于 航，姚 銳，黃幫明

(1.重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065；2. 中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司重慶分公司，重慶 401147)

針對密集城區(qū)場景的VoLTE語音性能研究

于 航1，姚 銳2，黃幫明3

(1.重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065；2. 中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司重慶分公司，重慶 401147)

在LTE網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模部署的現(xiàn)階段，4G用戶規(guī)模和業(yè)務(wù)量持續(xù)攀高，4G手機(jī)滲透率迅速提升，而語音業(yè)務(wù)作為運(yùn)營商重要的收入來源，其重要性不言而喻。針對LTE的語音終極實(shí)現(xiàn)方案VoLTE(Voice over LTE)，研究了實(shí)現(xiàn)VoLTE的關(guān)鍵技術(shù)，分析了影響語音質(zhì)量的多種因素，提出了一種基于E-model的VoLTE語音性能評估方法，在LTE網(wǎng)絡(luò)率先部署的密集城區(qū)場景中，基于不同網(wǎng)絡(luò)配置和并發(fā)用戶數(shù)，對VoLTE業(yè)務(wù)性能進(jìn)行仿真，并采用E模型進(jìn)行語音質(zhì)量分析，最終實(shí)現(xiàn)對VoLTE的語音性能評估。

VoLTE；E-Model；密集城區(qū)；語音性能

LTE是一個高數(shù)據(jù)率、低時延和基于全分組的移動通信系統(tǒng)。隨著LTE網(wǎng)絡(luò)的商用部署，4G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)能夠滿足用戶高數(shù)據(jù)速率需求，而LTE的語音業(yè)務(wù)承載還處于過渡階段。VoLTE作為LTE的終極語音實(shí)現(xiàn)方案，受到業(yè)界廣泛關(guān)注，通過部署VoLTE，語音質(zhì)量能達(dá)到什么水平成為廣大用戶普遍關(guān)心的問題，因此對VoLTE語音性能做出客觀的評價是很有必要的。

以往的語音質(zhì)量評價是基于主觀的MoS法或者客觀的PSQM[1](Perceptual Speech Quality Measurement)、PESQ[2](Perceptual Evaluation of Speech Quality)，將最終的結(jié)果對應(yīng)到平均主觀值MoS，把用戶對話音質(zhì)量的感受按照1～5來分等級，此類方法比較適用于獨(dú)占信道通路的電路域語音評測。但是，不能反映出時延、抖動和丟包等存在于IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上的特有問題，也沒有充分考慮網(wǎng)絡(luò)故障對用戶感知所造成的影響，不適用于在VoLTE這樣的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上分析語音質(zhì)量。針對LTE網(wǎng)絡(luò)的VoIP語音業(yè)務(wù)，本文基于客觀的E模型語音質(zhì)量評估方法，克服了傳統(tǒng)語音質(zhì)量評估方法在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)評測中的不足，從各網(wǎng)絡(luò)損傷因子入手，在不同帶寬和一定并發(fā)用戶數(shù)下對時延、丟包率等話音質(zhì)量相關(guān)因素進(jìn)行仿真，對LTE網(wǎng)絡(luò)下的VoIP業(yè)務(wù)性能做出了精確的評估，驗(yàn)證了VoLTE可以提供相媲美甚至優(yōu)于電路域的語音業(yè)務(wù)。

1 VoLTE關(guān)鍵技術(shù)及語音性能相關(guān)因素

LTE網(wǎng)絡(luò)是一個全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)，只能提供分組域業(yè)務(wù)，在LTE網(wǎng)絡(luò)全I(xiàn)P環(huán)境下實(shí)現(xiàn)VoIP(Voice over IP)服務(wù)(即VoLTE)，接入側(cè)主要由EPS系統(tǒng)提供承載，核心側(cè)由IMS系統(tǒng)提供業(yè)務(wù)控制，此外由PCC架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)用戶業(yè)務(wù)QoS控制以及計費(fèi)策略控制。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上的變化，使得VoLTE相比CS域通話，時延更小，吞吐量更高。下面分析VoLTE的關(guān)鍵技術(shù)和語音性能相關(guān)因素。

圖1 TTI綁定對時延產(chǎn)生的效果

1.1 VoLTE關(guān)鍵技術(shù)

1.1.1 半持續(xù)調(diào)度

由于VoIP數(shù)據(jù)包比較小且傳輸時間間隔短，如果采用動態(tài)調(diào)度，會帶來大量的信令開銷，如果因?yàn)榭刂菩帕畹南拗圃斐捎脩魺o法調(diào)度而扎堆延遲發(fā)送，會導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)包因超時而被丟棄。半持續(xù)調(diào)度是基于VoIP的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，基本思想是首次傳輸使用持續(xù)調(diào)度方式，即對于到達(dá)間隔是20 ms的VoIP新傳包，可以由一條下行控制信令分配頻域資源，以后每隔20 ms就“自動”用分配的頻域資源傳輸新來的包，而對于靜默包和首次調(diào)度的語音包在持續(xù)調(diào)度之后未分配的資源上采用動態(tài)調(diào)度[3]。采用半持續(xù)調(diào)度，可以使網(wǎng)絡(luò)承載更多同時在線的VoIP用戶。

1.1.2 健壯報頭壓縮(ROHC)

VoIP是由實(shí)時傳送協(xié)議RTP、用戶數(shù)據(jù)協(xié)議UDP和網(wǎng)際協(xié)議IP來承載的，其報頭組合可能會達(dá)到40～60 byte，往往要大于話音數(shù)據(jù)包的長度，嚴(yán)重浪費(fèi)了無線帶寬資源。ROHC能夠適應(yīng)高誤碼、長往返時延的無線鏈路，且具有很好的壓縮率和健壯性。RoHC利用RTP、UDP、IP等協(xié)議層報頭所包含的冗余性信息，將頭開銷降為3～4 byte，大幅度縮減VoLTE音頻傳輸?shù)拇笮?，減少單個呼叫所需的帶寬，從而提高了帶寬利用率和基站的總體用戶數(shù)。

1.1.3 TTI綁定(TTI bundling)

TTI綁定指UE在連續(xù)多個TTI(傳輸時間間隔)上傳輸固定數(shù)目的數(shù)據(jù)，VoIP數(shù)據(jù)包會被提前打包到單個HARQ交替期中，只需要在綁定的最后一次傳輸完成后才反饋HARQ。當(dāng)小區(qū)邊緣UE功率受限時，由于資源受限，路損較大等原因，導(dǎo)致丟包率增加。使用TTI綁定，4個連續(xù)子幀中的立刻重傳，能積累能量，提高蜂窩邊緣的上行效率，增大傳輸和接收成功率，避免過多的HARQ重傳。圖1顯示的是TTI綁定如何在蜂窩邊緣實(shí)現(xiàn)時延更低的VoLTE語音業(yè)務(wù)。

1.2 VoLTE語音性能相關(guān)因素

影響VoLTE語音質(zhì)量的因素主要有時延、抖動(時延變化)、丟包率(差錯效應(yīng))、編碼技術(shù)、帶寬等。

1.2.1 時延

1)VoLTE的業(yè)務(wù)流程

從業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)流程來看，一個初次簽約到EPS系統(tǒng)的用戶，如果要實(shí)現(xiàn)端到端的VoIP業(yè)務(wù)，要經(jīng)過EPS附著、IMS注冊、業(yè)務(wù)發(fā)起和會話控制、資源釋放過程等幾個階段[4]。

VoLTE語音業(yè)務(wù)流程如圖2所示。

圖2 VoLTE語音業(yè)務(wù)流程

2)時延分析

在VoLTE通話過程中，把數(shù)據(jù)從發(fā)送地傳送到目的地需要一定的時間，節(jié)點(diǎn)在交換信息過程中就會產(chǎn)生時延。端到端的時延主要由以下四個部分組成：一是語音的端到端網(wǎng)絡(luò)傳輸時延；二是包轉(zhuǎn)化時延，即語音編解碼器處理語音信號所引起的算法時延；三是編碼過程及將話音采樣包發(fā)往分組網(wǎng)絡(luò)時所引起的處理時延；四是用來克服數(shù)據(jù)包到達(dá)時間差異的抖動緩沖時延。時延嚴(yán)重影響語音的重現(xiàn)，因此降低時延對提高VoLTE網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量至關(guān)重要。

1.2.2 時延抖動

時延抖動是指時延的變化。抖動大多起源于網(wǎng)絡(luò)中的隊(duì)列或緩沖，會使數(shù)據(jù)包到達(dá)的時延產(chǎn)生差異，引起聲音的不連續(xù)，對語音通信質(zhì)量有著直接的影響。通常采用抖動緩沖技術(shù)來消除時延抖動：在接收端預(yù)留一個抖動緩沖區(qū)，當(dāng)語音數(shù)據(jù)包到達(dá)時，先暫存在緩沖池中，等各包的時延基本一致后，再將語音數(shù)據(jù)包從緩沖池中平滑地取出，經(jīng)解壓后播放給收聽者。抖動緩沖技術(shù)在一定限度內(nèi)可以有效地消除話音抖動，但也相應(yīng)增加了網(wǎng)絡(luò)時延。所以緩沖世界大小是個關(guān)鍵，應(yīng)該在延時和丟包之間取得平衡。

1.2.3 丟包率

丟包是指語音包沒有及時到達(dá)接收端而被丟棄，是影響語音質(zhì)量的重要損傷因素。包的丟失會使聲音斷斷續(xù)續(xù)，當(dāng)丟包超過一定的比率時，語音會變得讓用戶不可接受。丟包原因可以歸結(jié)于以下兩方面：一是話音包在傳輸過程中遭到破壞，由于傳輸損傷、網(wǎng)絡(luò)擁塞、超過生存周期等，造成丟包。二是由于延時過大，超過抖動緩沖處理能力而被丟棄。如果由于終端的帶寬不夠造成包丟失，可以考慮比較適合的語音編碼方式來進(jìn)行通信；如果是中間路由器堵塞，解決措施有：采用對丟包不明顯的語音編解碼器、丟包補(bǔ)償、自動選擇中間路由。

1.2.4 編解碼

語音壓縮編碼技術(shù)的目的是為了適應(yīng)不同的信道帶寬，以較少的帶寬產(chǎn)生較低的時延，不同的編解碼技術(shù)特性不同，ITU-T的G系列典型語音壓縮標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 各編碼技術(shù)特性

2 基于E-Model的VoLTE語音性能評估方法

VoLTE是LTE的語音業(yè)務(wù)，但它又是以數(shù)據(jù)的形式在LTE無線傳輸信道上承載的，這樣的特殊性使得它的性能評估不同于普通的LTE數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和電路域的語音業(yè)務(wù)。因此，文中引用一種可以用精確數(shù)值衡量語音質(zhì)量的E模型[5]來評估VoLTE的話音品質(zhì)。

2.1 評估語音性能的參數(shù)

影響VoLTE話音質(zhì)量的因素有時延、抖動、吞吐量、丟包率、編碼技術(shù)、帶寬、回聲、噪聲、串?dāng)_和低(高)音量等。而時延、抖動、丟包率和編解碼是影響話音質(zhì)量的最重要因素。時延、抖動和丟包率之間具有一定的相關(guān)性，在傳輸過程中抖動會引起時延和丟包率的增加，在接收端，增大話音包的調(diào)度時延(在一定范圍內(nèi))可降低丟包率。各因素對話音質(zhì)量的影響如圖3所示。其中，整體丟包包含網(wǎng)絡(luò)丟包和抖動緩沖里因遲到而造成的丟包，整體時延包含網(wǎng)絡(luò)時延、抖動緩沖里的緩沖時延和編碼引起的時延[6]。

圖3 時延、抖動、丟包率和編碼對語音質(zhì)量的影響

2.2 引入E-Model來評估VoLTE的語音性能

E-Model是目前一個重要的評價VoIP語音質(zhì)量的工具，它的思想是將影響話音質(zhì)量的若干損耗因素綜合為一個指標(biāo)R(0

R的計算如下

R=Ro-Ie_eff-Id-Is+A

(1)

式中：Ro代表基本信噪比；Ie_eff表示有效設(shè)備損傷系數(shù)，與會話所采用的編碼類型和丟包率有關(guān)；Id指話音信號引起的延遲損傷，與會話的時延有關(guān)；Is表示話音實(shí)時傳輸所產(chǎn)生的同步損傷；A代表獲益系數(shù)，是一種優(yōu)勢補(bǔ)償，傳統(tǒng)電話系統(tǒng)中A的取值為0，對于建筑物內(nèi)蜂窩網(wǎng)絡(luò)移動系統(tǒng)A取值為5。

對VoLTE語音性能進(jìn)行評估，需要結(jié)合通話時的時延、丟包率及語音編碼類型等性能參數(shù)，并通過文獻(xiàn)[7]中的E模型完成對指標(biāo)R和MOS值的仿真。仿真框圖如圖4所示。

圖4 仿真框圖

指標(biāo)R與MOS值的關(guān)系式為

(2)

R越大，表明語音質(zhì)量越好，小于50的R值則表示此語音質(zhì)量已經(jīng)沒有評價意義[8]。R值、MOS值、語音質(zhì)量及用戶體驗(yàn)之間的映射關(guān)系見表2。

表2 E-Model的語音質(zhì)量評級

3 模擬場景建立及仿真分析

3.1 場景的描述和特性分析

為了對密集城區(qū)的VoLTE語音質(zhì)量做出評估，創(chuàng)建一個密集城區(qū)繁華街道的模擬場景，場景包含了居民樓、商場、場館、人群，樹木等元素，如圖5所示。其中，中高層建筑較多，按照密集城區(qū)的定義，樓房平均高度大于30 m，平均樓距為10～20 m，基站附近的建筑物較為密集，部分建筑物龐大，存在地下商城和停車場。場景里，用戶隨機(jī)地分布在戶外、室內(nèi)、街道等處。

圖5 繁華街道場景圖

由于繁華街道的無線環(huán)境比較復(fù)雜，因此信道參數(shù)不同于采用中繼技術(shù)的有線環(huán)境，時延、丟包、抖動等影響語音質(zhì)量的關(guān)鍵因素也不如有線環(huán)境那么良好，下面針對場景里的無線環(huán)境進(jìn)行分析。

3.2 繁華街道的傳播模型

考慮在這樣一個復(fù)雜的環(huán)境包含室內(nèi)、室外、視距、非視距等不同的傳播路徑，文中提供了一種多場景傳播模型，為不同的傳播路徑選擇一個合適的傳播損耗模型[9]。模型的描述如表3所示。

表3 多場景傳播模型

3.3 基站和用戶設(shè)備的LTE配置

根據(jù)國外網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商目前的頻帶使用狀況，場景中使用的頻譜為下行1 805 MHz和上行1 710 MHz。

eNodeB和用戶設(shè)備的主要參數(shù)設(shè)置如表4所示。

按照下一代移動網(wǎng)絡(luò)(NGMN)的要求，LTE小區(qū)應(yīng)該達(dá)到每兆赫茲可容許至少60個VoIP會話[10]。由于各城市的規(guī)模不同，單小區(qū)實(shí)際的用戶數(shù)和業(yè)務(wù)量需求也不同，在文中的密集城區(qū)場景中，5/10/20(Mbit/s) 信道帶寬條件，假定單小區(qū)分別支持300，600和1 200個并發(fā)用戶，且根據(jù)運(yùn)營商的話音統(tǒng)計，假設(shè)用戶每次的VoLTE通話時間為3 min。

表4 基站和手機(jī)配置

在這些配置條件下，通過仿真來模擬密集城區(qū)無線信道環(huán)境，在不同帶寬下，不同VoLTE業(yè)務(wù)并發(fā)用戶對網(wǎng)絡(luò)性能帶來的影響，并最終得到時延和丟包率數(shù)據(jù)。

3.4 小區(qū)在不同容量取值和不同配置下的語音性能仿真及結(jié)果分析

LTE網(wǎng)絡(luò)的語音業(yè)務(wù)是通過在共享信道上傳送IP數(shù)據(jù)包來實(shí)現(xiàn)的，存在延時、抖動、丟包等問題，而在以往的電路域語音和固定電話系統(tǒng)對這些問題并不敏感，因此以前的語音評測機(jī)制，如PSQM、PESQ等方法就不再適用于LTE系統(tǒng)。這些方法不能反映出時延、丟包等帶給數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的影響，只是從收發(fā)信號差異的角度分析網(wǎng)絡(luò)的語音問題，而E-Model方法克服了這些缺點(diǎn)，能夠很好地適應(yīng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的語音性能評估。

針對數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的損傷因素，采用以離散事件為基礎(chǔ)的NS-3作為網(wǎng)絡(luò)仿真工具，在其上的LTE模塊中進(jìn)行實(shí)現(xiàn)仿真，并通過仿真腳本設(shè)置仿真場景。核心調(diào)度器會對一個個經(jīng)過編碼的語音包進(jìn)行半持續(xù)調(diào)度，并在一定的容量下仿真出話音數(shù)據(jù)包的時延和丟包率。NS-3平臺上的LTE模塊實(shí)現(xiàn)原理圖如圖6所示。

圖6 LTE模塊實(shí)現(xiàn)原理

下面是小區(qū)在不同容量取值和不同配置下的語音性能仿真結(jié)果分析。

表5為當(dāng)有300個VoLTE呼叫時的網(wǎng)絡(luò)性能。

表5 300個用戶下的小區(qū)VoLTE性能

使用G.711音頻編碼器時，對于5 MHz的信道帶寬，當(dāng)連接時延為100 ms時，單向時延已經(jīng)遠(yuǎn)超150 ms，而MOS也只有1.75。對于VoIP呼叫來說，這已是不可接受的性能評價。當(dāng)把信道帶寬增加到10 MHz時，提高了網(wǎng)絡(luò)性能，但由于小區(qū)只有300個用戶，資源沒有得到高效的分配。

使用G.723音頻編碼器時，對于5 MHz的信道帶寬，即使使用150 ms的連接時延，單向時延和丟包率都很小，網(wǎng)絡(luò)性能非常好。

表6為有600個VoLTE呼叫時的網(wǎng)絡(luò)性能。

表6 600個用戶下的小區(qū)VoLTE性能

使用G.711音頻編碼器時，對于10 MHz帶寬，如前面情況，MOS為不可接受值。因?yàn)樵黾舆B接時延不可取，因此音頻解碼器的比特率必須降低。而20 MHz帶寬在600用戶下卻能提供高品質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)性能，又一次說明，增加信道帶寬可以提升整體性能，但由于低效率的資源分配也使得這是不實(shí)際的選擇。

使用G.723音頻編碼器時，對于10 MHz的信道帶寬，在600用戶下，仍然可以提供較高的服務(wù)質(zhì)量。

表7為有1 200個VoLTE呼叫時的網(wǎng)絡(luò)性能。

表7 1 200個用戶下的小區(qū)VoLTE性能

由表7可知，在20 MHz信道帶寬和G.723編碼技術(shù)的條件下，1 200個用戶的MOS值超過4，從而也驗(yàn)證了VoLTE可以提供相當(dāng)甚至優(yōu)于“電信級”的語音服務(wù)。

4 小結(jié)

通過分析VoLTE關(guān)鍵技術(shù)和語音性能相關(guān)因素，針對密集城區(qū)的繁華街道場景，在一定的并發(fā)用戶數(shù)下結(jié)合帶寬、編碼對時延、丟包率等話音質(zhì)量相關(guān)因素進(jìn)行仿真，并應(yīng)用E模型工具，對語音質(zhì)量進(jìn)行評估。結(jié)果表明在20 MHz信道帶寬和1 200個并發(fā)用戶的條件下， VoLTE可以提供相當(dāng)甚至優(yōu)于“運(yùn)營商級”的服務(wù)體驗(yàn)。從而為后續(xù)全面部署VoLTE提供參考。

[1] ITU-T recommendation P.861，Objective quality measurement of telephone-band (300-3400Hz)speech codecs[S].1998.[2] ITU-T recommendation P.862，Perceptual evaluation of speech quality (PESQ), an objective method for end-to-end speech quality assessment of narrowband telephone networks and speech codecs[S].2001.

[3] 胡宏林，徐景.3GPP LTE無線鏈路關(guān)鍵技術(shù)[M].北京：北京電子工業(yè)出版社，2008.

[4] 許慕鴻.LTE 語音目標(biāo)解決方案——VoLTE技術(shù)[J].現(xiàn)代電信科技，2013(11)：33-40.

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[8] 李強(qiáng)，高齊峰，席海峰.基于E-Model的VoIP語音質(zhì)量測量的研究[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010(6)：724-728.

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[10] Next generation mobile networks beyond HSPA&EVDO.[EB/OL].[2014-08-03].http://www.ngmn.org/uploads/media/Next_Generation_Mobile_Networks_Beyond_HSPA_EVDO_web.pdf.

于 航(1990— )，碩士生，主研移動通信、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；

姚 銳(1978— )，工程師，主研移動通信、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；

黃幫明(1971— )，碩士生導(dǎo)師，高級工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)橐苿油ㄐ?、寬帶通信網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計。

責(zé)任編輯：許 盈

Research on VoLTE Voice Performance under Dense Urban Scene

YU Hang1, YAO Rui2,HUANG Bangming3

(1.InstituteofInformationandCommunicationEngineering,ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications,Chongqing400065,China;2.ChinaMobileGroupDesignInstituteCo.,Ltd.,ChongqingBranch,Chongqing401147,China)

At present,LTE networks are deploying on a large scale, 4G subscribers and traffic climbing continuously and the penetration rate of mobile phone for 4G increasing rapidly. As an important income of the operator, the importance of voice services is self-evident. For the ultimate program of LTE voice services (VoLTE),the key technologies are researched, a variety of factors that affect voice quality is analyzed, and a method that based on the E-Model to evaluate the voice performance of VoLTE is proposed. For dense urban scene that pioneered to deploy LTE network, the VoLTE performance is simulated based on different network configuration and different number of concurrent users, E-Model is used to analysis voice quality, and the evaluation ofVoLTE voice performance is completed ultimately.

VoLTE; E-Model; dense urban;voice performance

【本文獻(xiàn)信息】于航，姚銳，黃幫明.針對密集城區(qū)場景的VoLTE語音性能研究[J].電視技術(shù),2015，39(13).

TN929.5

A

10.16280/j.videoe.2015.13.018

2014-10-09