VoLTE无线关键技术研究

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中国移动通信研究院： 刘建华，陈俊，刘磊
移动通信2016(4)


1  引言
VoLTE无线研究主要关注语音覆盖能力、质量、
容量和无线新技术这几个方面。对于覆盖能力，将从
链路预算和外场测试两个方面分析上下行覆盖受限情
况；对于语音质量，将给出现网条件下，VoLTE高清
语音外场实测MOS值并与2G语音质量进行对比；容量
方面，将基于理论分析，给出不同配置下的VoLTE并
发用户数和受限物理信道；无线新技术部分，将依次
对多承载要求、RoHC、C-DRX、SPS、RoHC、TTIBundling等关键技术展开介绍。
2 VoLTE覆盖能力
2.1 链路预算
VoLTE链路预算的主要目的是给出各物理信道的
极限覆盖能力，从而分析出理论覆盖能力和受限信
【摘 要】
【关键词】
技术创新
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道，为后续覆盖能力的提升指明研究方向。从表1可
以看出，不管是采用23.85kbps高清语音编码，还是
12.2kbps标清语音编码，上行业务信道（PUSCH）将
成为覆盖瓶颈，允许的最大路损分别为135.3dB（标
清）和132.4dB（高清）。下行覆盖距离不受高清、标
清影响，主要是由于下行发射功率不受RB数影响，高
清语音包可以用更多RB传输，即“容量换覆盖”。
表1 VoLTE链路预算结果
物理信道 允许最大路损/dB
PDSCH-12.2k 136.8
PUSCH-12.2k 135.3
PDSCH-23.85k 136.8
PUSCH-23.85k 132.4
PDCCH 137.7
PRACH 144.8
假设基站导频发射功率为15.2dBm，上下行干扰
余量分别为2dB/5dB，OTA损耗6dB，车厢损耗3dB，
人体损耗3dB，可计算出实际测试中，各信道最大路损
对应的下行RSRP。
2.2 外场测试结果
当UE移动到覆盖极限时，网络侧需要通过重
传来保证数据的正确率。这里以上下行初传10%
BLER（厂家采用的典型配置）拐点作为上下行的覆
盖边缘，高于10%说明系统链路自适应（AMC）开
始失效。
从图1可以看出，在室外组网环境下，语音业务
下行受限。初传BLER在SINR为-6dB处抬升至10%以
上。图2是室外覆盖室内环境下的测试结果，从图中可
以看出，上下行业务在RSRP为-127dBm处基本平衡，
而高清业务上行略受限（-125dBm）。测试在现网中
进行，上行IOT干扰较小。随着用户数增多，上行干扰
将提高，上行VoLTE将更早受限。
3 VoLTE容量
3.1 影响因素分析
VoLTE容量是衡量LTE承载能力的重要指标之
一，影响VoLTE容量的因素可归结为对业务信道和控
制信道的资源占用情况。如时隙配比、静默期比例、
半持续调度（SPS）等因素会影响控制信道及业务信道
容量，而编码速率、用户分布、包头压缩（RoHC）、
上行MU-MIMO等因素仅会影响业务信道容量。
3.2 容量评估
VoLTE语音包理论上每隔20ms传一次，需要eNB
每20ms调度一次，因此上下行业务信道容量取决于
20ms调度周期内单个语音包占据的业务信道资源RB大
小。同理下行控制信道容量取决于每20ms调度周期内
调度每个用户的PDCCH占据的CCE个数。而VoLTE容
量指的是在相同条件下，上下行业务信道和控制信道
容量中的最小值。
（1）峰值容量
在上下行时隙配比为1:3、特殊子帧配比为3:9:2
时，根据高清23.85k语音包TBS大小（未开启RoHC为
872）和MCS等级，可以算出PDSCH峰值容量为594用
户，开启RoHC后，峰值容量提升为1188。其他信道计
算方法同上。
（2）平均容量计算方法
假设全网用户数量分布按照好点:中点:差点
=3:4:3，根据SINR对应的MCS，推算出好点、中点、
图1  室外场景下VoLTE初传BLER趋势
图2  室外覆盖室内初传BLER趋势
技术创新
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差点每个用户所需的RB数，从而计算出平均容量。
VoLTE理论峰值/平均容量如表2所示：
表2 VoLTE理论峰值/平均容量
高清23.85k
3DL:1UL (3:9:2)
VoLTE
峰值容量
VoLTE
平均容量
SINR=25dB 均匀分布
不激活RoHC、SPS 158 99
激活RoHC 211 141
激活RoHC、SPS 158 125
不激活RoHC、SPS+有静默期 253 158
激活RoHC+有静默期 333 224
激活RoHC、SPS+有静默期 253 200
3.3 容量提升方法
通过测试发现，包头压缩（RoHC）功能可以提
升至少30%的网络容量，上行MU-MIMO功能可提升
5%~15%的网络容量。
AMR自适应功能理论上可以较大程度提升网络容
量，它可以根据网络环境变化自适应地降低终端的语
音编码速率，从而减少资源占用，提高网络容量。目
前该技术还没有较为成熟的方案，有待继续研究。
4  语音质量
在提供语音业务的网络中，语音质量是影响服
务质量最关键的因素。一般对语音质量主要从MOS
（Mean Opinion Score）值的角度来评价。MOS是一
种常用的主观评价标准。ITU-T G.107给出的语音业务
的MOS定义为五级，用户满意度和MOS等级的对应关
系如表3所示：
表3 MOS值意义说明
MOS V What does it mcan?
5 Excellent
4 Very Good
4.5 Good
3.5 Poor
3 Not Acceptable
2 Severe
1 Useless
需要说明的是，图3为2G时代MOS值表征的语音
质量。随着评估算法的演进，相同MOS值表征的语音
质量也有所变化。2G时代，网络只支持窄带语音，
带宽为300~3400Hz，语音质量采用PESQ评估算法，
该算法要求语料采样率是8kHz。LTE时代，高清语音
带宽可支持50~7000Hz，语音质量采用PoLQA评估算
法，该算法要求语料采样率为48kHz。这两种评估算
法输出的MOS值均为1~5之间，但是相同的MOS值代
表的用户体验却不同。也就是说同样的网络环境下，
PoLQA评估算法由于评估带宽更宽，MOS值会有所下
降，而对于相同MOS值，PoLQA评估算法下的语音应
该更为立体丰富。
图3为全网遍历测试的结果，VoLTE高清语音平均
MOS值为3.8，5%边缘为3.6，和GSM的2.1~2.2相比
较，均有较大程度的改善。
图3 VoLTE和2G语音质量对比
5 VoLTE无线关键技术
5.1 多承载要求
对于VoLTE用户来说，网络既要在LTE域提供语
音业务，同时也要兼容数据业务。而语音和数据本身
的业务特性存在差异，语音属于时延敏感型业务；数
据业务，如HTTP业务，对丢包率更为敏感。LTE支持
对不同的业务类型采取不同类型承载进行调度，通过
配置不同的QCI，可实现不同的QoS保障。QCI业务配
置表如表4所示。
为了支持VoLTE，无线基站侧需要支持多个承载
的组合，这些承载可以划分成信令承载（SRB）和业
务承载（DRB）：
（1）SRB：包括SRB0、SRB1和SRB2。SRB0
主要用于RRC连接建立过程，不经过加密和完整性
保护，SRB1主要用于RRC重配消息，SRB2主要用于
NAS层信令，SRB1和SRB2均经过加密和完整性保护。
MOS值
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（2）DRB：对于数据业务而言，需要提供
QCI8/9的默认承载；对于语音业务而言，需要建立
QCI5的默认承载用于传输SIP信令，QCI1的专用承载
用于传输语音；对于高清视频业务，还需要在语音业
务的基础上，建立QCI2的专用承载用于视频图像的传
输。默认承载均为非保证速率承载（Non-GBR），而
语音和视频的专用承载为保证速率承载（GBR）。从
RLC层处理方式来看，默认承载均为AM模式，语音和
视频的专用承载为UM模式。
5.2 RoHC
（1）理论分析
RoHC主要应用于无线通信的空中接口，提升传
输效率。对于一些小包业务而言，通常载荷的平均长
度与协议包头开销基本相当。以VoLTE为例，其采用
RTP/UDP/IP传输协议，高清语音编码器输出的每个语
音包的大小约为40字节，而RTP/UDP/IP的协议开销也
是40字节左右，采用IPv6时，将达到60字节。因此，
空口带宽实际利用率只有50%左右，而通过RoHC，可
以将这些包头压缩至4~6字节，空口带宽利用率可达
90%。
RoHC的实现原理为仅在初次传输时发送RTP/
UDP/IP包头的静态信息，后续不再重复发送（如IP地
址等）。另外，通过一定信息可推知数据流中其他信
息，可仅发送必须的信息，其他信息可由上下文推算
（如SN号和IP-ID号都是以1为单位递增，可通过上下
文推算）。
（2）外场测试结果
表5为外场测试结果，在上行信道受限场景下，
RoHC可提升5dB/2.5dB（标清/高清）的覆盖增益，基
本符合理论预期。RoHC开启后，VoLTE的PDCP层速
率可降低40%/30%（标清/高清）。可见，RoHC不仅
提升了覆盖能力，同时还提高了容量，PDCP层速率降
低后，全网平均上行RB资源可节省26%/23%（标清/
高清）。
表5 RoHC外场测试结果

UE在RRC空闲态情况下，需要监测网络的Paging
消息，以便能够接收到消息。但是，UE并不需要
一直打开接收机，因为网络并不是时刻都有它的消
息，而且这样也很耗电。为了省电，LTE引入了DRX
（Discontinuous Reception，非连续接收）机制，UE
仅在必要的时间段打开接收机进入激活期，接收下行
数据和信令，而在其他时间关闭接收机进入休眠期，
停止接收下行数据和信令。
对于RRC连接态的用户而言，也不是时时刻刻
都有数据要接收，如OTT业务。因此，连接态下需要
DRX机制来节省终端的电力消耗，对于连接态下的
DRX机制，也称作C-DRX（Connected-DRX）。LTE
现网支持针对数据业务和语音业务分配设置C-DRX
参数，语音业务的C-DRX参数仅在语音呼叫建立过
程中配置，用户挂机后，将恢复使用默认的数据业务
C-DRX参数。C-DRX参数配置如表6所示。
表4 QCI业务配置表
QCI
资源
类型
优先级
时延要求
/ms
丢包率 业务示例
1
GBR
2 100 10
-2 语音
2 4 150 10
-3 实时视频
3 3 50 10
-3 实时游戏
4 5 300 10
-6 非实时视频
5
NonGBR
1 100 10
-6
IMS信令
6 6 300 10
-6
视频、TCP业 务（如 上
网、e-mail、聊 天 、点 对
点文件传输）
7 7 100 10
-3 互动游戏
8 8 300 10
-6
视频、TCP业 务（如 上
网、e-mail、聊 天 、点 对
点文件传输）
9 9 --- ---视频、TCP业 务（如 上
网、e-mail、聊 天 、点 对
点文件传输）
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表6 C-DRX参数配置
业务分类
长DRX周期/
ms
On Duration
Timer/psf
DRX Inactivity
Timer/psf
数据业务 160 8 60
语音业务
（测试）
40 8 8
5.4 eSRVCC
（1）理论分析
SRVCC（Single Radio Voice Call Continuity）是
3GPP提出的一种VoLTE语音业务连续性方案，主要是
为了解决当单射频UE在LTE/Pre-LTE网络和2G/3G CS
网络之间移动时，如何保证语音呼叫连续性的问题，
即保证单射频UE在IMS控制的VoIP语音和CS域语音之
间的平滑切换。
语音业务从基于IMS的VoLTE切换到2G/3G的CS
域，以保证语音业务的连续性，此过程即为SRVCC。
在4G网络覆盖初期/中期，由于LTE网络覆盖不完整，
UE在4G中的VoLTE业务如果移动到LTE覆盖边缘时，
需要将VoLTE业务SRVCC到2G/3G的CS域中。
eSRVCC是在SRVCC基础上，通过在拜访地引入
ATCF作为媒体锚定点，节省远端媒体更新时间，可将
切换时延减低至300ms以内。
（2）实测结果
eSRVCC过程会经过4G和2G较多网元，其性能评
估指标如图4所示。
下面将通过部分外场测试结果来阐述上述指标。
1）异系统/异频测量时延
从表7和表8可以看到，2G频点个数对eSRVCC
异系统测量时延影响较小，而由于终端测量机制的原
因，LTE异频组网对B2测量时延影响较大，对切换成
功率和启测门限参数设置有影响。因此，应继续推动
芯片厂家、终端厂家优化eSRVCC测量时延。
表7 eSRVCC异系统（2G）测量时延
厂家
异系统测量平均时延/s
8频点 16频点 31频点
厂家1 11.92 6.63 10.58
厂家2
8.83 12.16 8.07
厂家3
10.26 10.47 12.17
表8  异频（LTE）测量时延
厂家
异系统测量平均时延/s
0个异频 1个异频 2个异频 3个异频
厂家1 1.79 5.48 7.52 6.63
厂家2
1.92 8.26 6.51 12.16
厂家3 2.18 6.50 8.30 10.47
2）切换准备时延
从表9可以看到，Pool内、Pool外组网方式的不同
是造成切换准备时延差异的主要原因，Pool内组网切
换准备时延更低。
表9  切换准备时延
eMSC升级方式 厂家 平均切换准备时延/s
Pool外新建
厂家1 1.17
厂家2 1.32
厂家3 0.99
Pool内升级
厂家1 0.12
厂家4 0.31
厂家5 0.57
3）控制面/用户面中断时延
从表10可以看到，控制面中断时延符合预期，与
3G到2G切换控制面中断时延（300~600ms）相近。
图4 eSRVCC性能评估指标示意图
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表10  控制面/用户面中断时延
厂家 控制面中断时延/ms 用户面中断时延/ms
厂家1 120 1630
厂家2 109 1660
厂家3 151 1600
厂家4 107 1700
厂家5 123 1630
5.5 SPS
（1）理论分析
VoLTE具有突发性的小包频繁到达的业务特性，
语音编码器每20ms生成一个语音包。为了调度这些数
据包，需要控制信令（PDCCH）来指示。当用户数量
增加时，控制信令的容量易成为瓶颈。
SPS（Semi-Persistent Scheduling，半持续调度）
是LTE中为了节省PDCCH数量而提出的一种调度方
法。其基本原理是在指定子帧上按照预先分配的资源
对新生成的语音包进行调度。对于首次传输错误而需
要重传的语音包，为了降低时延，仍然采用动态调度
的方式，所以称为“半”持续调度。由于新包的调度
不需要控制信令指示，因而大大降低了信令开销，使
得信令开销资源最低仅为业务的1.3%。
（2）测试结果
外场对SPS开启前后的PDCCH开销进行了统计，
从图5可以看出，SPS开启后，PDCCH开销均有所下
降，达到了SPS功能的基本要求。
图5 SPS开启前后PDCCH开销统计
（3）应用分析
考虑到SPS的特点，激活SPS的场景应满足以下条
件：
1）首要条件：PDCCH受限；
2）次要条件：MCS不超过15（为了提升用于SPS
激活的PDCCH信令的鲁棒性，3GPP从MCS、TPC里
面借用了6bit形成虚拟CRC校验码。其中，从MCS里
面借用了1bit，导致用于SPS的MCS只有4bit，对应的
最高阶MCS为15）。
然而，现网VoLTE业务的C-DRX配置为40ms（终
端每2个VoLTE语音包得到一次调度）。从表11可知，
在现网配置下（1:3配比，语音包调度周期40ms），
PDCCH并不会成为VoLTE语音业务的容量瓶颈。
表11  现网配置下VoLTE容量受限信道
RS-SINR/dB
10MHz TD-LTE 20MHz TD-LTE
容量 受限因素 容量 受限因素
-3 34 PUSCH 79 PUSCH
0 55 PUSCH 129 PUSCH
5 73 PUSCH 171 PUSCH
10 108 PUSCH 253 PUSCH
15 142 PUSCH 333 PUSCH
20 142 PUSCH 333 PUSCH
25 142 PUSCH 333 PUSCH
而C-DRX方案在终端功耗、调度效率方面
都比SPS方案具备优势。因此，建议现网在采用
C-DRX=40ms配置时，不开启SPS功能。仅在现网
PDCCH开销非常大的特殊场景激活SPS（如FDD网
络）。
5.6 TTI Bundling
当UE移动到小区边缘时，随着链路损耗的增加，
基站将通知UE提升发射功率来补偿路损的增加，保证
上行链路传输成功率。当UE发射功率已达到满功率
时，随着损耗的增加，上行链路传输成功率下降，UE
需要多次重传才能保证接收数据包被基站正确接收。
每次重传之间需要HARQ RTT时延（FDD为10ms，
TDD与上下行子帧配比相关）。因此，将会造成小区
边缘用户传输时延的增加。
而通过使用TTI Bundling（Transmission Time
Interval Bundling），在连续的4个上行子帧上同时发
送同一个传输块（Transport Block），积累了能量，
提高了上行接收成功率，降低重传概率，非常适用
于VoLTE这类时延敏感型业务。需要说明的是，由于
技术创新
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TDD系统中上下行子帧是不连续的，而语音包又有
20ms的周期限制。因此，协议中只有配比0、1、6支
持TTI Bundling，其它配比不适合做绑定处理。
另外，目前的LTE协议版本不支持TTI Bundling和
SPS并存，主要考虑到TTI Bundling已经降低了控制信
令的开销，在此基础上启动SPS已经没有太大意义。此
外，TTI Bundling开启后，连续的4个子帧需要同时传
输，SPS的周期设置将会变的更加复杂。
6  结束语
本文总结了VoLTE语音覆盖能力、质量、容量和
无线新技术几个方面的研究情况。针对VoLTE覆盖能
力，链路预算结果显示上行PUSCH信道受限，测试
结果显示现有规划指标初传BLER可以控制在10%以
内，满足覆盖要求。针对语音质量，测试结果显示，
VoLTE高清语音全网遍历下的平均MOS值为3.8，明
显高于GSM语音的2.2，用户体验更加立体丰富，现
场感更强。容量方面，通过理论分析，文章给出了
对不同配置下的VoLTE并发用户数和受限物理信道。
无线新技术部分，本文重点对多承载要求、RoHC、
C-DRX、SPS、RoHC、TTI-Bundling等关键技术进行
了介绍，并给出了外场测试结果和应用情况分析。
参考文献：
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[2] 3GPP TS 23.216. Single Radio Voice Call Continuity
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[5] 3GPP TS 36.322. Evolved Universal Terrestrial Radio
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specification[S]. 2010.
[6] 3GPP TS 36.323. Evolved Universal Terrestrial Radio
刘建华：硕士毕业于北京邮电大学，
项目经理，无线系统研究员，现任职
于中国移动通信研究院无线技术研究
所，主要从事TD-LTE组网方案研究和
外场测试工作。
陈俊：硕士毕业于北京邮电大学，项
目经理，无线系统研究员，现任职于
中国移动通信研究院无线技术研究
所，主要从事TD-LTE、VoLTE关键技
术研究、外场测试与VoLTE容量研究
工作。
刘磊：硕士毕业于美国辛辛那提大
学，项目经理，无线系统研究员，现
任职于中国移动通信研究院无线技术
研究所，主要从事LTE网络组网性能
评估、VoLTE无线性能提升工作。
作者简介
Access (E-UTRA); Packet Data Convergence Protocol
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[7] 3GPP TS 36.331. Radio Resource Control (RRC) Protocol
specification (Release 12)[S]. 2015.
[8] Marco M, Davide C, Daniel C, et al. Evaluation of Jumbo
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究[J]. 电信工程技术与标准化, 2014(2): 75-79.
[10] 中国移动通信集团. TD-LTE无线网络性能测试规范
[Z]. 2011.★

萝卜儿

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