 當(dāng)RSRP＜-119dBm時(shí)，VoLTE覆蓋顯著增強(qiáng)。（2）TTIB開啟前后每秒調(diào)度的PUSCH RB數(shù)量對(duì)比：TTIB關(guān)閉情況下，每秒調(diào)度平均為151.78；TTIB開啟情況下，每秒調(diào)度平均為412.68，增加171.9%，是TTIB關(guān)閉時(shí)的2.72倍。

綜上，TTIB開啟后，VoLTE覆蓋增益約4～5dB，但同時(shí)占用PRB塊增多。因此小帶寬下，建議不開啟TTIB。

2.5 半靜態(tài)調(diào)度SPS技術(shù)

在開啟和關(guān)閉SPS功能的情況下，分別做VoLTE業(yè)務(wù)的拉深對(duì)比測(cè)試。測(cè)試結(jié)果分別如表3和圖9所示。

圖9 SPS開啟和關(guān)閉時(shí)VoLTE MoS分值與RSRP關(guān)系

表3 SPS開啟和關(guān)閉時(shí)PDCCH CCE每秒調(diào)度數(shù)量對(duì)比

從測(cè)試結(jié)果的圖表中可以看出：SPS開啟后，當(dāng)RSRP大于-100dBm時(shí)，CCE節(jié)約了24.19%；當(dāng)RSRP介于-100dBm至-115dBm之 間 時(shí)，CCE節(jié) 約 了36.56%；當(dāng)RSRP小于-115dBm時(shí)，CCE節(jié)約了24.25%；在整段測(cè)試路線上，平均節(jié)約CCE約20%。

3 部署方案建議

通過(guò)對(duì)VoLTE增強(qiáng)技術(shù)的理論分析以及現(xiàn)網(wǎng)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的比較研究，我們發(fā)現(xiàn)，這些VoLTE增強(qiáng)技術(shù)各有特點(diǎn)，可以充分利用這些技術(shù)特點(diǎn)，將其中一種或多種技術(shù)綜合、靈活地應(yīng)用在相關(guān)場(chǎng)合，從而提升VoLTE業(yè)務(wù)的性能和客戶感知。

RoHC功能的開啟可以減少冗余語(yǔ)音包頭，從而減少對(duì)業(yè)務(wù)信道的占用，有效節(jié)省VoLTE用戶所使用的空口RB資源，因而在不增加網(wǎng)絡(luò)資源配置的情況下，增加VoLTE用戶容量，同時(shí)提升VoLTE覆蓋水平。因此，在城區(qū)、縣城等話務(wù)密集區(qū)域使用RoHC技術(shù)，可以增強(qiáng)VoLTE深度覆蓋水平，增加業(yè)務(wù)容量，吸收更多話務(wù)。

RLC分片技術(shù)改善了基站小區(qū)邊緣的VoLTE用戶業(yè)務(wù)感知。由于對(duì)小區(qū)邊緣用戶的上行鏈路采用了RLC分片，使得用戶上行平均MCS增大或保持不變，并減少了上行弱覆蓋區(qū)域VoLTE用戶的丟包率。因此，在諸如小區(qū)邊緣、深度覆蓋不足、弱覆蓋等區(qū)域場(chǎng)景，可使用RLC分片技術(shù)提升VoLTE業(yè)務(wù)感知。

TTI Bundling技術(shù)充分利用了HARQ合并增益，提高了傳輸成功率，減少了重傳率，同時(shí)降低了RTT時(shí)延，提高了數(shù)據(jù)解調(diào)成功率。與RLC分片技術(shù)相比，TTI Bundling技術(shù)的增益僅在于減少了包頭Overhead開銷等。因此，與RLC分片技術(shù)類似，TTI Bundling技術(shù)適用于上行覆蓋受限的VoLTE業(yè)務(wù)場(chǎng)景，如室內(nèi)深度覆蓋區(qū)域、邊緣覆蓋區(qū)域和弱覆蓋區(qū)域。但是，TTI Bundling采用RRC重配消息通知終端，因此不建議用于信道變化快的高速場(chǎng)景，防止UE因信道變化快而頻繁進(jìn)入和退出Bundling，以減少對(duì)掉話率、語(yǔ)音質(zhì)量和信令開銷的影響。另外，啟用TTI Bundling可能會(huì)增加上行PUSCH資源的利用，故對(duì)于小帶寬網(wǎng)絡(luò)（如1.4M、3M等帶寬），不建議采用TTI Bundling。

SPS技術(shù)給VoLTE用戶分配半靜態(tài)調(diào)度資源，節(jié)省PDCCH開銷，提高系統(tǒng)容量。因此，半靜態(tài)調(diào)度主要應(yīng)用于小包業(yè)務(wù)和周期性傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)場(chǎng)景，即存在QCI 1業(yè)務(wù)（VoIP），且除了QCI 1、QCI 5和默認(rèn)承載外沒有其他專有承載（DRB）的業(yè)務(wù)，例如VoLTE業(yè)務(wù)。但是，SPS開啟后，由于采用固定的MCS和RB分配，難以適應(yīng)信道的快速變化，可能導(dǎo)致MOS值變差，因此不建議將SPS用于高速場(chǎng)景。SPS適用典型場(chǎng)景為靜止或慢速移動(dòng)的用戶，如室內(nèi)場(chǎng)景等。需要說(shuō)明的是，RoHC、TTIB、SPS技術(shù)都需要終端的配合。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)VoLTE增強(qiáng)技術(shù)基本原理的介紹和現(xiàn)網(wǎng)試驗(yàn)測(cè)試，研究分析了RoHC、RLC分片、TTI Bundling和SPS等技術(shù)在改善VoLTE覆蓋、容量和MoS分值等關(guān)鍵性能上的性能以及存在的不足，研究并給出了VoLTE增強(qiáng)技術(shù)綜合部署的方案建議。