面向VoLTE的网络覆盖和容量提升技术研究
刘焕勇
【摘 要】分析了VoLTE技术和其所面临的挑战，提出了几种提升VoLTE覆盖和容量的技术，包括头压缩、半静态调度、TTI绑定等技术，同时也提出了创新性技术，包括调度周期动态调整技术、多天线接收技术和RLC分段等技术实现VoLTE的语音容量和覆盖范围提升。
【关键词】VoLTE；鲁棒性头压缩；半静态调度；TTI绑定；RLC分段
1 引言
VoLTE是4G的语音业务解决方案。VoLTE主要为用户提供AMR-WB（Adaptive Multi-Rate WideBand Speech Codec，自适应多速率宽带语音编码）23.85 kb/s和AMR-NB（Adaptive Multi-Rate NarrowBand Speech Codec，自适应多速率窄带语音编码）12.2 kb/s两种高清速率语音业务[1]。相比2G/3G 9.6 kb/s速率的语音业务，VoLTE的语音质量更高、更清晰。由于VoLTE采用了基于分组数据业务的传输方案，其呼叫时延等网络指标也明显优于2G/3G语音业务。通过外场测试，VoLTE的MOS（Mean Opinion Score，平均主观意见分）分值一般在3.8分以上，而2G/3G的MOS分值则一般在3.0左右，VoLTE的各项性能指标明显优于2G/3G网络。
VoLTE为用户提供了高清语音业务，但覆盖距离却低于同频段的2G/3G网络[2-3]。图1为800 MHz频段上，VoLTE业务和CDMA语音业务的覆盖距离对比。由于受终端发射功率的限制，VoLTE是上行覆盖受限系统，其上行覆盖范围小于下行覆盖范围。VoLTE覆盖范围小于2G/3G语音覆盖范围，同CDMA网络相比，覆盖距离相差10%左右，主要是VoLTE高清语音业务对eNodeB上行接收机灵敏度要求更高，导致VoLTE覆盖距离减小。同样在相同的覆盖范围内，也导致VoLTE的接入用户数也相应减少。基于上述两个VoLTE实际问题，提出几种提升VoLTE的网络覆盖和容量技术。
2 基于RoHC技术的VoLTE容量提升
VoLTE的IP语音包由报头和有效负荷组成，其中报头包括IP、UDP（User Data Protocol，用户数据协议）、RTP（Real-time Transport Protocol，实时传输协议），具体如图2所示，由IPv4、UDP和RTP组成的报头长度总计40个字节，而有效负荷只有20个字节，近67%的无线资源用于承载报头，显然浪费太多的无线资源。
针对VoLTE传输，通常在PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分组数据汇聚协议）子层采用RoHC（Robust Header Compression，鲁棒性头压缩）技术进行报头压缩[4]。RoHC提供了一种可扩展的框架，能将报头最高压缩到1个字节，通常情况下，也可压缩到4到5个字节，能带来90%的压缩效率。经过RoHC后，1个调度周期内的语音包长度可压缩到580 bits左右，分配的RB数目也大幅减少，系统能够增加更多的语音接入数。
图3为在打开和关闭RoHC两种场景下，单個用户每秒所占用的RB数对比示意图。RoHC开启后，近点用户可节省20%的RB，远点用户则可节省60%的RB。因此，RoHC技术可明显提升VoLTE网络容量。
3 基于SPS技术的VoLTE容量提升
LTE的系统资源主要包括RB和CCE（Control Channel Element，控制信道单元）[5-6]。CCE承载的信息包括用户的RB起始位置、MCS（Modulation and Coding Scheme，编码调制策略）等级和其它控制信息[7-10]。表1为LTE不同带宽下RB和CCE占用情况：
LTE数据业务通常采用动态调度方法，即每个TTI调度周期都会为用户分配CCE。CCE分配数目则根据用户的SINR值确定。SINR值较高的近点用户会分配给1或2个CCE；SINR值较低的远点用户则会分配给4或8个CCE。
VoLTE属于小数据包业务，如果采用动态调度方法，即每次发送语音包时，都要为用户分配CCE，则CCE成为系统容量的瓶颈。以3 MHz带宽为例，1个TTI分配的CCE数目12个，考虑到PDCCH（Physical Downlink Control Channel，物理下行控制信道）的70%利用率，在一个TTI内只能调度一个远点用户（8个CCE），显然不能接受。
3.1 SPS技术
SPS（Semi-Persistent Scheduling，半静态调度）是基站通过初次传输的SPS-C-RNTI（Radio Network Temporary Identifier，无线网络临时标识）加扰的PDCCH指定UE（User Equipment，用户设备）当前的调度信息。UE保存当前的调度信息，在以后每一个固定的周期（如20 ms），在相同的时域和频域资源发送和接收数据，基站不再为这个用户占用CCE，进而节省大量的CCE来增加更多的接入用户。
图4为SPS的RB分配方案示意图，eNodeB每隔一个20 ms调度周期，为同一个用户分配固定的RB起始位置（见绿色部分），不需要在每个调度周期都为UE分配CCE，从而可节省CCE。
表2为外场测试三个不同路段，分别打开和关闭SPS后，平均每秒调度CCE和MCS等级的对比。SPS打开后，三个路段的平均每秒调度的CCE均有明显下降，说明SPS能有效降低CCE。SPS打开后，三个路段平均分配的RB会增加，同时MCS等级均有一定程度的下降。
SPS通过对用户只分配一次CCE的方法来节省CCE，进而增加VoLTE用户，提升网络容量，特别适合于室内这种信道变化较慢的应用场景。对于一些信道变化较大的应用场景，如高速公路场景，开启SPS后，系统性能会出现一定程度的下降，比如RB增加、MCS等级下降等，进而影响VoLTE质量。为此，特提出了另外一种节省CCE资源技术来提升网络容量。
3.2 调度周期动态调整技术
VoLTE的调度周期通常为20 ms，即基站每隔20 ms为用户调度一次语音包，即1 s为用户提供50次调度。调度周期动态调整技术是根据用户的MCS/SINR门限值，对调度周期进行动态调整。具体设计方法如表3所示：
其中，对于MCS等级大于25的近点用户，系统自动把调度周期调整为80 ms，每秒12.5次调度；对于MCS等级大于15的中点用户，系统把调度周期自动调整为40 ms，每秒25次调度；对于MCS等级小于15的远点用户，系统调度周期为20 ms，每秒50次调度。这种动态调整的方法在保证用户的足够调度次数的同时，对近点、中点用户减少调度次数，从而减少CCE资源的占用，使更多的用户接入。总之，动态调度能够更好地适应信道快速变化的场景，同时也节省CCE占用。
4 基于TTIB技术的VoLTE覆盖提升
由于受UE发射功率的限制，LTE系统是一个上行覆盖受限系统。当UE位于小区边缘时，UE有时无法完成一个语音数据包的发送，容易丢包。TTIB（Transmission Time Interval Bundling，传输时隙绑定）是将一个数据包在连续多个TTI资源上重复进行传输，接收端将多个TTI资源上的数据进行合并，提升传输质量。
如图5所示，用户可在连续4个上行子帧上传输同一传输块，每次传输采用不同版本号，用以做HARQ（Hybrid Automatic Repeat reQuest，混合自动重传请求）合并，并且在第四次传输后有对应的ACK/NACK进行反馈。
由于TTIB使用4个连续TTI传输同一个数据包的4个不同版本，提高了传输和解调成功率，能带来4 dB至5 dB的上行覆盖增益。但由于TTIB是4个TTI绑定，如果发生HARQ重传，也需要把4个TTI数据一起重传，增加了系统RB占用。
图6为TTIB开启后外场测试结果，当RSRP大于-120 dBm时，TTIB没有生效；当RSRP小于-120 dBm时，eNodeB自动开启TTIB，当TTIB开启后，能带来4 dB的覆盖增益。对应于RSRP为-122 dBm，TTIB关闭后，MOS分值1.5分；TTIB打开后，MOS分值则高达3.5分，TTIB对远点用户性能提升明显，同时对这一测试路段的MCS和RB分别进行统计。如表4所列，统计后发现当TTIB开启后，上行RB明显增加，进而导致上行用户接入数减少。
TTIB技术增加上行的覆盖，但同时也增加了RB的额外开销，导致用户数减少。在实际应用中，需要根据小区容量来决定是否开启TTIB功能。当小区PRB（Physical Resource Block，物理资源块）利用率小于30%时，说明小区用户数不多，可开启TTIB功能以增加用户的上行覆盖功能。当PRB利用率较高时，如PRB利用率大于40%，说明小区负荷较高，不能开启TTIB功能。
当小区负荷较高时，可以采用以下两种技术提升上行覆盖能力：
（1）多天线技术。多天线能有效增加系统的上行覆盖能力，如上行2天线更换为上行4天线，就能带来3 dB的增益，实际应用效果和TTIB相当，并且不增加频率资源的额外开销。
（2）RLC分段技术。指RLC（Radio Link Control，无线链路控制）数据包在RLC层被分成多个小包，当边缘用户在发射功率受限时，不能发送大的数据包时，通过RLC分片，发送小包，从而减少了每个子帧上数据量，提升了小区上行覆盖能力，通过测试发现，RLC分段的增益能达到3 dB左右，同时RB数没有明显增加，VoLTE容量方面优于TTIB。
综上所述，TTIB是VoLTE小区负荷不高时采用的主要技术，当VoLTE小区负荷较高时，不建议采用TTIB技术，而应采用多天线方案和RLC分段方案，为小区用户提升上行覆盖能力。
5 结束语
文章提出了几种增强VoLTE业务覆盖和容量的技术，包括RoHC头压缩技术、半静态调度技术和TTIB技术，同时也指出了上述技术的局限性，并提出了一些具有创新性的技术，如调度周期动态调整技术、多天线接收技术和RLC分段技术，为LTE网络提供覆盖更好、容量更大的VoLTE服务。
参考文献：
[1] 刘建华，陈俊，刘磊. VoLTE无线关键技术研究[J]. 移动通信， 2016，40（4）： 36-42.
[2] 罗凤娅，陈杨，杨芙蓉. LTE 800M与异系统共址部署分析[J]. 移动通信， 2016，40（2）： 3-8.
[3] 陈晓冬，林衡华. 800 MHz频率LTE重耕中系统间同频组网干扰的研究[J]. 移动通信， 2016，40（4）： 49-53.
[4] IETF RFC 3095 Robust Header Compression[S]. 2001.
[5] 3GPP TS 36.300. E-UTRA and E-UTRAN， Overall description； Stage 2[S]. 2009.
[6] 谢大雄，朱晓光，江华. 移动宽带技术——LTE[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2012.
[7] 3GPP TS 36.321. Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-URTA）： Medium Access Control （MAC） protocol specification[S]. 2009.
[8] 3GPP TS 36.331. Radio Resource Control （RRC）： Protocol Specification[S]. 2009.
[9] 3GPP TS 36.322. Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-URTA）： Radio Link Control （RLC） protocol specification[S]. 2009.
[10] 馬洪源，刘博士，孙逊，等. 面向VoLTE的关口局组网方案分析[J]. 移动通信， 2016，40（2）： 42-47.
【摘 要】分析了VoLTE技术和其所面临的挑战，提出了几种提升VoLTE覆盖和容量的技术，包括头压缩、半静态调度、TTI绑定等技术，同时也提出了创新性技术，包括调度周期动态调整技术、多天线接收技术和RLC分段等技术实现VoLTE的语音容量和覆盖范围提升。
【关键词】VoLTE；鲁棒性头压缩；半静态调度；TTI绑定；RLC分段
1 引言
VoLTE是4G的语音业务解决方案。VoLTE主要为用户提供AMR-WB（Adaptive Multi-Rate WideBand Speech Codec，自适应多速率宽带语音编码）23.85 kb/s和AMR-NB（Adaptive Multi-Rate NarrowBand Speech Codec，自适应多速率窄带语音编码）12.2 kb/s两种高清速率语音业务[1]。相比2G/3G 9.6 kb/s速率的语音业务，VoLTE的语音质量更高、更清晰。由于VoLTE采用了基于分组数据业务的传输方案，其呼叫时延等网络指标也明显优于2G/3G语音业务。通过外场测试，VoLTE的MOS（Mean Opinion Score，平均主观意见分）分值一般在3.8分以上，而2G/3G的MOS分值则一般在3.0左右，VoLTE的各项性能指标明显优于2G/3G网络。
VoLTE为用户提供了高清语音业务，但覆盖距离却低于同频段的2G/3G网络[2-3]。图1为800 MHz频段上，VoLTE业务和CDMA语音业务的覆盖距离对比。由于受终端发射功率的限制，VoLTE是上行覆盖受限系统，其上行覆盖范围小于下行覆盖范围。VoLTE覆盖范围小于2G/3G语音覆盖范围，同CDMA网络相比，覆盖距离相差10%左右，主要是VoLTE高清语音业务对eNodeB上行接收机灵敏度要求更高，导致VoLTE覆盖距离减小。同样在相同的覆盖范围内，也导致VoLTE的接入用户数也相应减少。基于上述两个VoLTE实际问题，提出几种提升VoLTE的网络覆盖和容量技术。
2 基于RoHC技术的VoLTE容量提升
VoLTE的IP语音包由报头和有效负荷组成，其中报头包括IP、UDP（User Data Protocol，用户数据协议）、RTP（Real-time Transport Protocol，实时传输协议），具体如图2所示，由IPv4、UDP和RTP组成的报头长度总计40个字节，而有效负荷只有20个字节，近67%的无线资源用于承载报头，显然浪费太多的无线资源。
针对VoLTE传输，通常在PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分组数据汇聚协议）子层采用RoHC（Robust Header Compression，鲁棒性头压缩）技术进行报头压缩[4]。RoHC提供了一种可扩展的框架，能将报头最高压缩到1个字节，通常情况下，也可压缩到4到5个字节，能带来90%的压缩效率。经过RoHC后，1个调度周期内的语音包长度可压缩到580 bits左右，分配的RB数目也大幅减少，系统能够增加更多的语音接入数。
图3为在打开和关闭RoHC两种场景下，单個用户每秒所占用的RB数对比示意图。RoHC开启后，近点用户可节省20%的RB，远点用户则可节省60%的RB。因此，RoHC技术可明显提升VoLTE网络容量。
3 基于SPS技术的VoLTE容量提升
LTE的系统资源主要包括RB和CCE（Control Channel Element，控制信道单元）[5-6]。CCE承载的信息包括用户的RB起始位置、MCS（Modulation and Coding Scheme，编码调制策略）等级和其它控制信息[7-10]。表1为LTE不同带宽下RB和CCE占用情况：
LTE数据业务通常采用动态调度方法，即每个TTI调度周期都会为用户分配CCE。CCE分配数目则根据用户的SINR值确定。SINR值较高的近点用户会分配给1或2个CCE；SINR值较低的远点用户则会分配给4或8个CCE。
VoLTE属于小数据包业务，如果采用动态调度方法，即每次发送语音包时，都要为用户分配CCE，则CCE成为系统容量的瓶颈。以3 MHz带宽为例，1个TTI分配的CCE数目12个，考虑到PDCCH（Physical Downlink Control Channel，物理下行控制信道）的70%利用率，在一个TTI内只能调度一个远点用户（8个CCE），显然不能接受。
3.1 SPS技术
SPS（Semi-Persistent Scheduling，半静态调度）是基站通过初次传输的SPS-C-RNTI（Radio Network Temporary Identifier，无线网络临时标识）加扰的PDCCH指定UE（User Equipment，用户设备）当前的调度信息。UE保存当前的调度信息，在以后每一个固定的周期（如20 ms），在相同的时域和频域资源发送和接收数据，基站不再为这个用户占用CCE，进而节省大量的CCE来增加更多的接入用户。
图4为SPS的RB分配方案示意图，eNodeB每隔一个20 ms调度周期，为同一个用户分配固定的RB起始位置（见绿色部分），不需要在每个调度周期都为UE分配CCE，从而可节省CCE。
表2为外场测试三个不同路段，分别打开和关闭SPS后，平均每秒调度CCE和MCS等级的对比。SPS打开后，三个路段的平均每秒调度的CCE均有明显下降，说明SPS能有效降低CCE。SPS打开后，三个路段平均分配的RB会增加，同时MCS等级均有一定程度的下降。
SPS通过对用户只分配一次CCE的方法来节省CCE，进而增加VoLTE用户，提升网络容量，特别适合于室内这种信道变化较慢的应用场景。对于一些信道变化较大的应用场景，如高速公路场景，开启SPS后，系统性能会出现一定程度的下降，比如RB增加、MCS等级下降等，进而影响VoLTE质量。为此，特提出了另外一种节省CCE资源技术来提升网络容量。
3.2 调度周期动态调整技术
VoLTE的调度周期通常为20 ms，即基站每隔20 ms为用户调度一次语音包，即1 s为用户提供50次调度。调度周期动态调整技术是根据用户的MCS/SINR门限值，对调度周期进行动态调整。具体设计方法如表3所示：
其中，对于MCS等级大于25的近点用户，系统自动把调度周期调整为80 ms，每秒12.5次调度；对于MCS等级大于15的中点用户，系统把调度周期自动调整为40 ms，每秒25次调度；对于MCS等级小于15的远点用户，系统调度周期为20 ms，每秒50次调度。这种动态调整的方法在保证用户的足够调度次数的同时，对近点、中点用户减少调度次数，从而减少CCE资源的占用，使更多的用户接入。总之，动态调度能够更好地适应信道快速变化的场景，同时也节省CCE占用。
4 基于TTIB技术的VoLTE覆盖提升
由于受UE发射功率的限制，LTE系统是一个上行覆盖受限系统。当UE位于小区边缘时，UE有时无法完成一个语音数据包的发送，容易丢包。TTIB（Transmission Time Interval Bundling，传输时隙绑定）是将一个数据包在连续多个TTI资源上重复进行传输，接收端将多个TTI资源上的数据进行合并，提升传输质量。
如图5所示，用户可在连续4个上行子帧上传输同一传输块，每次传输采用不同版本号，用以做HARQ（Hybrid Automatic Repeat reQuest，混合自动重传请求）合并，并且在第四次传输后有对应的ACK/NACK进行反馈。
由于TTIB使用4个连续TTI传输同一个数据包的4个不同版本，提高了传输和解调成功率，能带来4 dB至5 dB的上行覆盖增益。但由于TTIB是4个TTI绑定，如果发生HARQ重传，也需要把4个TTI数据一起重传，增加了系统RB占用。
图6为TTIB开启后外场测试结果，当RSRP大于-120 dBm时，TTIB没有生效；当RSRP小于-120 dBm时，eNodeB自动开启TTIB，当TTIB开启后，能带来4 dB的覆盖增益。对应于RSRP为-122 dBm，TTIB关闭后，MOS分值1.5分；TTIB打开后，MOS分值则高达3.5分，TTIB对远点用户性能提升明显，同时对这一测试路段的MCS和RB分别进行统计。如表4所列，统计后发现当TTIB开启后，上行RB明显增加，进而导致上行用户接入数减少。
TTIB技术增加上行的覆盖，但同时也增加了RB的额外开销，导致用户数减少。在实际应用中，需要根据小区容量来决定是否开启TTIB功能。当小区PRB（Physical Resource Block，物理资源块）利用率小于30%时，说明小区用户数不多，可开启TTIB功能以增加用户的上行覆盖功能。当PRB利用率较高时，如PRB利用率大于40%，说明小区负荷较高，不能开启TTIB功能。
当小区负荷较高时，可以采用以下两种技术提升上行覆盖能力：
（1）多天线技术。多天线能有效增加系统的上行覆盖能力，如上行2天线更换为上行4天线，就能带来3 dB的增益，实际应用效果和TTIB相当，并且不增加频率资源的额外开销。
（2）RLC分段技术。指RLC（Radio Link Control，无线链路控制）数据包在RLC层被分成多个小包，当边缘用户在发射功率受限时，不能发送大的数据包时，通过RLC分片，发送小包，从而减少了每个子帧上数据量，提升了小区上行覆盖能力，通过测试发现，RLC分段的增益能达到3 dB左右，同时RB数没有明显增加，VoLTE容量方面优于TTIB。
综上所述，TTIB是VoLTE小区负荷不高时采用的主要技术，当VoLTE小区负荷较高时，不建议采用TTIB技术，而应采用多天线方案和RLC分段方案，为小区用户提升上行覆盖能力。
5 结束语
文章提出了几种增强VoLTE业务覆盖和容量的技术，包括RoHC头压缩技术、半静态调度技术和TTIB技术，同时也指出了上述技术的局限性，并提出了一些具有创新性的技术，如调度周期动态调整技术、多天线接收技术和RLC分段技术，为LTE网络提供覆盖更好、容量更大的VoLTE服务。
参考文献：
[1] 刘建华，陈俊，刘磊. VoLTE无线关键技术研究[J]. 移动通信， 2016，40（4）： 36-42.
[2] 罗凤娅，陈杨，杨芙蓉. LTE 800M与异系统共址部署分析[J]. 移动通信， 2016，40（2）： 3-8.
[3] 陈晓冬，林衡华. 800 MHz频率LTE重耕中系统间同频组网干扰的研究[J]. 移动通信， 2016，40（4）： 49-53.
[4] IETF RFC 3095 Robust Header Compression[S]. 2001.
[5] 3GPP TS 36.300. E-UTRA and E-UTRAN， Overall description； Stage 2[S]. 2009.
[6] 谢大雄，朱晓光，江华. 移动宽带技术——LTE[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2012.
[7] 3GPP TS 36.321. Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-URTA）： Medium Access Control （MAC） protocol specification[S]. 2009.
[8] 3GPP TS 36.331. Radio Resource Control （RRC）： Protocol Specification[S]. 2009.
[9] 3GPP TS 36.322. Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-URTA）： Radio Link Control （RLC） protocol specification[S]. 2009.
[10] 馬洪源，刘博士，孙逊，等. 面向VoLTE的关口局组网方案分析[J]. 移动通信， 2016，40（2）： 42-47.
