基于SINR最優(yōu)的VoLTE異頻切換優(yōu)化

陸健賢，黃濟丘，趙旭

（1.中國電信股份有限公司云浮分公司，廣東 云浮 527300；2.中國電信股份有限公司研究院，廣東 廣州 510630）

0 引言

800—900 MHz 頻段具有良好的無線傳播特性，2G 網(wǎng)絡(luò)首先采用該頻段作為覆蓋層，而后再利用高頻段建設(shè)網(wǎng)絡(luò)容量層。在LTE部署初期，因低頻段仍需承載2G/3G 業(yè)務(wù)，各運營商采用1.8—2.6 GHz 的高頻段建設(shè)LTE 網(wǎng)絡(luò)，用于承載移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。近年來，隨著800—900 MHz 頻率重耕，原有2G/3G 站址疊加部署了低頻段LTE 基站。對于國內(nèi)CDMA 運營商，VoLTE 無法通過SRVCC 在LTE 覆蓋弱區(qū)將語音回落到2G/3G 網(wǎng)絡(luò)，如何在不新增投資和運營成本的條件下發(fā)揮多頻LTE 網(wǎng)絡(luò)的最大覆蓋潛力、提高VoLTE服務(wù)質(zhì)量是網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的重要課題。

1 1.8 GHz與800 MHz LTE的現(xiàn)網(wǎng)覆蓋比較

LTE 常用的覆蓋指標主要為RSRP 和SINR。因800 MHz和1.8 GHz 頻段帶寬不同導(dǎo)致RS 功率差異（800 MHz 較1.8 GHz 高約7 dB），為便于分析和論述，本文采用路徑損耗（RS 功率與RSRP 的差值）和SINR 作為覆蓋指標。在市區(qū)測試區(qū)域，800 MHz 和1.8GHz 頻段LTE 重疊覆蓋，基站數(shù)量、密度和站間距如表1 所示：

表1 測試區(qū)域的1.8 GHz和800 MHz基站數(shù)量及站間距

兩個頻段網(wǎng)絡(luò)的路徑損耗和SINR 分布如表2 所示：

表2 1.8 GHz和800 MHz LTE室外和室內(nèi)覆蓋質(zhì)量對比

由測試結(jié)果得到：

（1）室外區(qū)域：1.8 GHz 路徑損耗均值較800 MHz小11 dB，SINR 均值較800 MHz 高2.9 dB。

（2）室內(nèi)區(qū)域：1.8 GHz 路徑損耗均值較800 MHz大3 dB，SINR 均值較800 MHz 的低1 dB。

因1.8 GHz 基站密度是800 MHz 的2.65 倍，1.8 GHz室外覆蓋全面優(yōu)于800 MHz。但1.8 GHz 的穿透能力較弱，800 MHz 在室內(nèi)深層區(qū)域優(yōu)于1.8 GHz。與2G 網(wǎng)絡(luò)不同，市區(qū)800 MHz LTE 網(wǎng)絡(luò)并不具備絕對覆蓋優(yōu)勢，若只使用其承載VoLTE 并不能發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)最大潛力。

2 影響通話質(zhì)量的關(guān)鍵覆蓋因素

VoLTE通話質(zhì)量采用POLQA[1]算法評估的MOS值表示，覆蓋問題導(dǎo)致的丟包、時延和抖動都會對通話質(zhì)量產(chǎn)生影響：

（1）路徑損耗對通話質(zhì)量的影響如圖1 所示，2T2R 基站的MOS 拐點出現(xiàn)在路徑損耗約130 dB 處，此后MOS 均值不斷降低，路徑損耗大于135 dB 時，MOS 均值低于3.5。

圖1 路徑損耗對MOS均值的影響（RoHC功能打開，PDCP丟棄定時器設(shè)置為100 ms）

（2）SINR 對通話質(zhì)量的影響如圖2 所示，當SINR低于0 dB，MOS 均值將低于3.5，其后MOS 均值將隨SINR 降低而急劇下降。

圖2 SINR對MOS均值的影響（路徑損耗約為130 dB）

根據(jù)測試結(jié)果，不同MOS 區(qū)間的路徑損耗、SINR以及切換分布如表3 所示。對比高（大于3.5）低（小于3）MOS 區(qū)域，SINR 小于0 dB 占比的差異最大，路徑損耗差異最?。ú蛔?%），切換居中。在低MOS 值區(qū)域，SINR 小于0 dB 的占比高于10%，是高MOS 值區(qū)域的2倍以上。此外，由于切換發(fā)生在小區(qū)邊緣，與SINR 具有較強的相關(guān)性。因此，從覆蓋角度，低SINR（SINR 小于0 dB）是影響市區(qū)MOS 的最關(guān)鍵因素。

表3 高低MOS區(qū)域的路徑損耗、SINR及切換對比

3 基于SINR最優(yōu)的異頻切換優(yōu)化方法

3.1 優(yōu)化目標及步驟

結(jié)合兩個頻段的覆蓋情況及1.8 GHz 帶寬優(yōu)勢，應(yīng)將1.8 GHz 作為優(yōu)選網(wǎng)絡(luò)層、800 MHz 作為托底網(wǎng)絡(luò)層，SINR最優(yōu)的異頻切換優(yōu)化目標為：通過切換實現(xiàn)兩個頻段覆蓋互補，盡可能降低SINR 小于0 dB 的占比，提升通話質(zhì)量。

LTE 切換過程包括測量、上報、判決和執(zhí)行4 個步驟[2]，即使在250 km 時速仍可保持良好性能[3]。文獻[4]定義了切換涉及的測量事件，同頻切換一般采用基于A3事件的切換[5-6]，本文主要研究基于A5 的1.8 GHz/800 MHz異頻切換，主要事件包括：

（1）A1：服務(wù)小區(qū)質(zhì)量高于一定門限，該事件觸發(fā)時停止異頻測量。

（2）A2：服務(wù)小區(qū)質(zhì)量低于一定門限，該事件觸發(fā)時啟動異頻測量。

（3）A5：服務(wù)小區(qū)質(zhì)量低于門限1 并且鄰區(qū)質(zhì)量高于門限2，門限值可根據(jù)QCI 類型分別設(shè)置，該事件觸發(fā)異頻切換。

根據(jù)文獻[7]，無線質(zhì)量的測量指標為RSRP 或RSRQ，但RSRQ 單獨作為異頻切換的測量指標較RSRP并無優(yōu)勢[8]，現(xiàn)網(wǎng)采用基于RSRP 測量的異頻切換。因SINR 不是可上報的測量指標，為實現(xiàn)RSRP 與SINR 的關(guān)聯(lián)，基于SINR 最優(yōu)的異頻切換優(yōu)化分為2 步：

（1）首先根據(jù)測試結(jié)果建立從RSRP-＞路徑損耗-＞SINR 的映射關(guān)系。

（2）僅當服務(wù)小區(qū)的SINR 低于一定門限值且異頻相鄰小區(qū)的SINR 更優(yōu)時執(zhí)行異頻切換。根據(jù)（1）得到的映射關(guān)系，先設(shè)置觸發(fā)A5 事件的門限值，再由A5 門限值確定A1 和A2 門限值。

3.2 路徑損耗到SINR的映射

圖3 為路徑損耗對應(yīng)的SINR 小于0 dB 占比，由該圖可獲得從路徑損耗-＞SINR 的映射關(guān)系。在室外路徑損耗小于102 dB 的區(qū)域，兩個頻段SINR 小于0 dB 的占比基本一致，若要求SINR 小于0 的占比小于5%，1.8 GHz 對應(yīng)路徑損耗應(yīng)小于116 dB、800 MHz 為120 dB。在室內(nèi)路徑損耗小于116 dB 的區(qū)域，1.8 GHz 和800 MHz SINR 小于0 的占比相當，大于116 dB 的區(qū)域，800 MHz 優(yōu)于1.8 GHz，當路徑損耗大于120 dB 后1.8 GHz SINR 逐步上升，路徑損耗大于126 dB 后1.8 GHz SINR 急劇惡化。

圖3 路徑損耗->SINR的映射關(guān)系

3.3 基于映射關(guān)系的參數(shù)設(shè)置

因網(wǎng)絡(luò)并不知道終端處于室外還是室內(nèi)，A5 門限1和門限2 應(yīng)綜合考慮室內(nèi)外測試結(jié)果設(shè)置，盡可能確保目標小區(qū)SINR 優(yōu)于當前服務(wù)小區(qū)。此外，異頻測量的測量間隔會導(dǎo)致15%～25% 的上行吞吐量損失[9]，A1、A2 門限設(shè)置應(yīng)避免過早啟動異頻測量。根據(jù)3.2 節(jié)路徑損耗-＞SINR 的映射關(guān)系和RS 功率，可計算出異頻切換A1、A2 及A5 門限的RSRP 值。

（1）從1.8 GHz 切換到800 MHz：當1.8 GHz SINR 小于0 dB 占比大于5%且800 MHz SINR 優(yōu)于1.8 GHz 時，執(zhí)行從1.8 GHz 到800 MHz 的切換。參照圖4，A5 門限1 設(shè)置為路徑損耗116 dB 對應(yīng)的RSRP=15.2（RS 發(fā)射功率）-116≈-101 dBm。同時為了保證800 MHz SINR 小于0 dB 的占比優(yōu)于1.8 GHz，A5 門限2 的路徑損耗應(yīng)不高于120 dB，對應(yīng)的RSRP=22.5（RS 發(fā)射功率）-120 ≈-98 dBm。A2 門限=A5門限1+3 dB，A1 門限=A2 門限+3 dB。

（2）從800 MHz 切換到1.8 GHz：當800 MHz 路徑損耗大于130 dB（MOS 下降對應(yīng)的路徑損耗拐點）且1.8 GHz SINR 在穩(wěn)定范圍時，執(zhí)行從800 MHz 到1.8 GHz的切換。A5 門限1 對應(yīng)路徑損耗為130 dB，根據(jù)圖3，A5門限2 對應(yīng)的路徑損耗為120 dB，按照（1）相同的方法計算A5、A1、A2 的RSRP。

圖4 從SINR到路徑損耗到RSRP的切換參數(shù)設(shè)置過程

A1、A2 及A5 門限參數(shù)值如表4 所示。作為對比，表中也列出了網(wǎng)絡(luò)中原先使用的基于800 MHz 優(yōu)先的切換參數(shù)，該設(shè)置將VoLTE 盡可能使用800 MHz 承載。

表4 基于SINR最優(yōu)的VoLTE切換參數(shù)設(shè)置

4 優(yōu)化前后網(wǎng)絡(luò)性能對比

優(yōu)化后VoLTE 使用的頻段分布如圖5 所示，原來單獨使用800 MHz 的低MOS 區(qū)域大部分切換至1.8 GHz 頻段，實現(xiàn)了覆蓋互補。各種設(shè)置的MOS 對比如表5 所示。基于SINR 最優(yōu)的異頻切換獲得的通話質(zhì)量最優(yōu)，MOS 顯著高于單獨使用1.8 GHz 及800 MHz。同時，因市區(qū)800 MHz 總體覆蓋并無絕對優(yōu)勢，基于SINR 最優(yōu)的通話質(zhì)量較800 MHz 優(yōu)先具有較大提升，其MOS 均值較800 MHz 優(yōu)先高0.09，MOS 大于3.5 的占比高5.04 個百分點。

圖5 優(yōu)化后VoLTE使用頻段及單獨800 MHz低MOS值區(qū)域分布對比

表5 各種場景的SINR及主要通話指標對比

從切換次數(shù)看，基于SINR 最優(yōu)的切換次數(shù)與單獨使用1.8 GHz 基本相當。雖然該區(qū)域內(nèi)1.8 GHz 基站數(shù)量為800 MHz 的2.65 倍，但單獨使用1.8 GHz 的切換次數(shù)僅比單獨使用800MHz 高23%，大大低于兩者基站比例。其原因在于，由于無線環(huán)境的復(fù)雜性，實際網(wǎng)絡(luò)的小區(qū)并非邊界清晰的六邊形蜂窩，雖然800 MHz 單站覆蓋面積大，但較少基站也導(dǎo)致信號的均勻性較差，更復(fù)雜的邊界導(dǎo)致的頻繁切換極大抵消了因單站覆蓋范圍大而減少的切換次數(shù)。

5 結(jié)束語

覆蓋是影響VoLTE 通話質(zhì)量的關(guān)鍵，基于目前市區(qū)800 MHz 及1.8 GHz LTE 網(wǎng)絡(luò)均不具備絕對覆蓋優(yōu)勢的實際情況，通過異頻切換優(yōu)化充分發(fā)揮現(xiàn)有多頻段LTE 網(wǎng)絡(luò)的互補覆蓋是提高VoLTE 用戶感知的重要手段。本文根據(jù)800 MHz 及1.8GHz 室內(nèi)外覆蓋數(shù)據(jù)，提出了基于SINR 最優(yōu)的異頻切換優(yōu)化方法，經(jīng)應(yīng)用驗證，優(yōu)化切換參數(shù)設(shè)置后，VoLTE 用戶感知的MOS 較單獨使用1.8 GHz 或800 MHz 均顯著提高，在不新增投資和成本的情況下挖掘了各覆蓋層的潛力。