陳曉冬，王慶揚(yáng)，蔡 康

（中國(guó)電信股份有限公司廣東研究院 廣州510630）

1 引言

LTE（long term evolution）是 3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織所制定的移動(dòng)通信長(zhǎng)期演進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，第一版標(biāo)準(zhǔn)R8已經(jīng)在2009年3月完成。LTE在空口下行采用正交頻分多址（OFDMA），上行采用單載波頻分多址（SC-FDMA），并引入多入多出天線（MIMO）、混合自動(dòng)重傳（HARQ）、自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMR）等關(guān)鍵技術(shù)，從而大大提高頻譜利用率，獲得下行大于100 Mbit/s，上行大于50 Mbit/s的峰值速率。

LTE在核心網(wǎng)中采用純分組域的結(jié)構(gòu)，并在空口針對(duì)分組數(shù)據(jù)包傳輸進(jìn)行了優(yōu)化，因此語(yǔ)音業(yè)務(wù)在LTE網(wǎng)絡(luò)中，只能通過(guò)VoIP的方式實(shí)現(xiàn)。而VoIP是一種高實(shí)時(shí)性、低速率、高用戶數(shù)的突發(fā)性業(yè)務(wù)，這些業(yè)務(wù)特征對(duì)于LTE的空口無(wú)線資源管理提出了極大的挑戰(zhàn)，并直接影響LTE系統(tǒng)中VoIP的覆蓋與容量。

本文通過(guò)對(duì)LTE空口協(xié)議的研究，分析LTE中為實(shí)現(xiàn)VoIP業(yè)務(wù)所采用的關(guān)鍵技術(shù)與流程，從而初步評(píng)估LTE空中接口的VoIP承載能力。

2 VoIP空口數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

AMR語(yǔ)音編碼器輸出的語(yǔ)音幀，采用IP方式承載，引入了RTP/UDP/IP的開銷。而在LTE空口，還需要引入PDCP/RLC/MAC等各層開銷，圖1以AMR語(yǔ)音幀為例，說(shuō)明以上各協(xié)議層關(guān)系。

使用AMR語(yǔ)音編碼時(shí)，語(yǔ)音幀長(zhǎng)度為20 ms，語(yǔ)音編碼速率會(huì)隨著音源特征的不同而改變語(yǔ)音幀速率。典型的VoIP話務(wù)模型如圖2所示。

2.1 AMR語(yǔ)音編碼

AMR是一種廣泛使用在GPRS和WCDMA網(wǎng)絡(luò)上的音頻標(biāo)準(zhǔn)。在規(guī)范ETSI GSM06.90中對(duì)GSM-AMR進(jìn)行了定義，AMR語(yǔ)音編碼是GSM2+和WCDMA的默認(rèn)編碼標(biāo)準(zhǔn)。GSM-AMR標(biāo)準(zhǔn)基于ACELP（代數(shù)激勵(lì)線性預(yù)測(cè)）編碼，它能在廣泛的傳輸條件下提供高品質(zhì)的語(yǔ)音效果。

AMR的基本原理是當(dāng)通信干擾增加時(shí)，降低編譯碼速率，能減少干擾，還能實(shí)現(xiàn)更多的校錯(cuò)（error correction）功能。AMR語(yǔ)音編碼器在20 ms內(nèi)的輸出語(yǔ)音幀速率為4.75～12.2 kbit/s。

2.2 VoIP數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

VoIP采用RTP方式進(jìn)行傳輸，對(duì)于AMR語(yǔ)音業(yè)務(wù)，RTP凈荷包括CMR、ToC和AMR語(yǔ)音幀3個(gè)字段。其中，4 bit的CMR字段描述發(fā)送側(cè)希望接收到的語(yǔ)音編碼器模式，6 bit的ToC字段主要用于描述攜帶語(yǔ)音幀的類型。圖3給出了從語(yǔ)音編碼器輸出到PDCP（RoHC）之前的數(shù)據(jù)包過(guò)程，其中Padding為了使數(shù)據(jù)包為byte對(duì)齊。

VoIP如果采用IPv4，引入的RTP/UDP/IP數(shù)據(jù)包頭開銷為40 byte，其中20 byte IP數(shù)據(jù)包頭，8 byte UDP數(shù)據(jù)包頭以及12 byte的RTP數(shù)據(jù)包頭開銷；如果采用IPv6，則引入60 byte的數(shù)據(jù)包頭開銷，其中IP頭開銷為40 byte。

2.3 LTE空口語(yǔ)音包結(jié)構(gòu)

LTE空中接口協(xié)議棧分為用戶面和控制面。其中VoIP數(shù)據(jù)包需經(jīng)過(guò)用戶面各協(xié)議層處理，完成用戶面的頭壓縮、加密、調(diào)度、HARQ和ARQ功能。

LTE空中接口用戶面協(xié)議棧包括物理層（PHY）、MAC層、RLC層和PDCP層。

LTE的PDCP層采用RoHC對(duì)RTP/UDP/IP進(jìn)行壓縮，壓縮后的典型包頭大小為3 byte。LTE的PDCP層除進(jìn)行頭壓縮之外，還提供加/解密、底層重置（通常發(fā)生在切換）時(shí)的按序交付等功能，LTE PDCP頭最小包括兩個(gè)字段（共8 bit），即1 bit的D/C字段和PDCP SN字段。前者表明該P(yáng)DCP PDU是用于控制還是用于數(shù)據(jù)，而PDCP SN最短為7 bit（用戶平面）[1]。RLC層采用UM模式傳輸語(yǔ)音，其數(shù)據(jù)包頭中包括2 bit的FI字段、1 bit的Extension字段和5 bit的SN字段[2]。MAC層則包括 2 bit的保留比特（R）、1 bit Extension和5 bit的LCID字段[3]。其整個(gè)過(guò)程可以用圖4表示。

以AMR12.2 kbit/s語(yǔ)音為例，MAC層輸出數(shù)據(jù)包大小最小為：244+12+24+8+8+8=304 bit。在實(shí)際LTE空口傳輸時(shí)，需將MAC層語(yǔ)音包封裝到相應(yīng)大小的傳輸塊（TB）中。

3 LTE相關(guān)技術(shù)與流程

VoIP業(yè)務(wù)與傳統(tǒng)的大流量、非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)不同，往往呈現(xiàn)高實(shí)時(shí)性、突發(fā)性、多用戶小流量等特征，從而對(duì)LTE空口資源分配和管理機(jī)制提出了特殊的要求。因此，LTE在空中接口中，通過(guò)端到端QoS機(jī)制、TTI Bundling、半靜態(tài)調(diào)度等技術(shù)與流程的采用，有效地提高VoIP業(yè)務(wù)的承載能力。

3.1 QoS機(jī)制

QoS是指系統(tǒng)為用戶提供的服務(wù)質(zhì)量，主要通過(guò)速率、時(shí)延、丟包率等參數(shù)得以體現(xiàn)。LTE系統(tǒng)通過(guò)端到端的QoS管理以及差異化服務(wù)策略來(lái)滿足業(yè)務(wù)的QoS需求。

LTE系統(tǒng)中，業(yè)務(wù)承載分為GBR和Non GBR兩種類型。其中GBR指有速率保證的業(yè)務(wù)承載，Non GBR指無(wú)速率保證的業(yè)務(wù)承載。

相應(yīng)的承載級(jí)QoS參數(shù)包括QCI（QoS class identifier）、ARP（allocation and retention priority）、GBR、MBR（maximum bit rate）和 AMBR（aggregate maximum bit rate）。

LTE協(xié)議所定義的QoS級(jí)別與屬性見表1[4]。

表1 QCI屬性

LTE系統(tǒng)中VoIP語(yǔ)音一般采用QCI=1的QoS屬性，以滿足VoIP低時(shí)延但對(duì)誤包率不敏感的特性。

3.2 TTI Bundling技術(shù)

LTE為了滿足低時(shí)延的要求，在空口幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用1 ms TTI。但1 ms的TTI設(shè)計(jì)，可能在上行覆蓋受限的場(chǎng)景中，造成邊緣VoIP用戶無(wú)法在單個(gè)TTI中傳遞足夠的信元能量，以達(dá)到所需的上行鏈路解調(diào)門限。

若要實(shí)現(xiàn)單個(gè)用戶VoIP數(shù)據(jù)包在多個(gè)空口TTI中的傳輸，提高上行鏈路信元能量與信噪比，最簡(jiǎn)單的辦法是對(duì)VoIP數(shù)據(jù)包在LTE空口RLC層進(jìn)行分割，從而實(shí)現(xiàn)VoIP數(shù)據(jù)包的多TTI傳輸?shù)姆绞健?/p>

此方法并沒(méi)有引入額外的協(xié)議過(guò)程，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但分割后的每一個(gè)子數(shù)據(jù)包，在調(diào)度和傳輸中，都會(huì)分配一個(gè)獨(dú)立的PDCCH和上行HARQ過(guò)程，造成大量的控制信道資源以及RLC/MAC頭和HARQ開銷，極大地降低了LTE對(duì)VoIP用戶數(shù)的支持。

為降低小區(qū)邊緣VoIP用戶對(duì)于控制信道資源的占用，減小RLC/MAC頭開銷和HARQ開銷，LTE空口協(xié)議中提出了TTI綁定的機(jī)制（TTI Bundling）。TTI Bundling技術(shù)對(duì)整個(gè)PDCP語(yǔ)音數(shù)據(jù)包，附加RLC/MAC頭后，通過(guò)信道編碼形成不同的冗余版本，不同的冗余版本分別在連續(xù)的TTI中傳輸，從而實(shí)現(xiàn)與簡(jiǎn)單RLC層分割類似的效果。其TTI Bundling過(guò)程如圖5所示[5]。

TTI Bundling采用特有的HARQ方式以減小HARQ開銷，對(duì)于4 TTI Bundling的情況，4個(gè)連續(xù)時(shí)隙屬于相同的HARQ過(guò)程。若在初始傳送時(shí)，在時(shí)隙0～時(shí)隙3進(jìn)行，則第一次重傳將會(huì)在時(shí)隙16～時(shí)隙19進(jìn)行。

可見，TTI Bundling技術(shù)通過(guò)占用更多的傳輸時(shí)隙，以獲得更高的上行信元能量和鏈路信噪比，從而改善LTE系統(tǒng)中VoIP用戶的覆蓋能力。同時(shí)TTI Bundling技術(shù)避免了傳統(tǒng)RLC層分割方式所帶來(lái)的控制信道資源瓶頸，以及MAC/RLC頭開銷、HARQ開銷的增大對(duì)LTE系統(tǒng)中VoIP容量能力的不利影響。

3.3 半靜態(tài)調(diào)度技術(shù)

LTE系統(tǒng)在空口資源劃分中，分為頻域和時(shí)域兩個(gè)維度。LTE空口資源多用戶共享，并通過(guò)一定的方式在不同用戶內(nèi)進(jìn)行調(diào)度。LTE的調(diào)度模式可以分為3種。

·動(dòng)態(tài)調(diào)度：由MAC層實(shí)時(shí)地、動(dòng)態(tài)地分配時(shí)頻資源和允許的傳輸速率，靈活度高，但信令開銷也大。

·半靜態(tài)調(diào)度：RRC連接建立時(shí)就分配時(shí)頻資源和允許的傳輸速率，但是通過(guò)RRC重配資源是允許的。類似于持續(xù)調(diào)度，靈活性較差，但控制信令開銷也較小。

·靜態(tài)調(diào)度：預(yù)定義分配是通過(guò)OAM配置的方式，將不同QoS業(yè)務(wù)的資源和速率設(shè)置好，但是具體的資源位置等由MAC自己選擇。在實(shí)際中此類應(yīng)用并不常見。

由于VoIP用戶數(shù)量往往比較龐大，若采用動(dòng)態(tài)調(diào)度的方式，每次TTI都需要相關(guān)的控制信息，控制信息的開銷將可能變成限制LTE系統(tǒng)所能夠同時(shí)支持的用戶數(shù)，成為系統(tǒng)吞吐量的瓶頸。因此，針對(duì)VoIP這類數(shù)據(jù)包大小比較固定，到達(dá)時(shí)間間隔滿足一定規(guī)律的實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)，LTE引入了半靜態(tài)調(diào)度技術(shù)。半靜態(tài)調(diào)度方式是指在LTE的調(diào)度傳輸過(guò)程中，eNB在初始調(diào)度時(shí)通過(guò)PDCCH指示UE當(dāng)前的調(diào)度信息，UE識(shí)別是半靜態(tài)調(diào)度，則保存當(dāng)前的調(diào)度信息，每隔固定的周期在相同的時(shí)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。

半靜態(tài)調(diào)度傳輸包括半靜態(tài)調(diào)度傳輸?shù)募せ詈桶腱o態(tài)調(diào)度傳輸資源的釋放兩個(gè)個(gè)關(guān)鍵步驟。半靜態(tài)調(diào)度傳輸?shù)募せ钣捎肧PS-C-RNTI進(jìn)行掩碼的PDCCH指示，UE接收到PDCCH指示后，按照其授權(quán)信息在固定的頻率資源上周期性地發(fā)送或接收信息，激活半靜態(tài)調(diào)度傳輸；半靜態(tài)調(diào)度傳輸資源的釋放同樣通過(guò)以SPS-C-RNTI掩碼的PDCCH指示，UE接收到PDCCH釋放指示后，釋放半靜態(tài)調(diào)度資源。UE如果釋放成功，還需要進(jìn)行ACK/NACK的反饋確認(rèn)[3]。

使用半靜態(tài)調(diào)度傳輸，可以充分利用語(yǔ)音數(shù)據(jù)包周期性到達(dá)的特點(diǎn)，有效地節(jié)省LTE系統(tǒng)用于調(diào)度指示的PDCCH資源，從而可以在不影響通話質(zhì)量和系統(tǒng)性能的同時(shí)，支持更多的語(yǔ)音用戶，并且仍然為動(dòng)態(tài)調(diào)度的業(yè)務(wù)保留一定的控制信息以供使用。

4 LTE空口VoIP承載能力

4.1 VoIP業(yè)務(wù)覆蓋

結(jié)合以上章節(jié)中對(duì)VoIP空口數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)以及LTE相關(guān)技術(shù)的分析，以下以AMR 12.2 kbit/s和AMR 7.95 kbit/s語(yǔ)音為例，對(duì)VoIP上行鏈路預(yù)算進(jìn)行計(jì)算，見表2。

可見，在上行鏈路上，控制信道允許的最大鏈路損耗要大于VoIP業(yè)務(wù)信道允許的最大鏈路損耗，因此上行鏈路預(yù)算以VoIP業(yè)務(wù)信道為準(zhǔn)。

但以上計(jì)算并沒(méi)有考慮HRAQ重傳所帶來(lái)的增益，實(shí)際上，由于VoIP數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)為非連續(xù)傳輸，占空比較低，因此在小區(qū)邊緣由于誤碼率過(guò)高所導(dǎo)致的一定數(shù)量的HARQ重傳，不會(huì)影響VoIP時(shí)延。在20 ms語(yǔ)音幀周期內(nèi)，采用4 TTI Bundling的VoIP業(yè)務(wù)，可以允許一次重傳，并在理論上產(chǎn)生3 dB的覆蓋增益。

從LTE鏈路預(yù)算結(jié)果可以看到，即使采用了各種改進(jìn)技術(shù)，LTE上的VoIP的覆蓋能力仍不理想。要滿足類似電路域語(yǔ)音全網(wǎng)覆蓋的效果，需要引入更多的覆蓋增強(qiáng)技術(shù)。

4.2 VoIP業(yè)務(wù)容量

在LTE系統(tǒng)中，影響空口VoIP用戶容量的因素很多，包括：

·VoIP語(yǔ)音編碼方式的選擇；

·資源調(diào)度模式的選擇；

·PDCCH CCE數(shù)的設(shè)置；

·語(yǔ)音時(shí)延預(yù)算（delay budget）；

·TTI Bundling技術(shù)的采用。

雖然，目前業(yè)界對(duì)于LTE系統(tǒng)中VoIP業(yè)務(wù)容量的評(píng)估，尚未取得完全共識(shí)，其熱點(diǎn)仍處于不同關(guān)鍵技術(shù)和不同系統(tǒng)配置對(duì)VoIP容量影響方面。但隨著LTE標(biāo)準(zhǔn)和關(guān)鍵技術(shù)的完善，各方面所取得的VoIP仿真結(jié)果也漸漸趨于一致。

表2 AMR 12.2 kbit/s和AMR 7.95 kbit/s語(yǔ)音業(yè)務(wù)的上行鏈路預(yù)算

以下將基于3GPP所定義的仿真條件和場(chǎng)景，給出典型的VoIP仿真結(jié)果[6]。

（1）3GPP仿真場(chǎng)景定義

3GPP仿真場(chǎng)景定義見表3。

表3 3GPP仿真場(chǎng)景定義

（2）VoIP語(yǔ)音編碼方式

VoIP語(yǔ)音編碼方式的參數(shù)值見表4。

表4 VoIP語(yǔ)音編碼方式的參數(shù)值

（3）通用仿真參數(shù)

通用仿真參數(shù)見表5。

表5 通用仿真參數(shù)

VoIP容量仿真結(jié)果如圖6所示。

從仿真結(jié)果可以看出，場(chǎng)景1中VoIP容量數(shù)約為300個(gè)，略優(yōu)于傳統(tǒng)3G網(wǎng)絡(luò)。場(chǎng)景3相比場(chǎng)景1，VoIP容量并沒(méi)有明顯的下降，說(shuō)明在此場(chǎng)景下，站間距的增大對(duì)VoIP的容量影響不大。場(chǎng)景2比較場(chǎng)景1，VoIP容量下降約35%，說(shuō)明移動(dòng)速度對(duì)VoIP容量影響較為明顯。

5 結(jié)束語(yǔ)

LTE空中接口，針對(duì)VoIP業(yè)務(wù)特征引入了一系列的關(guān)鍵技術(shù)與流程，從而大大提高了LTE空口VoIP業(yè)務(wù)的承載能力。雖然在語(yǔ)音業(yè)務(wù)容量性能上，LTE相對(duì)傳統(tǒng)3G系統(tǒng)略有提升，但在覆蓋能力上，卻表現(xiàn)出不足，需考慮引入新的覆蓋增強(qiáng)技術(shù)以滿足全網(wǎng)覆蓋要求。

1 3GPP TS 36.323.Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA); packet data convergence protocol (PDCP)specification

2 3GPP TS 36.322.Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA);radio link control(RLC)protocol specification

3 3GPP TS 36.321.Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA);medium access control(MAC)protocol specification

4 3GPP TS 23.107.Technical specification group services and system aspects,quality of service(QoS)concept and architecture

5 3GPP TDoc R2-072630.HARQ operation in case of UL power limitation,Ericsson,June 2007

6 Puttonen J,Henttonen T,Kolehmainen N.Voice-over-IP performance in UTRA long term evolution downlink.In:IEEE Vehicular Technology Conference(VTC),Singapore,May 11-14,2008