黃昭文

（中國移動通信集團廣東有限公司，廣東 廣州 510000）

1 引言

VoLTE網絡的實現(xiàn)需要得到PS、CS、IMS域眾多網元的支撐，業(yè)務流程經過多個網絡接口，其服務質量取決于端到端各環(huán)節(jié)的質量。由于VoLTE的本質是通過分組域提供語音服務，其與傳統(tǒng)的面向電路交換的語音業(yè)務在業(yè)務特征、QoS需求、資源需求等方面存在較大差異，常用的電路域語音評估方法已不能很好地反映VoLTE網絡質量。為了保障網絡質量，有必要進一步研究語音評估方法，以適應VoLTE業(yè)務發(fā)展的需要。

針對上述情況，本文提出結合信令、業(yè)務特征進行VoLTE語音質量在線評估方法，可準確評估VoLTE語音質量，并進一步定位影響質量的關鍵原因。

2 VoLTE語音質量的常用評估方法

ITU-T定義了一系列規(guī)范用于評估語音質量。ITU-T P.800[1]提出了平均意見分（MOS）評估方法，依靠評聽者意見對通信系統(tǒng)性能做出判決，可直接反映用戶的觀點，其MOS分值是一種廣泛使用的主觀評價方法，但是由于該方法人工成本較高，評估結果容易受主觀因素影響，難以在實際生產中組織開展規(guī)模測試。針對主觀評價方法的不足，后續(xù)相繼提出了ITU-T P.862（PESQ）[2-3]和ITU-T P.863（POLQA）[4]評估方法，這些方法是參考語音評價算法，原理是通過網絡發(fā)送一個語音參考信號，在網絡的接收端比較樣本信號和接收到的信號質量，進而估算網絡的語音質量。這些方法的評估效果與特定的編碼方式有較強的相關關系。

隨著IP網絡的逐漸普及，人們發(fā)現(xiàn)基于語音波形的評估模型不能反應IP網絡的問題，如網絡傳輸中的時延、抖動和丟包等情況。因此，ITU-G.107[5-6]提出了E-Model評估方法，它是一種基于IP網絡分析語音質量的模型，能夠反映時延、抖動和丟包等數(shù)據(jù)網絡特有的問題對用戶感覺造成的影響，其核心思想是將語音傳輸過程中的若干因素對話音的負面影響綜合為參數(shù)R，用以評估話音的主觀質量。R和語音MOS值存在可逆的映射關系[7]。E-Model的優(yōu)點是參數(shù)（時延、抖動、丟包率）獲取簡單，可滿足全網窄帶、寬帶語音實時評估需求；缺點是參數(shù)并非基于語音本身，只能評估外在的顯性問題，評估準確度較難把控。

現(xiàn)有語音質量評估方法并不能全部滿足VoLTE網絡保障需求，體現(xiàn)在以下方面：

（1）現(xiàn)有方法所統(tǒng)計的是單一用戶在整個會話的質量，這雖然有助于掌握采樣用戶的體驗，但是不能反映整體網絡性能；

（2）現(xiàn)有方法是面向用戶端的體驗進行評估的，其結果難以做為定位和解決問題的依據(jù)；

（3）現(xiàn)有方法對參與評估的通話樣本有較高的要求，包括對通話時長、通話終端、通話場景等都有約束，對于不滿足評估條件的通話樣本會給出波動較大的分值。

由于VoLTE網絡基于無線、IP、信令等多種網絡技術，用戶在使用過程中的行為特征也是千差萬別，這在一定程度上限制了現(xiàn)有方法的應用。因此，為了提高網絡質量和服務能力，有必要結合VoLTE網絡特點研究更通用的語音質量評估方法。

3 VoLTE語音質量端到端在線評估方法

VoLTE業(yè)務特征既包括了傳統(tǒng)的話音屬性，也具有VoIP的IP網絡特征，典型的VoLTE通話協(xié)議交互過程如表1所示。從終端側分析，其數(shù)據(jù)包主要由三種類型的通信協(xié)議構成：SIP，RTCP和RTP。其中SIP協(xié)議用于VoLTE通話接續(xù)，RTCP用于統(tǒng)計傳輸質量，RTP用于傳輸實際的語音數(shù)據(jù)。

表1 VoLTE通話過程的典型信令流程

從表1可以看出，SIP協(xié)議在接續(xù)過程中提供了呼叫控制的關鍵信息，可用于統(tǒng)計接續(xù)時長和成功率等指標，當通話過程中發(fā)生網絡錯誤時，如表中第30、31行，可以通過SIP狀態(tài)代碼503進一步解析原因；RTCP協(xié)議在通話過程中周期發(fā)送，其內容包括收發(fā)數(shù)據(jù)包數(shù)量、丟包數(shù)、時延、抖動等統(tǒng)計信息；RTP消息則反映語音真實質量。關于這三種協(xié)議的具體消息格式解釋，可以參考文獻[8]-[10]，在此不一一贅述。

由于這三種協(xié)議包含了VoLTE通話過程在IMS、PS、CS域的關鍵信息，如能綜合這三種協(xié)議消息進行語音質量評估，將會給出更全面和準確的結果。因此，本文建立了一種VoLTE語音質量評估與定位方法，即EVQ（Evaluation of VoLTE Voice Quality，VoLTE語音質量評估），系統(tǒng)框架如圖1所示：

圖1 EVQ系統(tǒng)架構

EVQ算法包括以下9個步驟：

除三個“三分之一”的升級路徑外，楊三可還補充概括道，在從傳統(tǒng)制造業(yè)向中高端制造和生產服務業(yè)的升級過程中，甕福還將實現(xiàn)三個“二”的轉型。即實現(xiàn)“產業(yè)+資本”的雙輪驅動；實現(xiàn)供給端和市場端的兩端協(xié)同發(fā)力；實現(xiàn)“化工+肥料”的雙產業(yè)驅動。

（1）SIP統(tǒng)計：通過SIP信令，統(tǒng)計會話的接續(xù)時長、振鈴時長、接通率、注冊成功率，統(tǒng)計通話過程中異常事件的初始消息發(fā)送接口和地域信息；

（2）RTCP統(tǒng)計：通過RTCP消息，統(tǒng)計通話過程中丟包、時延、抖動、重傳等計數(shù)器；

（3）RTP統(tǒng)計：統(tǒng)計話音質量MOS信息；

（4）問題匯總矩陣：收集通話過程中的異常事件及相關接口、通信協(xié)議、通信網元、主被叫IP地址、消息狀態(tài)碼、無線接口消息、終端屬性信息，對語音質量從丟包、時延、抖動、成功率等維度進行評估計算；

（5）聚類分析：分別對可能影響通話質量的因素進行聚類分析，挖掘定位影響質量的主要因素；

（6）IMS域定位：對IMS域相關網元和接口進行問題定位分析；

（7）EPC域定位：對EPC/PS域相關網元和接口進行問題定位分析；

（8）無線域定位：對無線域相關網元和接口進行問題定位分析；

為了檢查EVQ的評估效果，本文通過VoLTE專用測試終端進行了10 000次自動撥打測試，統(tǒng)計撥打測試過程中的SIP、RTCP、RTP消息和計數(shù)器，基于這些數(shù)據(jù)評估VoLTE網絡的質量并定位相關問題。圖2和圖3展現(xiàn)了撥打測試的上下行丟包數(shù)指標?？梢钥闯?，大部分撥測的丟包數(shù)為0，可以滿足通話要求；但也存在少量丟包數(shù)達到100或以上的情況，在這些場景中，語音質量下降，客戶感知出現(xiàn)話音模糊、斷續(xù)等現(xiàn)象。

圖2 撥測下行丟包數(shù)統(tǒng)計

圖3 撥測上行丟包數(shù)

為了定位原因，表2通過EVQ算法對圖中丟包數(shù)為100的三次通話過程進一步分析。這三次通話過程雖然都出現(xiàn)了100個丟包，但是其具體表現(xiàn)是不一樣的。圖4是這三個過程的累積丟包曲線，圖5是差分檢測丟包曲線。

表2 VoLTE通話過程的典型信令流程

圖4 累積丟包曲線

圖5 差分檢測丟包曲線

通過差分檢測丟包曲線，可以直接觀察到發(fā)生丟包的具體時刻。結合SIP、RTCP在這些時刻的統(tǒng)計信息，可以回溯出產生丟包的具體網元接口和無線接口信息，后續(xù)通過聚類分析可以挖掘出發(fā)生丟包現(xiàn)象較高的網元，進而通過網絡調整優(yōu)化解決問題，如表3所示。

4 與傳統(tǒng)方法的對比

對比傳統(tǒng)的語音質量評估方法，EVQ方法在以下幾個方面具有優(yōu)勢：

（1）EVQ綜合多個接口數(shù)據(jù)統(tǒng)計VoLTE的語音質量，既支持常用的MOS、IP MOS評估，也可以通過分析接口信令定位影響端到端質量的原因，EVQ統(tǒng)計結果可以做為網絡優(yōu)化的依據(jù)；

（2）區(qū)別于其他評估方法需要對整個會話進行通話后評估，EVQ的統(tǒng)計是基于實時數(shù)據(jù)進行計算的，因此有助于網絡實時保障；

（3）EVQ的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源基于網絡協(xié)議所提供的計數(shù)器，不需要進行復雜的模擬語音信號的處理，因此不僅是針對個體評估，更可以在設備側實現(xiàn)面向網絡整體的統(tǒng)計分析，這對于網絡運營而言是非常重要的；

（4）EVQ可以快速捕捉網絡質量的變化，并對異常情況產生告警提示。這個特點更加適用于移動通信的場景；

（5）在多接口關聯(lián)方面，EVQ可以根據(jù)分析定位的需要接入更多網絡接口，進而提高分析的準確性和有效性。

5 問題與挑戰(zhàn)

由于VoLTE業(yè)務發(fā)展非常迅速，單一網元節(jié)點的連接數(shù)已超過千萬，因此為了全面應用EVQ方法，需要網絡設備提供高速的信令分析與關聯(lián)能力，否則將會造成統(tǒng)計分析時延過長或者數(shù)據(jù)丟失的情況。在具體實現(xiàn)方式上，既可以把EVQ算法嵌入在網元設備的性能統(tǒng)計模塊中，也可以通過OMC平臺以網管功能的模塊加載。

VoLTE不僅能夠為網絡用戶提供高清語音服務，同時還能提供高清視頻服務。為了評估高清視頻的質量，需要分別對語音數(shù)據(jù)流和視頻數(shù)據(jù)流進行質量評估，并對兩者的同步性能進行分析，為此，EVQ需引入視頻專用計數(shù)器，也要進一步調整算法以實現(xiàn)對多個數(shù)據(jù)流的關聯(lián)統(tǒng)計分析。

6 結束語

VoLTE網絡語音質量評估是一個復雜的問題，既要求考慮網絡傳輸質量對客戶感知的影響，也要求考慮用戶主觀感受情況。本文從網絡保障的角度出發(fā)，提出了結合信令、業(yè)務特征進行VoLTE語音質量的在線評估方法，具有可擴展性、靈活性、易用性等特點。經測試對比，EVQ對VoLTE網絡的語音質量評估能力更適應網絡運營需要。在此基礎上，下一步的研究重點是實現(xiàn)對VoLTE高清視頻的質量評估，完善對海量評估數(shù)據(jù)的挖掘算法，及時準確地發(fā)現(xiàn)VoLTE網絡的問題。

表3 EVQ問題定位與優(yōu)化措施

參考文獻：

[1]ITU-T P.800. Methods for subjective determination of transmission quality[S]. 1996.

[2]ITU-T P.862. Perceptual evaluation of speech quality(PESQ)： An objective method for end-to-end speech quality assessment of narrow-band telephone networks and speech codecs[S]. 2001.

[3]ITU-T P.862.2. Wideband extension to Recommendation P.862 for the assessment of wideband telephone networks and speech codecs[S]. 2005.

[4]ITU-T P.863. Perceptual objective listening quality assessment[S]. 2014.

[5]ITU-T Rec. G.107. The E-Model, a computational model for use in transmission planning[S]. 1998.

[6]ITU-T P.834.1. Extension of the methodology for the derivation of equipment impairment factors from instrumental models for wideband speech codecs[S].2014.

[7]張澤明,胡磊,任久春,等. 基于E-Model的VoIP語音質量研究[J]. 計算機工程, 2009(2)： 278-280.

[8]RFC 3550 RTP. A Transport Protocol for Real-Time Applications[R]. 2003.

[9]RFC 3261 SIP. Session Initiation Protocol[R]. 2002.

[10]RFC 3605. Real Time Control Protocol (RTCP) attribute in Session Description Protocol (SDP)[R]. 2003. ★