董江波（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司，北京 100080）

專家視點

VoLTE技術(shù)發(fā)展及其無線網(wǎng)絡(luò)容量能力探究

董江波
（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司，北京 100080）

本文對VoLTE技術(shù)原理及無線網(wǎng)絡(luò)容量能力進(jìn)行了分析，在對VoLTE全球發(fā)展及其優(yōu)勢進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，給出了VoLTE技術(shù)在未來發(fā)展需重點關(guān)注的問題。

VoLTE；ROHC；SPS；OTT

董江波 教授級高級工程師，畢業(yè)于北京郵電大學(xué)?，F(xiàn)為中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司資深專家，長期從事移動通信新技術(shù)以及無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃理論研究與開發(fā)工作。曾經(jīng)承擔(dān)了多項集團(tuán)級重大重點項目的研發(fā)，帶領(lǐng)團(tuán)隊開發(fā)完成的LTE無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃仿真云平臺得到了廣泛應(yīng)用。發(fā)表了數(shù)10篇技術(shù)論文，發(fā)明專利數(shù)10項。承擔(dān)的研發(fā)課題曾獲多個國家級、部級獎項。

VoLTE是一種IP數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，與2G/3G網(wǎng)絡(luò)不同，全部業(yè)務(wù)都承載在4G網(wǎng)絡(luò)之上。相對于2G/3G網(wǎng)絡(luò)，通過引入高清編解碼等技術(shù)，VoLTE可擁有比2G/3G話音業(yè)務(wù)更好的用戶體驗。同時，當(dāng)終端離開LTE的覆蓋區(qū)域時，VoLTE能夠?qū)TE上的話音呼叫切換到2G/3G 網(wǎng)絡(luò)上，保證話音呼叫的連續(xù)性。從用戶體驗上看，VoLTE能實現(xiàn)更豐富、更自然的高清話音通話。高清話音和視頻編解碼的引入將使得話音通話質(zhì)量大幅提升，手機通話的聲音效果更加立體保真。而且，VoLTE網(wǎng)絡(luò)性能更優(yōu)，其接續(xù)時間相比2G/3G網(wǎng)絡(luò)可大幅縮短。

同時VoLTE也面臨著互聯(lián)網(wǎng)公司OTT業(yè)務(wù)的挑戰(zhàn)。OTT是“Over The Top”的縮寫，是指通過互聯(lián)網(wǎng)向用戶提供各種應(yīng)用服務(wù)。這種應(yīng)用和運營商所提供的通信業(yè)務(wù)不同，它僅利用運營商的網(wǎng)絡(luò)，而服務(wù)由運營商之外的第三方提供。微信就是最典型的OTT 業(yè)務(wù)，其“微信電話本”業(yè)務(wù)就是把IP通話作為核心賣點。但是，與微信和QQ的免費視頻通話相比，電信級的VoLTE服務(wù)具有保證業(yè)務(wù)QoS的能力，使得業(yè)務(wù)接通等待時間更短、音視頻效果更穩(wěn)定，用戶體驗更佳。

VoLTE技術(shù)實際落地用同時也面臨諸多挑戰(zhàn)。VoLTE業(yè)務(wù)對于LTE網(wǎng)絡(luò)連續(xù)性要求高，對網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提出更高要求。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和話音業(yè)務(wù)對于4G網(wǎng)絡(luò)的要求不同，為保證VoLTE的話音體驗，在原有數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，對4G網(wǎng)絡(luò)的小區(qū)間切換性能有更高要求。VoLTE業(yè)務(wù)作為GBR業(yè)務(wù)，需要網(wǎng)絡(luò)保證資源分配，那么對于現(xiàn)網(wǎng)4G網(wǎng)絡(luò)承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的能力影響如何？另外，全球各運營商部署VoLTE的時間以及具體方案可能不同，導(dǎo)致互通以及漫游方案也存在差異，可能在很長的時間內(nèi)還要用CSFB來實現(xiàn)國際漫游。

本文在闡述VoLTE技術(shù)原理并對其無線網(wǎng)絡(luò)容量能力進(jìn)行分析之后，對VoLTE在全球發(fā)展趨勢以及優(yōu)勢進(jìn)行具體分析；最后指出VoLTE未來發(fā)展還需重點關(guān)注的問題。相信在不久的將來，隨著 LTE網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模覆蓋、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)改造完成、產(chǎn)業(yè)鏈的不斷成熟，VoLTE最終會在全球?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模商用。

1　VoLTE基本原理及關(guān)鍵技術(shù)

如前所述，VoLTE是承載于LTE網(wǎng)絡(luò)上的話音業(yè)務(wù)，采用的是IP數(shù)據(jù)傳輸，屬于VoIP。VoLTE所需引入的關(guān)鍵技術(shù)均與VoIP業(yè)務(wù)本身的業(yè)務(wù)特點有密切關(guān)系。VoIP業(yè)務(wù)特點如圖1所示。從VoIP的某一個方向來看，一般都是說話聲和短暫的沉默間隙交替出現(xiàn)。話音期周期為20 ms，靜默期周期為160 ms。為了使話音之間的過渡更為自然，一般會在靜默狀態(tài)引入適量的背景噪聲數(shù)據(jù)分組，即SID分組。

隨著VoLTE話音業(yè)務(wù)速率的不同，激活期和靜默期數(shù)據(jù)分組大小有所不同。但相比于FTP等大分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)而言，VoIP業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分組的分組大小較小，且數(shù)據(jù)分組發(fā)送呈現(xiàn)周期性特點。為了更好地適應(yīng)這種業(yè)務(wù)特點，要提升LTE網(wǎng)絡(luò)的承載效率。

圖1　VoIP業(yè)務(wù)特點

在引入VoIP后，LTE系統(tǒng)在無線方面主要增加了SPS、TTI bundling、ROHC等重要關(guān)鍵技術(shù)。

SPS即為半持續(xù)調(diào)度，指在VoIP業(yè)務(wù)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，由于分組大小基本固定，因此可以在一定周期內(nèi)固定業(yè)務(wù)傳輸所需占用的RB資源，從而減少對于PDCCH等控制信道的消耗。

ROHC即為頭壓縮技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)能夠提高LTE網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。在不采用ROHC頭壓縮技術(shù)的條件下，通常RTP頭開銷占12 byte，UDP頭開銷占8 byte，IPv4頭開銷占20 byte，IPv6頭開銷占40 byte；在采用ROHC頭壓縮技術(shù)后，ROHC頭開銷將減少為4～6 byte。因此能夠提供傳輸效率。增加一個小區(qū)承載的VoLTE用戶數(shù)，提升VoLTE覆蓋。

TTI Bundling技術(shù)可以讓UE在連續(xù)4個TTI上傳輸固定數(shù)目的數(shù)據(jù)，不需要等待HARQ進(jìn)程，從而降低分片帶來的系統(tǒng)頭開銷和分組丟失出錯的概率，提升上行覆蓋能力。但是在TD-LTE系統(tǒng)中，由于時序匹配問題，協(xié)議規(guī)定只有子幀配比0、1、6支持此技術(shù)，在當(dāng)前TD-LTE網(wǎng)絡(luò)采用1：3子幀配置條件下，不適合采用此綁定處理技術(shù)。

在LTE網(wǎng)絡(luò)中承載VoIP業(yè)務(wù)，IR.92中推薦VoIP終端采用雙APN方案，Default APN用于普通數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，其缺省承載采用為QCI=9的Non-GBR策略。Dedicated IMS APN用于IMS業(yè)務(wù)，其中Default承載用于SIP信令，采用QCI=5的Non-GBR策略；Dedicated承載用于話音，采用QCI=1的GBR策略。這樣，在LTE網(wǎng)絡(luò)中，基于承載的QoS保障了VoLTE信令與業(yè)務(wù)的調(diào)度權(quán)重。

這些關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用是網(wǎng)絡(luò)資源利用率及VoLTE業(yè)務(wù)質(zhì)量平衡的保障。但是在實際網(wǎng)絡(luò)中，由于資源調(diào)度的非理想性，VoLTE引入后對于無線網(wǎng)絡(luò)容量的影響需要特別關(guān)注和分析。

2　VoLTE無線網(wǎng)絡(luò)容量分析

在純數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)中，對于網(wǎng)絡(luò)容量的衡量指標(biāo)通常應(yīng)用小區(qū)吞吐量來表征。但是只有小區(qū)吞吐量指標(biāo)還不能反映網(wǎng)絡(luò)對于話音業(yè)務(wù)的承載能力。從用戶體驗的角度來考慮，VoLTE用戶數(shù)是衡量網(wǎng)絡(luò)承載能力的重要指標(biāo)。

2.1動態(tài)調(diào)度機制下的用戶數(shù)估算

如前所述，在采用動態(tài)調(diào)度技術(shù)時，由MAC調(diào)度器實時動態(tài)的分配RB資源和容許的傳輸速率，是按需分配的方式，這樣每次調(diào)度需要調(diào)度信令的交互。對于小分組業(yè)務(wù)來說控制信令開銷很大。在采用半靜態(tài)調(diào)度后，eNode B在初始調(diào)度時通過PDCCH指示UE當(dāng)前的調(diào)度信息，UE識別是半靜態(tài)調(diào)度，則保存當(dāng)前的調(diào)度信息，并每隔固定的周期在相同的時頻資源位置上進(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，可以充分利用數(shù)據(jù)分組周期性到達(dá)的特點，一次授權(quán)，周期使用，可以有效的節(jié)省控制信令開銷，在不影響通話質(zhì)量和系統(tǒng)性能的同時支持更多的用戶。因此VoLTE用戶容量在動態(tài)調(diào)度條件下有可能受限于PDCCH信道，而在SPS調(diào)度機制下VoLTE用戶容量則有可能受限于業(yè)務(wù)信道或者調(diào)度能力。

首先在CFI=3條件下對20 Mbit/s帶寬條件下PDCCH信道所能支持的用戶數(shù)進(jìn)行估算。由于與設(shè)備中對于用于上行調(diào)度和下行調(diào)度的PDCCH資源分配機制以及處理能力不同，不同設(shè)備特點相同子幀配置所能支持的用戶數(shù)有所不同。在綜合業(yè)界不同設(shè)備廠商特點后，當(dāng)PDCCH聚合等級4時，在2：2子幀配置時從控制信道角度考慮承載用戶數(shù)約120個。

實際網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)能夠容納的VoLTE用戶數(shù)與網(wǎng)絡(luò)中的用戶分布有關(guān)。假設(shè)在不同SINR條件下會采用不同的PDCCH聚合等級，在不同聚合級別條件下，最大用戶數(shù)估算如表1所示。

表1　用戶均勻分布條件下，2：2子幀配置時控制信道承載用戶數(shù)估算

根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)測試的經(jīng)驗，一般以RS SINR為18 dB、8 dB、-3 dB分別對應(yīng)近、中、遠(yuǎn)點，假設(shè)近中遠(yuǎn)用戶比例為3：4：3。對于PDCCH信道，遠(yuǎn)中近點分別對應(yīng)采用聚合級別8、4、1；那么根據(jù)用戶比例加權(quán)估算，網(wǎng)絡(luò)能夠承載的VoLTE用戶數(shù)約239。

2.2SPS調(diào)度機制下的用戶數(shù)估算

在SPS調(diào)度的情況下，VoIP業(yè)務(wù)用戶容量受到共享信道資源的限制，按照20 ms間隔數(shù)據(jù)分組以及160 ms間隔數(shù)據(jù)分組出現(xiàn)的比例為2：1、MCS=11來計算，當(dāng)2：2子幀配置時，20 Mbit/s帶寬可以支持的用戶數(shù)可以達(dá)到752。

對比以上兩種情況課件，從業(yè)務(wù)信道角度考慮，承載用戶數(shù)可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于控制信道承載用戶數(shù)。但是實際中設(shè)備每TTI并發(fā)調(diào)度用戶數(shù)能力還可能受限于硬件處理能力，如設(shè)備每TTI能調(diào)度的用戶數(shù)等，此時VoLTE用戶容量就會進(jìn)一步受限于設(shè)備能力。

2.3理想蜂窩結(jié)構(gòu)下的VoLTE用戶數(shù)分析

實際網(wǎng)絡(luò)容量的評估與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及無線場景和用戶分布密切相關(guān)，因此VoLTE用戶容量的評估需要借助于能夠真實模擬現(xiàn)網(wǎng)情況的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃仿真工具。

應(yīng)用設(shè)計院自主研發(fā)的LTE無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工具APC（Advanced Planning Cloud）對VoLTE單一業(yè)務(wù)模型下的容量進(jìn)行仿真。采用站間距為500 m的理想蜂窩結(jié)構(gòu)，周圍小區(qū)采用50%負(fù)荷，中心小區(qū)可以占用100%RB條件下，仿真可得VoLTE用戶數(shù)如圖2所示。

因此，單VoLTE業(yè)務(wù)條件下，采用動態(tài)調(diào)度機制時其容量受限于PDCCH信道；采用SPS調(diào)度機制時，其容量受限于業(yè)務(wù)信道（每VoLTE用戶所占用RB數(shù)）或每TTI的調(diào)度能力。如前所述，SPS調(diào)度機制是自適應(yīng)開啟的，當(dāng)用戶所處位置較好時，采用SPS調(diào)度；當(dāng)用戶所處位置較差時，采用動態(tài)調(diào)度。由于在網(wǎng)絡(luò)中大分組業(yè)務(wù)和小分組業(yè)務(wù)并發(fā)，因此實際網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)容量的受限因素難以一概而論，LTE網(wǎng)絡(luò)容量也難以定量估算。下面我們將對混合業(yè)務(wù)條件下網(wǎng)絡(luò)容量衡量方法進(jìn)行分析。

圖2　理想蜂窩結(jié)構(gòu)下VoLTE用戶數(shù)容量仿真結(jié)果

在引入VoLTE業(yè)務(wù)后，LTE網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)類型將更加多樣化。在網(wǎng)絡(luò)容量指標(biāo)上，不能單一地應(yīng)用小區(qū)吞吐量來進(jìn)行衡量，需要同時結(jié)合VoLTE用戶數(shù)與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)吞吐量來進(jìn)行衡量。在衡量機制上，也需要結(jié)合實際測試結(jié)果，應(yīng)用無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工具進(jìn)行容量仿真。此時，對于規(guī)劃工具的容量仿真提出了更高的要求。不僅需要在容量仿真中能夠反映多業(yè)務(wù)特點，如圖3所示。對于FTP、網(wǎng)頁瀏覽、視頻、話音等不同業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)到達(dá)特點和分組發(fā)送機制進(jìn)行模擬。同時，也需要在容量仿真中結(jié)合QCI等級等多種因素進(jìn)行調(diào)度分析。

圖3　數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)特點

APC能夠支持對多種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的建模，在實際工程應(yīng)用中，需要應(yīng)用DPI等分析手段獲取現(xiàn)網(wǎng)實際數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)模型，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃仿真工具進(jìn)行容量仿真，從而合理評估規(guī)劃設(shè)計網(wǎng)絡(luò)的綜合容量承載能力。

3　VoLTE全球發(fā)展及優(yōu)勢分析

VoLTE具有許多技術(shù)優(yōu)勢，在呼叫時延上可以達(dá)到0.5～2s，僅是2G/3G網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有5～ 8 s的1/10；在視頻質(zhì)量上，能夠支持的典型分辨率為480×640，以及720 P/1 080 P，比2G/3G的分辨率176×144提升了10倍；在話音質(zhì)量上，能夠支持話音頻率范圍更寬達(dá)到50～7 000 Hz，編解碼能夠達(dá)到AMR-WB 23.85 kbit/s，比2G/3G網(wǎng)絡(luò)中話音頻率300～3 400 Hz，編解碼僅支持AMR-NB 12.2 kbit/s提升了2倍。在頻譜效率上，LTE網(wǎng)絡(luò)承載話音業(yè)務(wù)能夠達(dá)到2G/3G網(wǎng)絡(luò)的3倍以上。同時，由于它承載在LTE網(wǎng)絡(luò)上，使得LTE網(wǎng)絡(luò)能夠同時支持話音與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，減少了運營商維護(hù)兩張網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。

現(xiàn)網(wǎng)運營數(shù)據(jù)表明傳統(tǒng)移動話音服務(wù)使用量已經(jīng)處于持續(xù)下降趨勢，運營商需要為未來開發(fā)新的話音業(yè)務(wù)機會，這也是全球通信運營商所達(dá)成的基本共識。根據(jù)GSA統(tǒng)計，截止到2016年1月底，有186個國家的708個運營商商用或預(yù)商用了LTE網(wǎng)絡(luò)；其中56個國家的118個運營商正在進(jìn)行VoLTE相關(guān)投資活動，29個國家的46個運營商已經(jīng)商用部署了VoLTE高清話音業(yè)務(wù)?？梢哉f，當(dāng)前VoLTE技術(shù)已經(jīng)在全球蓬勃發(fā)展。其中亞太地區(qū)是部署VoLTE的主要地區(qū)之一，緊隨其后的是美國。部分運營商商用時間信息如表2所示。

在國內(nèi)，中國移動“2020戰(zhàn)略愿景”表明，中國移動正在向數(shù)字化服務(wù)專家轉(zhuǎn)型，在融合融信“新通話、新消息、新聯(lián)系”的三新戰(zhàn)略中，“新通話”就是以VoLTE為核心。當(dāng)前，浙江、江蘇等多個省公司已經(jīng)正式宣布VoLTE商用，已經(jīng)實現(xiàn)了里程碑式的突破。

縱觀全球，發(fā)達(dá)市場和新興市場的運營商在VoLTE商業(yè)部署方面存在差異：成熟LTE市場的運營商正在快速發(fā)展，比如韓國所有運營商都已經(jīng)提供了VoLTE服務(wù)，美國的主要運營商也推出了VoLTE服務(wù)；而新興市場的運營商鑒于所需IMS部署的費用和復(fù)雜性采取較為謹(jǐn)慎的態(tài)度。

表2　全球運營商VoLTE商用時間　

VoLTE能夠為客戶帶來增強的話音體驗，但它需要運營商大量投資部署IMS基礎(chǔ)設(shè)施。但是不向VoLTE遷移也會面臨運行兩個獨立網(wǎng)絡(luò)的成本和復(fù)雜性的提高。因此運營商需要積極研究與評估VoLTE的商業(yè)模型，專注于提供引人注目的服務(wù)和差異化的體驗，讓客戶愿意支付溢價。同時也要保持靈活的定價并仔細(xì)評估不同的收費模式以刺激VoLTE使用。

4　VoLTE未來發(fā)展需要重點關(guān)注的問題

為用戶提供穩(wěn)定且高質(zhì)量的話音業(yè)務(wù)是VoLTE未來發(fā)展的重要基石。而VoLTE組網(wǎng)復(fù)雜，業(yè)務(wù)流程涉及終端、無線網(wǎng)、承載網(wǎng)、EPC、IMS核心網(wǎng)、業(yè)務(wù)支撐、業(yè)務(wù)平臺等多個領(lǐng)域協(xié)同，端到端提供高質(zhì)量業(yè)務(wù)難度增加。在未來發(fā)展中需要結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用情況，首要關(guān)注VoLTE端到端業(yè)務(wù)質(zhì)量監(jiān)測手段的健全。摸索VoLTE話音質(zhì)量大數(shù)據(jù)分析的方法，通過多維數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)共性問題，提升問題定位的準(zhǔn)確性和優(yōu)化生產(chǎn)效率；其次要關(guān)注VoLTE話音業(yè)務(wù)與LTE數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)協(xié)同優(yōu)化，VoLTE業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)由LTE網(wǎng)絡(luò)承載，既相互關(guān)聯(lián)又相互區(qū)別，業(yè)務(wù)QoS特性、以及用戶感知的差異決定了VoLTE業(yè)務(wù)在參數(shù)和功能上的個性化需求；同時也要關(guān)注VoLTE業(yè)務(wù)的國際漫游與互通方案的落地實現(xiàn)，讓VoLTE用戶能夠走出去也能進(jìn)得來。

［1］ 王映民，孫韶輝. TD-LTE 技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計［M］. 北京：人民郵電出版社，2010（6）.

［2］ 3GPP TS 36.211. Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）；Physical Channels and Modulation［S］.

［3］ 3GPP TS 36.321. Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； Medium Access Control （MAC）protocol specification［S］.

［4］ 顏軍，徐皓. 運營商VoLTE發(fā)展策略探討［J］. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（35）.

Research on wireless network capacity and technique of VoLTE

DONG Jiang-bo
（China Mobile Group Design Institute Co.， Ltd.， Beijing 100080， China）

The technique principle and wireless network capacity with VoLTE technology is studied in this paper. And the key issues in the future development are given when the global development of VoLTE is analyzed.

VoLTE； ROHC； SPS； OTT

TN929.5

A

1008-5599（2016）08-0001-05

2016-06-06