VoLTE語音和視頻業(yè)務帶寬計算
一、概述
當空口全部采用共享信道來并發(fā)承載業(yè)務時，信道已不是一份固定的物理資源，并且不同業(yè)務也會互相搶占資源。容量不是一個固定的取值，也無法直接與接入用戶數(shù)和阻塞率用顯性表達式來描述，不變的是業(yè)務層對QoS的要求，變化的是承載能力。本文擬對VoLTE的業(yè)務帶寬計算及其空口承載能力做一個較為系統(tǒng)性的闡述。
二、語音帶寬計算
1、業(yè)務層帶寬
語音采用AMR編碼（幀格式）在網(wǎng)絡中傳輸，規(guī)范定義兩種類型的幀格式：AMR IF1 和 AMR IF2，由于IF2相比IF1減少了重復的Frame Quality Indicator, Mode Indication, Mode Request 和CRC 校驗，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進一步明確了AMR-WB和AMR-NB在無線網(wǎng)絡中的使用要求。
注*：為語音數(shù)據(jù)，即Class A/B/C比特數(shù)，如477bit=23.85kbps*20ms。
注**：AMR幀中數(shù)據(jù)的長度并不是字節(jié)（8bit）的整數(shù)倍，所以在有些幀的末尾需要增加bit填充，以使整個幀的長度達到字節(jié)的整數(shù)倍。
2、IP層帶寬
表2 AMR帶寬計算
注*：上述單位均為bit或kbps。
說明1：語音包大小=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），假設語音靜默比為0.5，PDCP+RLC+MAC頭共6Byte。
說明2：上表應用到的計算公式。
單個語音業(yè)務占用帶寬 = (1秒內(nèi)的靜默幀bit數(shù)+1秒內(nèi)的語音幀比特數(shù))/1024 kbps
1秒內(nèi)的靜默幀比特數(shù)=(靜默幀大小+IP/UDP/RTP頭）*1秒的最大靜默幀個數(shù)*靜默比*8
1秒內(nèi)的語音幀比特數(shù)=(語音幀大小+IP/UDP/RTP頭）*1秒的最大語音幀個數(shù)*(1-靜默比)*8
1秒的最大靜默幀個數(shù) =1000ms/160ms 其中160ms為靜默幀的周期
1秒的最大語音幀個數(shù) =1000ms/20ms 其中20ms為語音幀的周期
說明3：從上表也能看到RoHC的壓縮效率可達50%以上，因此在VoLTE網(wǎng)絡中開啟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，在實際參數(shù)（b=AS）配置時通常取整數(shù)值48kbps和37kbps。
而在配置專用承載（DBR）的帶寬時，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帶寬計算略微復雜，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 專載帶寬計算
3、MAC層帶寬
語音IP包要在空口傳輸還需要經(jīng)過層二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下傳輸效率計算
上表假設PRB數(shù)總為4個，采用不同的MCS等級來提供不同的TB塊，可以看到包頭壓縮即使在多個分段之后，也能提供較高的數(shù)據(jù)傳輸效率，但在RLC分段數(shù)超過4個，傳輸效率有一個明顯的下跳，故而在網(wǎng)絡中應該控制RLC分段數(shù)在4個以內(nèi)，以保證較好的傳輸效率。
當信道質(zhì)量嚴重惡化，如SINR低于-3dB時，CQI約為3，采用的MCS Index為1，對應的TBS Index為1。對于AMR-WB23.85當未采用RoHC時，為傳輸TBS=1016bit的MAC層傳輸塊（TB），需要占用不低于29個PRB的資源，即需要32個PRB。而同等情況下，采用RoHC時，僅需要16個PRB。那么考慮UL1:DL3配置時的上行鏈路，一個10ms無線幀僅能提供176個PRB，未采用RoHC時，當接入用戶數(shù)超過10個時，RTP時延將開始增大，語音MOS開始變差。
三、視頻帶寬計算
視頻的東西太復雜也比較亂，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的問題，聚焦于視頻的傳輸格式。
H.264是ISO和ITU在MPEG-4技術的基礎之上共同提出的數(shù)字視頻編碼標準，又稱為MPEG-4 AVC，具有高圖像質(zhì)量和高壓縮效率的特點。
為滿足不同應用對圖像質(zhì)量和計算復雜度的不同要求，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profile支持一組特定的算法特征和限制的子集，任何遵守某個profile 的解碼器都應該支持與其相應的子集。
表5 常用的視頻配置文件
為進一步說明給定profile下，對解碼器的處理能力和內(nèi)存容量的要求，定義了等級（Level）的概念對應到一組參數(shù)（如取樣速率、圖像尺寸、編碼比特率等），標準中采用語法成員（syntax element）來描述各種參數(shù)值的限制。
表6 常見的視頻等級
· 如何根據(jù)分辨率計算幀率和等級
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3.1可提供該能力。
· 如何計算最大存儲幀數(shù)
·
· 協(xié)議定義了在不同的級別（Level）下，最大的解碼圖片緩存區(qū)宏塊數(shù)（MaxDpbMbs），以等級為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，最大存儲幀數(shù)為5（見表6最后一列的括號中取值）。計算公式如下：
·
最大存儲幀數(shù)=min(floor(MaxDpbMbs/ (水平宏塊數(shù) * 垂直宏塊數(shù))), 16)
表7 常見視頻格式的主要參數(shù)和帶寬
假設網(wǎng)絡配置為UL1:DL3， PUCCH占用12個PRB，對于720p視頻而言，上行每TTI傳輸?shù)?/span>TBS=10880，當MCS低于8時將無法承載，對應要求下行的SINR應當高于3dB，因此對于TDD網(wǎng)絡而言很難承載720p視頻業(yè)務。
下面我們來看一個實例
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==
這是一個采用H264的視頻媒體，時鐘頻率為90000，RTP帶寬為882kbps，RTCP帶寬為14kbps。
· packetization-mode=1
表示支持的封包模式.
當 packetization-mode 的值為 0 時或不存在時, 必須使用單一 NALU 單元模式.
當 packetization-mode 的值為 1 時必須使用非交錯(non-interleaved)封包模式.
當 packetization-mode 的值為 2 時必須使用交錯(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)
對于語音業(yè)務，IP層的GBR帶寬設置分別為51kbps@AMR-WB23.85和39kbps@AMR-WB12.65，RoHC的使用可以顯著提高傳輸?shù)男剩词乖?/span>RLC層做小于4個的分段，也能保證高于50%的傳輸效率。由于分段個數(shù)與資源數(shù)量和無線環(huán)境有關，同樣的語音業(yè)務表現(xiàn)在MAC層上的速率將是一個變化值。在網(wǎng)絡運維中，可以通過統(tǒng)計每DPCP層包的bit數(shù)是否超過1000來判斷上下行是否開啟RoHC。
對于視頻業(yè)務，最重要的參數(shù)有配置和級別，尤其是級別所定義的參數(shù)與視頻的帶寬密切相關。對于目前TDD網(wǎng)絡的配置而言，難以承載720p業(yè)務，建議承載Level值為2.2的VGA業(yè)務。
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