mSwitch系統(tǒng)VoIP語音質(zhì)量測(cè)量方法研究

2007/07/19

　　首先介紹了mSwitch系統(tǒng)當(dāng)前對(duì)VoIP語音質(zhì)量的監(jiān)控情況；然后就語音質(zhì)量的衡量標(biāo)準(zhǔn)MOS進(jìn)行了簡要描述；同時(shí)對(duì)現(xiàn)有的語音質(zhì)量測(cè)量方法PSQM/PSQM+，PESQ，PAMS，E-Model的發(fā)展作了相關(guān)闡述；其中對(duì)E-Model方法進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹；最后對(duì)mSwitch系統(tǒng)對(duì)VoIP語音質(zhì)量的監(jiān)控提出了幾點(diǎn)展望。

　　1、mSwitch對(duì)VoIP語音質(zhì)量的監(jiān)控現(xiàn)狀

　　在當(dāng)前mSwitch系統(tǒng)中，對(duì)整個(gè)軟交換架構(gòu)中的VoIP的語音質(zhì)量的監(jiān)控，沒有采取任何的監(jiān)控手段和措施，僅僅做的就是在釋放每個(gè)同VoIP相關(guān)的呼叫后，要求媒體網(wǎng)關(guān)（MG）或者綜合接入設(shè)備（IAD）上報(bào)本次呼叫中如下統(tǒng)計(jì)信息：終結(jié)點(diǎn)呼叫連接的時(shí)長統(tǒng)計(jì)（nt/dur）、終結(jié)點(diǎn)呼叫連接發(fā)送的字節(jié)數(shù)統(tǒng)計(jì)（nt/os）、終結(jié)點(diǎn)呼叫連接接受的字節(jié)數(shù)統(tǒng)計(jì)（nt/or）、終結(jié)點(diǎn)呼叫連接發(fā)送的數(shù)據(jù)包統(tǒng)計(jì)（rtp/ps）、終結(jié)點(diǎn)呼叫連接中接受的數(shù)據(jù)包統(tǒng)計(jì)（rtp/pr）、終結(jié)點(diǎn)呼叫連接中的所丟失的數(shù)據(jù)包的統(tǒng)計(jì)（rtp/pl）、終結(jié)點(diǎn)呼叫連接中的抖動(dòng)統(tǒng)計(jì)（rtp/jit）以及終結(jié)點(diǎn)呼叫連接中時(shí)延的統(tǒng)計(jì)（rtp/delay）。但是這些統(tǒng)計(jì)信息上報(bào)到CS-P之后，沒有作任何的分析和處理，也沒有保存。

　　因此，當(dāng)前的整個(gè)軟交換的VoIP的語音質(zhì)量對(duì)我們來說就是一個(gè)未知數(shù)；雖然在部署NGN網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可以通過一些第三方公司的專業(yè)VoIP工具對(duì)整個(gè)軟交換的VoIP的語音質(zhì)量進(jìn)行評(píng)測(cè)，但是無法彌補(bǔ)mSwitch系統(tǒng)在對(duì)VoIP語音質(zhì)量控制方面的缺陷，那就是當(dāng)mSwitch系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到整個(gè)系統(tǒng)的VoIP語音質(zhì)量在明顯下降，并且下降到某個(gè)程度時(shí)，有必要采取適當(dāng)?shù)乜刂拼胧﹣肀M力改善VoIP的通話語音質(zhì)量。

　　下面就VoIP的語音質(zhì)量的測(cè)量方法和實(shí)施進(jìn)行介紹。

　　2、語音質(zhì)量的度量標(biāo)準(zhǔn)——MOS

　　在介紹語音質(zhì)量的測(cè)量方法之前，首先將對(duì)語音質(zhì)量的度量標(biāo)準(zhǔn)MOS進(jìn)行簡要介紹；VoIP呼叫質(zhì)量會(huì)受噪聲、畸變、信號(hào)幅度過高或過低、回聲、通話間隙和許多其他問題的影響。在測(cè)量呼叫質(zhì)量時(shí)，需要研究三類基本的服務(wù)質(zhì)量：

　�。�1）收聽質(zhì)量——指用戶對(duì)呼叫過程中所聽到的聲音質(zhì)量的評(píng)價(jià)。

　�。�2）會(huì)話質(zhì)量——指用戶在整個(gè)通話過程中基于收聽質(zhì)量和會(huì)話能力而對(duì)呼叫作出的評(píng)價(jià)，包括回音和延遲等可能影響通話的相關(guān)問題。

　�。�3）傳輸質(zhì)量——指用于承載話音信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)連接的質(zhì)量。傳輸質(zhì)量測(cè)量是與細(xì)節(jié)呼叫質(zhì)量測(cè)量相對(duì)的一種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量測(cè)量。

　　呼叫質(zhì)量測(cè)量的目的是通過主觀或客觀的測(cè)量方法，即通過人為的測(cè)量項(xiàng)目或基于計(jì)算機(jī)的測(cè)量工具，對(duì)一種或多種以上的呼叫質(zhì)量類別給出一個(gè)可信的估計(jì)。

　　主觀測(cè)量是一種久經(jīng)考驗(yàn)的話音質(zhì)量測(cè)量方法，但這種方法成本太高，費(fèi)時(shí)也太長。有一種更廣為人知的主觀類測(cè)量方法，叫做絕對(duì)種類定級(jí)(Absolute Category Rating，ACR)測(cè)量。

　　在ACR測(cè)量中，收聽者按照從1~5的5級(jí)損傷指標(biāo)對(duì)一系列音頻文件進(jìn)行分級(jí)（見表1）。

　　在取得了每個(gè)收聽者給出的得分之后，計(jì)算所有音頻文件的一般或平均意見得分(Mean Opinion Score, MOS)。為了使ACR測(cè)量得到可信的測(cè)量結(jié)果，接受測(cè)量的人數(shù)至少應(yīng)在16個(gè)以上，而且測(cè)量應(yīng)該在一個(gè)安靜的環(huán)境下，在可控的條件下完成。這種測(cè)量方法定義在ITU-T P.800當(dāng)中，該MOS值就是語音質(zhì)量的度量尺寸，顯然是MOS越大，語音質(zhì)量越好。


　　3、語音質(zhì)量測(cè)量方法的發(fā)展

　　上述IUT-T P.800中所定義的方法得到的MOS值是一種主觀的測(cè)量方法，并且該方法成本太高，費(fèi)時(shí)太長；因此，在后來的研究和探索中，先后出現(xiàn)了如下幾種客觀測(cè)量方法：　 　　PSQM和PAMS測(cè)量方法都需要發(fā)送一個(gè)語音參考信號(hào)通過電話網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)的另一端采用數(shù)字信號(hào)處理的方式比較樣本信號(hào)和接收到的信號(hào)，進(jìn)而估算出網(wǎng)絡(luò)的語音質(zhì)量。PESQ結(jié)合了PSQM和PAMS的優(yōu)勢(shì)，并針對(duì)MOS和MOS-LQ(Listening Quality)計(jì)算方法做了修改。最開始這些方法被用于測(cè)量編碼算法和在實(shí)驗(yàn)室分析設(shè)備問題，如分析電話機(jī)的語音質(zhì)量；并且都是基于PSTN網(wǎng)絡(luò)，因此并不適合應(yīng)用到VoIP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的語音測(cè)量。這些方法主要缺點(diǎn)體現(xiàn)在：　　 　　而在ITU-T G.107中定義的E-Model方法則很好地克服了上述問題，因此非常適合VoIP語音質(zhì)量的測(cè)量。E-Model模型是歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ETSI)開發(fā)的，本來用作電信網(wǎng)絡(luò)的傳輸規(guī)劃工具，但該模型也在VoIP服務(wù)質(zhì)量測(cè)量中廣泛使用，在下面的章節(jié)中將對(duì)該模型進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

　　此外，有必要指出，平均主觀值MOS是廣泛認(rèn)同的語音質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。因此，無論采用何種方法，所有測(cè)量方法所得到的結(jié)果都必須對(duì)應(yīng)到最終的平均主觀值MOS。

　　4、VoIP語音質(zhì)量測(cè)量方法——E-Model

　　E-Model是基于如下通話連接模型進(jìn)行測(cè)量的（見圖1），其最終的測(cè)量結(jié)果就是得到R值(R Factor)，被稱為全面的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)燃?jí)要素，也就是說，確定包含話音通道的“由口至耳”特性的“R”因素。R因素的取值范圍為0~120，窄帶電話上R因素通常取50~94，而寬帶電話上R取值在50~110。R因素的值可以轉(zhuǎn)換為會(huì)話和收聽質(zhì)量MOS得分(MOSCQ and MOSLQ)的估計(jì)值。R值的計(jì)算從沒有網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的損傷影響開始，此時(shí)語音質(zhì)量是最好的，R=R0。R0是無網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和設(shè)備損傷因素的基本信號(hào)與收發(fā)噪聲以及電流、背景噪聲之比，即基本信噪比。但是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)和設(shè)備損傷因素的存在，減少了通過網(wǎng)絡(luò)的語音質(zhì)量，R值的基本計(jì)算公式如下：R=R0-Is-Id-Ie-eff+A。


　　其中，Is：與語音信號(hào)傳輸同步的損傷；Id：語音信號(hào)傳輸延時(shí)后的損傷；Ie-eff：由設(shè)備引入的損傷，例如編碼器損傷；A：優(yōu)勢(shì)因素，致力于考慮呼叫者的期望因素，在大部分情況下，一般設(shè)置為0，但是對(duì)于移動(dòng)用戶，因?yàn)橐苿?dòng)的便利而能容忍低質(zhì)量的語音質(zhì)量，所以該值可以大于0。在G.107中，就基本公式中的各個(gè)值的計(jì)算（A除外）都提供了復(fù)雜的計(jì)算公式，并且涉及到20個(gè)參數(shù)值，具體的計(jì)算公式這里就不一一介紹了，具體可以參考ITU-T G.107。

　　通過對(duì)涉及參數(shù)和通話連接模型的對(duì)照，可以發(fā)現(xiàn)大部分參數(shù)都是對(duì)通話設(shè)備(話機(jī))和通話環(huán)境的要求，如參數(shù)Ds、Dr是對(duì)發(fā)話端和收話端的話機(jī)噪音值的評(píng)估因子；SLR，RLR，STMR，LSTR是對(duì)發(fā)話端和收話端聲音響度相關(guān)的評(píng)估；TELR，WEPL是對(duì)通話中的回聲相關(guān)進(jìn)行評(píng)估的因子；Nc是對(duì)通話中的電路噪音進(jìn)行評(píng)估的因子；Nfor是對(duì)收話端的噪音背景的評(píng)估；Ps和Pr是對(duì)發(fā)話端和收話端的空間噪音的考慮因素；而這些因素對(duì)于評(píng)估測(cè)量VoIP的語音質(zhì)量是沒有太大的意義，因?yàn)檫@些因素同IP連接和傳輸沒有直接的聯(lián)系，并且這些參數(shù)在每次的VoIP通話當(dāng)中也無法直接獲取，而同VoIP相關(guān)的幾個(gè)參數(shù)（T，Tr，Ta，qdu，Ie，Bpl，Ppl）是同如下幾個(gè)因素有著直接的聯(lián)系，下面就這幾個(gè)因素進(jìn)行介紹。

　�。�1）Codec：通話中采用的編解碼方式，這是以硬件或者軟件的方式采樣模擬語音，決定了語音數(shù)據(jù)包的傳輸速率。在ITU的標(biāo)準(zhǔn)中，G.711u/G.711a是一種高質(zhì)量的無壓縮的編解碼方式，但是占用相當(dāng)大的帶寬；而其他的低速率的編解碼方式，如G.726/G.729等系統(tǒng)，占用的帶寬比較小，但是使用了容易損失的壓縮算法，削弱了語音的傳輸質(zhì)量；而在實(shí)際的應(yīng)用中，低速率的Codec能夠在相同的帶寬下接入更多的呼叫連接，但是又導(dǎo)致了更大的網(wǎng)絡(luò)延遲（對(duì)參數(shù)T，Ta，qdu存在著間接的影響），并且對(duì)網(wǎng)絡(luò)丟包更加敏感。Codec的選擇對(duì)E-Model中的R值有著明顯的影響，直接反應(yīng)是對(duì)在Ie參數(shù)上，在ITU-T的標(biāo)準(zhǔn)中，有G.113的Appendix I就Codec和Ie的關(guān)系作了推薦，可以作為計(jì)算R值的參考。

　�。�2）網(wǎng)絡(luò)延遲：網(wǎng)絡(luò)延遲將引起語音會(huì)話過程的空白，帶來語音的變形和會(huì)話的中斷。E-Model關(guān)注的是End-to-End的網(wǎng)絡(luò)延遲。在實(shí)際應(yīng)用中，一般是如下幾個(gè)方面而導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)延遲：傳播延時(shí)：取決于傳播的介質(zhì)和距離；傳輸延時(shí)：傳輸過程中在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上所用時(shí)間；打包解包延時(shí)：用采用的Codec進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換的時(shí)間，不同的Codec所導(dǎo)致的延時(shí)是不一樣的，但是對(duì)于同一種Codec，其延時(shí)基本是固定的；抖動(dòng)緩沖延時(shí)：在作用在接受端，為保持住一個(gè)或多個(gè)接收的數(shù)據(jù)包，克服網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)的影響。網(wǎng)絡(luò)延遲將直接反應(yīng)在參數(shù)T，Tr，Ta上面。

　�。�3）網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)：網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)就是網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的變化，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)值大于50ms時(shí)，MOS值將急劇下降；但是在ITU-T G.107中，是這樣說的：“抖動(dòng)對(duì)語音傳輸質(zhì)量的影響還在作進(jìn)一步的研究，目前沒有包含在E-Model的算法中”。但是通過在接收端增加抖動(dòng)緩沖的量，則可以有效地降低抖動(dòng)的影響，但是卻增加了網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。

　�。�4）網(wǎng)絡(luò)丟包：網(wǎng)絡(luò)丟包是影響語音質(zhì)量和MOS值的關(guān)鍵因素，存在兩種類型的丟包：隨機(jī)丟包（Random Loss）：這是隨機(jī)產(chǎn)生的丟包，如果量小，對(duì)語音質(zhì)量影響��；連續(xù)丟包（Burst Loss）：這是指連續(xù)一個(gè)以上的數(shù)據(jù)包的丟失，這對(duì)語音質(zhì)量的影響是明顯的。因此對(duì)丟包作有效的監(jiān)測(cè)是非常有必要的，并且在ITU-T的標(biāo)準(zhǔn)中，其G.113的Appendix I中就Codec的選擇所導(dǎo)致的Bpl作了映射，可以作為計(jì)算R值的參考。當(dāng)某種Codec采用適當(dāng)?shù)膩G包補(bǔ)償技術(shù)也能夠降低丟包對(duì)VoIP語音質(zhì)量的影響，并優(yōu)化了語音質(zhì)量。

　　最終通過E-Model得到的R值，通過ITU-T G.107中的Appendix B的計(jì)算公式，可以得到如下的一種關(guān)系表（見圖2）。其中：GoB（Good or Bad），PoW（Poor or Worse）。

　　如果平均主觀值MOS為4或更高，被認(rèn)為是比較好的語音質(zhì)量，而若平均主觀值MOS低于3.6，則大部分接聽者不能滿意這個(gè)語音質(zhì)量了。因此，當(dāng)軟交換系統(tǒng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到VoIP的通話語音質(zhì)量的R值處于70以下的時(shí)候，則需要采取一些適當(dāng)?shù)拇胧﹣砀纳普Z音質(zhì)量了。

　　5、運(yùn)用E-Model在mSwitch系統(tǒng)中對(duì)VoIP語音質(zhì)量測(cè)量的研究

　　在當(dāng)前的軟交換架構(gòu)mSwitch系統(tǒng)中，可以稱之為VoIP的呼叫可以劃分為如下兩類：

　　（1）第一類是需要向軟交換系統(tǒng)的媒體網(wǎng)關(guān)（MG）申請(qǐng)IP資源的呼叫。這類呼叫有如下幾種情況：終端都是IP，但是需要媒體網(wǎng)關(guān)作IP Relay，SIP到SIP，MGCP到MGCP，H323到H323，中間需要媒體網(wǎng)關(guān)作IP中繼；一側(cè)終端是IP，一側(cè)是非IP終端，如SIP到V5電話、MGCP到PHS等；通話雙方都是非IP終端，但是通話連接跨媒體網(wǎng)關(guān)了，如MG1上的PHS用戶同MG2上的PHS用戶通話等。

　�。�2）第二類就是不需要向軟交換系統(tǒng)的媒體網(wǎng)關(guān)申請(qǐng)IP資源的呼叫。這類情況如IP終端到IP終端的End-to-End連接模式。

　　對(duì)于第二類情況，語音質(zhì)量需要的相關(guān)參數(shù)有各種協(xié)議處理方式不一樣，如MGCP協(xié)議可以獲取，SIP和H323則沒有獲取，這里就不作討論。

　　針對(duì)第一類的連接通話情況，可以用建立如下的通話連接模型，如圖3所示。該圖是整個(gè)軟交換系統(tǒng)的簡化圖，具體的細(xì)節(jié)沒有描述。


　　基于該連接模型，對(duì)于每次的VoIP通話，CS-P可以從MG獲取如下的相關(guān)信息：終結(jié)點(diǎn)呼叫連接采用的Codec（忽略了Codec動(dòng)態(tài)改變的情況），呼叫連接的時(shí)長統(tǒng)計(jì)（nt/dur）、呼叫連接發(fā)送的字節(jié)數(shù)統(tǒng)計(jì)（nt/os）、呼叫連接接受的字節(jié)數(shù)統(tǒng)計(jì)（nt/or）、呼叫連接發(fā)送的數(shù)據(jù)包統(tǒng)計(jì)（rtp/ps）、呼叫連接中接受的數(shù)據(jù)包統(tǒng)計(jì)（rtp/pr）、呼叫連接中的所丟失的數(shù)據(jù)包的統(tǒng)計(jì)（rtp/pl）、呼叫連接中的抖動(dòng)統(tǒng)計(jì)（rtp/jit）以及呼叫連接中時(shí)延的統(tǒng)計(jì)（rtp/delay）。從這些信息中，可以獲取到計(jì)算R值所需要的參數(shù)（見表2）。


　　而對(duì)于其他的參數(shù)，由于CS-P系統(tǒng)來計(jì)算每次VoIP的通話質(zhì)量時(shí)，要獲取各種真正的通話現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)和話機(jī)相關(guān)的參數(shù)是不現(xiàn)實(shí)的，因此，這些參數(shù)值可以采用參考ITU-T G.107中Table 2中的參考值。

　　因此，在mSwitch系統(tǒng)中，可以使用E-Model通過如下的步驟來獲取每次VoIP通話的語音質(zhì)量的R值和MOS值，具體計(jì)算公式參考ITU-T G.107。

　　第一步：確定相關(guān)參數(shù)，計(jì)算基本信噪比R0（使用的都是ITU-T G.107中Table 2中的參考值）；第二步：確定相關(guān)參數(shù)，計(jì)算語音同步損傷因子Is（使用的都是ITU-T G.107中Table 2中的參考值）；第三步：確定相關(guān)參數(shù)，計(jì)算語音延時(shí)損傷因子Id（qdu使用的都是ITU-T G.107中Table 2中的參考值）；第四步：確定相關(guān)參數(shù)，算計(jì)語音設(shè)備損傷因子Ie-eff（根據(jù)Codec對(duì)照ITU-T G.113 Appendix I，找到合適的Ie和Bpl值）；第五步：根據(jù)終端類型，確定A值；第六步：計(jì)算R值，根據(jù)R和MOS的對(duì)照關(guān)系表，得到MOS值。

　　使用E-Model測(cè)量VoIP的語音質(zhì)量，可以準(zhǔn)確地建立包丟失分布和最終用戶感覺模型，將包丟失分布與編碼器和時(shí)延等建立關(guān)系，以便給出一個(gè)單一的得分，該方法在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行語音質(zhì)量評(píng)估具有相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確度。

　　6、結(jié)束語

　　但是，需要看到的是：正如ITU-T G.107規(guī)范開頭所述“這樣的評(píng)估僅用于傳輸設(shè)計(jì)的目的，并非為了實(shí)際用戶評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)（因?yàn)檫�沒有ITU-T建議的統(tǒng)一的模型）。”E-Model相當(dāng)大數(shù)量的可能輸入?yún)?shù)的組合情況還未經(jīng)過足夠的界內(nèi)驗(yàn)證和充分的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量。許多對(duì)于傳輸設(shè)計(jì)具有高重要度的參數(shù)組合情況，E-Model已經(jīng)可以被確信應(yīng)用，但是對(duì)于其它的一些研究未涉及或不成熟的參數(shù)組合情況，E-Model的估測(cè)仍處在置疑和研究的階段。

　　對(duì)于軟交換設(shè)備mSwitch系在VoIP方面的理想情況，應(yīng)該做到如下幾種情況：　

電信網(wǎng)技術(shù)


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