VoLTE高清音频业务覆盖与容量计算方法研究

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圈囫
doi：103969／j
issn 1000-12472015 10002
VoLTE高清音频业务覆盖与容量计算方法研究
张炎俊王新业
中国移动通信集团上海有限公司
为了做好VoLTE功能在现网部署的准备，评估现网LTE网络对VoLTE业务的支持能力，首先着重分析了影响
VoLTE宽带23．85kbit／s话音业务的／J、区容量和覆盖距离的因素，根据不同物理信道资源分配方式确定不同物理
信道相应的容量计算方式，并取其中最／J、值形成了VoLTE／J＼区容量要求的计算方法。通过建立不同无线环境
下用户业务占用资源的模型，结合链路预算方法和传播模型形成了VoLTE／J＼区覆盖要求的计算方法，为今后
LTE网络覆盖建设和网络容量规划提供了依据。
VoL'I-E容量预算链路预算传播模型
Ⅱ引言
1．1影响VoLTE容量的因素
与传统的电路域业务不同，VoLTE属于分组域业务，其
容量直接取决于频谱效率。由于受到不同的业务质量要求、
无线资源、网络配置、无线环境、特性功能、设备实现等因
素的制约和影响，LTE系统对VoLTE业务的支持容量并不是
一个固定的值。但相对于Best Effort业务，单个VoLTE呼叫占
用的资源在相对固定的网络配置和无线环境下也相对固定。
因此，可以通过约束各种影响条件，形成估算VoLTE业务容
量的模型。见表1。
在LTE系统中，由于不同的物理信道的网络配置不同、
资源分配方式不同、资源占用数量不同，各种信道中容量的
最小者决定了系统的容量。因此对各种物理信道分别进行容
量的计算，是进"J亍-VoLTE容量预算的主要方法。
1．2 PDSCH容量分析
考虑上述各种因素，设定PDSCH最大可支持的VoLTE
用户数量计算如下：
『(PDSCH可用PRB数／每个VoLTE呼叫占用的PRB
数)X VoLTE语音包传送周期内的TTI数X重传因子×TDD
因子1／话音激活因子
其中各个变量取值见表2。
(1)下行可用的PRB数
下行可用的PRB数=总的下行R卫一SIB占用的RB—Paging
占用的RB—RR．C信令占用的RB
对于20MHz带宽，下行可用的PRB数为100个。
12 TEI ECoMMUNlCAl]ONSTECHNol oGY／201 5·1 0
根据SIBi／}J息的大小及周期可以计算得Nsm占用RB约为
o．54％，Paging占用的RB约为1．5％，P．RC信令占用的RB基于
路测数据进行估算约为1．2％。因此，下{TPDSCH信道中可用
于VoLTE的PRB数约为：100一(o．54+1．5+1．2)=96．46。
(2)每个VoLTE呼叫占用的PRB数
每个VoLTE呼叫占用的PRB数受不同无线环境影响，存
在差异。下行方向上，网络通过手机上报的CqI知晓下行链
路的无线质量，CQl分为0—159级，CqI的选取准则是UE
接收到的传输块的误码率不超过10％。因此，UE上报的cq[
主要与下行参考信号的sINR有关，当然还与UE接收机的灵
敏度也有关。
根据3GPP TS36．213 Table7．2．3—1可以得到每个cqi等级
对应的数据传输效率。当给定下行传输数据量时，通过该表
就可以计算不同的无线环境(对应不同cql等级)，需要网络
分配多少个PRB。以WB一23．85kbit／s编码方式的VoLTE业务为
例，参考3GPP TS26．201 AMR编码帧结构，每TTI需要调度的
数据为576bit，静默帧需要调度的数据为136bit，见表3。
结合3GPP TS36．213 Table7．2．3—1 5FI]3GPP TS36．213
Table7．1．7．2可以得到以下结论。
·当CqIn 14和15时，调制方式使用64QAM，在不使
用SPS情况下，调制等级最高可以达NMC$28，下行至多使
用2个PRB、至少使用1个PRB且p可携带1个VoLTE语音包；
·在使用SPS的情况下，协议规定调制等级至多只能达到
MCSl5，则下行至少需要3个PR出即可携带1个VoLTE语音包；
·当CqI为9～I 3时，调制方式使用1 6qAM或64
QAM，至多需要2个PRB，一般需要3个PRB目I]来携带1个
VoLTE语音包；
万方数据
表1 VoLTE业务容量模型
电估技求
分类 影响因素 说明
业务质量要求 语音编码方式 影响单个通话占用的PRB数量，影u自PDSCH容量
无线资源 频段宽度 影响小区整体容量
无线环境 用户分布 近场、中场、远场用户所需的RB数不同
子帧配比 当前BE业务以下行需求为主．VoLTE业务上下行资源需求基本对称，不同配比影响VOLTE业务容量
天线端口 影响发射功率
网络配置
下行控制信道符号数 影II自PDCCH信道容量
上行PRACH配置 影DSPRACH信道容量
Tl-I Bundlingj 通过上行容量换取上行覆盖
特性功能 SPS半持续调度 影B自PDCCH容量
ROHC(报头压缩) 降低包头数据量，提升数据效率
设备实现 调度器限制 每TT呵调度的最大并发用户数量
表2变量取值(PDSCH)
变量 值
可用PRB数 下行总PRB数100 PRB／20MHz—SIB／Paging／RRC信令等开销
每个VoLTE呼叫占用的PRB数 根据无线环境不同，根据计算．需要1～54"、PRB
VoLTE语音包传送周期内的TT暾 一个VoLTE语音帧将20ms语音打包放入一个TTI进行承载，因此20ms时间内可以调度20个用户的语音包
重传因子 考虑10％的重传
PRACH因子 仅对上行．考虑PRACH的PRB分配，占用6个RB
下行TDD因子：[下仃于帧数+(特殊子帧可用的符号数×2)／14]／10
对于S△2／SSF7=(6+(2×10)／14)／10=0 743
TDD因子
如果下行子帧3＆8的PDCCH只用于上行VoLTE调度．则有效的下行TDD因子=0743一02=0543(由于上行受限．考虑
上行容量最大．假设子帧3和8只用于上行调度)
话音激活因子 65％=50％话音激活因子+15％静默帧的激活因子(50％静默期)
表3不同编码方式的帧结构
编码方式 语音比特(bit) 帧头(bit) Padding(bit) MAC头(bit) RLC头(bit) PDCP头(bit) ROHC(bit) CRC(bit) 总比特数(bit)
VVB—AMR一23 85kbit／s 477 21 6 8 8 8 24 24 576
SID静默帧 40 21 3 8 8 8 24 24 136
·当CQI为5～8时，使用qPSK或16qAM，需要3～64"
PRB携带1个VoLTE语音包。
计算小区平均每VoLTE呼叫占用的PDSCH PRB数量
时，可以对上述CqI等级对应的具体用户分布进行加权平
均获得。具体的用户分布可以通过现网数据采集获得，也
可以通过各种数学模型获得近似结果，如同心圆模型。近
场、中场、远场覆盖的距离分别为d、2d、3d，好点覆盖面
积为丌d2，中点覆盖面积为叮T(2d)2一竹d2，差点覆盖面积为
叮T(3d)2一盯(2d)2，即用户分布的模型为近场(好点)：中场(中
点)：远场(差点)=1：3：5。
1．3 PUSCH容量分析
设定PUSCH最大可支持的VoLTE用户数量的计算如下：
最大I拘IVoLTE用户数量=[(PUSCH可用PRB数／每个
VoLTE呼叫的占用PRB数)X VoLTE语音包传送周期内的TTI
数×重传因子×PRACH因子X TDD因子DL 1／话音激活因子
其中各个变量取值见表4。
(1)上行可用的PRB数
上行可用PRB数=上行总PRB数IOOPRB—PUCCH占用
PRB数。
PUCCH资源数量总是以2、3、5；0约数进行分配，在
下行子帧配置为SA2的情况下，假设PUCCH最多使用10个
PRB，贝IjPUSCH可用PKB数计为100—10=90个，另外，根据
统计另有约2％的RB数用于RRC信令开销。
(2)每个VoLTE呼叫占用的PRB数
上行方向上．PRB的数量取决于系统侧的调度策略，只
要能够装下一个VoLTE语音包即可。有的系统策略上倾向于
分配较低的Mcs和大一些的PRB数量，从而降低手机发射功
www．ttm．com cn 13
万方数据
率；有的系统倾向于使用较高的MCs和分配更少的RB以节
省上行资源，但这样则需要更大的发射功率。
根据3GPP TS36．213 Table 8．6．1—1可以查到Mcs对应的TBS。
再根据Table 7．1．7．2．1—1，可以得到特定ITBS所需的PRB数量。
由于Cat4终端上行不支持64QAM(Cat5和cat6不受
此限制)，因此可支持的McS等级最高为20，查T abl e
7．1．7．2．1—1可得。
·当上行MCS>1 5时，需要2个PRB携带一个voLTE语
音包
·当上行MCS为1 2～1 5时，需要3个PRB携带一个
VoLTE语音包
·当上行MCS为7～11时，需要4～5个PRB携带一个
VoLTE语音包
计算小区平均每VoLTE呼叫占用的PRB数量时，仍然可以
通过同心圆模型或者现网数据采集的方法进行加权平均获得。
(3)PRACH因子
上行资源需要在特定的频域和时域上预留PRACH信
道用于发送随机接入前导。不同的PRACH Format在时域
上长度有所不同，但在PRACH信道始终占用6个PRB。
PRACH
Configuration Index指示了PRACH在10ms内发送的
次数，对于不同子帧配比及特殊子帧配比，通过查3GPP TS
36．21 1 Section 5．7．1—3可得不同PRACH Configuration
Index
下PRACH的发送周期，从而计算得至IJPRACH的资源占比。
1．4 PDCCH容量分析
PDCCH的分配方式与PDSCH、PUSCH不同，是以
CCE为单位进行分配的，因．LitPDCCH的容量计算应基于
CCE为单位进行。1个CCE=9个REG=36个可用RE。此外，
由于PDCCH用于上下行资源的分配，都需要消耗PDCCH，
因此需要分别进行计算。由此，设定PDCCH最大可支持的
VoLTE用户数是的计算为：
20ms内可用的CCE数量／小区平均CCE聚合度X(1一重
传因子)／话音激活因子VAF。
其中各个变量取值见表5。
(1)20ms内可用的CCE数量
一般情况下。在普通子帧上，PDCCH在时域上可以分
布在每个子帧的第0～3／卜OFDM符号L，对于系统带宽大于
10MHz的情况，至多占用3个符号。在特殊子帧上，PDCCH
时域上最多占用2个OFDM符号。但这些OFDM符号上除了
有PDCCH信道以外，还有DL—RS、PCFICH、PHICH等物
理信道。
·RS参考信号在Symbol 0～2上仅占用符号0，考虑天线
端口0,u1。20MHz带宽配置下，100个PRB上共有4 X
100个
RE用于DL—RS：
·PCFICH信道总是位于子帧的第一个oFDM符号
上，其具体位置依赖于系统的带宽和小区的物理标识
PCI。PCFICH的大小是2bit，其中承载的是CFI，用来指明
PDCCH在子帧内所占用的符号个数。PCFICH经过QPSK调
制为16个符号，映射到4／]'。REG上，在每个下行子帧的第()个
符号上均匀分布；
·下行PHICH信道承载上行数传的证实信息(ACK／
NACK)，通常情况位于每一个子帧的第一个符号内。混
_美2虽=，一=一…"__==_=一l 一
。=一= ：l
一’；一一
'…， ：z -一 …
表4变量取值(PVSCH)
变量 值
可用PRB数 上行总PRB数100 PRB—PUCCH占用PRB数
上行MCS>16时，2-'卜PRB携带1个VoLTE语音包
每个VoLTE呼叫的占用PRB数 上行^牝、s为12～15时，3个PRB携带1个voLTE语音包
上iSMCS为7～11时。5个PRB携带1个VoLTE语音包
vOLTE语音包传送周期内的TT『数 1个voLTE语音帧将20ms语音打包放八1个TTl进行承载，因；tl：20ms时间内可以调度20个用户的语音包
重传因子 考虑10％的重传
PRACH因子 考虑PRACH的PRB分配。占用6个RB
TDD因子 上'}STDD因子：上行子帧数门0．对于S划SSF7=2／10=0 2
话音激活因子 65％=50％话音激活因子+15％静默帧的激活因子(50％静默期)
表5变量取值(PDCCH)
变量 值
分别计算用于调度下行资源的PDCCH t-的CCE数量和用于调度上行资源的PDCCH上的CCE数量：
20ms内可用的CCE数量
CCE数量=int[(控制信道的RE总数一用-TRS的RE一用于PHICH的RE一用于PCFICH的RE)／36】
小区平均CCE聚合度 对于四类聚合度(CCE=1、2、4、8)分别对应极好点、好点、中点、差点进行用户分布的估算，得到小区平均CCE聚合度
重传因子 考虑10％的重传
话音激活因子 65％=50％话音激活因子+15％静默帧的激活因子(50％静默期)
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万方数据
电信技求
合f勺动重传的证实信，皂、(ACK／NACK)为3bit，111表示
ACK，I)(H】表示NACK。PHICH信道采用QPSK进行调制，
因此．ACK／NACK信息调制后仍为3符号，再使用SF=4}t勺正交
序列扩频，结果共为12符号。f{1于一个R．EG包含4个可用RE，
每一个RE可承载一个调制符号，因此一个PHICH组需要12个
RE，即3个REG。另外根据协议规定，PHICH组的数量与下行
系统带宽和参数(Ng)相关．这两个值都来自于高层，不同
Ng值对应的PHIcH组数=ROUNDUP(Ng×带宽PRB数／8)。
(2)小区平均CCE聚合度
对于四类聚合度(CCE=1、2、4、8)分别对应极好
点、好点、中点、差点进行用户分布的估算，同样可以使用
同心圆模型或者基于现网数据采集进行加权平均，获得4]f00
CCE聚合等级的用户分布模型。
目VoLTE话音业务覆盖分析
2．1方法
【_}1于不同物理信道占用fl,勺pp．B数量不同、不同编码方
式下业务信道所分配的PRB数量不同(由于上行功率受限，
PRB数越多．每PRB上分配功率越小)，因此话音业务的覆
盖半径由小区各类物理信道中覆盖受限的信道决定。物理信
道的覆盖半径可通过小区边缘的路径损耗及传播模型获得。
具体计算步骤如下。
(1)基于路径损耗及传播模璎，计算小区覆盖半径
常用的传播模型有Okunmra—Hata传播模型、COST231一
Hata模型、SPM标准传播模型等。[：i|于COST231一Hata模型公
式适用于1500～2000MHz频段，对于F频段(Band39)可直接
使用，对于D频段(Band38／41，260t)MHz)需要在cwiN试
结果的基础上进行校正或使ftjSPM标准传播模型进行模型校
正。COST231一Hata模型见公式(1)。
上=46 3+33．919(巧一1 3．8219∞b)一a(^。)+(44．9—6．5519(h^))
lg∽+(_2
(1)
其中，d为通信距离(km)，为期望求得的结果；
伪频率(MHz)，取1900MHz；
JI】。为基站天线有效高度(r11)，取25m；
^。为移动台天线有效高度(ITI)，取1．5m；
对于上海密集城区，移动台修正因子a∞。)=3．2×09(11．7胁。))二
一4．97，Cm取3dB；
对于J-．i卜般城区，移动台修正因而‰)=(1．1119(8—0 7)h。
一(1．5619(tl一0．8)，Cm取0。
(2)小区边缘的路径损耗L可根据每PRB的EIRP-UE的每
PRB的接收灵敏度获得。
·每PRB的EIRP=每PRl3fl,勺功率+多天线增益一馈线损耗
+发射天线增益；
·UE的每PR．B的接收灵敏度=每PRB的底噪+每PRB的
目标SINR+干扰余量。
(3)考虑建筑穿透损耗、阴影衰落余量、接收天线增
益、人体损耗等因素，其中平均建筑穿透损耗取25dB，边缘
覆盖概率取90％，人体损耗取3dB。
(4)基于以I二步骤，分别计算下行Ik S、P B C H、
PDSCH、PDCCH、上i?PUCCH、PRACH以及PUSCH的
最大允许路径损耗(MAPL)及小区半径，代入传播模型公
式中分别获得不同的小区覆盖半径，最终小区的覆盖半径=
取以上信道覆盖半径中的最小值。
2．2宽带编码方式WB一23．85kbit／s下覆盖分析
根据上述步骤，以F频段、20MH z带宽、宏站8天线、
单天线端口发射功率20W、Pa／Pb=一3／0、终端发射功率
23dBm为例，进行链路预算并代入传播模型计算可得各信道
的路径损耗及小区半径见表6。
可见，VoLTEsjx区覆盖受限于上行业务信道，考虑建筑
穿透损耗的情况，如果要达到9r】％的边缘覆盖率，小区的覆盖
半径只有140m。但实际L，由于RS功率较高，如果完全参照
上行业务信道进行覆盖规划，满足室内业务覆盖的需要，在室
外下行方向将会形成严重的重叠覆盖和导频污染，因此，较为
表6各信遒相关计算
EIRP 接收灵敏度 最大路径损耗 穿透损耗、接收端增益及阴影衰落余量 小区边缘路径损耗 小区半径
信道
(dBm) (dBm) (dB) (dB) (dB) (m)
DL—RS 3773 —124 161 73 -3882 12291 380
PBCH 37 74 —12602 163 76 —3882 12494 430
PDCCH 37 74 —12412 161 86 —3882 12314 380
PDSCH 4853 —111 22 159 75 —3982 11993 310
PUCCH—F0rma{1 a 23 —12632 14932 —2232 127 490
PUCCH—Format2 23 —123 82 14682 --2232 1245 420
PRACH 15 22 —12952 144 74 —2232 12242 360
PUSCH 1601 —11488 13089 —2332 10757 140
图1 VoLTE覆盖预测
合理的小区半径应设计为350～400m，如图1所示。室内的边缘
用户需要额外考虑采用室分建设的方式完成业务的全覆盖。
目结束语
通过对VoLTE高清话音业务进行研究，形成了一套基
于VoLTE业务、将LTE物理层的特征和小区用户分布结合以
分析VoLTE业务网络容量的方法。通过链路预算以及现网仿
真，分析了VoLTE业务对网络覆盖的规划要求。根据分析，
现有的网络规划原则可以满足voLTE／vT业务的开展，但考
虑建筑穿透损耗因素，如果要满足室内用户的业务需求，需
要大幅缩小小区规划的覆盖半径，但考虑重叠覆盖和系统问
干扰因素，更好的解决方案是建设室内覆盖系统。
参考文献
[1]L T E无线网络规划与设计编委会．LT E无线网络规划与设计
[M]．北京：人民邮电出版社，201 2
[2]蒋远，汤利民，等．TD--LTE原理与网络规划设计[M]．北京：人民
邮电出版社．201 2
[5]王浩，杜蓓．VoLTE对IP网络带宽需求研究及路由优化探讨[J]
电信技术，20I 4(1 2)I近
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张炎俊
本科，工程师，现就职于上海移动网络优化中心，主要从事
GSM／LTE的网络优化工作，研究方向为LTE／VoLTE信令流
程、网络优化、资源优化等。
王新业
毕业于上海大学，现就职于上海移动网络优化中心，助理工
程师，主要从事通信网络规划优化相关工作，近几年负责LTE
网络规划，牵头完成了上海4G各期工程的站址规划工作，研
究方向为LTE／VoLTE站址规划、预测仿真模型校正等。