关于VoLTE高清语音通话关键技术

未知 2019-12-09 11:15
关于VoLTE高清语音通话关键技术

1. 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。

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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。

 

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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。

 

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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%。

 

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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。

 

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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。

 

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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。

 

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VOLTE调度示意

 

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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。

 

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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。

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