高鐵場景下VoLTE語音質(zhì)量提升研究

李鐘瑞 戴明珠

摘 要：中國目前的VoLTE業(yè)務(wù)已經(jīng)能夠?yàn)榛A(chǔ)網(wǎng)絡(luò)用戶提供可靠的通信支持，但在對網(wǎng)絡(luò)傳輸有著特殊要求的高鐵場景下，VoLTE業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量與基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)相比仍有較大差距。為進(jìn)一步提高高鐵場景下的VoLTE語音服務(wù)質(zhì)量，分析了高鐵場景下影響VoLTE語音質(zhì)量MOS值的主要因素，提出優(yōu)化VoLTE語音質(zhì)量的思路。通過實(shí)驗(yàn)分析了各關(guān)鍵參數(shù)分別對高鐵場景下VoLTE語音質(zhì)量的影響，提出一種改進(jìn)的參數(shù)修改方案，并證明了使用修改后的參數(shù)能夠獲得更好的語音質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：VoLTE;MOS;高鐵;關(guān)鍵參數(shù);語音質(zhì)量

DOI：10. 11907/rjdk. 181658

中圖分類號：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-7800（2019）001-0152-05

Abstract：China's current VoLTE service has been able to provide reliable communication support for users in large networks. However，the service quality of VoLTE services in the HSR scene with special requirements for network transmission is still quite different from that of the big network.This article analyzed the main factors which affect VoLTE voice quality MOS value in HSR scene to further improve the voice service quality of VoLTE in HSR（High Speed Rail） scenarios， proposing the idea of optimizing voice quality of VoLTE. It studied and analyzed key parameters of VoLTE wireless optimization， analyzed effects of different key parameters on VoLTE voice quality in HSR scenarios through experiments， and proposed an improved modification scheme of key parameters，which proved that using the modified key parameters can get better voice quality.

0 引言

隨著中國電信LTE網(wǎng)絡(luò)的不斷建設(shè)與完善，目前中國電信4G網(wǎng)絡(luò)已實(shí)現(xiàn)了全面覆蓋，之后中國電信將繼續(xù)推出VoLTE（Voice over LTE）語音解決方案，語音和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將同時承載在4G網(wǎng)絡(luò)之上[1-5]。雖然當(dāng)前的VoLTE業(yè)務(wù)已經(jīng)能夠?yàn)榛A(chǔ)網(wǎng)絡(luò)用戶提供更短的接通等待時間、更高的語音質(zhì)量、更自然的語音效果，但在具有移動速度快、穿透損耗大、切換頻次高等特點(diǎn)的高鐵場景下，VoLTE業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量與基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)相比仍有一定差距[6-8]。因此，諸多學(xué)者針對該問題進(jìn)行了研究，如馬向晨、焦燕鴻等[9-10]在高鐵場景下獲得的MOS值大于3.0的占比僅為73%，明顯低于基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)要求的85%[11];李宗璋、牛海濤等[12]對京滬高鐵山東段VoLTE進(jìn)行優(yōu)化后，測試獲得的MOS值大于3.0的平均占比約為81%;龍青良、劉光海等[13]針對高鐵場景下的切換頻繁、RRC重建等問題進(jìn)行針對性優(yōu)化，將MOS值大于3.0的占比提高到90%。

高鐵移動通信逐步成為各運(yùn)營商品牌展示及提升高端客戶黏合度最有力的競爭領(lǐng)域，即當(dāng)前4G網(wǎng)絡(luò)下不僅需要提供高速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，還需提供高質(zhì)量的音視頻通話[14-16]。為保障LTE無線網(wǎng)在高鐵環(huán)境下正常承載VoLTE基礎(chǔ)業(yè)務(wù)的能力，急需對高鐵場景下的VoLTE業(yè)務(wù)影響因素進(jìn)行分析，針對VoLTE業(yè)務(wù)進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)的規(guī)范設(shè)定，有針對性地對能夠提升業(yè)務(wù)質(zhì)量的參數(shù)進(jìn)行修改，夯實(shí)電信網(wǎng)絡(luò)的VoLTE功能。

本文重點(diǎn)對高鐵場景下的VoLTE相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析與優(yōu)化，通過VoLTE實(shí)驗(yàn)網(wǎng)測試數(shù)據(jù)證明了改進(jìn)的相關(guān)參數(shù)可獲得更好的語音質(zhì)量。

1 高鐵VoLTE質(zhì)量評估標(biāo)準(zhǔn)

1.1 高鐵VoLTE語音業(yè)務(wù)MOS值

MOS（Mean Opinion Score）值，即平均意見值，是衡量通信系統(tǒng)語音質(zhì)量的重要指標(biāo)[17]。MOS值的取值范圍為[0，5]，值為0表示信號質(zhì)量最差，值為5表示信號質(zhì)量最優(yōu)，一般認(rèn)為MOS值大于3的系統(tǒng)具有較好的語音質(zhì)量。MOS值的直接影響因素包括端到端時延、抖動、丟包等。VoLTE端到端時延可分解為：UE語音編解碼時延、空口傳輸時延、核心網(wǎng)處理時延、傳輸網(wǎng)傳輸時延。丟包與抖動的影響因素包括：空口信號質(zhì)量、eNB負(fù)載、傳輸網(wǎng)丟包與抖動。所以影響MOS值的主要因素包括：語音編碼、覆蓋、干擾、切換、鄰區(qū)、基站負(fù)荷、基站故障、傳輸、核心網(wǎng)及測試終端等[18-20]。

1.2 VoLTE語音MOS采樣機(jī)制

VoLTE語音MOS采樣機(jī)制如下：①主叫起呼，進(jìn)行錄音（8s左右）;②被叫放音，主叫收音，被叫記錄第1個MOS采樣點(diǎn)（8s）;③主叫放音，被叫收音，主叫記錄第1個MOS采樣點(diǎn)（8s）;④被叫放音，主叫收音，被叫記錄第2個MOS采樣點(diǎn)（8s，與第1個采樣點(diǎn)間隔16s）;⑤主叫放音，被叫收音，主叫記錄第2個MOS采樣點(diǎn)（8s，與第1個采樣點(diǎn)間隔16s）;⑥被叫放音，主叫收音，被叫記錄第3個MOS采樣點(diǎn)（8s），如此類推。

1.3 MOS值優(yōu)化思路

在分析MOS問題時，首先要考慮基站是否正常工作，其次考慮測試是否規(guī)范，以及測試設(shè)備是否正常，然后判斷是否為無線問題造成的，最后才考慮是否由核心網(wǎng)及傳輸網(wǎng)引起的[21]。? 因此，在分析MOS問題時，應(yīng)按以下步驟進(jìn)行MOS優(yōu)化：

（1）基站問題：指問題路段中心經(jīng)緯度150m以內(nèi)的基站及主瓣65°范圍的小區(qū)，若存在基站負(fù)荷過大、業(yè)務(wù)告警、通信中斷等問題，必將影響MOS值。處理方法為：在測試前確?；菊９ぷ?。

（2）測試規(guī)范/測試設(shè)備：包括MOS設(shè)備調(diào)試造成的MOS設(shè)備性能差、音頻線松動、終端異常等。處理方法為：在測試前確保MOS設(shè)備正常工作，事先調(diào)試好MOS值，插緊音頻線并進(jìn)行終端檢查等。

（3）無線問題：主要包括弱覆蓋（RSRP<-100dBm，SINR<0）、質(zhì)差（RSRP>-100dBm，SINR<0）、頻繁切換等。引起弱覆蓋的原因包括：周邊缺站點(diǎn)（需重新規(guī)劃）、已規(guī)劃站點(diǎn)但未建設(shè)、周邊基站故障、室分泄露、鄰區(qū)漏配、切換參數(shù)不當(dāng)?shù)取Ｙ|(zhì)差包括弱覆蓋質(zhì)差與強(qiáng)覆蓋質(zhì)差，前者優(yōu)先處理弱覆蓋，后者通常是由MOD3干擾、GPS失步引起的干擾及外部干擾引起的。頻繁切換通常是由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不合理、天饋接反、切換參數(shù)設(shè)置不當(dāng)造成的[22]。

本文主要分析高鐵的VoLTE語音質(zhì)量提升方法，因高鐵負(fù)荷較輕，排除基站故障與測試設(shè)備故障相對容易，因此本文重點(diǎn)從無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化角度進(jìn)行分析。

2 VoLTE關(guān)鍵參數(shù)

由于VoLTE無線優(yōu)化涉及的參數(shù)較多，這里只對本文使用的6個關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行介紹。

（1）PA。沒有導(dǎo)頻的OFDM Symbol（A類符號）數(shù)據(jù)子載波功率與導(dǎo)頻子載波功率的比值。

（2）PB。只有導(dǎo)頻的OFDM Symbol（B類符號）數(shù)據(jù)子載波功率與導(dǎo)頻子載波功率的比值。PB的取值對信道估計(jì)與PDSCH解調(diào)性能有一定影響，合適的PB取值可以改善邊緣用戶速率，提高小區(qū)覆蓋性能。

（3）PUCCH標(biāo)稱P0值。在UE 接入或切換入新小區(qū)之初，功率控制算法所需的各個測量量可能尚未準(zhǔn)備好，這時根據(jù)為小區(qū)配置的標(biāo)稱功率設(shè)置PUCCH發(fā)射功率，以保證小區(qū)邊緣用戶成功接入小區(qū)。該值的大小決定了上行覆蓋的干擾情況，通過減小該值可降低對鄰區(qū)的干擾，提高小區(qū)覆蓋性能。

（4）同頻切換次數(shù)。同頻切換是移動通信系統(tǒng)中的常見現(xiàn)象，頻繁的同頻切換對網(wǎng)絡(luò)存在較大影響，如切換次數(shù)增加導(dǎo)致信令上報量增大，進(jìn)而增加終端與基站負(fù)荷，以及降低下載速率、增加網(wǎng)絡(luò)時延、降低語音感知等。

（5）SR傳輸周期。LTE上行調(diào)度流程為：終端發(fā)起SR（調(diào)度請求），基站根據(jù)SR為其預(yù)分配資源并告知終端;如果終端發(fā)送BRS（狀態(tài)緩存報告），基站收到后為其分配資源，并通過PDCCH調(diào)度進(jìn)行告知，終端根據(jù)調(diào)度信息發(fā)送數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行HARQ流程，直到基站收到完整數(shù)據(jù)包。整個過程需要的時間被稱為RTT（回環(huán)時間），也即傳輸時延時間，而BRS等處理基站則是由周期時間控制的，若BSR緩存狀態(tài)報告周期參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，會影響上行調(diào)度效率，增加調(diào)度時延，從而在一定程度上影響MOS評分。

（6）語音業(yè)務(wù)通話期上行補(bǔ)償調(diào)度最小間隔。該參數(shù)主要針對用戶的SR周期進(jìn)行概率性補(bǔ)償，以減少SR漏檢導(dǎo)致的語音上行丟包。該參數(shù)大小會影響觸發(fā)上行補(bǔ)償調(diào)度的概率。

3 高鐵場景下VoLTE關(guān)鍵參數(shù)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證在上述6個單一參數(shù)情況下的語音質(zhì)量提升效果，以便根據(jù)當(dāng)前場景自適應(yīng)設(shè)定各參數(shù)，從而更有效地提升LTE網(wǎng)絡(luò)下的語音質(zhì)量，為后續(xù)優(yōu)化作出指導(dǎo)。在本小節(jié)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中，從各維度對不同參數(shù)進(jìn)行針對性地修改，并完成相應(yīng)的語音質(zhì)量測試實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)及結(jié)果如下：

3.1 功率參數(shù)設(shè)置

LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量是影響語音感知的決定性因素，在專項(xiàng)優(yōu)化期間可為高鐵線路覆蓋質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。本次驗(yàn)證通過修改功控參數(shù)與PA/PB等參數(shù)，在保障基站輸出功率最大化的同時，改善邊緣用戶速率，提高區(qū)域覆蓋性能。其中共有4組配比情況可以使功率利用率最大化，分別是：PA=0，PB=0;PA=-3，PB=1;PA=-4.77，PB=2;PA=-6，PB=3。

為驗(yàn)證不同PA/PB配置情況對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的影響效果，對上述4種配比進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)驗(yàn)證測試，測試結(jié)果如表1所示。

對表1中的結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)：在PA=0，PB=0時，下載速率最高，但覆蓋稍差，適用于業(yè)務(wù)需求量大的場景;在PA=-3，PB=1時，兼顧覆蓋及業(yè)務(wù)，可保障較多用戶接入以及感知，適用于郊區(qū)場景;在PA=-4.77，PB=2時，覆蓋率與-3/1持平，但下行速率降低了10%，不建議使用;在PA=-6，PB=3時，可最大程度保障覆蓋，但下行速率降低了近50%，適用于農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)中業(yè)務(wù)需求不大，但需要廣泛覆蓋的場景。

根據(jù)上述測試結(jié)論，針對某高鐵場景客流集中、業(yè)務(wù)容量大等特性，將參數(shù)PA與PB均配置為0時，能夠獲得最優(yōu)性能。將PA=-3、PB=1時的測試結(jié)果作為優(yōu)化前結(jié)果，將PA=0、PB=0時的測試結(jié)果作為優(yōu)化后結(jié)果，其優(yōu)化前后MOS值分布對比如圖1所示。從圖中可以看出，優(yōu)化后測得的MOS值分布在區(qū)間[4，5）的比例相比優(yōu)化前提高了約12%。

表2為優(yōu)化PA/PB參數(shù)后網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的測試結(jié)果對比，從表中可以看出，將參數(shù)PA、PB均配置為0后，語音感知各項(xiàng)指標(biāo)得到一定提升，其中呼叫建立時延較修改前提升了0.2s，平均MOS值提升了0.09，MOS值在3以上的占比提升了約3%。整體覆蓋強(qiáng)度略有降低，但整體語音質(zhì)量得到了提升，與分析效果一致。

3.2 PUCCH標(biāo)稱P0值

LTE網(wǎng)絡(luò)的上行覆蓋質(zhì)量是影響語音感知的決定性因素，本次驗(yàn)證對PUCCH標(biāo)稱P0值（eNodeB所期望的PUCCH發(fā)射功率水平）參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。

在UE 接入或切換入新小區(qū)之初，功率控制算法所需的各測量量可能尚未準(zhǔn)備好，這時根據(jù)為小區(qū)配置的標(biāo)稱功率設(shè)置PUCCH發(fā)射功率，以保證小區(qū)邊緣用戶成功接入小區(qū)。該值的大小決定了上行覆蓋的干擾情況，因此通過減小該值，可降低對鄰區(qū)的干擾，提高小區(qū)覆蓋性能。其參數(shù)修改如表3所示。

3.3 同頻切換偏置參數(shù)

本次驗(yàn)證對同頻切換偏置參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。小區(qū)間同頻切換的主要原因之一為切換事件觸發(fā)過易，根據(jù)A3事件切換觸發(fā)條件Mn+Ofn+Ocn-Hys>Ms+Ofs+Ocs+Off。為增大A3事件觸發(fā)難度、減小同頻切換概率，需增大同頻切換偏置參數(shù)，其參數(shù)修改如表5所示。

將同頻切換偏置值為2時的測試結(jié)果作為優(yōu)化前結(jié)果，同頻切換偏置值為4時的測試結(jié)果作為優(yōu)化后結(jié)果，其優(yōu)化前后MOS值分布對比如圖3所示。從圖中可以看出，優(yōu)化后測得的MOS值分布在區(qū)間[4，5）的比例比優(yōu)化前降低了約2%，但在區(qū)間[3，3.5）和[3.5，4）的比例比優(yōu)化前分別提高了1.62%與5.25%。

3.4 SRI周期參數(shù)

表8為修改SRI周期參數(shù)值前后得到的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量測試結(jié)果對比，可以看出，在該單項(xiàng)參數(shù)驗(yàn)證測試中，語音感知各項(xiàng)指標(biāo)均有較大提升。其中呼叫建立時延較修改前提升了0.22s，平均MOS值提升了0.14，MOS值在3以上的占比提升了約9%。

3.5 語音業(yè)務(wù)通話期上行補(bǔ)償調(diào)度最小間隔

從表12中測試結(jié)果可看出，使用各參數(shù)原始值完成的測試中，呼叫建立時延為1.96s，測試VoLTE平均MOS質(zhì)量值為3.91，高鐵測試段整體MOS值大于3.0的占比為90.47%，MOS值大于3.5的占比為83.67%，占比較低。相應(yīng)使用各參數(shù)優(yōu)化值完成的測試中，呼叫建立時延為1.86s，測試VoLTE平均MOS質(zhì)量值為3.93，高鐵測試段整體MOS值大于3.0的占比為93.35%，MOS值大于3.5的占比為85.75%。

通過對表8中原始值與優(yōu)化值測試結(jié)果對比可以發(fā)現(xiàn)，使用各參數(shù)優(yōu)化值獲得的語音感知各項(xiàng)指標(biāo)有了一定提升，其中呼叫建立時延較修改前提升了0.1s，平均MOS值提升了0.02，MOS值在3.0以上的占比提升了約3%。

5 高鐵場景VoLTE參數(shù)研究總結(jié)

上述參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，在高鐵場景下針對VoLTE語音質(zhì)量指標(biāo)MOS值的影響因素，從覆蓋、干擾、切換及傳輸時延等維度進(jìn)行相關(guān)參數(shù)修改，對整體VoLTE語音質(zhì)量的提升具有一定效果。使用本文提出的優(yōu)化后參數(shù)，獲得的高鐵測試段整體MOS值大于3.0的占比為93.35%，比優(yōu)化前的測試結(jié)果提高了約3%。

綜上所述，在高鐵場景下針對不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可進(jìn)行如下優(yōu)化提升：

（1）在網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量較好的環(huán)境下，通過修改PA/PB值，在保證整體覆蓋質(zhì)量的同時，提升網(wǎng)絡(luò)性能和語音質(zhì)量。

（2）在用戶相對較少的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，可通過修改SR傳輸周期參數(shù)，縮短用戶接入時延，從而提升語音質(zhì)量。

（3）在用戶相對較多的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，一般不用修改SR傳輸周期參數(shù)，而是通過修改“語音業(yè)務(wù)通話期上行補(bǔ)償調(diào)度最小間隔”參數(shù)，增大上行補(bǔ)償調(diào)度概率以及修改“PUCCH標(biāo)稱P0值”參數(shù)，減少對上行覆蓋的干擾，從而改善語音質(zhì)量。

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