VoLTE高清通话关键技术的详细资料概述

VoLTE（Voice over LTE）是基于IMS的语音业务，是一种IP数据传输技术，全部业务集中于4G网络上，实现数据与语音业务在同一网络下的统一，可提供高质量的语音和视频通话。同时VoLTE业务具有通率高，音质清晰，掉话率低和可实现通话和数据收发同步等优点。本文针对VOLTE特性功能参数、影响因素、进行关联分析，让大家更多的了解VoLTE。

LTE语音解决方案演进方案

2.VOLTE关键技术及业务模型

2.1 RoHC技术

在LTE 网络中，可以压缩IP/UDP/RTP 报头来提高PS 域语音业务的传输效率。对于VoLTE 语音及视频业务数据包，其包长较小，封装成IP 包后，采用头压缩技术能有效提高频谱利用率。于是在PDCP 层采用了健壮性报头压缩(ROHC，Robust Header Compression)技术进行报头压缩，并且同时支持IPv4 和IPv6。如图2.1，对一个32 比特的VoIP 分组数据包，若支持IPv6 数据报头会增加至60 字节，若支持IPv4 报头增至40 字节。在PDCP 层应用ROHC 技术，可将其压缩至4～6byte，不仅能提高信道效率，而且增强了分组数据有效性。

ROHC原理

2.2 TTI Bundling技术

TTI Bundling 功能 (Transmission Time Interval)是将几个TTI绑定在一起使用，在几个TTI内传递同样的数据，增加数据传输的可靠性，应用场景包括VOIP业务等。TTI Bundling 功能通常在远点很低的 SINR下被激活，大幅提高小区的覆盖范围。

网络性能：TTI Bundling能够显著增强远点覆盖性能。在远点，增益可以通过UE的KPI指标中的BLER、VOLTE掉话率、流量来衡 量。当TTI Bundling使能时，掉话率将会降低，同时远点的UE BLER 和流量指标将得到改善。在例如VoIP业务等应用场景中，TTI Bundling可以提高上行传输成功率。

该功能通常在远点，低信噪比的情况下激活，能够大幅提高小区的覆盖范围，提升边缘覆盖。普通调度通常会有很高的HARQ传输失败，而TTI Bundling可以减少BLER和传输失败导致的延时，因此该项功能可以有效提高用户在VoLTE业务中的感受。

TTI Bundling原理

2.3 半持续调度技术

SPS也可称为半静态调度。LTE 引入 SPS 调度模式主要目的是支持 VoIP 业务。 在下行方向（上行亦适用 SPS），SPS 调度方式可减少控制信道的资源开销和时延抖动；VoIP 业务用户语音包发送频率较大 SPS 周期调度时无需每次都发送 PDCCH(Physical Downlink Control Channel)，减少控制区单元 CCE(Control Channel Element)的占用量，理论上可提高系统用户容量。VoIP 业务状态分为激活期和静默期,在激活期（Talk Spurt），数据包的发 包间隔为 20ms，每个数据包的大小固定为 35~47Byte。对于暂态（Transient State） 时的数据包，由于未被压缩，数据包大小为 92Byte,在静默期（(Silence Insertion Descriptor，SID)数据包发送间隔为 160ms，每个 SID 包大小固定为 10~22Byte。总 之，采用 SPS 相当于给用户分配了固定共享信道中的物理资源，可减少 PDCCH占用数。半持续调度是LTE中为了节省PDCCH数量而提出的一种新的调度方法，最初主要是针对VoIP业务。其可大大降低信令开销，使信令开销资源最低可仅为业务的1.3%。

语音业务模型

2.4 RLC分段技术

当处于小区边缘，UE 功率受限时，上行覆盖能力下降，导致终端无法在一个 TTI 时间 内发送一个完整的语音数据包，通过 RLC 分段，可将一个 RLCSDU 拆分成若干个小的 SDU， 减小了每个子帧上传输的数据量，提升了上行覆盖能力。

RLC分段原理

上行 RLC 分段主要是由上行调度分配的 TBS 决定。每次调度的 TBS 越小，上行 RLC 分 段越多。当信道质量很差时，UE 功率受限，上行调度的 TBS 很小，上行 RLC 分段很多，这样会导致：

VoLTE 包时延大、VoLTE 业务上行丢包（UE buffer 中的 VoIP 包不能得到及时调度， 丢包定时器超时）、RLC 头/MAC 头开销大、VoLTE 业务的上行动态调度消耗的 CCE 资源和 RB 资源多、VoLTE 业务上行 RLC 分段增强通过限制上行动态调度的 TBS 来限制 VoLTE 语音包的上行 RLC 分段数，以提高信道质量很差时的语音质量。

该特性无功能开关，只有 1 个 VoIP 上行最大 RLC 分段数，用于控制处于非 TTI Bundling 状态的 UE 的上行最大 RLC 分段数，非 0 表示打开该功能；默认等于 0 表示关闭该功能，即不限制分段。该参数不在空口下发，属于设备后台参数。

2.5上行 CoMP技术

UL CoMP采用了多点联合接收（JR：Joint Reception）方案，其基本原理为：利用相邻小区的天线对某一个用户的发送信号进行联合接收，获得多天线的信号合并增益或干扰抑制增益。

UL CoMP类似于在一个小区中使用更多天线进行接收，但和多天线接收的区别为：

不增加小区的总天线数，可以重用现有的天线。

进行UL CoMP的各小区接收到的信号功率有所不同，性能要差于多天线接收。

UL CoMP根据应用场景、联合接收协作范围以及传输带宽的开销可分为如下几类。

UL COMP分类

2.6 VOLTE调度技术

VoLTE语音承载于LTE网络，其调度过程遵循数据网络规则。无线资源调度功能位于eNodeB的MAC层，由eNodeB的动态资源调度器实现，动态资源调度器为下行共享信道（DL-SCH）和上行共享信道（UL-SCH）分配物理层资源。依据上下行信道的无线链路状态来进行资源分配，而无限链路状态是由eNodeB和UE上报的测量结果进行判定的。分配的无线资源包含物理资源块的数量、物理资源块的位置以及调制编码方案MCS。

VOLTE调度示意

下行调度

（1）下行信道质量测量

eNodeB发送CRS 给UE，UE估计CQI并上报给基站,UE上报CQI分两种方式：周期性和非周期性，可以同时存在，若同时上报的话，仅保留非周期性CQI。

（2）CQI上报

周期CQI报告信道（PUCCH），非周期性CQI报告信道（PUSCH）

接收到的DCI format 0的CQI request设置为1时，UE非周期上报CQI、PMI和RI，上层可半静态地配置UE周期性上报不同的CQI、PMI和RI。

（3）下行资源分配

基站根据下行信道的质量情况，自适应分配下行资源（针对 UE选择不同的载波和slot）。下行链路中，网络在每个TTI动态地给UE分配资源（PRBs & MCS）

（4）数据传输

根据资源分配的结果在PDSCH上填充数据, 并在PDCCH上传输相应的C-RNTI。

（5）重传指示判断

UE根据检测PDCCH信道，解码对应的PDSCH信息。UE根据PDCCH告知的DCI format在公共搜索区中接收PDSCH 广播控制信息。此外，UE通过PDCCH UE 特定检索区接收PDSCH数据传输。随后基站重传数据/发送新数据过程。

上行调度

（1）上行资源请求

RACH成功之后，eNodeB配置UE的SR子帧位置和发送周期，UE通过PUCCH中的控制消息UCI传输SR，UE有发送数据需求时，把相应的SR置1，无资源请求时SR为空。SR提示基站是否有资源需求，而具体资源需求量由之后的信令交互完成。

基站收到SR后，下发UL grant，先配置部分资源给UE上传BSR，之后UE通过BSR告知基站要传输的数据量，ENB收到UE上报的BSR之后，根据该UE上报的SRS及基站现有资源等综合分析决定是否给UE分配资源。若条件不满足就不分配资源给UE，UE在多次SR不成功后会重新发起随机接入。

（2）上行信道质量测量

基站给UE分配上行资源之前首先必须要知道上行信道的质量，如果UE的上行信道质量较好且有传输数据的需求，ENB才会给UE分配资源。

（3）上行资源分配

分配完资源后eNodeB必须把分配的uplink grant（PRB & MCS）通知UE，即UE可以在何时占用什么载波传输数据，以及采用的调制编码方案。E-UTRAN在每个TTI动态地给UE分配资源（PRBs & MCS）,并在PDCCH上传输相应的C-RNTI，同时规定UE上传的bit数（MCS和传输bit数的表）。

（4）数据传输

UE接收基站下发的资源分配，监视PDCCH以查找可能的上行传输资源分配，从common search space中获取公共信息，从UE specific search space中搜索关于自己的调度信息。根据搜索到的结果在PUSCH对应的PRB上传输数据信息。

（5）重传指示

如果有重传，则相应控制信息亦通过PDCCH传送。这属于自适应传输，下行一般采用非同步自适应HARQ，非同步：初传数据和重传数据时间差不固定一般>=8ms，一旦收到NACK，若当前是下行帧就立即重传；自适应：自适应的调整PUSCH的位置，并通过PDCCH通知UE。后续UE重传数据/发送新数据步骤同（4）。

2.7 VOLTE语音业务模型

VoLTE架构引入IMS等网络节点，终端在LTE网络即可实现语音通信。IMS可实现独立鉴权，计费等功能且独立性高。另LTE实现了终端永远在线，终端注册网络即分配IP地址，所以VOLTE实现了架构在LTE网络上全IP条件下的端到端语音解决方案。

VoLTE语音业务过程由暂态、通话期、静默期相交替组成，其中语音包间隔20ms，静默期间隔160ms，为使话音之间的过渡更为自然，在静默期引入适量的背景噪音数据包，即SID包。

语音包结构

（1）暂态：每次业务建立初期，尚未稳定的状态下语音包的ROHC处于非稳定态，压缩还没有生效，包相对较大，采用动态调度。

（2）通话期：指用户正在通话的状态，此状态下每20ms产生一个语音采样包，包的大小取决于当前采用的编码速率。

（3）静默期：用户通话停顿的状态，此状态下会每160ms发较短的背景音符号SID(silence insertion descriptor)启用动态调度。

3.VOLTE语音质量影响因素

VoLTE作为高清语音通话业务，上、下行无线信道环境是影响其通话质量的关键因素。如下图所示：

VOLTE呼叫示意图

语音通话的质量取决于以下两点，语音传送完整和语音传送保真，所以传输时延小且均衡、误码及丢包率低是VoLTE高清语音通话质量的关键，而决定性因素就是讲话方的上行无线信道质量及受话方的下行无线信道质量。

无线信道质量使用信号强度（RSRP）与噪声的比值（SINR）来表征，无线信道的质量对VoLTE通话质量有直接影响，所以在无线覆盖质量中，RSRP、SINR是决定VoLTE语音通话质量好坏的主要因素，同时RTP包的时延、丢包率以及抖动等也与语音质量密切相关。

鉴于上述分析，要对现网进行分析，梳理出RSRP、SINR、RTP相关指标与VoLTE语音质量关系，针对现网的覆盖进行关联分析，即可评估在当前网络下商用VoLTE的感知，以及指导后续的网络建设和优化。

语音质量影响因素

4.VOLTE语音质量关联分析

DT拉网覆盖指标与MOS值关系

统的DT方式主要是针对道路覆盖的评估，像小区、室内等深度覆盖的场景需要有新的评估手段，在此种情况下，我们采用基于用户数上报的MR与VoLTE DT测试的结果进行关联分析，整体评估现网用于承载语音的情况，以及语音质量相关的一些KPI研究，为后续VoLTE全网部署提供基础参考。

通过对室外区域拉网数据分析，整理两大基础覆盖指标RSRP、SINR与MOS值关系如图所示，室外覆盖的曲线拟合来看，覆盖与MOS值之间并没有出现明显拐点，室外MOS值整体水平均在3以上，说明室外覆盖良好。

室外测试MOS值与RSRP/SINR的关系图

结合室内、外拉网测试数据分析，从VoLTE MOS语音质量看,开始出现明显拐点：

>语音质量较高，MOS值3.5对应RSRP>=-118dBm或SINR>=0dBm

>语音质量一般，MOS值3对应的RSRP>=-123Bm或SINR>=-5dBm

室内外测试MOS值与RSRP/SINR的关系图

查看MOS值与BLER关系，下行PDSCH BLER与MOS值无明显对应关系，当上行PUSCH BLER=<9.5%时，MOS值平均在4以上，当BLER大于9.5后，MOS值波动较大难以收敛。

端到端传输性能与MOS值关系

MOS 测试采样机制

MOS采样机制如下：

1. 主叫起呼，进行录音（8s 左右）；

2. 被叫放音，主叫收音，被叫记录第 1个 MOS 采样点（8s）；

3. 主叫放音，被叫收音，主叫记录第 1个 MOS 采样点（8s）；

4. 被叫放音，主叫收音，被叫记录第 2个 MOS 采样点（8s）；

5. 主叫放音，被叫收音，主叫记录第 2个 MOS 采样点（8s）；

6. 被叫放音，主叫收音，被叫记录第 3个 MOS 采样点（8s），如此类推……

由 MOS 采样点机制可以看出，MOS采样点收集的是采样时间点前 8秒的语音质量， 所以在分析的时候，需着重分析 MOS采样时间前 8秒主被叫上下行的情况。MOS值的直接影响因素为：端到端时延、抖动、丢包；

VoLTE端到端时延可以分解为：UE语音编/解码时延、空口传输时延、核心网的处理时延、传输网的传输时延。丢包和抖动的影响因素包括：空口信号质量、eNB负载、 传输网的丢包和抖动。

可细分出弱覆盖、下行质差、邻区及频繁切换、上行干扰、RRC重建、小区高负荷、上行接入受限等几个方面。

RTP丢包率与MOS值关系

VoLTE过程送话端RTP实体会给每个被传送的RTP顺序标记序号，受话端RTP实体根据接收RTP的序号就能判断在端到端的RTP包传送链路上是否发生丢包，并计算出RTP丢包率。下图为RTP丢包率与VoLTE业务质量MOS值间的相关性分析图：‘

丢包率与MOS间的关联关系

由统计可以看出，下行RTP丢包率均值低于2%时，可保证VoLTE语音通话的MOS均值高于3.5，感知质量优良。

下行RTP丢包率在2%至8%区间时，相应的MOS均值可维持在3.0以上，保证基本的语音交流顺畅。

以上统计及分析结果表明：

RTP传送丢包率小于8%时，可以保证VoLTE业务的基本流顺畅。

RTP传送丢包率小于2%是保证VoLTE业务优良的阈值。

RTP丢包率与MOS值关系

送话端RTP实体在发送每个RTP业务数据包时会给其打上发送时间戳，受话端RTP协议在接收到该RTP业务数据包时也会打上接收时间戳，根据两个时间戳的差值可计算VoLTE语音业务RTP数据包的传送时延,以下为VoLTE业务RTP传送时延与语音感知MOS值间的相关性分析图：

时延与MOS间的关联关系

VoLTE语音业务质量在RTP时延小于200ms时可以保持在MOS值大于3.5的优良感知。

RTP时延在200ms至260ms之间时，VoLTE语音业务感知质量略有下降，但可保证基本的沟通顺畅。

以上统计及分析结果表明：

200ms的RTP时延是VoLTE语音业务的优良阈值。

250ms的RTP时延是VoLTE语音业务的基线值。

RTP抖动与MOS值关系

RTP业务数据包传送过程中不同的延迟时间形成了RTP时延抖动。在VoLTE语音通话过程中的影响与丢失数据包产生的效果相似，造成某些字不清楚或错误，从而影响VoLTE语音通话的质量感知。抖动的大小取决于数据包的延迟时间的差异程度，差异程度越大，则抖动越大。以下为VoLTE业务RTP传送时延与语音感知MOS值间的相关性分析图：

时延抖动与MOS间的关联关系

VoLTE语音业务质量在RTP时延抖动小于60ms时可以保持在MOS值大于3.5的优良感知。RTP时延抖动在60ms至90ms之间时，VoLTE语音业务感知质量略有下降，但可保证基本的沟通顺畅。

以上统计及分析结果表明：

60ms的RTP时延抖动是VoLTE语音业务的优良阈值。

90ms的RTP时延抖动是VoLTE语音业务的基线阈值。

端到端传输性能与MOS值关系

正常的VoLTE语音通话中，每20ms发送一次数据，每个数据包的数据量也有在一定范围之内，所以每次（20ms一次）调度时使用的上行RB数也一定。但随着RSRP的下降（等效于上/下行路损的增大），上行SINR会相应下降，网络侧会指示UE降低MCS，用处理增益来弥补衰耗。那样的话传送同样大小的数据量就可能需要更多的上行空口资源RB。

以下是测试区域VoLTE业务终端在不同RSRP条件下的上行空口资源RB占用分析

RSRP和上行RB占用资源的关系

由以上关联统计分析可知：

当RSRP大于-80dBm时，VoLTE高清语音每时隙调度的上行RB数均值稳定在2个RB。

RSRP小于-115dBm后，VoLTE高清语音每时隙调度的上行RB数均值超过7个。

按照之前RSRP与MOS值关系分析，取3dB余量，当前现网中RSRP大于-115dBm时可保持VoLTE语音通话感知良好，上行RB占用数占用区间在2~8个。

正常的VoLTE语音通话中，每20ms发送一次数据，每个数据包的数据量也有在一定范围之内，所以每次（20ms一次）调度时使用的下行RB数也一定。

但随着下行SINR的下降，网络侧降低MCS，用处理增益来弥补衰耗。那样的话传送同样大小的数据量就可能需要更多的下行空口资源RB。

以下是测试区域VoLTE业务终端在不同SINR条件下的下行空口资源RB占用分析：

SINR和下行RB占用资源的关系

由以上关联统计分析可知：

下行SINR小于0dB后，VoLTE高清语音每时隙调度的上行RB数均值超过7个。

下行SINR小于-5dB后，VoLTE高清语音每时隙调度的上行RB数均值超过8个。

由此可见，当前现网中，下行SINR大于0dBm时可保持VoLTE语音通话优良，下行RB占用数在8个左右。

5.总结

ROHC：初期不建议部署，正常覆盖条件下对 RB 资源的节省不明显，对覆盖性能也无明 显增益，并且现网存量终端在不同厂家下的 ROHC 兼容性问题存疑，一旦出问题引起单通掉 话非常影响用户感知。

TTIB：建议部署，弱覆盖条件下对 MOS 值改善明显。

SPS：不建议部署，主流厂家 DCI Format 3 功控存在缺陷，不能及时要求 UE 抬升功率 克服误包，开启后 MOS 值明显恶化。

RLC 分段：不建议部署，固定的 RLC 分段数并不能适应变化的无线环境，如果分段数 量受限，会导致 RTP 丢包率抬升恶化 MOS 值。

上行 COMP：建议部署，全网打开站内上行 COMP，提升边缘用户上行吞吐率和 MOS 值。

VoLTE上行基于时延的动态调度：在小区重载和DRX场景，上行VoLTE上行时延调度可减小语音业务的包时延和上行丢包率，提升语音MOS质量以及呼叫时延；但会增加语音用户的RB，降低语音用户的MCS，当语音用户较多时，会导致小区吞吐率下降，建议在非高负荷场景使用。

VoLTE语音独立预调度特性：上行预调度或者上行智能预调度功能通过增加基站主动调度UE的次数，来降低上行数据包在UE缓存的时长，提高响应UE业务的速度，提升UE的业务体验。上行语音预调度相比普通预调度和智能预调度，会增加语音的调度机会，减少语音的时延，提升VoLTE语音MOS质量和VoLTE呼叫建立时延，但是在VoLTE用户较多时，会占有更多的空口资源，CCE利用率和RB利用率会上升，会导致小区吞吐率有所下降，建议在非高负荷场景使用。

VoLTE语音独立不活动定时器特性：由于VoLTE语音比数据感知更为明显，本次进行独立开启VoLTE语音独立不活动定时器特性，增加语音不活动定时器时长，减少RRC建立次数， volte语音呼叫中，可以避免被叫未接听情况下，主叫侧可能会因UE不活动定时器超时被eNodeB释放的问题，减少VoLTE呼叫失败，按照建议值使用，设置过大增加掉话风险。

VoLTE上行补偿调度：对语音用户，上行补偿调度可减少大话务场景VoLTE上行丢包率，减小语音业务的包时延，提升语音MOS质量及呼叫时延；但会增加语音用户的RB和CCE资源开销，当语音用户较多时，会导致小区吞吐率下降，建议在非高负荷场景使用。

VoLTE语音寻呼周期特性：寻呼周期的周期内提前响应寻呼，减少VoLTE呼叫建立时延，提升VoLTE用户感知，建议部署，但UE耗电增加。