1. 概述
VoLTE（Voice over LTE）是基於IMS的語音業務，是一種IP數據傳輸技術，全部業務集中於4G網絡上，實現數據與語音業務在同一網絡下的統一，可提供高質量的語音和視頻通話。同時VoLTE業務具有通率高，音質清晰，掉話率低和可實現通話和數據收發同步等優點。本文針對VOLTE特性功能參數、影響因素、進行關聯分析，讓大家更多的瞭解VoLTE。
LTE語音解決方案演進方案
2.VOLTE關鍵技術及業務模型
2.1 RoHC技術
在LTE 網絡中，可以壓縮IP/UDP/RTP 報頭來提高PS 域語音業務的傳輸效率。對於VoLTE 語音及視頻業務數據包，其包長較小，封裝成IP 包後，採用頭壓縮技術能有效提高頻譜利用率。於是在PDCP 層採用了健壯性報頭壓縮(ROHC，Robust Header Compression)技術進行報頭壓縮，並且同時支持IPv4 和IPv6。如圖2.1，對一個32 比特的VoIP 分組數據包，若支持IPv6 數據報頭會增加至60 字節，若支持IPv4 報頭增至40 字節。在PDCP 層應用ROHC 技術，可將其壓縮至4～6byte，不僅能提高信道效率，而且增強了分組數據有效性。
ROHC原理
2.2 TTI Bundling技術
TTI Bundling 功能 (Transmission Time Interval)是將幾個TTI綁定在一起使用，在幾個TTI內傳遞同樣的數據，增加數據傳輸的可靠性，應用場景包括VOIP業務等。TTI Bundling 功能通常在遠點很低的 SINR下被激活，大幅提高小區的覆蓋範圍。
網絡性能：TTI Bundling能夠顯著增強遠點覆蓋性能。在遠點，增益可以通過UE的KPI指標中的BLER、VOLTE掉話率、流量來衡 量。當TTI Bundling使能時，掉話率將會降低，同時遠點的UE BLER 和流量指標將得到改善。在例如VoIP業務等應用場景中，TTI Bundling可以提高上行傳輸成功率。
該功能通常在遠點，低信噪比的情況下激活，能夠大幅提高小區的覆蓋範圍，提升邊緣覆蓋。普通調度通常會有很高的HARQ傳輸失敗，而TTI Bundling可以減少BLER和傳輸失敗導致的延時，因此該項功能可以有效提高用戶在VoLTE業務中的感受。
TTI Bundling原理
2.3 半持續調度技術
SPS也可稱為半靜態調度。LTE 引入 SPS 調度模式主要目的是支持 VoIP 業務。 在下行方向（上行亦適用 SPS），SPS 調度方式可減少控制信道的資源開銷和時延抖動；VoIP 業務用戶語音包發送頻率較大 SPS 週期調度時無需每次都發送 PDCCH(Physical Downlink Control Channel)，減少控制區單元 CCE(Control Channel Element)的佔用量，理論上可提高系統用戶容量。VoIP 業務狀態分為激活期和靜默期,在激活期（Talk Spurt），數據包的發 包間隔為 20ms，每個數據包的大小固定為 35~47Byte。對於暫態（Transient State） 時的數據包，由於未被壓縮，數據包大小為 92Byte,在靜默期（(Silence Insertion Descriptor，SID)數據包發送間隔為 160ms，每個 SID 包大小固定為 10~22Byte。總 之，採用 SPS 相當於給用戶分配了固定共享信道中的物理資源，可減少 PDCCH佔用數。半持續調度是LTE中為了節省PDCCH數量而提出的一種新的調度方法，最初主要是針對VoIP業務。其可大大降低信令開銷，使信令開銷資源最低可僅為業務的1.3%。
語音業務模型
2.4 RLC分段技術
當處於小區邊緣，UE 功率受限時，上行覆蓋能力下降，導致終端無法在一個 TTI 時間 內發送一個完整的語音數據包，通過 RLC 分段，可將一個 RLCSDU 拆分成若干個小的 SDU， 減小了每個子幀上傳輸的數據量，提升了上行覆蓋能力。
RLC分段原理
上行 RLC 分段主要是由上行調度分配的 TBS 決定。每次調度的 TBS 越小，上行 RLC 分 段越多。當信道質量很差時，UE 功率受限，上行調度的 TBS 很小，上行 RLC 分段很多，這樣會導致：
VoLTE 包時延大、VoLTE 業務上行丟包（UE buffer 中的 VoIP 包不能得到及時調度， 丟包定時器超時）、RLC 頭/MAC 頭開銷大、VoLTE 業務的上行動態調度消耗的 CCE 資源和 RB 資源多、VoLTE 業務上行 RLC 分段增強通過限制上行動態調度的 TBS 來限制 VoLTE 語音包的上行 RLC 分段數，以提高信道質量很差時的語音質量。
該特性無功能開關，只有 1 個 VoIP 上行最大 RLC 分段數，用於控制處於非 TTI Bundling 狀態的 UE 的上行最大 RLC 分段數，非 0 表示打開該功能；默認等於 0 表示關閉該功能，即不限制分段。該參數不在空口下發，屬於設備後臺參數。
2.5上行 CoMP技術
UL CoMP採用了多點聯合接收（JR：Joint Reception）方案，其基本原理為：利用相鄰小區的天線對某一個用戶的發送信號進行聯合接收，獲得多天線的信號合併增益或干擾抑制增益。
UL CoMP類似於在一個小區中使用更多天線進行接收，但和多天線接收的區別為：
不增加小區的總天線數，可以重用現有的天線。
進行UL CoMP的各小區接收到的信號功率有所不同，性能要差於多天線接收。
UL CoMP根據應用場景、聯合接收協作範圍以及傳輸帶寬的開銷可分為如下幾類。
UL COMP分類
2.6 VOLTE調度技術
VoLTE語音承載於LTE網絡，其調度過程遵循數據網絡規則。無線資源調度功能位於eNodeB的MAC層，由eNodeB的動態資源調度器實現，動態資源調度器為下行共享信道（DL-SCH）和上行共享信道（UL-SCH）分配物理層資源。依據上下行信道的無線鏈路狀態來進行資源分配，而無限鏈路狀態是由eNodeB和UE上報的測量結果進行判定的。分配的無線資源包含物理資源塊的數量、物理資源塊的位置以及調製編碼方案MCS。
VOLTE調度示意
下行調度
（1）下行信道質量測量
eNodeB發送CRS 給UE，UE估計CQI並上報給基站,UE上報CQI分兩種方式：週期性和非週期性，可以同時存在，若同時上報的話，僅保留非週期性CQI。
（2）CQI上報
週期CQI報告信道（PUCCH），非週期性CQI報告信道（PUSCH）
接收到的DCI format 0的CQI request設置為1時，UE非週期上報CQI、PMI和RI，上層可半靜態地配置UE週期性上報不同的CQI、PMI和RI。
（3）下行資源分配
基站根據下行信道的質量情況，自適應分配下行資源（針對 UE選擇不同的載波和slot）。下行鏈路中，網絡在每個TTI動態地給UE分配資源（PRBs & MCS）
（4）數據傳輸
根據資源分配的結果在PDSCH上填充數據, 並在PDCCH上傳輸相應的C-RNTI。
（5）重傳指示判斷
UE根據檢測PDCCH信道，解碼對應的PDSCH信息。UE根據PDCCH告知的DCI format在公共搜索區中接收PDSCH 廣播控制信息。此外，UE通過PDCCH UE 特定檢索區接收PDSCH數據傳輸。隨後基站重傳數據/發送新數據過程。
上行調度
（1）上行資源請求
RACH成功之後，eNodeB配置UE的SR子幀位置和發送週期，UE通過PUCCH中的控制消息UCI傳輸SR，UE有發送數據需求時，把相應的SR置1，無資源請求時SR為空。SR提示基站是否有資源需求，而具體資源需求量由之後的信令交互完成。
基站收到SR後，下發UL grant，先配置部分資源給UE上傳BSR，之後UE通過BSR告知基站要傳輸的數據量，ENB收到UE上報的BSR之後，根據該UE上報的SRS及基站現有資源等綜合分析決定是否給UE分配資源。若條件不滿足就不分配資源給UE，UE在多次SR不成功後會重新發起隨機接入。
（2）上行信道質量測量
基站給UE分配上行資源之前首先必須要知道上行信道的質量，如果UE的上行信道質量較好且有傳輸數據的需求，ENB才會給UE分配資源。
（3）上行資源分配
分配完資源後eNodeB必須把分配的uplink grant（PRB & MCS）通知UE，即UE可以在何時佔用什麼載波傳輸數據，以及採用的調製編碼方案。E-UTRAN在每個TTI動態地給UE分配資源（PRBs & MCS）,並在PDCCH上傳輸相應的C-RNTI，同時規定UE上傳的bit數（MCS和傳輸bit數的表）。
（4）數據傳輸
UE接收基站下發的資源分配，監視PDCCH以查找可能的上行傳輸資源分配，從common search space中獲取公共信息，從UE specific search space中搜索關於自己的調度信息。根據搜索到的結果在PUSCH對應的PRB上傳輸數據信息。
（5）重傳指示
如果有重傳，則相應控制信息亦通過PDCCH傳送。這屬於自適應傳輸，下行一般採用非同步自適應HARQ，非同步：初傳數據和重傳數據時間差不固定一般>=8ms，一旦收到NACK，若當前是下行幀就立即重傳；自適應：自適應的調整PUSCH的位置，並通過PDCCH通知UE。後續UE重傳數據/發送新數據步驟同（4）。
2.7 VOLTE語音業務模型
VoLTE架構引入IMS等網絡節點，終端在LTE網絡即可實現語音通信。IMS可實現獨立鑑權，計費等功能且獨立性高。另LTE實現了終端永遠在線，終端註冊網絡即分配IP地址，所以VOLTE實現了架構在LTE網絡上全IP條件下的端到端語音解決方案。
VoLTE語音業務過程由暫態、通話期、靜默期相交替組成，其中語音包間隔20ms，靜默期間隔160ms，為使話音之間的過渡更為自然，在靜默期引入適量的背景噪音數據包，即SID包。
語音包結構
（1）暫態：每次業務建立初期，尚未穩定的狀態下語音包的ROHC處於非穩定態，壓縮還沒有生效，包相對較大，採用動態調度。
（2）通話期：指用戶正在通話的狀態，此狀態下每20ms產生一個語音採樣包，包的大小取決於當前採用的編碼速率。
（3）靜默期：用戶通話停頓的狀態，此狀態下會每160ms發較短的背景音符號SID(silence insertion descriptor)啟用動態調度。
3.VOLTE語音質量影響因素
VoLTE作為高清語音通話業務，上、下行無線信道環境是影響其通話質量的關鍵因素。如下圖所示：
VOLTE呼叫示意圖
語音通話的質量取決於以下兩點，語音傳送完整和語音傳送保真，所以傳輸時延小且均衡、誤碼及丟包率低是VoLTE高清語音通話質量的關鍵，而決定性因素就是講話方的上行無線信道質量及受話方的下行無線信道質量。
無線信道質量使用信號強度（RSRP）與噪聲的比值（SINR）來表徵，無線信道的質量對VoLTE通話質量有直接影響，所以在無線覆蓋質量中，RSRP、SINR是決定VoLTE語音通話質量好壞的主要因素，同時RTP包的時延、丟包率以及抖動等也與語音質量密切相關。
鑑於上述分析，要對現網進行分析，梳理出RSRP、SINR、RTP相關指標與VoLTE語音質量關係，針對現網的覆蓋進行關聯分析，即可評估在當前網絡下商用VoLTE的感知，以及指導後續的網絡建設和優化。
語音質量影響因素
4.VOLTE語音質量關聯分析
DT拉網覆蓋指標與MOS值關係
統的DT方式主要是針對道路覆蓋的評估，像小區、室內等深度覆蓋的場景需要有新的評估手段，在此種情況下，我們採用基於用戶數上報的MR與VoLTE DT測試的結果進行關聯分析，整體評估現網用於承載語音的情況，以及語音質量相關的一些KPI研究，為後續VoLTE全網部署提供基礎參考。
通過對室外區域拉網數據分析，整理兩大基礎覆蓋指標RSRP、SINR與MOS值關係如圖所示，室外覆蓋的曲線擬合來看，覆蓋與MOS值之間並沒有出現明顯拐點，室外MOS值整體水平均在3以上，說明室外覆蓋良好。
室外測試MOS值與RSRP/SINR的關係圖
結合室內、外拉網測試數據分析，從VoLTE MOS語音質量看,開始出現明顯拐點：
>語音質量較高，MOS值3.5對應RSRP>=-118dBm或SINR>=0dBm
>語音質量一般，MOS值3對應的RSRP>=-123Bm或SINR>=-5dBm
室內外測試MOS值與RSRP/SINR的關係圖
查看MOS值與BLER關係，下行PDSCH BLER與MOS值無明顯對應關係，當上行PUSCH BLER=<9.5%時，MOS值平均在4以上，當BLER大於9.5後，MOS值波動較大難以收斂。
端到端傳輸性能與MOS值關係
MOS 測試採樣機制
MOS採樣機制如下：
1. 主叫起呼，進行錄音（8s 左右）；
2. 被叫放音，主叫收音，被叫記錄第 1個 MOS 採樣點（8s）；
3. 主叫放音，被叫收音，主叫記錄第 1個 MOS 採樣點（8s）；
4. 被叫放音，主叫收音，被叫記錄第 2個 MOS 採樣點（8s）；
5. 主叫放音，被叫收音，主叫記錄第 2個 MOS 採樣點（8s）；
6. 被叫放音，主叫收音，被叫記錄第 3個 MOS 採樣點（8s），如此類推……
由 MOS 採樣點機制可以看出，MOS採樣點收集的是採樣時間點前 8秒的語音質量， 所以在分析的時候，需著重分析 MOS採樣時間前 8秒主被叫上下行的情況。MOS值的直接影響因素為：端到端時延、抖動、丟包；
VoLTE端到端時延可以分解為：UE語音編/解碼時延、空口傳輸時延、核心網的處理時延、傳輸網的傳輸時延。丟包和抖動的影響因素包括：空口信號質量、eNB負載、 傳輸網的丟包和抖動。
可細分出弱覆蓋、下行質差、鄰區及頻繁切換、上行干擾、RRC重建、小區高負荷、上行接入受限等幾個方面。
RTP丟包率與MOS值關係
VoLTE過程送話端RTP實體會給每個被傳送的RTP順序標記序號，受話端RTP實體根據接收RTP的序號就能判斷在端到端的RTP包傳送鏈路上是否發生丟包，並計算出RTP丟包率。下圖為RTP丟包率與VoLTE業務質量MOS值間的相關性分析圖：‘
丟包率與MOS間的關聯關係
由統計可以看出，下行RTP丟包率均值低於2%時，可保證VoLTE語音通話的MOS均值高於3.5，感知質量優良。
下行RTP丟包率在2%至8%區間時，相應的MOS均值可維持在3.0以上，保證基本的語音交流順暢。
以上統計及分析結果表明：
RTP傳送丟包率小於8%時，可以保證VoLTE業務的基本流順暢。
RTP傳送丟包率小於2%是保證VoLTE業務優良的閾值。
RTP丟包率與MOS值關係
送話端RTP實體在發送每個RTP業務數據包時會給其打上發送時間戳，受話端RTP協議在接收到該RTP業務數據包時也會打上接收時間戳，根據兩個時間戳的差值可計算VoLTE語音業務RTP數據包的傳送時延,以下為VoLTE業務RTP傳送時延與語音感知MOS值間的相關性分析圖：
時延與MOS間的關聯關係
VoLTE語音業務質量在RTP時延小於200ms時可以保持在MOS值大於3.5的優良感知。
RTP時延在200ms至260ms之間時，VoLTE語音業務感知質量略有下降，但可保證基本的溝通順暢。
以上統計及分析結果表明：
200ms的RTP時延是VoLTE語音業務的優良閾值。
250ms的RTP時延是VoLTE語音業務的基線值。
RTP抖動與MOS值關係
RTP業務數據包傳送過程中不同的延遲時間形成了RTP時延抖動。在VoLTE語音通話過程中的影響與丟失數據包產生的效果相似，造成某些字不清楚或錯誤，從而影響VoLTE語音通話的質量感知。抖動的大小取決於數據包的延遲時間的差異程度，差異程度越大，則抖動越大。以下為VoLTE業務RTP傳送時延與語音感知MOS值間的相關性分析圖：
時延抖動與MOS間的關聯關係
VoLTE語音業務質量在RTP時延抖動小於60ms時可以保持在MOS值大於3.5的優良感知。RTP時延抖動在60ms至90ms之間時，VoLTE語音業務感知質量略有下降，但可保證基本的溝通順暢。
以上統計及分析結果表明：
60ms的RTP時延抖動是VoLTE語音業務的優良閾值。
90ms的RTP時延抖動是VoLTE語音業務的基線閾值。
端到端傳輸性能與MOS值關係
正常的VoLTE語音通話中，每20ms發送一次數據，每個數據包的數據量也有在一定範圍之內，所以每次（20ms一次）調度時使用的上行RB數也一定。但隨著RSRP的下降（等效於上/下行路損的增大），上行SINR會相應下降，網絡側會指示UE降低MCS，用處理增益來彌補衰耗。那樣的話傳送同樣大小的數據量就可能需要更多的上行空口資源RB。
以下是測試區域VoLTE業務終端在不同RSRP條件下的上行空口資源RB佔用分析
RSRP和上行RB佔用資源的關係
由以上關聯統計分析可知：
當RSRP大於-80dBm時，VoLTE高清語音每時隙調度的上行RB數均值穩定在2個RB。
RSRP小於-115dBm後，VoLTE高清語音每時隙調度的上行RB數均值超過7個。
按照之前RSRP與MOS值關係分析，取3dB餘量，當前現網中RSRP大於-115dBm時可保持VoLTE語音通話感知良好，上行RB佔用數佔用區間在2~8個。
正常的VoLTE語音通話中，每20ms發送一次數據，每個數據包的數據量也有在一定範圍之內，所以每次（20ms一次）調度時使用的下行RB數也一定。
但隨著下行SINR的下降，網絡側降低MCS，用處理增益來彌補衰耗。那樣的話傳送同樣大小的數據量就可能需要更多的下行空口資源RB。
以下是測試區域VoLTE業務終端在不同SINR條件下的下行空口資源RB佔用分析：
SINR和下行RB佔用資源的關係
由以上關聯統計分析可知：
下行SINR小於0dB後，VoLTE高清語音每時隙調度的上行RB數均值超過7個。
下行SINR小於-5dB後，VoLTE高清語音每時隙調度的上行RB數均值超過8個。
由此可見，當前現網中，下行SINR大於0dBm時可保持VoLTE語音通話優良，下行RB佔用數在8個左右。
5.總結
ROHC：初期不建議部署，正常覆蓋條件下對 RB 資源的節省不明顯，對覆蓋性能也無明 顯增益，並且現網存量終端在不同廠家下的 ROHC 兼容性問題存疑，一旦出問題引起單通掉 話非常影響用戶感知。
TTIB：建議部署，弱覆蓋條件下對 MOS 值改善明顯。
SPS：不建議部署，主流廠家 DCI Format 3 功控存在缺陷，不能及時要求 UE 抬升功率 克服誤包，開啟後 MOS 值明顯惡化。
RLC 分段：不建議部署，固定的 RLC 分段數並不能適應變化的無線環境，如果分段數 量受限，會導致 RTP 丟包率抬升惡化 MOS 值。
上行 COMP：建議部署，全網打開站內上行 COMP，提升邊緣用戶上行吞吐率和 MOS 值。
VoLTE上行基於時延的動態調度：在小區重載和DRX場景，上行VoLTE上行時延調度可減小語音業務的包時延和上行丟包率，提升語音MOS質量以及呼叫時延；但會增加語音用戶的RB，降低語音用戶的MCS，當語音用戶較多時，會導致小區吞吐率下降，建議在非高負荷場景使用。
VoLTE語音獨立預調度特性：上行預調度或者上行智能預調度功能通過增加基站主動調度UE的次數，來降低上行數據包在UE緩存的時長，提高響應UE業務的速度，提升UE的業務體驗。上行語音預調度相比普通預調度和智能預調度，會增加語音的調度機會，減少語音的時延，提升VoLTE語音MOS質量和VoLTE呼叫建立時延，但是在VoLTE用戶較多時，會佔有更多的空口資源，CCE利用率和RB利用率會上升，會導致小區吞吐率有所下降，建議在非高負荷場景使用。
VoLTE語音獨立不活動定時器特性：由於VoLTE語音比數據感知更為明顯，本次進行獨立開啟VoLTE語音獨立不活動定時器特性，增加語音不活動定時器時長，減少RRC建立次數， volte語音呼叫中，可以避免被叫未接聽情況下，主叫側可能會因UE不活動定時器超時被eNodeB釋放的問題，減少VoLTE呼叫失敗，按照建議值使用，設置過大增加掉話風險。
VoLTE上行補償調度：對語音用戶，上行補償調度可減少大話務場景VoLTE上行丟包率，減小語音業務的包時延，提升語音MOS質量及呼叫時延；但會增加語音用戶的RB和CCE資源開銷，當語音用戶較多時，會導致小區吞吐率下降，建議在非高負荷場景使用。
VoLTE語音尋呼週期特性：尋呼週期的週期內提前響應尋呼，減少VoLTE呼叫建立時延，提升VoLTE用戶感知，建議部署，但UE耗電增加。
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