許延，陳也樂

VoLTE業(yè)務(wù)端到端服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)及測試

許延1，陳也樂2

（1.中國信息通信研究院，北京 100045；2.南安普頓大學(xué)，南安普頓 SO17 1BJ）

正確評估VoLTE業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量對于LTE網(wǎng)絡(luò)運營商至關(guān)重要，因此通過調(diào)研語音QoS和VoLTE的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，明確VoLTE端到端QoS指標(biāo)及其目標(biāo)值，最后給出了利用現(xiàn)有技術(shù)測試VoLTE端到端QoS的方法。

VoLTE 端到端QoS 時延

1 引言

為了在LTE網(wǎng)絡(luò)上傳輸語音包，GSMA（GSM Associaton）2010年宣布將IMS（IP Multimedia Subsystem）作為移動語音的主要架構(gòu)。VoLTE服務(wù)能夠保證QoS，為用戶提供運營級別的端到端高清語音服務(wù)從而改善用戶體驗，這使得VoLTE與OTT業(yè)務(wù)相比具有更強的競爭力。為了確保業(yè)務(wù)傳到端用戶時能夠滿足用戶的感知要求，3GPP定義了一系列的QoS類別標(biāo)識符（QCI，QoS Class Identifier），每一個類別用于特定優(yōu)先級和屬性的承載。不同等級的QoS由不同的服務(wù)來提供，得到有質(zhì)量的服務(wù)，保證VoLTE呼叫。VoLTE采用3GPP策略和計費控制（PCC，Policy and Charging Control）架構(gòu)提供端到端的服務(wù)質(zhì)量保證。PCC結(jié)構(gòu)建立專用承載將VoLTE業(yè)務(wù)和其它IP業(yè)務(wù)流隔離。端到端QoS要求移動終端、無線接入網(wǎng)、核心網(wǎng)的協(xié)作來建立端到端的語音信令和承載信道，從而為語音業(yè)務(wù)提供更高的服務(wù)質(zhì)量保證，改善用戶體驗。

從用戶角度來看，VoLTE的QoS惡化主要包括以下兩大類情況：

呼叫會話的性能：如注冊IMS/SIP服務(wù)時出現(xiàn)問題；呼叫建立時出現(xiàn)問題；呼叫過程中的不連續(xù)，包括移動的影響（無線切換或發(fā)生SRVCC事件，也就是在LTE覆蓋不好的情況下發(fā)生切換到2G/3G網(wǎng)絡(luò)的事件）。

通話期間用戶感知到的語音質(zhì)量：如呈現(xiàn)給用戶的語音頻譜（窄帶、寬帶、超寬帶）以及潛在的失真、通話中斷、端到端時延過大、不期望噪聲的出現(xiàn)等。要監(jiān)視、報告并解決這些影響用戶體驗的問題，需要建立VoLTE服務(wù)質(zhì)量的指標(biāo)和測試方法。這方面標(biāo)準(zhǔn)化組織做了很多工作，ETSI TS103 219[1]描述了LTE環(huán)境下的語音通信QoS參數(shù)；ITU-T G.1028[2]給出VoLTE幾種端到端場景的參考連接及服務(wù)質(zhì)量建議。

本文將梳理現(xiàn)有IETF、3GPP、ETSI和ITU-T關(guān)于語音QoS及VoLTE相關(guān)方面的標(biāo)準(zhǔn)，對VoLTE業(yè)務(wù)端到端服務(wù)質(zhì)量問題進(jìn)行了歸納總結(jié)，為服務(wù)提供商規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，監(jiān)視業(yè)務(wù)質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)并解決問題，使用戶獲得滿意的服務(wù)質(zhì)量。

2 VoLTE業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及服務(wù)質(zhì)量參數(shù)

2.1 VoLTE業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

VoLTE業(yè)務(wù)的簡化結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括下面幾個模塊：移動終端、4G無線接入網(wǎng)（EUTRAN，Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network）、4G核心網(wǎng)（EPC，Evolved Packet Core）、移動IMS網(wǎng)絡(luò)、其它無線接入網(wǎng)（GERAN和UTRAN）、其它2G和3G的移動核心網(wǎng)以及與其它EPC或固定網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。

圖1 VoLTE業(yè)務(wù)的簡化結(jié)構(gòu)

2.2 VoLTE網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量參數(shù)

為了解決QoS問題，LTE采用EPS承載來傳輸數(shù)據(jù)，一個EPS承載可以看作一個雙向的數(shù)據(jù)管道，可以將數(shù)據(jù)按照正確的路徑，以合適的QoS進(jìn)行傳輸。LTE采用QCI來指明EPS承載的QoS，QCI是核心網(wǎng)和接入網(wǎng)節(jié)點間共享的QoS參數(shù)，用于控制信息的傳送以確保網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點的QoS要求。一個EPS承載可以由一個或多個雙向服務(wù)數(shù)據(jù)流（SDF，Service Data Flow）組成，每個SDF為一個特定的服務(wù)（如視頻流應(yīng)用）運送數(shù)據(jù)包。在同一個EPS承載中的SDF共享同樣的QoS，以確保以同樣的方式傳輸。QCI用于衡量特定的提供給SDF的分組轉(zhuǎn)發(fā)行為（如分組丟失率、分組時延預(yù)算），它同時應(yīng)用于GBR和Non-GBR承載，用于指定訪問節(jié)點內(nèi)定義的控制承載級分組轉(zhuǎn)發(fā)方式（如調(diào)度權(quán)重、接納門限、隊列管理門限、鏈路層協(xié)議配置等），這些都由運營商預(yù)先配置到接入網(wǎng)節(jié)點中。

表1是3GPP TS23.203[3]中定義的QCI，其中與VoLTE有關(guān)的是QCI=1、5這兩類。傳統(tǒng)的語音服務(wù)對應(yīng)QCI=1，IP分組在該承載上具有第2等級的優(yōu)先級，網(wǎng)絡(luò)資源應(yīng)該確保分組丟失率小于10-2，發(fā)起呼叫的移動終端和PCEF（Policy and Charging Enforcement Function）之間的時延應(yīng)該在100 ms內(nèi)；IMS信令對應(yīng)QCI=5，IP分組在該承載上具有第1等級的優(yōu)先級，網(wǎng)絡(luò)資源應(yīng)該確保分組丟失率小于10-6，發(fā)起呼叫的移動終端和PCEF之間的時延應(yīng)該在100 ms內(nèi)。

3 VoLTE端到端QoS指標(biāo)和質(zhì)量目標(biāo)

3.1 VoLTE端到端QoS指標(biāo)

對于一個VoLTE用戶來說，端到端的服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)主要有以下7個[2]：

（1）注冊成功率

如公式(1)所示，VoLTE端到端注冊成功率指嘗試注冊VoLTE服務(wù)成功的概率，等價于IMS注冊成功率。

注冊相關(guān)事件及觸發(fā)條件如表2所示。

（2）服務(wù)可用性

如公式(2)所示，端到端服務(wù)可用性根據(jù)能力在VoLTE用戶之間建立呼叫。

服務(wù)可用性相關(guān)事件及觸發(fā)條件如表3所示。

（3）撥號后時延

如公式(3)所示，撥號后時延指主叫方撥號結(jié)束至其聽到回鈴音或者電話錄音之間的時間間隔。

表1 3GPP定義的標(biāo)準(zhǔn)化QCI[3]

表2 注冊相關(guān)事件及觸發(fā)條件

表3 服務(wù)可用性相關(guān)事件及觸發(fā)條件

撥號后時延相關(guān)事件及觸發(fā)條件如表4所示。

（4）語音質(zhì)量

VoLTE端到端語音質(zhì)量等價于ITU-T P.10[4]中定義的語音質(zhì)量，即在語言通信系統(tǒng)中，用戶所感受到的語音質(zhì)量。P.862[5]和P.863[6]中定義的模型提供了關(guān)于語音信號質(zhì)量的客觀評估方法，可看作為ITU-T E.804[7]中定義的一個呼叫的語音質(zhì)量或者一個樣本的語音質(zhì)量。

（5）嘴到耳時延

VoLTE端到端嘴到耳時延指語音信號從說話者嘴巴到聽者耳朵所經(jīng)歷的時間，對應(yīng)IP網(wǎng)相當(dāng)于Y.1540[8]中的IPTD（Internet Packet Transfer Delay），指從信源端測試點到信宿端測試點所經(jīng)歷的時間。

（6）呼叫掉話率

VoLTE端到端呼叫掉話率指服務(wù)的連續(xù)性，也指維持呼叫至正常結(jié)束的能力，相當(dāng)于ITU-T E.804中定義的電話呼叫中斷率。

VoLTE會話掉話率如公式(4)所示：

呼叫掉話率相關(guān)事件及觸發(fā)條件如表5所示。

（7）語音帶寬

指對使用帶寬的測試（正常的NB或WB，或者部分且無必要的帶寬限制），與編解碼模式的選擇及切換有關(guān)，可以從SIP消息中得到。

3.2 QoS指標(biāo)在不同端到端場景下的目標(biāo)值

表6至表9給出端到端QoS指標(biāo)在4種情況下的目標(biāo)值，表中列出端到端路徑上所有模塊單獨的質(zhì)量預(yù)算以及端到端的總質(zhì)量預(yù)算，這個目標(biāo)值是網(wǎng)絡(luò)運營商可以達(dá)到的實際值[2]。

對表中數(shù)據(jù)的說明如下：關(guān)于嘴到耳時延，ITU-T G.114[9]中提出首選最大值為150 ms，目前還達(dá)不到。有些運營商可以提供國內(nèi)通話嘴到耳時延低于250 ms，表中給出的最大值是400 ms。對于終端，3GPP TS26.131[10]中給出發(fā)送和接收的總時延必須小于190 ms。對于E-UTRAN，3GPP TS23.203給出移動終端和PCEF之間的時延預(yù)算為100 ms，減去PCEF和無線基站之間20 ms的平均時延（20 ms平均值是考慮漫游的，是一種不典型場景而得到的），就導(dǎo)出了空中接口的時延預(yù)算為80 ms。

（1）兩個LTE用戶在同一個網(wǎng)絡(luò)中通信的情況如圖2、表6所示：

圖2 兩個LTE用戶在同一網(wǎng)絡(luò)中通信的參考模型

其中，撥號后時延在LTE-LTE情況下最大為3.5 s（ETSI TS 101 563[11]建議為5.9 s，且95%的概率低于2.4 s），當(dāng)呼叫發(fā)起端的用戶發(fā)生CSFB時，撥號后時延最大為6 s。語音質(zhì)量是采用AMR-WB編碼方式，數(shù)據(jù)速率為23.85 kbit/s時的目標(biāo)值。

（2）兩個LTE用戶在需要互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)中通信（包括漫游）的情況如圖3、表7所示：

表4 撥號后時延相關(guān)事件及觸發(fā)條件

表5 呼叫掉話率相關(guān)事件及觸發(fā)條件

圖3 兩個LTE用戶在兩個互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)中通信的參考模型

表6 LTE-LTE在同一個網(wǎng)絡(luò)中通信的質(zhì)量預(yù)算

其中，撥號后時延在LTE-LTE情況下最大為4 s，當(dāng)呼叫發(fā)起端的用戶發(fā)生CSFB時，撥號后時延最大為6 s。語音質(zhì)量是采用AMR-WB編碼方式，數(shù)據(jù)速率為23.85 kbit/s時的目標(biāo)值。當(dāng)采用高清語音和免編碼運營（TrFO Transcoder Free Operation）時，語音質(zhì)量目標(biāo)值為4，其它情況下目標(biāo)值為2.8。

（3）一個VoLTE用戶和一個3G移動用戶進(jìn)行通信的情況如圖4、表8所示。

圖4 一個LTE用戶和一個3G移動用戶通信的參考模型

其中，語音質(zhì)量是采用AMR-WB編碼方式、數(shù)據(jù)速率為12.65 kbit/s時的目標(biāo)值。當(dāng)采用高清語音和免編碼運營時，目標(biāo)值是3.8，其它情況目標(biāo)值是2.8。

（4）一個VoLTE用戶和一個PSTN用戶進(jìn)行通信的情況如圖5、表9所示。

其中，語音質(zhì)量是采用AMR編碼方式、數(shù)據(jù)速率為12.2 kbit/s時的目標(biāo)值。

圖5 一個LTE用戶和一個PSTN用戶通信的參考模型

表7 LTE-LTE在兩個互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中通信的質(zhì)量預(yù)算

表8 LET-3G通信的質(zhì)量預(yù)算

表9 LTE-PSTN通信的質(zhì)量預(yù)算

4 端到端QoS測試

根據(jù)需要設(shè)定測試條件，測試條件包括但不限于以下所列：

（1）無線網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)：測試終端所在位置的信號強度表明網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況；

（2）業(yè)務(wù)狀態(tài)：測試時段選擇在業(yè)務(wù)的忙時、閑時或通常時段；

（3）網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)種類及分布：被測網(wǎng)絡(luò)所提供業(yè)務(wù)的種類及所占資源比例；

（4）移動終端數(shù)量及地理分布：測試終端的數(shù)量及其地理分布；

（5）移動終端的業(yè)務(wù)特點：采用的語音編碼方式及數(shù)據(jù)速率等；

（6）移動終端的運動情況：包括移動軌跡及移動速度；

（7）測試時長：測試所持續(xù)的時間。

測試不同條件下端到端QoS指標(biāo)，可以分析各種條件對QoS的影響，也可以得到QoS指標(biāo)的統(tǒng)計特性，如最大值、最小值、均值、方差、概率分布等。下面給出針對一個測試終端情況下QoS指標(biāo)的測試方法。

4.1 注冊成功率

移動終端啟動三個主要進(jìn)程，一個不斷發(fā)起注冊，一個抓包（例如wireshark、tcpdump等），一個數(shù)據(jù)分析。通過抓取SIP數(shù)據(jù)包中的注冊信息，根據(jù)第3.1節(jié)（1）中的定義及相應(yīng)的觸發(fā)點，統(tǒng)計一定時間內(nèi)IMS注冊請求次數(shù)、成功/不成功IMS注冊次數(shù)，用公式(1)可以計算得到單個移動終端在某段時間內(nèi)的注冊成功率。當(dāng)測試整個網(wǎng)絡(luò)的注冊成功率時，可以在該網(wǎng)絡(luò)的不同區(qū)域部署多個移動終端進(jìn)行測試，匯總計算得到整個網(wǎng)絡(luò)的注冊成功率。

4.2 服務(wù)可用性

移動終端啟動三個主要進(jìn)程，一個不斷發(fā)起呼叫，一個抓包，一個數(shù)據(jù)分析。通過抓取SIP數(shù)據(jù)包中的“INVITE”相關(guān)信息，根據(jù)第3.1節(jié)（2）中的定義及相應(yīng)的觸發(fā)點，統(tǒng)計一定時間內(nèi)VoLTE會話建立請求次數(shù)、成功/不成功會話建立次數(shù)，用公式(2)可以計算得到單個移動終端在某段時間內(nèi)的服務(wù)可用性。當(dāng)測試整個網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)可用性時，可以在該網(wǎng)絡(luò)的不同區(qū)域部署多個移動終端進(jìn)行測試，匯總計算得到全網(wǎng)的服務(wù)可用性。

4.3 撥號后時延

移動終端啟動三個主要進(jìn)程，一個不斷發(fā)起呼叫，一個抓包，一個數(shù)據(jù)分析。通過記錄每一次呼叫SIP數(shù)據(jù)包中“INVITE”及其“200OK”消息的時間，根據(jù)公式(3)可以計算得到每一次呼叫的撥號后時延（呼叫嘗試時刻和連接建立時刻的間隔），對一定時間內(nèi)或一定數(shù)量的呼叫的撥號后時延進(jìn)行統(tǒng)計平均，即可得到該移動終端的平均撥號后時延。對于整個網(wǎng)絡(luò)，可以在該網(wǎng)絡(luò)的不同區(qū)域部署多個移動終端進(jìn)行測試，匯總計算得到全網(wǎng)的撥號后時延及其統(tǒng)計特性。

4.4 語音質(zhì)量的測試

關(guān)于語音質(zhì)量主要有兩類測試方法：參數(shù)工具和基于信號的模型。在移動終端上安裝這樣的測試工具，通過測試得到語音質(zhì)量的MOS值。

（1）參數(shù)工具

參數(shù)工具利用網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)參數(shù)和端用戶感受到的端到端質(zhì)量之間的相關(guān)性，以較低的代價獲得相對準(zhǔn)確的質(zhì)量估計。這種工具可以放置在邊緣節(jié)點、端用戶附近，用來準(zhǔn)確預(yù)測個體質(zhì)量，或者放置在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，以了解網(wǎng)絡(luò)性能對端到端質(zhì)量的影響。

ITU-T P.564[13]給出了一類參數(shù)語音質(zhì)量預(yù)測模型，該類模型可以利用IP/UDP/RTP頭中的信息估計語音質(zhì)量適用于3.1 kHz的窄帶語音和7 kHz的寬帶語音。

ITU-T G.107[14]中的E模型廣泛應(yīng)用于傳輸規(guī)劃，E模型使用網(wǎng)絡(luò)損傷因素計算傳輸速率因子R（也給出了R與MoS值之間的映射關(guān)系）。G.107.1[15]使該模型適用于IP和寬帶語音場景，該模型中的很多參數(shù)也適用于VoLTE，如編解碼方式、時延和分組丟失率等。在窄帶語音情況下，R的范圍為0到100，R=0代表最差的質(zhì)量，R=100代表最好的質(zhì)量。為了適應(yīng)寬帶語音的情形，R范圍擴展為0到129，R=0代表最差的質(zhì)量，R=129代表最好的質(zhì)量。

（2）基于信號的模型

基于信號的模型比參數(shù)模型更復(fù)雜，因為它需要抓取并分析語音信號。該類模型通常用于點到點的情形，以準(zhǔn)確測試語音業(yè)務(wù)在給定時間、給定地點的端到端質(zhì)量。ITU-T P.862和ITU-T P.863是全參考的模型，P.563[16]是無參考的模型，僅適用于窄帶語音。P.862和P.863是目前廣泛使用的有參考模式的語音質(zhì)量評價方法。P.862模型存在的主要問題是：處理CDMA編碼（如EVRC）不夠準(zhǔn)確；在特定的GSM/WCDMA網(wǎng)絡(luò)條件下過于敏感；不能處理超寬帶語音信號。P.863解決了P.862存在的問題，支持更多的編碼方式，支持超寬帶語音，可以替代P.862。

4.5 嘴到耳時延

發(fā)送終端與接收終端建立呼叫連接，并發(fā)送特定的語音序列（P.501[17]中的語音序列或P.863中的語音序列）。接收終端對收到的信號和原始信號進(jìn)行互相關(guān)分析后，可計算得到語音信號的時延。通常語音質(zhì)量測試軟件都提供端到端時延的測試值。

4.6 呼叫掉話率

移動終端啟動三個主要進(jìn)程，一個不斷發(fā)起呼叫，一個抓包，一個數(shù)據(jù)分析。統(tǒng)計移動終端收到的SIP“200OK（INVITE）”、“200OK（BYE）”消息，根據(jù)第3.1節(jié)（6）中的定義及相應(yīng)的觸發(fā)點，計算得到一定時間內(nèi)成功開始的VoLTE會話、成功/不成功結(jié)束的VoLTE會話，用公式(6)計算得到單個移動終端在一定時間內(nèi)的掉話率。當(dāng)測試整個網(wǎng)絡(luò)的呼叫掉話率時，可以在該網(wǎng)絡(luò)的不同區(qū)域部署多個移動終端進(jìn)行測試，匯總計算得到全網(wǎng)的呼叫掉話率。

5 結(jié)論

VoLTE是在IP網(wǎng)上通過IMS控制來傳輸語音，全部業(yè)務(wù)承載于4G網(wǎng)絡(luò)上，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)與語音業(yè)務(wù)在同一網(wǎng)絡(luò)下的統(tǒng)一。由于語音業(yè)務(wù)和其他數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（如網(wǎng)頁瀏覽、視頻、社交媒體、文件傳輸?shù)龋┕蚕砭W(wǎng)絡(luò)資源，為了保證各種業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，LTE定義了一系列的QoS類別標(biāo)識符，不同等級的QoS由不同的服務(wù)來提供，從而可以得到有服務(wù)質(zhì)量保證的VoLTE呼叫。盡管LTE提供了QoS機制保證服務(wù)質(zhì)量，也就是針對不同業(yè)務(wù)在資源分配、優(yōu)先級等方面區(qū)別對待，但是這些機制并不能保證用戶最終獲得其想得到的服務(wù)質(zhì)量。因此需要明確VoLTE的端到端質(zhì)量指標(biāo)及其評估方法，為VoLTE業(yè)務(wù)提供商提供監(jiān)視、報告、發(fā)現(xiàn)并解決服務(wù)質(zhì)量問題的基礎(chǔ)，這是本文的主要目的。文章首先介紹VoLTE業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和服務(wù)質(zhì)量參數(shù)，然后解釋VoLTE端到端QoS指標(biāo)的定義（包括注冊成功率、服務(wù)可用性、撥號后時延、語音質(zhì)量、嘴到耳時延、呼叫掉話率等），并明確定義中所涉及事件及其觸發(fā)條件，列出VoLTE四種常見端到端場景下QoS指標(biāo)的目標(biāo)值，包括端到端路徑上所有模塊各自的質(zhì)量預(yù)算和總的質(zhì)量預(yù)算。這四種場景為：LTE-LTE（同一網(wǎng)絡(luò)）通信、LTE-LTE（互連）通信、LTE-3G通信和LTE-PSTN通信，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步說明利用現(xiàn)有技術(shù)測試VoLTE端到端QoS的方法。

[1] ETSI TR 103 219 v1.1.1. Speech and multimedia Transmission Quality (STQ); Quality of Service aspects of voice communication in an LTE environment[S]. 2015.

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[16] Recommendation ITU-T P.563. Single-ended method for objective speech quality assessment in narrow-band telephony applications[S]. 2004.

[17] Recommendation ITU-T P.501. Test signals for use in telephonometry[S]. 2017. ★

End-to-end Quality of Service Indicator and Test for VoLTE

XU Yan1, CHEN Yele2
(1. China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100045, China; 2. University of Southampton, Southampton SO17 1BJ, United Kingdom)

Voice over LTE is a solution to transfering voice packets over the LTE network with low latency and high Quality of Service. The accurate assessment of QoS of VoLTE service is of importance to operators of the LTE network. The related standards of voice QoS and VoLTE were investigated to determine the end-to-end QoS indicators and target values for VoLTE. Finally, the method to test end-to-end QoS for VoLTE using existing technology was presented.

voice over LTE end-to-end QoS delay

許延：教授級高級工程師，博士，現(xiàn)任職于中國信息通信研究院，主要研究方向為多媒體通信、無線通信。

陳也樂：碩士就讀于英國南安普頓大學(xué)，主要研究方向為無線通信、信息安全。

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.15.004

TN929.5

A

1006-1010(2017)15-0016-08

許延,陳也樂. VoLTE業(yè)務(wù)端到端服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)及測試[J]. 移動通信, 2017,41(15): 16-23.

2017-07-28

責(zé)任編輯：黃耿東 huanggengdong@mbcom.cn