VoLTE語(yǔ)音和視頻業(yè)務(wù)帶寬計(jì)算

一、概述

當(dāng)空口全部采用共享信道來(lái)并發(fā)承載業(yè)務(wù)時(shí)，信道已不是一份固定的物理資源，并且不同業(yè)務(wù)也會(huì)互相搶占資源。容量不是一個(gè)固定的取值，也無(wú)法直接與接入用戶數(shù)和阻塞率用顯性表達(dá)式來(lái)描述，不變的是業(yè)務(wù)層對(duì)QoS的要求，變化的是承載能力。本文擬對(duì)VoLTE的業(yè)務(wù)帶寬計(jì)算及其空口承載能力做一個(gè)較為系統(tǒng)性的闡述。

二、語(yǔ)音帶寬計(jì)算

1、業(yè)務(wù)層帶寬

語(yǔ)音采用AMR編碼（幀格式）在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，規(guī)范定義兩種類型的幀格式：AMR IF1 和 AMR IF2，由于IF2相比IF1減少了重復(fù)的Frame Quality Indicator, Mode Indication, Mode Request 和CRC 校驗(yàn)，因此ITU-T的H系列建議中通常使用IF2，3GPP則在TS 26.201和TS 26.101進(jìn)一步明確了AMR-WB和AMR-NB在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的使用要求。

注*：為語(yǔ)音數(shù)據(jù)，即Class A/B/C比特?cái)?shù)，如477bit=23.85kbps*20ms。

注**：AMR幀中數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度并不是字節(jié)（8bit）的整數(shù)倍，所以在有些幀的末尾需要增加bit填充，以使整個(gè)幀的長(zhǎng)度達(dá)到字節(jié)的整數(shù)倍。

2、IP層帶寬

表2 AMR帶寬計(jì)算

注*：上述單位均為bit或kbps。

說(shuō)明1：語(yǔ)音包大小=N*8；IP+UDP+RTP頭共60Byte，RoHC壓縮為4Byte（PDCP和RLC層SN大小分別為12bit和10bit，若采用7bit和5bit可壓縮為3Byte），假設(shè)語(yǔ)音靜默比為0.5，PDCP+RLC+MAC頭共6Byte。

說(shuō)明2：上表應(yīng)用到的計(jì)算公式。

單個(gè)語(yǔ)音業(yè)務(wù)占用帶寬 = (1秒內(nèi)的靜默幀bit數(shù)+1秒內(nèi)的語(yǔ)音幀比特?cái)?shù))/1024 kbps

1秒內(nèi)的靜默幀比特?cái)?shù)=(靜默幀大小+IP/UDP/RTP頭）*1秒的最大靜默幀個(gè)數(shù)*靜默比*8

1秒內(nèi)的語(yǔ)音幀比特?cái)?shù)=(語(yǔ)音幀大小+IP/UDP/RTP頭）*1秒的最大語(yǔ)音幀個(gè)數(shù)*(1-靜默比)*8

1秒的最大靜默幀個(gè)數(shù) =1000ms/160ms  其中160ms為靜默幀的周期

1秒的最大語(yǔ)音幀個(gè)數(shù) =1000ms/20ms   其中20ms為語(yǔ)音幀的周期

說(shuō)明3：從上表也能看到RoHC的壓縮效率可達(dá)50%以上，因此在VoLTE網(wǎng)絡(luò)中開啟RoHC功能具有非常積極的意義。

從表2可以看到，AMR-WB23.85的最大IP層RTP帶寬為47.27kbps，AMR-WB12.65的最大IP層RTP帶寬為36.33kbps，在實(shí)際參數(shù)（b=AS）配置時(shí)通常取整數(shù)值48kbps和37kbps。

而在配置專用承載（DBR）的帶寬時(shí)，還要考慮RTCP的帶寬，即DRB GBR =RTP帶寬+RTCP帶寬，其中RTP帶寬由“m=audio”下的“b=AS”參數(shù)得到，而RTCP帶寬計(jì)算略微復(fù)雜，具體如下：

·         如果b=RS和b=RR參數(shù)存在，那么UL和DL的RTCP帶寬 = (bRS +bRR)/1000。

·         如果沒(méi)有b=RS或者b=RR參數(shù)，那么UL和DL的RTCP帶寬 =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帶寬 = 0.05*bAS。

表3 專載帶寬計(jì)算

3、MAC層帶寬

語(yǔ)音IP包要在空口傳輸還需要經(jīng)過(guò)層二DPCP層、RLC和MAC層的SDU和PDU的轉(zhuǎn)換，增加了約6Byte的包頭開銷。

表4 Type0下傳輸效率計(jì)算

上表假設(shè)PRB數(shù)總為4個(gè)，采用不同的MCS等級(jí)來(lái)提供不同的TB塊，可以看到包頭壓縮即使在多個(gè)分段之后，也能提供較高的數(shù)據(jù)傳輸效率，但在RLC分段數(shù)超過(guò)4個(gè)，傳輸效率有一個(gè)明顯的下跳，故而在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)該控制RLC分段數(shù)在4個(gè)以內(nèi)，以保證較好的傳輸效率。

當(dāng)信道質(zhì)量嚴(yán)重惡化，如SINR低于-3dB時(shí)，CQI約為3，采用的MCS Index為1，對(duì)應(yīng)的TBS Index為1。對(duì)于AMR-WB23.85當(dāng)未采用RoHC時(shí)，為傳輸TBS=1016bit的MAC層傳輸塊（TB），需要占用不低于29個(gè)PRB的資源，即需要32個(gè)PRB。而同等情況下，采用RoHC時(shí)，僅需要16個(gè)PRB。那么考慮UL1:DL3配置時(shí)的上行鏈路，一個(gè)10ms無(wú)線幀僅能提供176個(gè)PRB，未采用RoHC時(shí)，當(dāng)接入用戶數(shù)超過(guò)10個(gè)時(shí)，RTP時(shí)延將開始增大，語(yǔ)音MOS開始變差。 

三、視頻帶寬計(jì)算

視頻的東西太復(fù)雜也比較亂，反正就是各種不兼容，要講清楚不容易。這里談一談帶寬相關(guān)的問(wèn)題，聚焦于視頻的傳輸格式。

H.264是ISO和ITU在MPEG-4技術(shù)的基礎(chǔ)之上共同提出的數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，又稱為MPEG-4 AVC，具有高圖像質(zhì)量和高壓縮效率的特點(diǎn)。

為滿足不同應(yīng)用對(duì)圖像質(zhì)量和計(jì)算復(fù)雜度的不同要求，H.264定義了21 套的能力，被稱為配置文件（Profile），表5是常用的4種Profile，每個(gè)profile支持一組特定的算法特征和限制的子集，任何遵守某個(gè)profile 的解碼器都應(yīng)該支持與其相應(yīng)的子集。

表5 常用的視頻配置文件

為進(jìn)一步說(shuō)明給定profile下，對(duì)解碼器的處理能力和內(nèi)存容量的要求，定義了等級(jí)（Level）的概念對(duì)應(yīng)到一組參數(shù)（如取樣速率、圖像尺寸、編碼比特率等），標(biāo)準(zhǔn)中采用語(yǔ)法成員（syntax element）來(lái)描述各種參數(shù)值的限制。

表6 常見(jiàn)的視頻等級(jí)

·         如何根據(jù)分辨率計(jì)算幀率和等級(jí)

以720p視頻為例，

（1）協(xié)議規(guī)定宏塊尺寸是16x16bit => 水平宏塊數(shù)=1280/16=80，垂直宏塊數(shù)=720/16=45

（2）每幀宏塊數(shù)=80*45=3600

（3）若幀率為30，每秒最大宏塊數(shù)=3600*30=108000

（4）參考表6，等級(jí)3.1可提供該能力。

·         如何計(jì)算最大存儲(chǔ)幀數(shù)

·          

·         協(xié)議定義了在不同的級(jí)別（Level）下，最大的解碼圖片緩存區(qū)宏塊數(shù)（MaxDpbMbs），以等級(jí)為3.1的720p視頻為例，最大的解碼圖片緩存區(qū)宏塊數(shù)為18000，最大存儲(chǔ)幀數(shù)為5（見(jiàn)表6最后一列的括號(hào)中取值）。計(jì)算公式如下：

·          

最大存儲(chǔ)幀數(shù)=min(floor(MaxDpbMbs/ (水平宏塊數(shù) * 垂直宏塊數(shù))), 16)

表7 常見(jiàn)視頻格式的主要參數(shù)和帶寬

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)配置為UL1:DL3， PUCCH占用12個(gè)PRB，對(duì)于720p視頻而言，上行每TTI傳輸?shù)?/span>TBS=10880，當(dāng)MCS低于8時(shí)將無(wú)法承載，對(duì)應(yīng)要求下行的SINR應(yīng)當(dāng)高于3dB，因此對(duì)于TDD網(wǎng)絡(luò)而言很難承載720p視頻業(yè)務(wù)。

下面我們來(lái)看一個(gè)實(shí)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==

這是一個(gè)采用H264的視頻媒體，時(shí)鐘頻率為90000，RTP帶寬為882kbps，RTCP帶寬為14kbps。

·         packetization-mode=1

表示支持的封包模式.

當(dāng) packetization-mode 的值為 0 時(shí)或不存在時(shí), 必須使用單一 NALU 單元模式.

當(dāng) packetization-mode 的值為 1 時(shí)必須使用非交錯(cuò)(non-interleaved)封包模式.

當(dāng) packetization-mode 的值為 2 時(shí)必須使用交錯(cuò)(interleaved)封包模式. 

·         profile-level-id=42C016

[PROFILE IDC]=0x42，即為BP的畫質(zhì)。注：0x42=BP，0x4D=MP，0x64=HP

[PROFILE IOP]=0xC0，即編碼器的NALU執(zhí)行BP、EP和MP所有約束

[LEVEL IDC]=0x16，即level=2.2 

四、總結(jié)

對(duì)于語(yǔ)音業(yè)務(wù)，IP層的GBR帶寬設(shè)置分別為51kbps@AMR-WB23.85和39kbps@AMR-WB12.65，RoHC的使用可以顯著提高傳輸?shù)男�率，即使�?/span>RLC層做小于4個(gè)的分段，也能保證高于50%的傳輸效率。由于分段個(gè)數(shù)與資源數(shù)量和無(wú)線環(huán)境有關(guān)，同樣的語(yǔ)音業(yè)務(wù)表現(xiàn)在MAC層上的速率將是一個(gè)變化值。在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維中，可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)每DPCP層包的bit數(shù)是否超過(guò)1000來(lái)判斷上下行是否開啟RoHC。

對(duì)于視頻業(yè)務(wù)，最重要的參數(shù)有配置和級(jí)別，尤其是級(jí)別所定義的參數(shù)與視頻的帶寬密切相關(guān)。對(duì)于目前TDD網(wǎng)絡(luò)的配置而言，難以承載720p業(yè)務(wù)，建議承載Level值為2.2的VGA業(yè)務(wù)。