高铁VoLTE优化研究

高铁VoLTE优化研究

1 研究背景

中国高速铁路在近年来取得了快速的发展，全国高铁运营里程已超过2.2万公里。随着乘客数量的不断增加，高铁网络质量和业务感知日益成为影响运营商品牌形象的重要因素。2017年6月安徽电信在完成L1800M高铁沿线覆盖的基础上，全省开通L800M基站，实现高铁场景L800&L1800多频覆盖。

在夯实高铁网络质量的同时，以VoLTE商用为契机，前瞻性地开展高铁VoLTE优化的创新研究。主要工作内容如下：

1、开展高铁场景VoLTE网络评估，分析无线侧RSRP&SINR&Tx_power等参数与VoLTE感知相关曲线，探索高铁场景下基于用户感知的覆盖标准，指导后期高铁场景规划与优化。

2. 全面地评估高铁VoLTE业务性能，验证各个频点VoLTE承载能力，总结安徽高铁场景VoLTE业务驻留最佳频点

3. 针对安徽电信高铁场L800&L1800双频组网的网络特性，开展针对性研究，制定符合用户感知的多套VoLTE参数标准，并在现网验证实测，力求用户感知最优化。

4. 通过对LTE网络无线侧常见异常事件分析，总结各异常事件对VoLTE感知影响。

2 高铁场景业务特性

高铁场景区别于其他场景（城区、高速、铁路等）的主要特点在于高铁场景用户运动速度远高于其他场景，超高的运动速度对用户网络体验带来了很大的挑战。

1.1.1.高速移动影响速率

高速移动下产生的多普勒频偏会导致上下行的速率有所下降，下图分别是频偏对下行速率和上行速率的影响对比图，作图为高铁场景低速小区配置与城区低速小区配置的SINR与下行速率分布对比图，DL-HS即下行高速小区配置，DL-LS即下行低速小区配置，右图为高铁下低速小区配置与城区低速小区配置下的上行路损与上行速率的对比图。

1.1.

2.高铁切换频繁

如下为一般测试过程中，高铁小区驻留与切换情况的统计，从实际测试结果来看，高铁用户一般6-10s进行一次切

换，切换十分频繁。频繁的切换对用户速率感知带来了很大的风险与挑战。

高铁的切换频度

由下图可知，每次切换都伴随着下行速率的掉坑（蓝线为下行速率，红线为SINR，紫色竖线为切换点）

高铁频繁切换对速率的影响

1.1.3.多普勒效应影响

列车高速运动会导严重的多普勒效应，多普勒频移与列车的速度相关，车速受客观条件的限制是时变的，所以多普勒频移也是时变的。对接收机来讲，相当于有个时变的频率对原有接收信号进行了调制，如果不能排除该时变的频率影响，必然会导致接收机的解调性能下降。

多普勒效应所引起的频移称为多普勒频移（Doppler shift），多普勒频移计算公式为：

f d=f

C

×v×cosθ

其中：

f d为多普勒频移；

θ为终端移动方向和信号传播方向的角度；

v是终端运动速度，m/s；

C为电磁波传播速度，3×108m/s；

f为载波频率，计算上行多普勒频移时，f对应上行发射频率，同理下行亦然；

以下是高铁场景通信时的频移产生示意图，假设上下行频率都为f，可知：

UE驶向基站时，会产生一个+f d的频偏，即UE的工作频率为f+f d；对于基站上行接收端，UE驶向基站又会产生一个+f d的频偏，因此基站接收到的频率为f+2f d。

同理，UE驶离基站时，上行发射频率为f?f d，基站接收到的频率为f?2f d。

UE在移动过程中移动方向与信号传播方向角度一直在变化，根据多普勒频移计算公式可知，UE在小区边缘时频偏最大，UE在小区近点时频偏最小。

站点与铁路距离远近对UE频偏也有影响（主要影响入射角θ），站点离铁路较远时UE频偏较小（θ相对较大），站点离铁路较近时UE频偏较大（θ相对较小）。

多普勒频移示意图

下表为不同频段和不同速度时候的最大频偏：

注：1、最大频偏为用户移动方向和基站信号传播方向的夹角为0或180度。

2、36.101规定终端晶振频偏最大范围为+-0.1PPM，实际网络最大频偏比上表略大，具体与终端晶振性能有关。

3 高铁场景VoLTE优化研究思路

安徽现有高铁7条高铁，共计1400公里，分别为京沪、合蚌、合宁、合福、合武、宁安、徐兰高铁，高铁场景L1800G 平均站间距约1.5公里，L800M合路C网进行建设，平均站间距为4公里左右，京沪、合蚌、合福、徐兰高铁运行速率高，为300公里/h，合宁、合武、宁安高铁运行速率为200公里/h,本文实验区域为京沪高铁安徽段，设计最高速度为380公里/小时，当前运营速度为350公里/小时，线路长度266公里，途经宿州、蚌埠、滁州三市，沿线主要是平原和丘陵地带，隧道数量较少。

VoLTE语音解决方案与传统的电路交换系统（CS）语音业务不同，复杂的网络架构和全新的端到端IP语音业务模式，为网络优化工作带来新的挑战；同时高铁场景特有的多普勒效应和较大的车体损耗、以及重叠区不能满足切换和重选要求等因素，进一步增加了提升高铁VoLTE业务性能工作的难度。本文研究主要思路如下：

1、分别锁频L800与L1800测试VoLTE长呼、短呼，根据测试情况选择安徽高铁场景的优先驻留频段，确定是否需求开启语数分离功能。

2、根据高铁场景各频段覆盖情况，使用数据业务的多频参数测试VoLTE业务，分析VoLTE业务MOS值与无线侧RSRP、SINR、Tx_power等参数之间关系，得到VoLTE网络覆盖标准。

3、根据VoLTE网络覆盖标准制定基于不同标准的参数覆盖标准，并在高铁场景进行试验总结高铁场景的多频参数标准，解决是否需要开启基于QCI1（VoLTE语音）的特性，实现数据业务和语音业务使用不同的切换参数。

4、分析高铁测试过程中场景下无线侧常见异常事件对高铁VoLTE语音感知影响，为后期高铁无线侧VoLTE优化积累宝贵经验。

4高铁场景VoLTE驻留频点研究

测试区域为京沪高铁滁州-宿州段，总里程215公里；京沪高铁L800M站间距约为4公里，L1800G站间距约为1.5公里；测试期间分别进行了锁频800M与锁频1800M长呼和短呼测试，测试结果如下：

从测试结果来看，安徽高铁场景L1800M覆盖较L800M覆盖有明显优势，虽然L800M在切换次数、多普勒频偏等方面具有优势，但从高铁测试结果来看L1800M在覆盖较好时能够提供较好的语音用户体验，MOS优良比、RTP丢包率、呼叫建立时延、掉话率等方面都有明显的优势。

从测试结果来看，安徽高铁场景不具备使用语音专用载频的条件，建议与数据业务一样，优先驻留L1800M,通过多频切换参数优化，使得高铁场景的VoLTE业务在1.8G与800M 间平滑切换，保障感知体验最优。

5高铁场景VoLTE覆盖标准研究

VoLTE商用前，需要对高铁场景VoLTE覆盖标准进行研究，指导规划建设，安徽公司针对京沪高铁进行相关研究，测试区域为京沪高铁合肥-宿州段，总里程215公里，京沪高铁LTE800M站间距约为4公里，LTE1.8G站间距约为1.5公里，采用长呼测试，VoLTE采用自由选频，测试结果如下：

（备注：CDMA覆盖按RX≥-95dBm计算，VoLTE覆盖按RSRP≥-105dBm计算）

我省高铁参数标准因不是专网覆盖

从测试不锁频结果来看，高铁场景VoLTE覆盖率与CDMA 网络可比，MOS大于3.5比例较CDMA网络有优势，同时对高铁场景异频切换进行了研究：

“无切换”的MOS均值为RSRP介于（-110，-100）范围内的采样，通过研究表明，从纯覆盖角度，L800M与1.8G混合组网可以满足高铁覆盖。

为了研究高铁场景下覆盖率标准，我们对测试数据RSRP、SINR、TX_power等无线侧参数与VoLTE语音MOS值进行了关系曲线拟合，从关系曲线中获得高铁VoLTE覆盖的感知临界点，从而获得高铁场景VoLTE覆盖标准，高铁场景RSRP与MOS值关系曲线如下图：

以MOS优良比90%为覆盖标准，高铁场景RSRP需要满足-95dbm才能保证高铁场景VoLTE感知。

高铁场景SINR与MOS值关系曲线如下图：

以MOS优良比90%为覆盖标准，高铁场景SINR需要满足6db才能保证高铁场景VoLTE感知。

从上述研究，如果要保持较好的高铁VoLTE感知体验，高铁场景VoLTE业务较数据业务对网络覆盖要求更为严苛，建议高铁场景的VoLTE覆盖标准为RSRP≥-95dbm,SINR大于等于6db。

6高铁场景VoLTE三套参数的研究

高铁场景L1800与L800M异频组网情况下，需合理设置异频切换参数，使两张网络有机协同，网络综合覆盖质量和VOLTE用户感知均达到最优。

研究目的：合理设置高铁场景L1800&L800的异频切换参数，确保VOLTE业务语音质量优先，同时尽可能降低异频测量及切换事件的发生几率。

先获取高铁场景L1800与L800M覆盖情况下，用户优先驻留频段，然后根据RSRP与MOS的感知分析确定高铁场景覆盖标准，以此为依据制定不同异频切换参数组合，并进行参数测试验证，对不同参数组合设置下的网络性能进行测试评估，找出最优设置。

6.1 制定参数组合

通过锁频L800与L1800测试VoLTE业务，根据测试结果得到高铁用户优先驻留L1800；通过高铁场景RSRP与MOS 值的感知关联分析得出L1800的RSRP<-105dBm时，MOS平均值波动比较大，从覆盖率最优、MOS值>=-3.5的比例最优、

异频切换次数少3个维度考虑，设置高铁场景3种L1800&L800M切换参数门限，得出3套异频切换参数组合。从理论分析，组合1下用户的覆盖率最低，组合2的异频切换次数最少，组合3的MOS值>=-3.5的比例最优。

组合2：L1800&L800基于覆盖A2+A5 组合3：L1800&L800基于覆盖A2+A4

6.2 参数测试验证

选择京沪高铁蚌埠至徐州段，全长175公里，VoLTE语音测试统一采用每次通话时长180秒，间隔20秒的方式，分别对以上3中组合参数开展测试。

6.3 验证结论评估分析

分析覆盖率、平均MOS值、占用L1800比例、异频切换次数，综合评价参数合理性。

（1）组合1网络覆盖率最优，平均MOS值最低，异频切换次数最多；

（2）组合2覆盖率最低，占用1.8G比例最优；

（3）组合3 MOS>=3.5的比例最优，覆盖率优于组合2，异频切换次数优于组合1。

测试结果：

通过以上3种组合对比测试，组合3的MOS值>=3.5的比例最优，覆盖率优于组合2，异频切换次数优于组合1，组合3网络综合覆盖质量、用户感知最优。

高铁场景VOLTE语音L1.8G至L800的异频切换应采用基于覆盖的A2+A4方式，A2门限-109dBm，A4门限-105dBm （时间/幅度迟滞=1秒/dB），L800有效托底，确保volte语音感知最优。

7异常事件对VoLTE感知影响研究

7.1影响高铁VoLTE呼叫建立成功率的因素

影响VoLTE接通率的主要因素包括专载建立问题、SIP 流程问题、无线问题、寻呼问题，目前高铁场景下，对呼叫建立成功率影响较大的因素如下：

1.寻呼问题：

（1）高铁场景重选时延过长造成下行强干扰，影响寻呼成功率

由于网络配置Treselection = 1秒，UE必须等待无线环境满足小区重选条件1秒以上,才能发起重选。在高铁场景1秒后，UE驻留小区的无线环境会发生明显的恶化, 被叫在寻呼消息下发的时刻，如果下行干扰过大，会导致寻呼失败。

优化建议：建议在高铁场景将Treselection定时器由1秒改为0秒，当无线环境满足小区重选条件后，终端立刻发起小区重选，可以避免由于小区重选时延造成的下行强干扰，提高首次寻呼成功率。

（2）寻呼间隔与IMS域选定时器设置不匹配

现网IMS侧的域选定时器（TADS Timer）设置为4秒，而寻呼间隔设置为6秒。当被叫第一次寻呼失败后，在EPC 下发第二次寻呼前，IMS的域选定时器超时，会触发域选流程，该流程触发后，网络侧向主叫回复原因值为“No User Responding”的SIP 183消息，导致VoLTE 呼叫建立失败。相关SIP 信令流程如下图所示：

优化建议：鉴于现网采用3次寻呼策略，建议将寻呼间

隔由6秒改为3秒，将域选定时器由4秒改为12秒；域选定时

器延长后，被叫可以接收3次寻呼，能够有效提升VoLTE呼

叫建立成功率，同时有利于缩短VoLTE呼叫建立时延。

2.在覆盖较弱区域，终端发生无线链路失败，或是SIP消

息在RLC层分片过多，造成SIP消息的端到端长时延，触发IMS网元侧定时超时，导致VoLTE呼叫建立失败。

优化建议：采取覆盖优化、切换参数优化、RLC分片机制优化等措施。

7.1.1 EPC寻呼间隔与IMS域选定时器设置不匹配导致呼叫建立失败

【问题描述】

主叫发出 SIP INVITE消息6秒后，网络侧回复原因值为“No User Responding”的SIP 183消息，导致VoLTE 呼叫建立失败。经分析，被叫在第一次寻呼消息下发的时刻，下行干扰极大（SINR<-10 dB），导致寻呼失败。

【问题分析】

造成下行强干扰的根因是重选时延过长，由于网络配置Treselection = 1秒，UE必须等待无线环境满足小区重选条件1秒以上,才能发起重选。在高铁场景1秒后，UE驻留小区的无线环境会发生明显的恶化，导致SINR从-1dB 陡降至-12dB。主叫信令流程和被叫重选时延分析如下图所示：

被叫在第一次寻呼失败后，间隔6秒收到第二次寻呼消息，并建立RRC连接；但网络侧已经给主叫回复原因值为“No User Responding”的SIP 183消息，导致VoLTE呼叫建立失败。MT成功收到第二次寻呼消息的MME信令跟踪如下图所示：