Wi-Fi語音（VoWi-Fi）測試中的挑戰（一）

思博倫通信

思博倫技術專欄

Wi-Fi語音（VoWi-Fi）測試中的挑戰（一）

思博倫通信

編輯按：要應對VoWi-Fi服務在部署中遇到的挑戰，需要一套全面的設備性能評價方法，其中既要包含真實網絡，也是包括基于實驗室的測試環境。盡管現場測試在提供真實的性能數據方面具備極強的洞察能力，但只有實驗室環境才能實現可復制、可控制，且十分精確的各項條件。思博倫通信的《Wi-Fi語音（VoWi-Fi）測試中的挑戰》一文描述了VoWi-Fi部署過程中面臨的挑戰，探討了一種基于實驗室的VoWi-Fi設備性能的優勢，提供了具體測試場景的詳細說明，并列出了對體驗質量（QoE）影響最大的各項因素。最后，指出了VoWi-Fi部署過程中需要進一步調查的其它方面，而且這些方面都是VoWi-Fi持續演化并成為一種重要服務產品過程中十分關鍵的組成部分。

1 引言

本文描述了VoWi-Fi部署過程中面臨的挑戰，并探討了一種基于實驗室的VoWi-Fi服務用戶體驗評價方法。為強調在實驗室中評價VoWi-Fi設備性能的優勢，本文還提供了具體測試場景的詳細說明，并列出了對體驗質量（QoE）影響最大的各項因素。本文還指出了VoWi-Fi部署過程中需要進一步調查的其它方面，而且這些方面都是VoWi-Fi持續演化并成為一種重要服務產品過程中十分關鍵的組成部分。

Wi-Fi的部署成本較低，而且在城市環境中無處不在，這些因素為Wi-Fi網絡上數據流量的爆炸性增長創造了極為有利的條件。在所有移動數據中，目前有近80%都通過Wi-Fi網絡完成。在2015年1月，全球已部署的熱點數量達到了5000萬個，比2013年增長了80%。到2016年年底前，由于多家服務運營商的大規模部署行動，美國市場可望再增加3200萬個熱點。

運營商可能已經發現，Wi-Fi是一種非常有效的分流機制，因此具備一系列明顯的優勢。它的頻譜完全免費且無需牌照，而它的可用帶寬超過了500MHz。此外，Wi-Fi的短距覆蓋能力和頻率使之可以用于眾多短距離內的流量，使頻譜的重復使用率大幅提高。這些特性都促使運營商努力增強服務的覆蓋能力，目的就是留住更多的客戶。因此，無怪乎眾多行業團體，如運營商、設備制造商和OEM廠商都在想方設法，以最快且最有效的方式推出自己的Wi-Fi語音（VoWi-Fi）服務。為了確保有效的推廣，為用戶提供LTE和Wi-Fi之間高性能的無縫切換，這些行業團體必須在現場和實驗室環境中，對VoWi-Fi性能中的眾多關鍵性能指標（KPI）進行測試和測量。

2 VoWi-Fi保證體驗質量面臨的挑戰

要想將Wi-Fi部署為一種有效分流機制的同時保持終端用戶的體驗質量（QoE），將會面臨多項挑戰。無線電接入技術所內建的網絡信令協議具備一種有效的機制，能夠交換無線電鏈路狀態方面的全面信息。然而，Wi-Fi并不具備這一優勢，在保證VoWi-FiQoE時需要考慮如下幾個方面：

（1）Wi-Fi在PHY層的信號完整性

在分流至Wi-Fi網絡或返回LTE的過程中，Wi-Fi無線電鏈路的信號完整性在確定終端用戶的QoE可接受程度時發揮著關鍵的作用。必須評估該鏈路是否足以實現完整的分流，并且在分流完成后保持可接受的語音質量。有兩個方面會對信號完整性產生影響：

●Wi-Fi信號的接收信號強度指標（RSSI）

RSSI指的是在整個帶寬上測得的Wi-Fi信道功率水平，而且它是確定從LTE向Wi-Fi切換，或從Wi-Fi向LTE切換的一項關鍵組成部分。盡管LTE、CDMA和UMTS等無線電接入技術都已經擁有通過網絡消息實現的成熟且標準化的信號強度測量方法，但在測量Wi-Fi信道的RSSI時并無此類現成的方法。設備會根據一些專有的算法來報告Wi-Fi信號的測量結果，而且這些算法會根據實施的不同而有所區別。

●信號質量

信號的質量是一個非常重要的獨立因素，其特性由多種參數決定，如信噪比（SNR）和誤差向量幅度（EVM）。即使在RSSI較高時，由于信道功率中被引入的噪音水平較高，信號的質量仍然可能處于無法接受的狀態。較低的信噪比會妨礙設備成功解碼語音包的能力，對VoWi-Fi呼叫的語音質量和可靠性造成嚴重的不良影響。

（2）包丟失

有兩種方式可能會在無線電鏈路中引入包丟失，造成可能嚴重影響語音性能的延遲：

●訪問無線電信道時的沖突

LTE網絡會對設備訪問無線電信道的時間和頻率進行調度，而與此相反的是，在Wi-Fi上進行通信的設備并不具備類似的先進機制。要想訪問無線電鏈路，Wi-Fi網絡上的設備會遵守一種回避機制。設備和Wi-FiAP并不會在同一時間發送信號。有一種稱為分布式控制功能的回避機制，允許AP只在它“認為”信道已經清空后才發送信號。在負載較大的AP和Wi-Fi熱點上，越來越多的沖突不可避免，導致的網絡時延可能讓語音包在經歷多個發送-退回-發送周期后才能被成功發送。

●IP回傳上的包丟失

盡管從RSSI和先前描述過的SNR來看，Wi-Fi信道的無線電鏈路質量可能非常好，但數據包在IP回傳過程中的“盡力而為”式網絡上發送時仍可能遭遇丟失。這種包丟失會導致音頻質量的嚴重惡化。

（3）驗證

無線電接入路徑可以分為兩種類型，即可信賴3GPP接入路徑和不可信賴3GPP接入路徑。在可信賴3GPP接入路徑中，Wi-FiAP由網絡運營商來提供。除提供安全的驗證方法外，此類Wi-Fi接入點還需要支持：

●基于802.1x的驗證，包括對無線電接入網絡（RAN）上所發送數據進行的加密。

●使用可擴充驗證協議（EAP）的基于3GPP的網絡接入。

●用于將設備與演進分組核心（EPC）相連的GPRS隧道協議（GTP）隧道。

使用GTP隧道的后果是，用戶驗證所遵循的機制與通過SIM卡數據進行的3GPP驗證是完全一樣的。因此，多數支持可信賴3GPP接入的設備都需要具備一張SIM卡。

在非可信賴3GPP接入路徑中，其安全水平不受網絡運營商的監管。多數此類實施都只不過是使用公共Wi-Fi熱點實現的Internet接入，而其確保安全性的方式是在用戶設備與演進分組數據網關（ePDG）之間建立一條IPSec隧道。ePDG是一個實體，其作用是允許運營商在不安全的Wi-Fi接入信道上實施IPSec協議來強制實現安全的通信隧道。在LTE網絡中，驗證由網絡自動完成，而在VoWi-Fi上，需要由運營商使用ePDG來強制實現驗證過程，確保用戶獲得有保障的安全鏈路，在LTEEPC與IMS核心之間建立隧道。

在LTE網絡中，驗證由網絡自動完成，而在VoWi-Fi上，需要由運營商使用ePDG來強制實現驗證過程，確保用戶獲得有保障的安全鏈路，在LTEEPC與IMS核心之間建立隧道。

3 VoWi-Fi網絡組件的仿真

網絡組件的精確仿真可以在實驗室中復制出真實的VoWi-Fi測試場景，并對VoWi-Fi的體驗質量做出全面的評估。圖1、2描繪的是通過網絡的呼叫流，其中圖1顯示的是VoLTE呼叫，圖2顯示的是VoLTE呼叫向Wi-Fi網絡的交接過程。

圖1 簡化后的VoLTE呼叫流

圖2 分流至不可信賴3GPPWi-Fi接入點的VoLTE呼叫

（1）VoLTE的高層次呼叫流

當用戶撥打VoLTE呼叫時，數據和流量被通過蜂窩網絡和EPC路由至IMS核心，目的是完成SIP注冊和LTE語音包的路由。

（2）分流至Wi-Fi的VoLTE呼叫

以下的步驟和圖2描繪的是不可信賴3GPPWi-Fi接入的高層次呼叫流：

●用戶通過蜂窩網絡發起一個VoLTE呼叫。

●根據預先定義好的決策標準，設備會將該呼叫交接給Wi-Fi接入點，且在該過程中使用EAPAKA協議來完成驗證。

●通過使用IPSec協議，可建立一個安全通信隧道，通過ePDG向AAA服務器發送驗證數據，用以確定嘗試分流至Wi-Fi的設備是否具備應有的驗證資質。

●在設備通過驗證后，一個安全的通信鏈路會被建立起來，而語音包會通過隧道方式發送至ePDG，然后由ePDG將語音包通過EPC路由至IMS核心。

4 評價VoWi-Fi性能的關鍵指標

Wi-FiAP上的負載，Wi-Fi信號的強度和質量，以及Wi-Fi接入點的IP回傳流量性能，都會對終端用戶的VoWi-Fi體驗質量產生重大的影響。要想測量終端用戶體驗質量（QoE）的能力，就需要對多種獨立的性能指標加以測量。

（1）語音質量

語音質量以平均意見得分（MOS）的方式實現量化，而該方式會使用話音質量感知評價（PESQ）算法或感知客觀收聽質量評估（POLQA）算法，來對特定無線電鏈路上發送的測試信號質量加以量化。以下各項因素都會對VoWi-Fi呼叫的總體質量產生影響：

●Wi-Fi協商所用的編碼解碼器

當兩臺設備在Wi-Fi上建立一個語音呼叫時，它們會使用SIP消息來協商解碼語音包所需編碼解碼器的類型或模式。所用的編碼解碼器模式取決于設備所支持的能力，例如編碼解碼器可以是自適應調制速率—窄帶（AMR-NB）或自適應調制速率—寬帶（AMR-WB）。

會話描述協議（SDP）文件中所列出的可支持編碼解碼器順序不僅能確定成功切換的可能性，還可確定成功建立的后續呼叫所具備的語音質量。例如，在最初的SDP協商中，如果窄帶編碼解碼器（AMR/8000）的提供順序先于寬帶編碼解碼器（AMR-WB/16000），那么即使兩臺設備都能適用寬帶編碼解碼器，語音呼叫中也會優先使用窄帶編碼解碼器。在這一案例中，所得的語音質量會比預期的水平低得多（見圖3）。

語音質量評價中另外一個重要的方面，就是不同的設備可能在其原生的撥號應用中運行不同的編碼解碼器，例如AMR或增強語音服務（EVS）編碼解碼器。EVS編碼解碼器目前正在多種商用前芯片組上進行測試，并支持多種模式，包括與AMR-WB和AMR-WB+編碼解碼器的后向兼容性等。兩種設備之間不同的編碼解碼器類型可能對語音質量產生不利的影響，使編碼解碼器間的兼容性成為一項關鍵的性能因素。

●音頻損失

Wi-Fi網絡上發送的語音數據包屬于實時傳輸協議（RTP）包，而且與Wi-Fi上發送的任何其它數據包一樣，都會受到丟失（損失）的影響。在從LTE向Wi-Fi切換（或反之亦然）期間發生的RTP語音包丟失可能會導致MOS惡化，具體情況如圖4所示。

●網絡時延或“口耳”延遲

Wi-FiAP的負載是另外一個需要仔細考慮的因素。如果包丟失的百分比較高，則可能導致所謂的“口耳”延遲，即講話者說出一個詞到收聽者聽到它之間的延遲。通常情況下，在電話對話中，超過200ms的延遲都有可能對體驗質量產生不良影響。

●抖動

圖3 編碼解碼器匹配不當會導致較低的MOS

數據包發送過程中的非統一延遲有可能導致抖動。當音頻數據包在接收方出現相互重疊時，話音會變得斷斷續續，無法辨別，甚至可能出現間斷性的語段丟失。

圖4 包丟失增加后MOS也會進一步惡化

（2）呼叫性能

除評價VoWi-Fi呼叫的語音質量外，對其可靠性和LTE與Wi-Fi雙向交換所用時間進行的性能量化也非常重要。ePDG負責管理這一過渡過程，同時還要確保過渡過程中的安全隧道。在這些ePDG策略執行期間對數據重試性能進行的評估具有不可或缺的重要意義。本節將探討VoWi-Fi呼叫的各項呼叫性能指標。

●交接時間

完成從LTE到Wi-Fi的交接所需的時間可能會是語音對話中的一個非連續期，如果交接時間足夠短，用戶將不會察覺到它的存在。但如果交接時間較長，則這種較長的非連續期可能意味著用戶遭遇到較低的體驗質量。

從LTE到Wi-Fi交接的決策實施方式之一，就是看Wi-Fi功率水平（RSSI）是否足夠高，因為只有足夠高的功率才有可能保持穩定的鏈路。根據實施方式的不同，這項決策還有可能綜合考慮設備從語音升級到視頻的請求。在此需要注意的是，Wi-Fi的功率水平是由設備測量的，并沒有標準可言。如果測量不夠準確，或者如果環境條件在交接期間發生變化，設備仍會交接至Wi-Fi，而最終的信號水平可能太弱而無法形成穩定的鏈路。此時，設備可能會丟失呼叫，或者在LTE與Wi-Fi之間長時間來回切換。這就可能導致語音對話中較長的延遲和可變延遲（抖動），并最終造成低劣的體驗質量。

●呼叫建立時間

呼叫建立時間是主叫方按下電話上“撥號”鍵的一刻，到被叫方的電話開始響鈴之間的時間。對于一個Wi-Fi發起的語音呼叫而言，呼叫建立時間可能受到多種因素的影響，包括最初SIP協商中所用編碼解碼器的不兼容性等。例如，如果設備之間的編碼解碼器匹配不當，其中一方設備支持AMR-WB編碼解碼器，而另一方設備支持的是AMR-NB編碼解碼器，則呼叫建立時間可能會更長，因為這些設備需要協商出一個雙方都能接受的“最低標準”，而在更糟糕的情況下，雙方可能根本無法建立呼叫。

●交接時的呼叫可靠性

為確保可接受的體驗質量，終端用戶所體驗到的交接必須是無縫的。在多種“不利場景”和極端條件下進行的呼叫可靠性測試可以幫助您查明實施中的各種問題。鑒于測試要求以設備自身的功率水平評估作為基礎，而這種要求并不是標準化的，因此必須對設備從LTE向Wi-Fi交接的能力進行多次的重復測試。測試自動化可以精確地多次重復執行這項測試，準確地確定呼叫丟失性能的特性。

●ePDG驗證環境下的呼叫連續性

當某臺設備嘗試分流至Wi-Fi接入點時，驗證測試所涉及的網絡會向設備發出一系列盤問。ePDG向設備發出盤問的目的是測試該設備是否擁有使用安全隧道的授權，而該安全隧道是通過IPSec協議實施的。測試要求包括評估移動設備（在VoLTE呼叫上）保持呼叫活動狀態，并且不會完全丟棄該語音呼叫的能力。

（待續）