经典案例VoLTE语音质量的影响因素研究及优化提升.docx
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经典案例VoLTE语音质量的影响因素研究及优化提升
VOLTE语音质量的影响因素研究及优化提升
摘要：
目前全球VoLTE呈快速增长态势，国际上多家运营商也已制定了明确的VoLTE部署时间表，LTE-FDD语音解决方案以VoLTE为主，以满足用户选择特殊终端及国际漫入的需求，同时双待机方案作为一种终端形态将长期存在，国内VoLTE尚处于开通初期，优化时间短，优化技能还待积累，现网中多采用DT/CQT的方式进行通话质量的评估,而这种测试方式的缺点在于采样点不足，而且费事费力，无法关联无线网络数据进行全面分析，难以真正的定位到用户层面的问题。
本课题从无线角度并结合外场实测情况，介绍VoLTE语音质量与网络主要覆盖指标的关系，通过主要门限研究，找到VoLTE语音质量拐点，构建VoLTE时代标准，基于该标准，可以直接通过网管大数据分析用户的质量，实现对语音质量的评估，同时通过对SR周期、PDCP层参数、RLC层参数、MAC层参数、切换参数配置的尝试和优化，提升MOS语音质量；最后从终端、覆盖、切换、干扰、RRC重建等多个维度联合定位分析，有效解决和优化了目前的VOLTE语音问题点，实现VoLTE网络的优化，更好指导现场的VOLTE优化工作。
关键字：
VoLTE、MOS、SR周期、PDCP层参数、RLC层参数、MAC层参数、切换参数、多个维度联合定位分析
一、课题背景
在语音通话过程中要对语音质量做评价，语音质量即：
说话者通过载体传递到听者耳中满意的程度。
载体有很多种，VoLTE的载体就是LTE网络，本质上也是IP网络。
在提供语音业务的网络中，语音质量是影响服务质量最关键的因素。
通过DT方式，从室外VoLTE语音质量测试看，测试区域VoLTE平均MOS值在3.97，质量比较高，具有较高的语音质量，MOS值大于3.5占比为91.1%；语音质量中等，MOS值大于3的占比为96.59%。
图1-1室外VOLTE语音测量值
从室外VoLTE语音质量测试结果看，不到3%的区域用户语音感知较差，LTE覆盖整体上能够给用户较高的语音感知。
那么在现网的这种覆盖水平下，VoLTE语音质量如何全面评估，哪些KPI与VoLTE语音质量相关，以及在保证用户感知体验的前提下整体上能够满足VoLTE商用，这是本次专题研究的主要内容。
二、VOLTE语音质量的影响因素
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：
图3-1VOLTE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。
三、关键创新点
1、创新点1：
结合拉网测试数据，建立MOS语音质量与KPI指标的感知拐点：
2、创新点2：
建立MOS语音质量与RTP指标的感知拐点：
3．创新点3：
基于VOLTE语音质量与KPI、端到端传输性能的关系，建立了一套基于VOLTE感知优化的KPI&KQI指标门限标准。
关注指标
现网值
VoLTE优化值
覆盖
RSRP（室外）
-105dBm
-100dBm
SINR（室外）
-3dB
0dB
RSRP（室内）
-105dBm
-105dBm
SINR（室内）
-3dB
0dB
小区选择RSRP门限
-124dBm
-120dBm
PUSCHBLER
10%
9.5%
端到端
RTP丢包率
——
2%
RTP时延
——
200ms
RTP抖动
——
60ms
容量
上行PRB数量/每用户
无具体要求
8
下行用户数/每用户
无具体要求
8
4、创新点4：
多维度联合定位分析VOLTE问题点
四、VOLTE语音质量与KPI/PQI指标的关联
传统的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VoLTEDT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全网部署以及商用提供基础参考。
4.1DT拉网覆盖指标与MOS值关系
4.1.1室外测试分析
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。
图4-1室外测试MOS值与RSRP/SINR的关系图
4.1.2室内、外测试分析
结合室内、外拉网测试数据分析，从VoLTEMOS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
图4-2室内外测试MOS值与RSRP/SINR的关系图
查看MOS值与BLER关系，下行PDSCHBLER与MOS值无明显对应关系，当上行PUSCHBLER=<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。
图4-2室内外测试MOS值与上下行BLER的关系图
4.2端到端传输性能与MOS值关系
图4-3MOS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。
类别
原因
说明
丢包
空口持续下行质差
包括下行弱覆盖，下行干扰，漏配邻区不切换，导致连续丢包
上行干扰
上行干扰电平大于-113dBm，导致eNodeB无法正常解码PUSCH或者DTX比例较高，导致连续丢包
上行接入受限
PL大于125，在上行底噪较好的情况下，也容易出现上行接受容易受限，现象是MOS样本发端的ULMACBLER较高。
下行失步重建
UE从RRC连接态突然进入空闲态，并且无法RRC重建，导致连续丢包
小区重载
小区内RRC和激活用户数较多，导致QCI1无法及时调度，导致连续丢包
频繁切换
频繁切换导致RTP短时间内连续丢包
时延
传输时延
传输引入时延大于80ms，导致端到端时延大于200ms，通过Ping包测试检测传输时延
表4-1影响VOLTE语音质量的主要因素
4.2.1RTP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：
图4-4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。
4.2.2RTP时延与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：
图4-5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。
4.2.3RTP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：
图4-6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。
五、资源占用与VoLTE覆盖的关联
5.1上行PRB占用分析
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：
图5-1RSRP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。
5.2下行PRB占用分析
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：
图5-2SINR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。
六、基于VoLTE感知的网络优化标准
现网当前定义的是以承载数据业务为主的网络，网络优化关注的主要KPI以数据业务用户感知为出发点，如果使用现网承载语音进行商用，为保障VoLTE用户的感知，兼顾数据业务，对优化的目标提出了新的要求。
关注指标
现网值
VoLTE优化值
覆盖
RSRP（室外）
-105dBm
-100dBm
SINR（室外）
-3dB
0dB
RSRP（室内）
-105dBm
-105dBm
SINR（室内）
-3dB
0dB
小区选择RSRP门限
-124dBm
-120dBm
PUSCHBLER
10%
9.5%
端到端
RTP丢包率
——
2%
RTP时延
——
200ms
RTP抖动
——
60ms
容量
上行PRB数量/每用户
无具体要求
8
下行用户数/每用户
无具体要求
8
表6-1基于VOLTE感知优化的KPI指标门限建议
七、VOLTE参数优化提升
7.1SR周期优化
SR即上行调度请求（SchedulingRequest，SR），如果UE没有上行数据要传输，eNodeB并不需要为该UE分配上行资源，否则会造成资源的浪费。
因此，UE需要告诉eNodeB自己是否有上行数据需要传输，以便eNodeB决定是否给UE分配上行资源。
为此LTE提供了一个上行调度请求（SchedulingRequest，SR）的机制。
eNodeB不知道UE什么时候需要发送上行数据，即不知道UE什么时候会发送SR。
因此，eNodeB需要在已经分配的SR资源上检测是否有SR上报。
eNodeB可以为每个UE分配一个专用的SR资源用于发送SR。
该SR资源是周期性的，每n个子帧出现一次。
下图是SR周期配置的一个例子，配置的周期为10ms。
图7-1SR周期配置
理论上，缩短上行SR调度周期会提高UE调度频率，降低丢包率，从而改善MOS值。
通过现网基站参数核查，发现SR周期参数（cellSrPeriod）配置较高，普遍为40ms，需要对SR周期进行优化。
SR调度周期虽能改善VoLTE性能指标，但需防止由此带来的小区最大用户数的减小，可能会造成部分热点小区拥塞。
现网时隙配比1:
3，根据不同的SR周期、n1PucchAn（表示预留给SR和半静态调度ACK/NACK的PUCCH资源）可以支持的最大用户数不同。
如果SR周期设置为20ms，n1PucchAn设置为72，根据SR支持的用户数公式可得，能支持的最大用户数为2*20/10*72=288；当SR周期设置为20ms时n1PucchAn设置为144，能支持的用户数为576；小站、开了CA的站点SR周期设置20ms，能支持的最大用户数为400。
因此，将现网15天中最大用户数小于200的小区（高校、特殊重点保障站点除外），SR周期设置为20ms，给容量至少留了一半的冗余，避免由于突发情况导致拥塞。
SR用户数=ROUNDUP（No.ofULframeper10ms*cellSrPeriod（ms）/10,0）*n1PucchAn。
对苏州区域诺基亚网格进行SR周期（一小部分大容量站点SR周期未做修改），将SR周期由40ms->20ms，路测中RTP丢包率由1.52降低到0.92，MOS3.0占比由85.5%提升到94.76%，效果如下，可见，减小SR周期，提高UE调度频率后指标改善比较明显。
图7-2SR周期修改前后路测指标对比
小结：
优化SR周期，可以有效的改善路测中的RTP丢包率，提升MOS3.0占比。
7.2PDCP层参数优化
详细的PDCP数据包传输过程可参见协议：
3GPPTS36.323-5.1：
图7-3PDCP/RLC数据处理流程
7.2.1PDCPdiscardTimer
discardTimer，该定时器伴随上行传输，即控制数据包上传的一个定时器，每一个PDCPSDU对应一个discardTimer。
当UE从上层接收到PDCPSDU时，开始启动该SDU对应的定时器。
当该定时器超时或者已经通过PDCP状态报告确认将相应PDCPSDU传到下层时，UE需要将PDCPSDU以及相应的PDCPPDU丢弃。
如果PDCPPDU被提交到下层，那么丢弃这一状态也应一并通知下层，意味着PDCP这层把相应的包彻底清空了。
不过，UE高层要求数据承载对应的RLC非确认模式（VoLTE话音业务）下进行PDCP进行重建立时，在重建之前没发出的PDCPSDU不需要重新触发discardTimer。
因此，该定时器如果设置过小，对于PDCP重建成功有一定影响，会影响丢包率，而设置过大，则容易过多的占用PDCP层的资源，影响后续包的发送时延。
对PDCPdiscardTime参数进行验证，发现在高干扰场景下对PDCP丢包定时器适当设置大一点对VoLTE语音改善比较明显，弱覆盖、高容量、频繁切换场景下综合考虑MOS、时延抖动、丢包设置750ms较好。
结合集团下发组巡参数规范和本次验证测试的结果，建议后期在丢包定时器固定设置为750ms。
在现网挑选有明显干扰的100个小区进行验证，将PDCPdiscardtimer由300ms修改为750ms，观察KPI指标改善较为明显，详细指标如下所示：
图7-4高丢包用户占比走势
小结：
PDCPdiscardtimer设置750ms就可以满足PDCPSDU的处理时间,时影响MOS的因素有丢包、时延、抖动如果PDCPdiscardtimer设置过大会导致时延增大、抖动明显反而会影响用户感知，因此，建议在将PDCPdiscardtimer设置为750ms。
7.2.2PDCPSNsize
PDCP-SN串号长度，分为12bit和7bit两种长度。
这个串号长度其实与HFN对应，HFN又用来计算解密时候所需要的COUNT值。
对于RLC-AM模式下，PDCP-SN设置为12bit,而对于RLC-UM模式，可选择性的设置12bit或者7bit。
这两种串号长度设置的区别在于，由于RLC-UM模式下没有对于PDCPSDU是否正确接收到的应答机制，相较于7bit，设置为较长时间的12bit会一定程度上降低包漏检或者错检的概率。
SN的作用除了用于按序递交的排序，还为了AS层的安全，即完整性保护：
5元组，其原理就是根据5个参数（Count值、消息内容、方向、承载ID、密钥）生成校验码即MAC-I，若对方收到之后基于同样的五元组生成XMAC-I；若二者相同，则意味着该消息没有经过篡改，是完整的，发送方和接收方都需要知道PDCP包的序列号即COUNT值，即HFN+SN
只有SN被包含在PDCP数据PDU中在空口上传输，也就是在空口传输仅传SN,而HFN是不传输的，对方能推断出来，这样既能减少协议头开销，又能增强安全性，因为中途拦截者中无法获取HFN值。
HFN总是指Next_PDCP_RX_SN所指示的HFN。
ReceivedSN的HFN的获得其实就是根据其和Next_PDCP_RX_SN的相对位置得到，HFN显示的是当前发包的轮数，而SN显示的是序列号,SN的最大长度Maximum_PDCP_SN由占用的比特数计算得到，如果设置的是12bit，最大1024*4=4096。
图7-5PDCP_RX_SN大小
下图为例：
图7-6RLCPDU
该PDU（假设SN=1）将包含了SDUn的最后一段，以及两个完整的SDUn+1和n+2，以及n+3的前一段。
我们假设图中前后的一截分别放在SN=0和SN=1的RLCPDU中。
汇总如下：
图7-7SDU
到接收端的时候，当收到SN=0的包时，获取UMRLCFI字段知道数据域是一个SDU的前半部分，于是要等下一个SN=1到来；在SN=1到来的时候，读FI域意味着该包的数据域包含了前一个SDU的后半部分，以及后面某个SDU的前面部分。
因此将其中数据域部分拆解出来的时候，得到4部分。
第一部分要和SN=0的包合并，而最后一部分需要等待下一个PDU到达，而中间的都是完整的SDU；同理，在得到SN=2的时候，将拆解的数据和前一个PDU的最后一部分合并。
于是，4个SDU得以完整组包。
可见，FI域就是用于指导数据包如何合并。
假设经过重排序等待后，SN=0的包丢失，只能得到SN=1和SN=2，那就只能得到两个SDU。
因为SN=0丢失，SN=1的包拆解出来的第一部分，无法组包而丢弃。
针对该部分内容，苏州诺基亚对以下参数进行修改：
pdcpPduSnSize：
该参数用于指定用户层面PDCPPDU序列号域的大小，或者为7位，或者为12位。
修改该值以增大PDCPPDU序列号域，PDCP序列号应足够长以避免大量的数据包丢失；
sNfieldLengthDownlink：
该参数用于配置下行链路的序列号域大小参数的值，该序列号应足够长以避免由于HARQ重传引起的序列号回绕。
sNfieldLengthUplink：
该参数用于配置上行链路的序列号域大小参数的值，该序列号应足够长以避免由于HARQ重传引起的序列号回绕。
参数组合
参数名
原始值
修改值
1
pdcpPduSnSize
7
12
2
sNfieldLengthDownlink
size5
size10
3
sNfieldLengthUplink
size5
size10
修改后效果对比情况：
图7-8修改后效果对比
7.2.3ROHC
ROHC：
RobustHeaderCompression健壮性包头压缩，承载语音数据的经典数据包格式如下：
图7-9语音数据包格式
从语音数据包可以看到，一个IP包的包头长度远远大于实际用户所传输的数据，如果这些包头每次都在网络上传输，那么势必会导致网络资源的极大浪费！
例如，使用IPV4报头长度有40字节，数据部分15~20字节，那么66%~73%资源用于承载报文的包头上，如果使用IPV6，报头长度有60字节，那么75%~80%的资源用于承载报头！
ROHC实现原理：
●仅在初次传输时发送数据包头的静态信息，后续不再重复发送（如IP地址等）；
●通过一定信息可推知数据流中其他信息时，可仅发送必须的信息，其他信息可由上下文推算（如SN号和IP-ID号都是以1为单位递增，可通过上下文推算）。
ROHC算法为动态实现，在不压缩和最大压缩之间自适应调整，需同时考虑压缩效率和健壮性，在保证包正确解调的前提下进行压缩。
例如：
在一个无线环境较弱的场景下进行VolTE通话（未开启ROHC）
PDCP丢包率>50%。
对选定区域进行功能开启后进行路测数据的前后对比：
小结：
开启ROHC功能可以节省无线资源，尤其是改善弱覆盖、高干扰地方，有效降低丢包率，改善MOS值，通过验证发现，开启该功能对指标有所改善。
开启ROHC包头压缩功能，丢包率由0.98降低到0.41，MOS3.0
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