理解LTE网络语音容量问题

本节主要讨论在带宽为5MHz的LTE系统中，VoIP流量的系统级性能。VoIP容量设定为中断概率不超过5%时，蜂窝支持用户的最大数。如果某个用户在呼叫期间，有2%的VoIP分组丢失（即出现差错或被丢弃），则定义该用户处于中断状态。VoIP容量数可以从系统级仿真结果中得到，仿真场景为宏蜂窝1类地区^[6]，参考文献[7]给出了主要的系统仿真参数。图10-7给出了VoIP容量曲线实例，该曲线说明了当接近最大容量时，中断概率是如何陡增的。它支持系统在保持低中断概率的前提下，运行在相对高负荷（与最大容量相比）状态。

表10-1对使用3种不同AMR编解码技术（AMR5.9、AMR7.95和AMR12.2）以及采用动态和半静态调度器时的VoIP容量仿真结果进行了归纳。下行链路中的VoIP容量为210～470个用户，而上行链路中的VoIP容量为210～410个用户，这表示下行链路中每个蜂窝每兆赫中对应的用户数为42～94个，上行链路中每个蜂窝每兆赫中对应的用户数为42～82个。低AMR速率提供的VoIP容量要比高AMR速率提供的VoIP容量大。AMR编解码数据速率可以由运营商进行定义，需要在VoIP容量和语音之间做出一个合理的折衷。采用动态调度技术时，由于受到控制信道的限制，低AMR速率不会增加VoIP容量。

图10-7 VoIP容量曲线实例

表10-1 带宽为5MHz的LTE系统中的VoIP容量

同时，这些结果也说明了语音容量受到上行链路的限制，当同一承载上存在非对称数据传输（下行链路容量较大时）时，这一结果非常有用。下行链路提供的VoIP容量通常要高于上行链路，这是因为与上行链路相比，下行链路调度使用了点到多点（Pointto Multi-point，PMP）方法，且可以对下行链路调度进行优化。

下面，我们将对仿真容量进行详细分析。后面涉及的所有统计数据都假定负荷存在着5%的中断概率。

正如10.5节中所讲的，使用动态调度器的VoIP系统性能受到PDCCH可用资源的限制，因而动态调度器无法完全利用物理下行链路共享信道（Physical Downlink Shared Channel，PDSCH）空中接口容量，因为这里没有足够的CCE来调度未使用的物理资源块（PRB）。图10-8给出了采用AMR12.2编解码技术时，下行链路中每个TTI内已调度的物理资源块（PRB）的累积分布函数（Cumulative Distribution Function，CDF）。5MHz带宽上的PRB总数是25。由图10-8可知，如果不使用打包技术，则动态调度器的平均利用率只有40%。

图10-8 下行链路中每个TTI内已调度的物理资源块（PRB）的累积分布函数（5MHz带宽上的PRB总数是25）

由于受到控制信道的限制，当AMR速率较低时，如果不使用打包技术，则VoIP分组载荷大小中存储的信息无法映射到采用动态调度器的容量增益上。不同编解码技术提供的下行链路性能几乎相同，但当AMR速率较低时，上行链路容量增益较小。这种源于改进覆盖范围的上行链路增益，因为当在上行链路中传送VoIP分组时，可能会用到更为健壮的MCS——由于下行链路方向的eNodeB传输功率较高，不会受到覆盖范围的限制，因而不存在该增益。

当使用打包技术时，能够提高为每个已调度用户分配传输资源的平均大小，因而PDSCH空中接口容量能够得到更为高效的利用，从而导致PRB平均利用率提高到70%。当使用打包技术时，可以实现75%～90%的容量增益。在采用AMR12.2编解码技术的宏蜂窝场景中，使用打包技术的概率大约为70%，且当VoIP分组载荷降低时，该概率值会略微增加。这说明通过降低VoIP分组载荷，可以实现容量增益的小幅度提高（＜10%）。

半静态调度器不会受到控制信道限制条件的影响，因为在进行初始传输时，使用的是静态分配的时间和频率资源，而不使用相关的控制信息进行调度。对于仿真分组调度方法来说，下行链路方向的控制信道消耗如图10-9所示，它包含了每个TTI中消耗的CCE总数的累积分布函数。采用动态调度器，如果不使用打包技术，则在70%的时间内，所有控制信道单元都在使用。采用打包技术，当中断概率为5%时，系统负荷增大，因而控制信道容量能够得到高效使用，这表明所有CCE几乎在100%的时间内都在使用。显然，采用半静态调度器时的控制信道开销较低，且所有CCE的使用概率只是略微高于10%。从上行链路方向上每个TTI内CCE消耗分布来看，也可以得到类似结果，如图10-10所示。正如我们所预期的，采用半静态调度的CCE消耗要比采用动态调度的CCE消耗低得多。这里，我们假定为下行链路/上行链路调度许可预留的CCE总数是10。

图10-9 下行链路方向每个TTI中的CCE总数的累积分布函数(www.xing528.com)

图10-10 上行链路方向每个TTI内CCE总数的累积分布函数

半静态调度的性能不会受到控制信道资源的限制，但它会受到PDSCH可用带宽的限制，如图10-8所示它表明，对于半静态调度器来说，PDSCH平均利用率高于90%。由于半静态调度器受到用户平面的限制，因而VoIP分组对容量的影响非常大：采用AMR7.95得到的容量要比采用AMR12.2得到的容量高35%左右，但采用AMR5.9得到的容量增益仅是采用AMR7.95得到的容量增益的10%。容量增益降低的原因如图10-11所示，它给出了对于下行链路方向所有仿真的编解码方案来说，静态资源分配大小（即PRB数量）的分布情况。根据分布情况，静态分配的大小是：当采用AMR7.95编解码技术时，约有50%的用户分配有1个PRB，因而采用AMR5.9而不是采用AMR7.95编解码技术的用户，可以充分利用分配带宽。在下行链路方向，静态分配大小可以根据每次语音突发的宽带CQI单独进行动态计算，但在上行链路中，由于受到实际限制条件的影响，静态资源分配的大小是根据用户的路径损耗测量值得出的。上行链路解决方案之所以出现这种情况，原因在于当用户数目较大时，探测值不够精确。在上行链路仿真期间，静态资源分配的大小具有如下的分布：采用AMR12.2编解码技术时，所有用户的静态分配大小为2个PRB，但采用AMR7.95编解码技术时，一半用户的静态分配大小为1个PRB，另一半用户的静态分配大小为2个PRB。当采用AMR5.9编解码技术时，90%的用户的静态分配大小为1个PRB，其他用户的静态分配大小为2个PRB。采用AMR7.95编解码技术得到的容量要比采用AMR12.2编解码技术得到的容量高33%左右。同时，采用AMR5.9编解码技术得到的容量要比采用AMRAMR7.95编解码技术得到的容量高28%左右。增益减小主要是因为采用AMR5.9编解码技术时，重传数目略有增加。

图10-11 下行链路方向不同编解码方案的静态资源分配大小的概率分布函数（Probability Distribution Function，PDF）

可以看出，与下行链路方向调度器上空中接口经历的延迟相比，对于动态调度器来说，由于受到控制信道限制条件的影响，接近所采用的延迟极限（50ms）的分组相对数量要高一些。采用打包技术时，控制信道限制条件放宽，因而对延迟要求严格的分组可以先进行调度。打包技术本身带来了近20ms的延迟。对于静态调度器来说，在第一次调度发生前，分组在分组调度器缓冲区的等待时间取决于静态资源分配在时域中的位置，在满载的情况下，它是一种近似均匀的分布。因此，对于半静态调度器来说，分组延迟分布是平坦的。在所有这些方案中，在8ms的HARQ周期后，首先对重传进行调度。由于第一次HARQ重传的存在，分组延迟分布在10ms开始趋于平坦。分组延迟累积分布函数如图10-12所示。

当对下行链路中的VoIP系统性能进行归纳时，可以得出这样的结论，即如果不使用打包技术，则动态调度器的性能是受控制信道限制的，因而半静态调度器拥有的容量要比动态调度器高50%～125%。与动态调度器相比，半静态调度器的性能受到用户平面的影响，且当采用AMR12.2编解码技术时，其容量增益是最小的。在所有仿真编解码技术中，AMR12.2具有最高的数据速率，因而其VoIP分组长度也最大。与采用低速率编解码技术相比，当使用打包技术，且采用AMR12.2编解码技术时，控制信道限制条件对动态调度器性能的影响较小，这是因为当中断概率为5%时，支持的用户数较小。因此，如果采用AMR12.2编解码和打包技术，则动态调度器得到的容量增益要比半静态调度器得到的容量增益高15%左右。当采用低速率编解码和打包技术时，由于中断概率为5%时，系统支持的用户数较大，因而控制信道容量开始会限制动态调度器的性能，于是半静态调度器得到的容量要比动态调度器得到的容量高8%～15%。

图10-12 采用AMR12.2编解码技术的下行链路空中接口延迟的累积分布函数

通过对上行链路中不同调度方法性能的对比，可以看出（与下行链路类似），动态调度器性能完全受控制信道的限制，而半静态调度器受控制信道限制条件的影响要小得多，因为它对控制信道的要求比较宽松。因此，当采用AMR7.95和AMR5.9编解码技术时，半静态调度器得到的容量增益要比动态调度器得到的容量增益高40%～80%。同时，即使采用AMR12.2编解码技术时，半静态调度器得到的容量要比动态调度器得到的容量高14%。

前面给出的下行链路结果是通过使用与频率有关的CQI报告值得到的。在实际应用中，LTE支持VoIP用户数较大，可能需要用到宽带CQI，以确保CQI反馈开销保持在合理水平。这意味着通过降低容量，可以确保由CQI反馈带来的上行链路信令开销较低，因为此时频域调度增益丢失。为了最大限度地降低容量，丢失的频域调度增益对性能的影响可以通过高效地使用频率分集来补偿。因此，对于LTE中的VoIP流量来说，使用半静态调度器更具有吸引力，因为半静态调度器的性能对频域调度增益的依赖程度不如动态调度器。表10-2给出了当频域内CQI报告的子带长度增加时，采用AMR12.2编解码技术得到的相对容量损耗。相对容量损耗是根据前面提到的容量数得出的，而容量数是在采用窄带CQI报告时得到的^[7]。

表10-2 由CQI粒度增加带来的相对容量损耗（%）

根据仿真结果，由于使用了宽带CQI，动态调度器的容量降低了15%，而对于半静态调度器来说，相应的损耗只有7%。因此，采用宽带CQI和AMR12.2编解码技术时，半静态调度器可以提供与动态调度器类似的性能，且与采用窄带CQI得到的容量增益相比，对于低速率编解码技术来说，半静态调度器得到的容量增益比动态调度器得到的容量增益又有所提高。

最后，根据上面的分析结果，对于LTE中的VoIP流量来说，半静态调度好像是最佳的调度方法。然而，由于使用的静态分配是通过PDCCH信令显示给用户的，因而动态调度和半静态调度的某种组合方法可能是LTE中VoIP流量的最佳调度方案。同时，将下行链路和上行链路的性能进行对比，可以得出LTE中的VoIP性能是受上行链路限制的。因此，下行链路容量必须要适应额外的非对称数据流（如网站浏览）。