VoLTE的业务带宽计算及其空口承载能力

燚先生

一、概述

当空口全部采用共享信道来并发承载业务时，信道已不是一份固定的物理资源，并且不同业务也会互相抢占资源。容量不是一个固定的取值，也无法直接与接入用户数和阻塞率用显性表达式来描述，不变的是业务层对QoS的要求，变化的是承载能力。本文拟对VoLTE的业务带宽计算及其空口承载能力做一个较为系统性的阐述。

二、语音带宽计算

1、业务层带宽

语音采用AMR编码（帧格式）在网络中传输，规范定义两种类型的帧格式：AMR IF1 和 AMR IF2，由于IF2相比IF1减少了重复的Frame Quality Indicator, Mode Indication, Mode Request 和CRC 校验，因此ITU-T的H系列建议中通常使用IF2，3GPP则在TS 26.201和TS 26.101进一步明确了AMR-WB和AMR-NB在无线网络中的使用要求。

表1 3GPP定义的AMR的传输帧格式

注*：为语音数据，即Class A/B/C比特数，如477bit=23.85kbps*20ms。

注**：AMR帧中数据的长度并不是字节（8bit）的整数倍，所以在有些帧的末尾需要增加bit填充，以使整个帧的长度达到字节的整数倍。

2、IP层带宽

表2 AMR带宽计算

注*：上述单位均为bit或kbps。

说明1：语音包大小=N*8；IP+UDP+RTP头共60Byte，RoHC压缩为4Byte（PDCP和RLC层SN大小分别为12bit和10bit，若采用7bit和5bit可压缩为3Byte），假设语音静默比为0.5，PDCP+RLC+MAC头共6Byte。

说明2：上表应用到的计算公式。

单个语音业务占用带宽 = (1秒内的静默帧bit数+1秒内的语音帧比特数)/1024 kbps

1秒内的静默帧比特数=(静默帧大小+IP/UDP/RTP头）*1秒的最大静默帧个数*静默比*8

1秒内的语音帧比特数=(语音帧大小+IP/UDP/RTP头）*1秒的最大语音帧个数*(1-静默比)*8

1秒的最大静默帧个数 =1000ms/160ms  其中160ms为静默帧的周期

1秒的最大语音帧个数 =1000ms/20ms   其中20ms为语音帧的周期

说明3：从上表也能看到RoHC的压缩效率可达50%以上，因此在VoLTE网络中开启RoHC功能具有非常积极的意义。

从表2可以看到，AMR-WB23.85的最大IP层RTP带宽为47.27kbps，AMR-WB12.65的最大IP层RTP带宽为36.33kbps，在实际参数（b=AS）配置时通常取整数值48kbps和37kbps。

而在配置专用承载（DBR）的带宽时，还要考虑RTCP的带宽，即DRB GBR =RTP带宽+RTCP带宽，其中RTP带宽由“m=audio”下的“b=AS”参数得到，而RTCP带宽计算略微复杂，具体如下：

如果b=RS和b=RR参数存在，那么UL和DL的RTCP带宽 = (bRS +bRR)/1000。

如果没有b=RS或者b=RR参数，那么UL和DL的RTCP带宽 =MAX[0.05*bAS, bRS/1000或者bRR/1000]。

如果b=RS或者b=RR都不存在，那么UL和DL的RTCP带宽 = 0.05*bAS。

表3 专载带宽计算

3、MAC层带宽
      
语音IP包要在空口传输还需要经过层二DPCP层、RLC和MAC层的SDU和PDU的转换，增加了约6Byte的包头开销。

表4 Type0下传输效率计算

上表假设PRB数总为4个，采用不同的MCS等级来提供不同的TB块，可以看到包头压缩即使在多个分段之后，也能提供较高的数据传输效率，但在RLC分段数超过4个，传输效率有一个明显的下跳，故而在网络中应该控制RLC分段数在4个以内，以保证较好的传输效率。

当信道质量严重恶化，如SINR低于-3dB时，CQI约为3，采用的MCS Index为1，对应的TBS Index为1。对于AMR-WB23.85当未采用RoHC时，为传输TBS=1016bit的MAC层传输块（TB），需要占用不低于29个PRB的资源，即需要32个PRB。而同等情况下，采用RoHC时，仅需要16个PRB。那么考虑UL1L3配置时的上行链路，一个10ms无线帧仅能提供176个PRB，未采用RoHC时，当接入用户数超过10个时，RTP时延将开始增大，语音MOS开始变差。

三、视频带宽计算

视频的东西太复杂也比较乱，反正就是各种不兼容，要讲清楚不容易。这里谈一谈带宽相关的问题，聚焦于视频的传输格式。

H.264是ISO和ITU在MPEG-4技术的基础之上共同提出的数字视频编码标准，又称为MPEG-4 AVC，具有高图像质量和高压缩效率的特点。

为满足不同应用对图像质量和计算复杂度的不同要求，H.264定义了21 套的能力，被称为配置文件（Profile），表5是常用的4种Profile，每个profile支持一组特定的算法特征和限制的子集，任何遵守某个profile 的解码器都应该支持与其相应的子集。

表5 常用的视频配置文件

为进一步说明给定profile下，对解码器的处理能力和内存容量的要求，定义了等级（Level）的概念对应到一组参数（如取样速率、图像尺寸、编码比特率等），标准中采用语法成员（syntax element）来描述各种参数值的限制。

表6 常见的视频等级

如何根据分辨率计算帧率和等级

以720p视频为例，

（1）协议规定宏块尺寸是16x16bit => 水平宏块数=1280/16=80，垂直宏块数=720/16=45

（2）每帧宏块数=80*45=3600

（3）若帧率为30，每秒最大宏块数=3600*30=108000

（4）参考表6，等级3.1可提供该能力。

如何计算最大存储帧数

协议定义了在不同的级别（Level）下，最大的解码图片缓存区宏块数（MaxDpbMbs），以等级为3.1的720p视频为例，最大的解码图片缓存区宏块数为18000，最大存储帧数为5（见表6最后一列的括号中取值）。计算公式如下：

最大存储帧数=min(floor(MaxDpbMbs/ (水平宏块数 * 垂直宏块数)), 16)

表7 常见视频格式的主要参数和带宽

假设网络配置为UL1L3， PUCCH占用12个PRB，对于720p视频而言，上行每TTI传输的TBS=10880，当MCS低于8时将无法承载，对应要求下行的SINR应当高于3dB，因此对于TDD网络而言很难承载720p视频业务。

下面我们来看一个实例

m=video 60010 RTP/AVP 113 114
b=AS:882
b=RS:8000
b=RR:6000
a=rtpmap:113 H264/90000
a=fmtp:113profile-level-id=42C016;packetization-mode=1;sar-understood=16;sar-supported=1;sprop-parameter-sets=Z0LAFtoHgUaAbQoTUA==,aM4G4g==

这是一个采用H264的视频媒体，时钟频率为90000，RTP带宽为882kbps，RTCP带宽为14kbps。

packetization-mode=1

表示支持的封包模式.

当 packetization-mode 的值为 0 时或不存在时, 必须使用单一 NALU 单元模式.

当 packetization-mode 的值为 1 时必须使用非交错(non-interleaved)封包模式.

当 packetization-mode 的值为 2 时必须使用交错(interleaved)封包模式.

profile-level-id=42C016

[PROFILE IDC]=0x42，即为BP的画质。注：0x42=BP，0x4D=MP，0x64=HP

[PROFILE IOP]=0xC0，即编码器的NALU执行BP、EP和MP所有约束

[LEVEL IDC]=0x16，即level=2.2

四、总结

对于语音业务，IP层的GBR带宽设置分别为51kbps@AMR-WB23.85和39kbps@AMR-WB12.65，RoHC的使用可以显著提高传输的效率，即使在RLC层做小于4个的分段，也能保证高于50%的传输效率。由于分段个数与资源数量和无线环境有关，同样的语音业务表现在MAC层上的速率将是一个变化值。在网络运维中，可以通过统计每DPCP层包的bit数是否超过1000来判断上下行是否开启RoHC。

对于视频业务，最重要的参数有配置和级别，尤其是级别所定义的参数与视频的带宽密切相关。对于目前TDD网络的配置而言，难以承载720p业务，建议承载Level值为2.2的VGA业务。