定量評(píng)估IP電話 語音質(zhì)量

美國Ameritec公司北京辦事處首席代表 崔建平

2001/03/29

　　據(jù)一些主要IP設(shè)備制造廠家的預(yù)測(cè)，到2005年，全球?qū)⒂薪咏?0%的用戶通過互聯(lián)網(wǎng)打電話。而IP電話技術(shù)將語音的傳輸與Internet 結(jié)合起來（即VoIP），使Internet 與現(xiàn)有的PSTN綜合形成語音/數(shù)據(jù)/視頻的多媒體信息網(wǎng)絡(luò)。

　　本文的目的在于從語音質(zhì)量這一根本性的指標(biāo)分析入手，對(duì)IP電話網(wǎng)絡(luò)中影響語音質(zhì)量的主要因素作定量分析，并介紹其測(cè)量方法，以便對(duì)全面評(píng)估IP電話網(wǎng)絡(luò)的性能提供一些參考建議。


　　IP電話網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)


　　所謂IP電話，即將模擬語音信號(hào)通過特定的處理方式轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)包信號(hào)，然后再將這些數(shù)據(jù)包通過分組交換網(wǎng)（如Internet、幀中繼或ATM）傳輸，在接收端還原為模擬信號(hào)，從而完成整個(gè)通話過程。

　　圖1 VoIP網(wǎng)絡(luò)的典型結(jié)構(gòu)

　　圖1所示為一典型的IP電話網(wǎng)絡(luò)。

　　圖中，A、B、C、D均為普通電話用戶，其中“A”為主叫，“A”呼叫“B”。電話用戶的語音信號(hào)傳遞的路徑為：主叫用戶語音信號(hào)→PSTN→ 網(wǎng)關(guān)(Gate Way) / 路由器 (Router)→分組交換網(wǎng)→網(wǎng)關(guān)→PSTN→被叫用戶。

　　網(wǎng)關(guān)(Gate Way) 網(wǎng)關(guān)是在PSTN和分組交換網(wǎng)之間傳輸呼叫的器件，包括語音編碼器、回音抑制器、靜音抑制、收/發(fā)緩存器和分組交換網(wǎng)的排序管理等部分，如圖2所示。

　　圖2 網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

　　網(wǎng)關(guān)主要有二項(xiàng)功能：一是呼叫的管理，即根據(jù)需要完成PSTN和分組交換網(wǎng)之間雙向的信令轉(zhuǎn)換；二是呼叫的處理，即要將PSTN的語音信號(hào)按照在分組交換網(wǎng)中傳輸所需要的格式打包，以便完成雙向的信息傳輸。

　　路由器 路由器實(shí)際上是一臺(tái)工作在第3層的特殊用途的計(jì)算機(jī)，是分組交換網(wǎng)中用于將呼叫信號(hào)送達(dá)到指定地址的器件。路由器從網(wǎng)關(guān)接收地址信息，確認(rèn)其有效性（如空閑、忙、已注銷、未開通等）后，選擇合適的路由。一旦呼叫建立，路由器將打包后的語音信號(hào)傳遞至指定地址。


　　IP電話語音質(zhì)量的測(cè)試


　　IP電話中存在的語音質(zhì)量問題，是普通電話網(wǎng)中不存在的特殊問題。能否對(duì)IP電話語言質(zhì)量進(jìn)行定量的分析測(cè)量，并依據(jù)測(cè)量結(jié)果，對(duì)VoIP網(wǎng)絡(luò)中各器件進(jìn)行調(diào)整，使其達(dá)到最佳的語音質(zhì)量，已成為決定VoIP生存發(fā)展的必要條件。

　　衡量語音質(zhì)量的四個(gè)重要因素是延時(shí)（Delays）、丟包 (Dropout)、抖動(dòng) (Jitter)和沿切割 (Clipping)。

　　根據(jù)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)和人體工程學(xué)的理論分析，若使VoIP的語音質(zhì)量接近普通電話，單向延時(shí)的指標(biāo)最好小于100ms，最大不能超過250ms，丟包率不能超過5%，而抖動(dòng)和前后沿切割則越小越好，通常小于20ms。

　　隨著VoIP技術(shù)的發(fā)展，人們不斷尋求測(cè)試IP電話語言質(zhì)量的方法，以便能規(guī)范VoIP設(shè)備的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。最初ITU-T P.800提出了MOS (Mean Objection Score)的方法，即請(qǐng)40至60個(gè)有代表性的人士來聽一段相同的語音樣本，然后對(duì)該樣本經(jīng)過VoIP傳輸后的語音質(zhì)量進(jìn)行投票評(píng)價(jià)，這是一種純粹主觀的定性評(píng)估。ITU-T選取在非常寬的聽覺范圍內(nèi)，根據(jù)不同年齡、性別和語言組別的得分，做出語音質(zhì)量的判別。判別標(biāo)準(zhǔn)有5級(jí)：

　　5 = 最佳

　　4 = 好 （4.5～4.0 =可收費(fèi)電信級(jí)）

　　3 = 中級(jí)（4.0～3.5 =可通話通信級(jí)）

　　2 = 較差（3.5～2.5 =可建立連接級(jí)）

　　1 = 差

　　很顯然，MOS方法是一種模糊的評(píng)估方法，其測(cè)試結(jié)果很難對(duì)VoIP系統(tǒng)的改進(jìn)和不同VoIP設(shè)備之間性能的比較，作出有實(shí)際意義的判別。因此，有人提出借用ITU-T 在P.861 中建議的 PSQM (Perceptual Speech Quality Measurement)方法。

　　PSQM仍以MOS的5個(gè)級(jí)別作為標(biāo)準(zhǔn)，所不同的是其對(duì)每一個(gè)級(jí)別都以百分比的方式做出了差對(duì)最差（%PoW =Percent Poor or Worse）和好對(duì)最好（%GoB = Percent Good or Better）的進(jìn)一步描述。PSQM方法并未擺脫原始的人類主觀評(píng)估，只是作了進(jìn)一步的說明。目前，有人使用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生波形文件（Wave File），通過比較其通過網(wǎng)絡(luò)傳輸前后的變化，計(jì)算出與PSQM中相對(duì)應(yīng)的級(jí)別及好壞程度，以此作為評(píng)估語音質(zhì)量的方法。

　　PSQM不能準(zhǔn)確給出影響VoIP網(wǎng)絡(luò)語音質(zhì)量的各因素的量值，因?yàn)椴ㄐ挝募�不能代表各種不同年齡、性別、語言的人類語音通過Vo2P網(wǎng)絡(luò)時(shí)的真實(shí)情況，而單音頻信號(hào)在通過語音編碼器后本身就會(huì)產(chǎn)生畸變。同時(shí)，在具體測(cè)試中必須在波形文件信號(hào)返回后，才可進(jìn)行比較，這樣就根本無法測(cè)量網(wǎng)絡(luò)端到端的單向延時(shí)。無論電路交換還是分組交換網(wǎng)絡(luò)，其傳輸特性都與業(yè)務(wù)量密切相關(guān)的。在一定話務(wù)負(fù)載下的語言質(zhì)量數(shù)據(jù)才有實(shí)際意義。而使用PSQM方法，通常只能在一個(gè)E1里做1～2個(gè)話路的測(cè)試，以此來代表該E1中的語音質(zhì)量，其結(jié)果顯然并不符合實(shí)際的用戶通話情況，因此，亦不能做為評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)QoS的指標(biāo)數(shù)據(jù)。

　　VoIP技術(shù)的發(fā)展迫切需要一種能定量分析測(cè)量其影響語音質(zhì)量的4個(gè)指標(biāo)的方法和相應(yīng)的儀器設(shè)備。


　　IP電話網(wǎng)絡(luò)存在的問題


　　與普通電話網(wǎng)比較，VoIP網(wǎng)絡(luò)采用語音壓縮編碼，用數(shù)據(jù)包的形式在分組交換網(wǎng)上傳遞，因此傳輸線路的時(shí)空利用率得到大幅度的提高，這就是IP電話較普通電話話費(fèi)便宜的主要原因。與此同時(shí)，VoIP遇到的通話性能（特別是語音質(zhì)量）問題也是傳統(tǒng)電話不曾涉及的。

　　網(wǎng)關(guān)或路由器內(nèi)部的語音編碼器對(duì)帶內(nèi)音頻信號(hào)進(jìn)行打包和重組。這些器件對(duì)確認(rèn)接收和有效數(shù)據(jù)包接收的順序進(jìn)行糾錯(cuò)檢查。一旦發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，將命令重發(fā)，而重發(fā)相關(guān)數(shù)據(jù)包則不可避免地造成傳輸上的延時(shí)。網(wǎng)關(guān)或路由器上的緩存器 (Buffer) 就是為容納這些延時(shí)的數(shù)據(jù)包而設(shè)置的。一般地講，緩存器的容量越大，數(shù)據(jù)包被損壞的幾率就越小，但同時(shí)延時(shí)就會(huì)增大，這是一對(duì)矛盾，需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和管理者來綜合平衡，選擇最佳的配置。圖3顯示出了VoIP網(wǎng)絡(luò)中延時(shí)的分布情況。

　　圖3 VoIP網(wǎng)絡(luò)中時(shí)延的分布

　　在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，QoS (Quality of Service) 是每一個(gè)電信運(yùn)營商刻意追求的指標(biāo)。事實(shí)上，目前利用IP電話的用戶都會(huì)遇到通話過程中隨時(shí)出現(xiàn)令人難以忍受的語音畸變和頻繁的斷話現(xiàn)象。而產(chǎn)生語音質(zhì)量惡化的原因主要在網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、丟包、沿切割和抖動(dòng)。

　　非常明顯，在VoIP網(wǎng)絡(luò)中影響語音質(zhì)量的因素是由其結(jié)構(gòu)決定的特殊問題，而且各因素之間存在著此消彼長(zhǎng)的制約關(guān)系。因此，根據(jù)電信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量(QoS) 的要求，建立一套客觀評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)VoIP網(wǎng)絡(luò)的語音服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行定量分析和測(cè)量，就成為當(dāng)務(wù)之急。


　　測(cè)試典型方案


　　針對(duì)VoIP網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和對(duì)其語音質(zhì)量測(cè)試的要求，國際許多測(cè)試儀器設(shè)備制造廠家都投入了大量資源進(jìn)行研究開發(fā)，并取得了階段性成果。美國Ameritec公司在長(zhǎng)期從事電路交換語音測(cè)試和模擬語音傳輸損耗測(cè)試 (TIMS) 研究的理論基礎(chǔ)上，開發(fā)了用于分組交換系統(tǒng)測(cè)試的專利技術(shù)——“ Golden Voice ”。

　　“Golden Voice”是一個(gè)寬帶復(fù)合音調(diào)發(fā)生器，它由24種不同頻率、幅度、占空比的單音信號(hào)混合調(diào)制產(chǎn)生，以確保可靠地通過所有現(xiàn)代的語音編碼器和譯碼器（如G.711、G.728、G.729、GSM、CDMA等）。

　　“Golden Voice”可以作為測(cè)試音源，配置在模擬呼叫發(fā)生器上，當(dāng)語音路由建立以后，由呼叫發(fā)生器將“Golden Voice”送出，同時(shí)對(duì)其所帶的間隔為1.25ms時(shí)標(biāo)進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而精確地測(cè)量出VoIP網(wǎng)絡(luò)的單向時(shí)延、回路時(shí)延、丟包、抖動(dòng)、沿切割等指標(biāo)，如圖4所示。目前可以提供的VoIP測(cè)試功能及指標(biāo)如下：

　　1.丟包測(cè)量 (Dropout Measurement)

　　語音丟包檢測(cè)器可以連續(xù)地測(cè)量每一個(gè)語音通道的音頻能量，對(duì)檢測(cè)出的由于打包或幀丟失引起的超過5ms的丟包進(jìn)行計(jì)數(shù)，并可對(duì)不同長(zhǎng)度的丟包進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

　　2.前后沿切割測(cè)量(Leading and Trailing Edge Clipping Measurement)

　　圖4 測(cè)試解決方案

　　檢測(cè)網(wǎng)關(guān)中相應(yīng)部件對(duì)從靜音到講話和從講話到靜音之間的過渡狀態(tài)的響應(yīng)。

　　3.抖動(dòng)測(cè)量 (Jitter Measurement)

　　檢測(cè)瞬間的時(shí)序變化，±5ms分辨力。

　　4.單向和回路延時(shí)測(cè)量(One-way and Round-trip Delay Measurement)

　　各音頻通道獨(dú)立檢測(cè)，單向±5ms分辨力，回路±10ms分辨力。

　　不難看出，以上指標(biāo)測(cè)試的精確度和分辨力與“Golden Voice”信號(hào)源中的時(shí)標(biāo)精度直接相關(guān)，但如與VoIP最好語音質(zhì)量效果指標(biāo)比較，目前的量值已經(jīng)足夠了。


　　測(cè)試過程分析


　　1. 丟包測(cè)試

　　圖5所示的是丟包測(cè)試的時(shí)序圖， 圖中的語音路由測(cè)試信號(hào)即為“Golden Voice”產(chǎn)生的復(fù)合語音信號(hào)。在測(cè)試中，用戶可以自行設(shè)定分別為5ms、10ms、15ms、25ms、50ms或100ms檢測(cè)門限值。 一旦呼叫建立后，被叫即將測(cè)試音信號(hào)送至主叫，而主叫將檢測(cè)該信號(hào)通過VoIP后的狀態(tài)變化。

　　圖5 中“ a”處，雖然出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，但由于其時(shí)間間隔小于設(shè)定門限20ms，故在測(cè)試中忽略不計(jì)。“ b”處出現(xiàn)一個(gè)為20ms的丟包，則計(jì)數(shù)一次。“c”處出現(xiàn)總長(zhǎng)200ms的丟包，則計(jì)數(shù)器按20ms 值的整數(shù)倍統(tǒng)計(jì)為10次。在圖5中，我們檢測(cè)出在這次呼叫中共出現(xiàn)了11次丟包。

　　2. 沿切割、抖動(dòng)和丟包測(cè)試

　　在分組交換網(wǎng)中，沿切割、抖動(dòng)和丟包通常是相伴而出的，其產(chǎn)生的根源都在語音編碼器，因此,該三項(xiàng)指標(biāo)可以在一次測(cè)量中完成。可以在不少于12個(gè)測(cè)試信號(hào)周期內(nèi)選擇不同的脈沖占空比（如25%、50%、75%或100%）以補(bǔ)償在“靜音”時(shí)有可能產(chǎn)生的丟包。測(cè)試如下：

　　·建立呼叫

　　·被叫應(yīng)答

　　圖5 丟包時(shí)序圖

　　·被叫送測(cè)試信號(hào)到主叫

　　·主叫調(diào)整脈沖電平

　　·主叫與測(cè)試信號(hào)同步

　　·一旦電平調(diào)整與同步完成，開始檢測(cè)抖動(dòng)、前沿切割、后沿切割及丟包

　　3.延時(shí)測(cè)量

　　單向延時(shí)測(cè)量過程如下：

　　·主叫發(fā)起呼叫

　　·被叫應(yīng)答

　　圖6 抖動(dòng)及沿切割的影響

　　·被叫送出長(zhǎng)度為100ms的帶有時(shí)標(biāo)標(biāo)記的測(cè)試音信號(hào)到主叫

　　·主叫檢測(cè)收到的信號(hào)，并對(duì)時(shí)標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，分辨力±5ms

　　·呼叫完成后，儀器中DSP將測(cè)量數(shù)據(jù)輸出到LGC存儲(chǔ)

　　·回路延時(shí)測(cè)量依此類推，分辨力變?yōu)椤?0ms

　　這套測(cè)試方案是建立在給VoIP網(wǎng)絡(luò)施加大話務(wù)量負(fù)載的背景下實(shí)現(xiàn)的。首先，被測(cè)系統(tǒng)必須達(dá)到預(yù)定的接通率指標(biāo)；在指定的話路數(shù)和指定的話務(wù)量下，得出被測(cè)設(shè)備的延時(shí)、丟包、抖動(dòng)、沿切割指標(biāo)的平均值、最大值、最小值等綜合統(tǒng)計(jì)報(bào)告。

《賽迪市場(chǎng)專家》 2001/03/29