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定量評(píng)估IP電話(huà) 語(yǔ)音質(zhì)量
美國(guó)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(hù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)打電話(huà)。而IP電話(huà)技術(shù)將語(yǔ)音的傳輸與Internet
結(jié)合起來(lái)（即VoIP），使Internet 與現(xiàn)有的PSTN綜合形成語(yǔ)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(yǔ)音質(zhì)量這一根本性的指標(biāo)分析入手，對(duì)IP電話(huà)網(wǎng)絡(luò)中影響語(yǔ)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(huà)網(wǎng)絡(luò)的性能提供一些參考建議。
IP電話(huà)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)
所謂IP電話(huà)，即將模擬語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)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(guò)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(huà)過(guò)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(huà)網(wǎng)絡(luò)。
圖中，A、B、C、D均為普通電話(huà)用戶(hù)，其中“A”為主叫，“A”呼叫“B”。電話(huà)用戶(hù)的語(yǔ)音信號(hào)傳遞的路徑為：主叫用戶(hù)語(yǔ)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(hù)。
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(yǔ)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(yǔ)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(xiāo)、未開(kāi)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(yǔ)音信號(hào)傳遞至指定地址。
IP電話(huà)語(yǔ)音質(zhì)量的測(cè)試
IP電話(huà)中存在的語(yǔ)音質(zhì)量問(wèn)題，是普通電話(huà)網(wǎng)中不存在的特殊問(wèn)題。能否對(duì)IP電話(huà)語(yǔ)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(yǔ)音質(zhì)量，已成為決定VoIP生存發(fā)展的必要條件。
衡量語(yǔ)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(yǔ)音質(zhì)量接近普通電話(huà)，單向延時(shí)的指標(biāo)最好小于100ms，最大不能超過(guò)250ms，丟包率不能超過(guò)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(huà)語(yǔ)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(lái)聽(tīng)一段相同的語(yǔ)音樣本，然后對(duì)該樣本經(jīng)過(guò)VoIP傳輸后的語(yǔ)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(tīng)覺(jué)范圍內(nèi)，根據(jù)不同年齡、性別和語(yǔ)言組別的得分，做出語(yǔ)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(huà)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(lèi)主觀評(píng)估，只是作了進(jìn)一步的說(shuō)明。目前，有人使用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生波形文件（Wave
File），通過(guò)比較其通過(guò)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(yǔ)音質(zhì)量的方法。
PSQM不能準(zhǔn)確給出影響VoIP網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音質(zhì)量的各因素的量值，因?yàn)椴ㄐ挝募荒艽砀鞣N不同年齡、性別、語(yǔ)言的人類(lèi)語(yǔ)音通過(guò)Vo2P網(wǎng)絡(luò)時(shí)的真實(shí)情況，而單音頻信號(hào)在通過(guò)語(yǔ)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(wú)法測(cè)量網(wǎng)絡(luò)端到端的單向延時(shí)。無(wú)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(huà)務(wù)負(fù)載下的語(yǔ)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(huà)路的測(cè)試，以此來(lái)代表該E1中的語(yǔ)音質(zhì)量，其結(jié)果顯然并不符合實(shí)際的用戶(hù)通話(huà)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(yǔ)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(huà)網(wǎng)絡(luò)存在的問(wèn)題
與普通電話(huà)網(wǎng)比較，VoIP網(wǎng)絡(luò)采用語(yǔ)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(xiàn)路的時(shí)空利用率得到大幅度的提高，這就是IP電話(huà)較普通電話(huà)話(huà)費(fèi)便宜的主要原因。與此同時(shí)，VoIP遇到的通話(huà)性能（特別是語(yǔ)音質(zhì)量）問(wèn)題也是傳統(tǒng)電話(huà)不曾涉及的。
網(wǎng)關(guān)或路由器內(nèi)部的語(yǔ)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(lái)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(yíng)商刻意追求的指標(biāo)。事實(shí)上，目前利用IP電話(huà)的用戶(hù)都會(huì)遇到通話(huà)過(guò)程中隨時(shí)出現(xiàn)令人難以忍受的語(yǔ)音畸變和頻繁的斷話(huà)現(xiàn)象。而產(chǎn)生語(yǔ)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(yǔ)音質(zhì)量的因素是由其結(jié)構(gòu)決定的特殊問(wèn)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(yǔ)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(yǔ)音質(zhì)量測(cè)試的要求，國(guó)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(kāi)發(fā)，并取得了階段性成果。美國(guó)Ameritec公司在長(zhǎng)期從事電路交換語(yǔ)音測(cè)試和模擬語(yǔ)音傳輸損耗測(cè)試
(TIMS) 研究的理論基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了用于分組交換系統(tǒng)測(cè)試的專(zhuān)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�？煽康赝ㄟ^(guò)所有現(xiàn)代的語(yǔ)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(yǔ)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(yǔ)音丟包檢測(cè)器可以連續(xù)地測(cè)量每一個(gè)語(yǔ)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(guò)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(huà)和從講話(huà)到靜音之間的過(guò)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(yǔ)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(guò)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(yǔ)音路由測(cè)試信號(hào)即為“Golden Voice”產(chǎn)生的復(fù)合語(yǔ)音信號(hào)。在測(cè)試中，用戶(hù)可以自行設(shè)定分別為5ms、10ms、15ms、25ms、50ms或100ms檢測(cè)門(mén)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(guò)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(mén)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�！癱”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(yǔ)音編碼器，因此,該三項(xiàng)指標(biāo)可以在一次測(cè)量中完成�？梢栽诓簧儆�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(kāi)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(guò)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(lèi)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(huà)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(huà)路數(shù)和指定的話(huà)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(zhuān)家》
2001/03/29
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