VoLTE分组丢失问题分层优化方法研究

2018-02-28吴桐

电信工程技术与标准化 2018年2期

关键词：子层重传时延

吴桐

（普天信息工程设计服务有限公司，北京 100088）

VoLTE是直接在LTE网络上提供高质量的音视频通话技术，可实现数据业务与语音业务在LTE网络下的统一。VoLTE语音服务具有呼叫时延短、话音质量高、支持高清视频等优点。随着网络的全IP化演进，VoLTE是语音演进的最终目标方案。

VoLTE语音业务中，分组丢失问题是影响语音质量的关键因素之一。高分组丢失率会导致语音吞字、断续、单通等问题，严重影响用户感知。本文从VoLTE协议栈入手，分析各协议层主要功能，提出分组丢失优化方法，展示参数试点效果。

1 VoLTE协议栈

VoLTE业务包括语音流和信令流，分别承载在QCI 1和QCI 5上。语音分组使用RTP（Real-time Transport Protocol，实时传输协议），再加上UDP分组头、IP分组头，在应用层最终打包成IP分组进行传输。在无线空口，按照协议IP分组进一步被转换成PDCP分组，PDCP分组就是空口传输的有效数据。

PDCP分组传输异常会导致应用层RTP分组的丢失，从而引起语音感知差。如图1 VoLTE协议栈示意图所示，PDCP分组在终端和基站间传输涉及PDCP、RLC、MAC、PHY各协议层，因此VoLTE分组丢失问题需要针对各层实体进行分析优化。

图1 VoLTE协议栈示意图

2 协议子层分析及优化策略

2.1 PDCP子层分析及优化策略

PDCP子层的一项重要过程是对来自上层的IP数据分组进行头压缩和加密，然后递交到RLC子层。该过程涉及Discard Timer（丢弃定时器）：PDCP从高层接收到一个SDU，就会启动Discard Timer，超时后没有收到底层（RLC层）的指示，就会丢弃此SDU。因此，PDCP Discard Timer设置过短容易导致PDCP SDU还未发送完成就遭丢弃，造成无谓的分组丢失。

协议规范PDCP Discard Timer取值范围：{0，50，100，150，300，500，750，1500， infinity}（单位：ms）。单独考虑分组丢失问题，该参数可以设置为infinity，但是，PDCP Discard Timer设置过长容易导致PDCP层资源占用过多，影响后续分组的发送时延。因此，参考表 1标准 QCI特性，QCI 1、2、5、8、9（VoLTE注册及业务涉及的QCI）的分组时延预算，兼顾分组丢失和分组时延，普通场景下建议PDCP Discard Timer设置为300 ms。高话务场景下，由于网络负荷较重，用户调度率较低，建议PDCP Discard Timer调整为750 ms。

2.2 RLC子层分析及优化策略

VoLTE语音业务为保证更小的时延要求，采用UM传输模式，该模式提供除重传和重分段外的所有RLC功能。UM发送实体接收到上层（PDCP层）的RLC SDU，放入发送缓存中，根据底层（MAC层）指示的RLC PDU大小对发送缓存中的RLC SDU进行分段或级联，生成UMD（UM Data，非确认模式数据）PDU，再添加RLC头发送给MAC层。

表1 标准QCI特性

RLC分段可以将一个大的数据分组分割成多个较小的数据分组，从而减少每个子帧传输的数据量，进而下调MCS，降低SINR解调门限，最终达到减少分组丢失的效果。RLC分段数越多，分组丢失改善越明显，但是时延影响越严重，因此RLC分段数需要合理取值。

TDD制式下普遍采用上/下行配置2组网，如表2 TDD网络上下行子帧分配所示，激活期语音分组周期（20 ms，即2个无线帧）内上行只有4次调度机会。因此，RLC分段数建议限制为4，避免出现数据分组积压。同时厂家新版本功能中已经实现RLC分段限制自适应功能：根据信道质量，分段数在设置的最小值和最大值之间动态调节，建议最小值为2，最大值为6。

表2 TDD网络上下行子帧分配

2.3 MAC子层分析及优化策略

上面已经提到UM模式的RLC子层无重传功能，所以MAC子层的HARQ重传次数对分组丢失的影响至关重要。MAC子层将接收到的错误数据分组保存在HARQ Buffer中，并与后续接收到的重传数据分组进行合并解码，从而得到一个比单独解码更可靠的数据分组。如果解码还是失败，则重复“请求重传，再进行软合并”的过程。因此，重传的次数越多，分组丢失的概率越小。

TDD制式下的上行重传为同步模式，两次重传的时间间隔一定是10 ms，即上行重传一次，需增加10 ms时延。下行重传为异步模式，两次重传的时间间隔并不固定，但是时延最大将超过13 ms（协议表Uplink ACK/NACK timing index k for TDD可知。此处暂不讨论，主要说明上下行重传时间间隔约10 ms）。

根据表1 标准QCI特性可知，VoLTE业务时延预算：100～300 ms，同时参考上述RLC分段限制自适应范围：2～6次，因此，普通场景下MAC子层HARQ最大重传次数建议设置为5次。高速高铁等快衰场景下，无线信道变化较快，建议HARQ最大重传次数增大至8次。

2.4 PHY子层分析及优化策略

前文提到RLC SDU根据MAC层指示的大小进行分段，这个指示即基站调度的TB Size。TB Size由两个参数决定：RB数和MCS。基站下行调度的RB数和MCS主要由下行SINR决定，而基站上行调度的RB数和MCS主要由上行SINR和PHR来决定。由于上下行SINR主要涉及覆盖干扰，PHR主要关联上行功控。因此，分组丢失问题在PHY子层最本质的工作还是覆盖整治和干扰排查，在杜绝弱覆盖、重叠覆盖、上行干扰、上下行链路不平衡等问题的基础上，配合实施上行功控参数优化。

对于农村、郊区等站间距较大导致上行覆盖受限的场景，建议修改上行功控策略，提高RB的功率谱密度，使基站更容易解调，减少分组丢失的概率。VoLTE语音业务上行覆盖受限可通过ML1层信令LTE PUSCH Power Control解码评估，如果PUSCH Tx Power＞PUSCH Actual Tx Power，即说明上行覆盖受限，需要提升PUSCH发送功率。

UE在PUSCH信道上第i子帧的发送功率（单位：dBm）为：

PPUSCH(i)=min{PCMAX，10lgMPUSCH(i)+P0_PUSCH(j)+α(j)·PL+ΔTF(i)+f(i)}

PCMAX：UE的最大发射功率。

MPUSCH：UE的传输带宽RB数量。

P0_PUSCH：半静态功率基准值。

α：路损补偿系数。

PL：下行路损值。

ΔTF：由调制编码方式和数据类型所确定的功率偏移量。

f：闭环功控调整值。

上行功控的公式比较复杂，涉及的参数也比较多，但日常优化过程中最常见的优化参数是P0_Nominal_PUSCH（影响P0_PUSCH的主要参数）和α，通过P0_Nominal_PUSCH和α的配置来达到提升上行覆盖的效果。