針對密集城區場景的VoLTE語音性能研究

于 航，姚 銳，黃幫明

(1.重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶 400065；2. 中國移動通信集團設計院有限公司重慶分公司，重慶 401147)

針對密集城區場景的VoLTE語音性能研究

于 航1，姚 銳2，黃幫明3

(1.重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶 400065；2. 中國移動通信集團設計院有限公司重慶分公司，重慶 401147)

在LTE網絡大規模部署的現階段，4G用戶規模和業務量持續攀高，4G手機滲透率迅速提升，而語音業務作為運營商重要的收入來源，其重要性不言而喻。針對LTE的語音終極實現方案VoLTE(Voice over LTE)，研究了實現VoLTE的關鍵技術，分析了影響語音質量的多種因素，提出了一種基于E-model的VoLTE語音性能評估方法，在LTE網絡率先部署的密集城區場景中，基于不同網絡配置和并發用戶數，對VoLTE業務性能進行仿真，并采用E模型進行語音質量分析，最終實現對VoLTE的語音性能評估。

VoLTE；E-Model；密集城區；語音性能

LTE是一個高數據率、低時延和基于全分組的移動通信系統。隨著LTE網絡的商用部署，4G網絡已經能夠滿足用戶高數據速率需求，而LTE的語音業務承載還處于過渡階段。VoLTE作為LTE的終極語音實現方案，受到業界廣泛關注，通過部署VoLTE，語音質量能達到什么水平成為廣大用戶普遍關心的問題，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)，將最終的結果對應到平均主觀值MoS，把用戶對話音質量的感受按照1～5來分等級，此類方法比較適用于獨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數據網絡上的特有問題，也沒有充分考慮網絡故障對用戶感知所造成的影響，不適用于在VoLTE這樣的數據網絡上分析語音質量。針對LTE網絡的VoIP語音業務，本文基于客觀的E模型語音質量評估方法，克服了傳統語音質量評估方法在數據網絡評測中的不足，從各網絡損傷因子入手，在不同帶寬和一定并發用戶數下對時延、丟包率等話音質量相關因素進行仿真，對LTE網絡下的VoIP業務性能做出了精確的評估，驗證了VoLTE可以提供相媲美甚至優于電路域的語音業務。

1 VoLTE關鍵技術及語音性能相關因素

LTE網絡是一個全IP的網絡，只能提供分組域業務，在LTE網絡全IP環境下實現VoIP(Voice over IP)服務(即VoLTE)，接入側主要由EPS系統提供承載，核心側由IMS系統提供業務控制，此外由PCC架構來實現用戶業務QoS控制以及計費策略控制。網絡架構上的變化，使得VoLTE相比CS域通話，時延更小，吞吐量更高。下面分析VoLTE的關鍵技術和語音性能相關因素。

圖1 TTI綁定對時延產生的效果

1.1 VoLTE關鍵技術

1.1.1 半持續調度

由于VoIP數據包比較小且傳輸時間間隔短，如果采用動態調度，會帶來大量的信令開銷，如果因為控制信令的限制造成用戶無法調度而扎堆延遲發送，會導致部分數據包因超時而被丟棄。半持續調度是基于VoIP的業務特點，基本思想是首次傳輸使用持續調度方式，即對于到達間隔是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度的語音包在持續調度之后未分配的資源上采用動態調度[3]。采用半持續調度，可以使網絡承載更多同時在線的VoIP用戶。

1.1.2 健壯報頭壓縮(ROHC)

VoIP是由實時傳送協議RTP、用戶數據協議UDP和網際協議IP來承載的，其報頭組合可能會達到40～60 byte，往往要大于話音數據包的長度，嚴重浪費了無線帶寬資源。ROHC能夠適應高誤碼、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音頻傳輸的大小，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。

1.1.3 TTI綁定(TTI bundling)

TTI綁定指UE在連續多個TTI(傳輸時間間隔)上傳輸固定數目的數據，VoIP數據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。當小區邊緣UE功率受限時，由于資源受限，路損較大等原因，導致丟包率增加。使用TTI綁定，4個連續子幀中的立刻重傳，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現時延更低的VoLTE語音業務。

1.2 VoLTE語音性能相關因素

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

1.2.1 時延

1)VoLTE的業務流程

從業務實現流程來看，一個初次簽約到EPS系統的用戶，如果要實現端到端的VoIP業務，要經過EPS附著、IMS注冊、業務發起和會話控制、資源釋放過程等幾個階段[4]。

VoLTE語音業務流程如圖2所示。

圖2 VoLTE語音業務流程

2)時延分析

在VoLTE通話過程中，把數據從發送地傳送到目的地需要一定的時間，節點在交換信息過程中就會產生時延。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絡傳輸時延；二是包轉化時延，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往分組網絡時所引起的處理時延；四是用來克服數據包到達時間差異的抖動緩沖時延。時延嚴重影響語音的重現，因此降低時延對提高VoLTE網絡質量至關重要。

1.2.2 時延抖動

時延抖動是指時延的變化。抖動大多起源于網絡中的隊列或緩沖，會使數據包到達的時延產生差異，引起聲音的不連續，對語音通信質量有著直接的影響。通常采用抖動緩沖技術來消除時延抖動：在接收端預留一個抖動緩沖區，當語音數據包到達時，先暫存在緩沖池中，等各包的時延基本一致后，再將語音數據包從緩沖池中平滑地取出，經解壓后播放給收聽者。抖動緩沖技術在一定限度內可以有效地消除話音抖動，但也相應增加了網絡時延。所以緩沖世界大小是個關鍵，應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接收端而被丟棄，是影響語音質量的重要損傷因素。包的丟失會使聲音斷斷續續，當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、網絡擁塞、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、丟包補償、自動選擇中間路由。

1.2.4 編解碼

語音壓縮編碼技術的目的是為了適應不同的信道帶寬，以較少的帶寬產生較低的時延，不同的編解碼技術特性不同，ITU-T的G系列典型語音壓縮標準如表1所示。

表1 各編碼技術特性

2 基于E-Model的VoLTE語音性能評估方法

VoLTE是LTE的語音業務，但它又是以數據的形式在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數據業務和電路域的語音業務。因此，文中引用一種可以用精確數值衡量語音質量的E模型[5]來評估VoLTE的話音品質。

2.1 評估語音性能的參數

影響VoLTE話音質量的因素有時延、抖動、吞吐量、丟包率、編碼技術、帶寬、回聲、噪聲、串擾和低(高)音量等。而時延、抖動、丟包率和編解碼是影響話音質量的最重要因素。時延、抖動和丟包率之間具有一定的相關性，在傳輸過程中抖動會引起時延和丟包率的增加，在接收端，增大話音包的調度時延(在一定范圍內)可降低丟包率。各因素對話音質量的影響如圖3所示。其中，整體丟包包含網絡丟包和抖動緩沖里因遲到而造成的丟包，整體時延包含網絡時延、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語音質量的工具，它的思想是將影響話音質量的若干損耗因素綜合為一個指標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表示有效設備損傷系數，與會話所采用的編碼類型和丟包率有關；Id指話音信號引起的延遲損傷，與會話的時延有關；Is表示話音實時傳輸所產生的同步損傷；A代表獲益系數，是一種優勢補償，傳統電話系統中A的取值為0，對于建筑物內蜂窩網絡移動系統A取值為5。

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

圖4 仿真框圖

指標R與MOS值的關系式為

(2)

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

表2 E-Model的語音質量評級

3 模擬場景建立及仿真分析

3.1 場景的描述和特性分析

為了對密集城區的VoLTE語音質量做出評估，創建一個密集城區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，用戶隨機地分布在戶外、室內、街道等處。

圖5 繁華街道場景圖

由于繁華街道的無線環境比較復雜，因此信道參數不同于采用中繼技術的有線環境，時延、丟包、抖動等影響語音質量的關鍵因素也不如有線環境那么良好，下面針對場景里的無線環境進行分析。

3.2 繁華街道的傳播模型

考慮在這樣一個復雜的環境包含室內、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 基站和用戶設備的LTE配置

根據國外網絡運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和用戶設備的主要參數設置如表4所示。

按照下一代移動網絡(NGMN)的要求，LTE小區應該達到每兆赫茲可容許至少60個VoIP會話[10]。由于各城市的規模不同，單小區實際的用戶數和業務量需求也不同，在文中的密集城區場景中，5/10/20(Mbit/s) 信道帶寬條件，假定單小區分別支持300，600和1 200個并發用戶，且根據運營商的話音統計，假設用戶每次的VoLTE通話時間為3 min。

表4 基站和手機配置

在這些配置條件下，通過仿真來模擬密集城區無線信道環境，在不同帶寬下，不同VoLTE業務并發用戶對網絡性能帶來的影響，并最終得到時延和丟包率數據。

3.4 小區在不同容量取值和不同配置下的語音性能仿真及結果分析

LTE網絡的語音業務是通過在共享信道上傳送IP數據包來實現的，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對這些問題并不敏感，因此以前的語音評測機制，如PSQM、PESQ等方法就不再適用于LTE系統。這些方法不能反映出時延、丟包等帶給數據網絡的影響，只是從收發信號差異的角度分析網絡的語音問題，而E-Model方法克服了這些缺點，能夠很好地適應數據網絡中的語音性能評估。

針對數據網絡的損傷因素，采用以離散事件為基礎的NS-3作為網絡仿真工具，在其上的LTE模塊中進行實現仿真，并通過仿真腳本設置仿真場景。核心調度器會對一個個經過編碼的語音包進行半持續調度，并在一定的容量下仿真出話音數據包的時延和丟包率。NS-3平臺上的LTE模塊實現原理圖如圖6所示。

圖6 LTE模塊實現原理

下面是小區在不同容量取值和不同配置下的語音性能仿真結果分析。

表5為當有300個VoLTE呼叫時的網絡性能。

表5 300個用戶下的小區VoLTE性能

使用G.711音頻編碼器時，對于5 MHz的信道帶寬，當連接時延為100 ms時，單向時延已經遠超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。當把信道帶寬增加到10 MHz時，提高了網絡性能，但由于小區只有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，網絡性能非常好。

表6為有600個VoLTE呼叫時的網絡性能。

表6 600個用戶下的小區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。因為增加連接時延不可取，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的網絡性能，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質量。

表7為有1 200個VoLTE呼叫時的網絡性能。

表7 1 200個用戶下的小區VoLTE性能

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

4 小結

通過分析VoLTE關鍵技術和語音性能相關因素，針對密集城區的繁華街道場景，在一定的并發用戶數下結合帶寬、編碼對時延、丟包率等話音質量相關因素進行仿真，并應用E模型工具，對語音質量進行評估。結果表明在20 MHz信道帶寬和1 200個并發用戶的條件下， VoLTE可以提供相當甚至優于“運營商級”的服務體驗。從而為后續全面部署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無線鏈路關鍵技術[M].北京：北京電子工業出版社，2008.

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

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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、無線網絡技術；

姚 銳(1978— )，工程師，主研移動通信、無線網絡技術；

黃幫明(1971— )，碩士生導師，高級工程師，主要研究領域為移動通信、寬帶通信網、無線網絡規劃設計。

責任編輯：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

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

TN929.5

A

10.16280/j.videoe.2015.13.018

2014-10-09