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基于TD-LTE系统的VoIP业务容量研究

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墨查蔓! 文章编号:10o9—2552(2015)10—0117—04 DOI:10.13274/j.cnki.hdzj.2015.10.031 基于TD—LTE系统的VolP业务容量研究 李 江,邢松峰,孙宜军,梁麦先 (中国通信建设集团设计院有限公司第四分公司,郑州450007) 摘要:从AMR编码、LTE协议架构、半静态调度等多个方面,完整介绍VolP业务在TD-LTE 网络中的数据包封装处理实现方式,并且较为详细地阐述TD—LTE系统中VolP业务容量的 若干因素。在此基础上,提出了TD.LTE系统中语音业务容量在特定条件下的计算公式,建立了 一套与之相应的容量模型,并以20M系统带宽为例进行了简单计算。力求在LTE无线网络规划 中为解决VolP业务容量问题提供参考依据。 关键词:TD—LTE网络;VolP业务;AMR编码;半静态调度;业务容量 中图分类号:TN914 文献标识码:A V0IP capacity based on TD.LTE system LI Jiang,XING Song—feng,SUN Yi-jun,LIANG Mai—xian (China International Telecommunication Construction Group Design Institute Co.,Ltd.,Zhengzhou 450007,China) Abstract:This paper introduces the whole process of data unit of voice over Internet protocol(VoIP)in LTE systems from several aspects,including adaptive multi—rate(AMR)speech codec,LTE protocol lame and semi—persistentf scheduling transmission.Moreover,it demonstrates a few factors which will restrict VoIP capacity.It proposes a calculate formula of VoIP capacity in special condition in TD-LTE system,and builds a corresponding capacity model,in which an example of 20M band is calculated.All these content can be used to solve the problem of VoIP capacity in TD-LTE network planning. Key words:TD—LTE network;voice over Internet protocol;AMR codec;semi—persistent scheduling; capacity 0 引言 3GPP组织制定了基于通用移动通信系统 (UMTS)的长期演进技术标准,即LTE(Long Term 相较2G/3G网络有明显的改善,VoIP业务在纯分 组域系统中的实现也成为了可能。语音业务具有实 时性强、突发性强、速率低、同时通话的用户数多等 Evolution)系统。该系统通过OFDM技术来提升下 一特点,这些特点会造成LTE系统的无线资源管理模 式非常复杂,使得LTE系统无法承载2G/3G网络迁 移过来的大量语音业务。 本文通过分析TD.LTE空口协议中时频资源的 代无线网络的频谱效率,通过多天线传输等技术 来提升空口的数据传输速率。LTE网络采用了EPC 核心网系统架构,该架构的三个节点(MME、SGW、 PGW)功能分别是处理信令、处理本地网络用户数 调度方式,给出了VoW业务在特定条件下的业务容 量计算公式,并阐述了一个满足该特定条件的业务 容量计算方法。 据、处理用户数据包及其他网络 j。LTE系统属于 纯分组域的结构,所以在LTE网络中如果要实现语 音业务,则语音业务同样要在分组域中实现,这是 4G网络与2G/3G网络最大的不同之处。由于LTE 系统网络架构的特点是扁平化和简单化,所以网络 收稿日期:2014—09—26 作者简介:李江(1983一),男,硕士。工程师,研究方向为无线网络 规划和网络优化。 节点数量大幅减少,系统复杂度明显降低,系统时延 117— 1 AMR语音编码技术 自适应多速率语音编码技术(AMR)是3GPP选 用的语音压缩编码技术。在2G时代,信源与信道 语音突发周期 .静默周期 语音突发周期 编码之间较少地进行信息交互,导致无线资源的分 配非常固定,而AMR技术可以更加简单地解决这 个问题,AMR编译码器根据不同无线信道环境输出 不同的语音速率,从而确保了无线资源有效地分配 给各个用户。AMR编码共支持八种不同的语音编 码速率,分别如表1所示。同时,AMR中还有一种 特殊的低速率,即背景噪声编码模式(SID帧),它的 功能是使接收端在无数据接收时也能产生出一种适 图1 AMR语首包传输不意图 2 VoIP数据包结构 发送端AMR语音编译码器输出的语音帧,采 合于人耳的低频噪声,不会使人有空洞的感觉,提升 了用户的业务感受。 AMR的基本原理是当无线信道的干扰较大时, 用RTP方式进行传输,RTP净荷包括CMR、ToC和 AMR语音帧三个字段 。其中,CMR(Codec Mode Request)有4个比特,它的功能是指示接收端可以 编译码器会选用较低的编译码速率,从而提高抗干 扰性能,减小差错率;当无线信道的干扰减小时,编 译码器会选用较高的编译码速率,提高数据传输速 率,增强用户感知。AMR输出的各个速率如图1 所示 表1 AMR编码速率及输出比特数 使用何种语音编解码速率进行发送,6比特ToC字 段用于指示数据包中所携带的语音帧类型。图2给 出了从语音编码器输出到PDCP层之前的数据包封 装过程,当AMR编译码器的输出比特数不是整数 字节时,使用0进行填充,目的是便于无线网络的信 道编码调制等过程。 旦l 、l 垦堕重 l AMR RTP净荷 皿 / 、 IP l UDP l RTP I 图2 VolP数据包结构 LTE空中接口协议栈分为用户面和控制面, VoIP数据包在用户面传输,所以需要经过用户面各 协议层的处理,在完成头压缩、加密、调度以及 HARQ功能后,才可以在无线信道传输。LTE系统 用户面的空中接口协议栈共分为三层:PDCP层的 功能是数据报头压缩和用户数据加密,RLC层封装 上层发送的数据包,并解封装下层递交的数据包, MAC层把不同的逻辑信道映射到传输信道,并负责 管理不同信道的优先级等。VoIP数据包在各层之 问的完整处理过程如图3所示。 一 一 一删 一 一删{i[龅一 PDCPJ ̄ l PDCP ̄IPDcPPDul …一…一:二二三三三二三三 一一:二三三=I= 三三 …l ===三三R PDU  I IIP头I 潮漪l  lIP头l 妫湔I l PDCP ̄IPDCPPDul :i;=’_一r二二三=二:=二二二,……一 I PDCP ̄lPDcPPD l IP头I 蝴湔l )UI  一一二 ===. …l RLCPDU] …… 甩嘱 l RLC  头l—— -—] RLCPDU l MAC层l MAC头l 物理层 一一二兰i三三三三三兰 :三二==二===二二二====:=:=兰兰三 ==二-1_ —I=二=; 二兰;罕二==二 …一一二=二二二二二三I…一一 一.『二==:MACSDU l  IMAC头l MACSDU l I RLC  ̄I :PDU I产三三三三 三三三 芒三 三j茴 图3 VolP数据包完整数据封装流程 一118一 首先,在PDCP层,较长的RTP/UDP/IP数据报 头可以被压缩为较短的RoHC报头 ,例如40字 节的IPv4报头可以被压缩为只有3字节的RoHC 报头,这种压缩技术使得信道开销大大降低,同时信 道效率得以提升,并提高了数据有效性。LTE的 PDCP层除进行头压缩功能之外,还提供加/解密、 底层重置(通常发生在切换时)的按序交付等功能。 PDCP报头最少包括两个字段,D/C字段为1个比 特,作用是区分该PDCP数据包是用户面数据包还 是控制包,PDCP序列号字段占用7比特,作用是标 记该PDU数据包在本次传输中的位置。 然后,RLC层对收到的PDCP层数据再进行封 装处理,并由该层协议栈来执行PDCP层SDU的连 接功能以及分段功能。RLC层在封装后的数据块 前再添加一个RLC头,它的功能主要有协助终端进 行数据包的顺序发送,RLC层为每个PDU设置一个 序号,从而确保了HARQ过程中的按序发送。RLC 层采用UM模式传输语音数据包,其数据报头分别 是:FI字段、E字段、SN字段。 随后,RLC层将处理后的数据包发送至MAC 层,MAC层把接收到的多个上层PDU组装为一个 SDU,并且在前面附加一个报头,从而构成了一个完 整的传输块。链路自适应算法依据无线信道的不同 而选择不同的瞬时数据速率,这时的MAC传输块大 小也就随着速率的不同而不同。 最后,物理层的功能是:在MAC层输出的传输 块后面添加用于检错的CRC字段、对添加后的字段 进行编码、采用适合无线信道的调制方式进行调制、 发送调制后的数据。 以AMR编码中的最高速率(12.2kbps)为例, 一个MAC层语音SDU数据包最少包含以下几项内 容:AMR编码器输出的原始数据为244比特,填充 12个0比特,然后经过PDCP层时IP报头被压缩成 24比特的RoHC报头,同时再添加8比特的PDCP 层报头,在RLC层添加8比特RLC报头,MAC层添 加8比特MAC报头,最后输出的是304比特MAC 数据包 J,而MAC层处理后的静默帧则只有88 比特。 3 LTE调度技术 语音业务具有实时性、突发性、多用户、小流量 等特征,因此,LTE系统在空中接口中,通过采用半 静态调度等技术,大幅提高了语音业务容量。本文 简要介绍三种调度方式 J。 3.1动态调度 动态调度是指当无线信道变化较快时,LTE系 统能够根据信道条件及时、灵活的分配无线资源,从 而实时适应无线信道条件改变的调度方式。动态调 度适用于突发的上行资源调度过程,因为动态调度 可以及时调整无线资源在不同用户间的分配,使得 LTE系统避免网络拥塞,而其缺点就是由于实时调 度产生的大量信令开销。 3.2半静态调度 半静态调度是指基站为每个业务用户设定一个 固定的收发周期,于是用户侧和基站侧都必须在这 个约定好的固定时频域资源上收发数据,从而减少 了终端和基站之间的调度信令交互,提高了整网的 资源利用率。用户在整个业务周期内都使用固定的 周期收发数据,虽然这样可以减少信令开销,但是由 于没有考虑无线信道的实时变化情况,容易造成 HARQ重传率高、无线资源利用率低等问题。 3.3改进型半静态调度 改进型半静态调度是指在半静态调度的基础 上,基站根据终端业务特征,实时调整收发数据的周 期,从而更加节省无线资源,提高资源利用率。例 如,在VolP业务中,随着用户的状态在语音突发周 期和静默期之间不断的调整,基站为语音业务用户 指定的收发数据周期为20ms或160ms。通过这种 调度周期调整方式,改进型半静态调度可以在语音 静默期节省八分之七以上的无线资源给其他用户使 用。这种调度方式是通过增加信令开销来实现无线 资源的再分配,当同时通话的用户数过多时,信令开 销的急剧增大会降低系统的稳定性和可靠性。 4 VolP业务容量分析 如果在整个VolP通话过程中只有2%的数据 包时延超过了50ms,那么就认为用户对该语音业务 的质量是满意的。单小区VolP语音业务容量的定 义是,假设单小区内有VolP语音业务用户数』、『个, 则当单小区内95%的VolP用户在通话结束后都对 该语音业务的质量表示满意时,该小区的VolP语音 业务容量就是Ⅳ个 J。由于TD—LTE是时分系统, 上下行共享带宽,而语音业务是双向对称业务,所以 本文给出的业务容量计算公式都是基于资源受限的 上行信道。假设系统带宽为WMHz,采用跳频模式, 在 时间内可供VolP用户使用的PRB总数用公式 (1)来计算: N。PRB= NPRB—NPUCcH ≈NT≈8_』L— R P础叫 融叫] (1一VlNAR0) (1) 式中,Ⅳ 是 时间内可供VolP用户使用的PRB 个数,Ⅳ肿是总带宽WMHz下的一个时隙内PRB个 数, 。 是PUCCH占用的PRB个数,Ⅳ 是 时间 一】1 9— 的毫秒数,卢眦是上行配比,即上行子帧数/总子帧 数,RB删。 是物理随机接人信道所使用的PRB个 数, 删 是物理随机接人信道持续了 毫秒,叩舶肋 是为HARQ预留的资源占总资源的比例。 例如,20M带宽的一个上行时隙共有100个 RB,PUSCH采用帧问/帧内跳频模式,上行频域中 语音突发周期内系统每20ms给用户分配Ⅳ_个PRB, 在静默期系统每160ms给用户分配Ⅳ2个PRB。假设 语音激活因子为0.5,PRACH信道使用格式2,10ms 内传输6次,Ⅳ 取8,Ⅳ2取3,则可以得到: NPRBC: ==_t: 最高和最低频段的各一个RB分配给PUCCH信道, 物理随机接入信道占用频域中的6个RB,10ms内 持续若干个子帧,假设采用格式0,传输0.5次/ l0ms,系统预留20%的资源用于HARQ传输,则一 【(100 ×20×了2—6×2×6× ]×(1—20%) 8×0.5+3×0.5× 1 个语音帧的传输周期内可供语音业务用户使用的 PRB个数是: 122 (3) 式中,Ⅳ 是平均每20ms为用户分配的PRB个数, 1/8为SID帧折算率。 以第3节的计算的语音帧和SID帧的MAC包 传输比特数为准,每个MAC包的最后都需要附加 24个校验比特,再进行1/3码率的Turbo信道编码 后得到996比特和348比特,假设上行都采用QPSK 调制,解调参考信号每时隙占用一整个OFDM符 号,每个PRB中可用RE数为72,能够承载144比 特(QPSK符号),由于PUSCH调用PRB数必须是 2、3、5的倍数,假设此时为每个语音帧和SID帧分 配的PRB个数都是』]V ,系统使用半静态调度模式 时,VolP用户容量使用公式(2)来计算。如果所有 用户都采用16QAM调制,那么用户容量可以翻倍。 N  rPRB L=—— 在系统使用改进型半静态调度模式时,如果所 有的用户都是用QPSK调制,则VolP用户容量是 122个,如果是16QAM调制,容量达到244个。 5 结束语 TD.LTE的容量性能是对系统进行评估的重要 指标,本文结合多种因素,量化分析了VolP业务 PUSCH信道的容量能力,并最终给出了20MHz带 宽下TD一 E系统采用跳频模式时的具体容量案 例,对于今后从事TD.LTE网络的语音业务规划有 一定的参考作用。 [1]3GPP,TS 36.211 V12.1.0,3rd Generation Partnership Pr0ject; Technical Speciifcation Group Radio Access Network;Evolved Uni— Ⅳ (2) 参考文献: 式中,C为VoIP用户容量,Ⅳ咖user是系统每20ms为用 户分配的PRB个数。 vel ̄al Terrestrial Radio Access(E—UTRA);Physical channels and 每帧AMR语音数据包在空口传输时所占用的 PRB个数Ⅳ 是一个可以变化的值,取值范围是3、 4、5、6等。此数值的取定取决于多个方面:不同的 modulation(Release 12)[Z].2014.3. [2]3GPP,TS 36.212 V12.0.0,3rd Generation Partnership Project; Technical Speciicatfion Group Radio Access Network;Evolved Uni— versal Terrestrial Radio Access(E—UTRA);Multiplexing and chan— 设备商的实现方式不同,不同的无线信道下分配的 个数不同,不同的调制方式下分配的个数不同,等 等。此数值越小,系统容量越高,但是如果突然遇到 信道变化时,HARQ重传率会升高,正常的语音帧传 输会受到影响,用户感知会大幅下降。此数值越大, nel coding(Release 12)[Z].2013.12. [3]3GPP,TS 36.213 VI2.0.0,3rd Generation Partnership P叫ect; Technical Speciifcation Group Radio Access Network;Evolved Uni— versal Terrestiral Radio Access(E-UTRA);Physical layer proce— dures(Release 12)[Z].2013.12. [4]陈晓东,王庆扬,等.LTE系统中语音业务空口承载能力分 析[C].信息通信网络技术委员会年会,2011,B98:787—794. [5]宁祥峰,张春业,李婧卿,等.基于LTE系统的VolP自适应调度 算法[J].计算机工程,2011,37(4):116—118. [6]肖清华,毛卓华,凌文杰,等.TD—LTE容量能力综合分析[J]. 邮电设计技术,2012,4:36—40. [7]张现周,李虎虎,张文英.实现半静态调度资源动态调整的方 法、系统及相关装置[P].CN 101902728 B,2009—05—27. 责任编辑:肖滨 每个用户的语音帧传输可以得到较高的保证,即使 信道条件突然变差,HARQ重传率也会较小,每个用 户的业务感知都会较好,但是缺点就是此时信道容 量较小。在实际配置中,需要综合考虑各个方面,既 要保证用户感知与GSM网络相比没有明显下降,又 要保证LTE网络的业务容量能够容纳2G/3G网络 迁移过来的用户。 如果系统采用改进型半静态调度模式 ,假设在 一120一 

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