定量评估IP电话 语音质量

美国Ameritec公司北京办事处首席代表 崔建平

2001/03/29

　　据一些主要IP设备制造厂家的预测，到2005年，全球将有接近50%的用户通过互联网打电话。而IP电话技术将语音的传输与Internet 结合起来（即VoIP），使Internet 与现有的PSTN综合形成语音/数据/视频的多媒体信息网络。

　　本文的目的在于从语音质量这一根本性的指标分析入手，对IP电话网络中影响语音质量的主要因素作定量分析，并介绍其测量方法，以便对全面评估IP电话网络的性能提供一些参考建议。


　　IP电话网络的结构


　　所谓IP电话，即将模拟语音信号通过特定的处理方式转换成数据包信号，然后再将这些数据包通过分组交换网（如Internet、帧中继或ATM）传输，在接收端还原为模拟信号，从而完成整个通话过程。

　　图1 VoIP网络的典型结构

　　图1所示为一典型的IP电话网络。

　　图中，A、B、C、D均为普通电话用户，其中“A”为主叫，“A”呼叫“B”。电话用户的语音信号传递的路径为：主叫用户语音信号→PSTN→ 网关(Gate Way) / 路由器 (Router)→分组交换网→网关→PSTN→被叫用户。

　　网关(Gate Way) 网关是在PSTN和分组交换网之间传输呼叫的器件，包括语音编码器、回音抑制器、静音抑制、收/发缓存器和分组交换网的排序管理等部分，如图2所示。

　　图2 网关结构图

　　网关主要有二项功能：一是呼叫的管理，即根据需要完成PSTN和分组交换网之间双向的信令转换；二是呼叫的处理，即要将PSTN的语音信号按照在分组交换网中传输所需要的格式打包，以便完成双向的信息传输。

　　路由器 路由器实际上是一台工作在第3层的特殊用途的计算机，是分组交换网中用于将呼叫信号送达到指定地址的器件。路由器从网关接收地址信息，确认其有效性（如空闲、忙、已注销、未开通等）后，选择合适的路由。一旦呼叫建立，路由器将打包后的语音信号传递至指定地址。


　　IP电话语音质量的测试


　　IP电话中存在的语音质量问题，是普通电话网中不存在的特殊问题。能否对IP电话语言质量进行定量的分析测量，并依据测量结果，对VoIP网络中各器件进行调整，使其达到最佳的语音质量，已成为决定VoIP生存发展的必要条件。

　　衡量语音质量的四个重要因素是延时（Delays）、丢包 (Dropout)、抖动 (Jitter)和沿切割 (Clipping)。

　　根据测试经验和人体工程学的理论分析，若使VoIP的语音质量接近普通电话，单向延时的指标最好小于100ms，最大不能超过250ms，丢包率不能超过5%，而抖动和前后沿切割则越小越好，通常小于20ms。

　　随着VoIP技术的发展，人们不断寻求测试IP电话语言质量的方法，以便能规范VoIP设备的技术标准。最初ITU-T P.800提出了MOS (Mean Objection Score)的方法，即请40至60个有代表性的人士来听一段相同的语音样本，然后对该样本经过VoIP传输后的语音质量进行投票评价，这是一种纯粹主观的定性评估。ITU-T选取在非常宽的听觉范围内，根据不同年龄、性别和语言组别的得分，做出语音质量的判别。判别标准有5级：

　　5 = 最佳

　　4 = 好 （4.5～4.0 =可收费电信级）

　　3 = 中级（4.0～3.5 =可通话通信级）

　　2 = 较差（3.5～2.5 =可建立连接级）

　　1 = 差

　　很显然，MOS方法是一种模糊的评估方法，其测试结果很难对VoIP系统的改进和不同VoIP设备之间性能的比较，作出有实际意义的判别。因此，有人提出借用ITU-T 在P.861 中建议的 PSQM (Perceptual Speech Quality Measurement)方法。

　　PSQM仍以MOS的5个级别作为标准，所不同的是其对每一个级别都以百分比的方式做出了差对最差（%PoW =Percent Poor or Worse）和好对最好（%GoB = Percent Good or Better）的进一步描述。PSQM方法并未摆脱原始的人类主观评估，只是作了进一步的说明。目前，有人使用计算机产生波形文件（Wave File），通过比较其通过网络传输前后的变化，计算出与PSQM中相对应的级别及好坏程度，以此作为评估语音质量的方法。

　　PSQM不能准确给出影响VoIP网络语音质量的各因素的量值，因为波形文件不能代表各种不同年龄、性别、语言的人类语音通过Vo2P网络时的真实情况，而单音频信号在通过语音编码器后本身就会产生畸变。同时，在具体测试中必须在波形文件信号返回后，才可进行比较，这样就根本无法测量网络端到端的单向延时。无论电路交换还是分组交换网络，其传输特性都与业务量密切相关的。在一定话务负载下的语言质量数据才有实际意义。而使用PSQM方法，通常只能在一个E1里做1～2个话路的测试，以此来代表该E1中的语音质量，其结果显然并不符合实际的用户通话情况，因此，亦不能做为评价网络QoS的指标数据。

　　VoIP技术的发展迫切需要一种能定量分析测量其影响语音质量的4个指标的方法和相应的仪器设备。


　　IP电话网络存在的问题


　　与普通电话网比较，VoIP网络采用语音压缩编码，用数据包的形式在分组交换网上传递，因此传输线路的时空利用率得到大幅度的提高，这就是IP电话较普通电话话费便宜的主要原因。与此同时，VoIP遇到的通话性能（特别是语音质量）问题也是传统电话不曾涉及的。

　　网关或路由器内部的语音编码器对带内音频信号进行打包和重组。这些器件对确认接收和有效数据包接收的顺序进行纠错检查。一旦发现错误，将命令重发，而重发相关数据包则不可避免地造成传输上的延时。网关或路由器上的缓存器 (Buffer) 就是为容纳这些延时的数据包而设置的。一般地讲，缓存器的容量越大，数据包被损坏的几率就越小，但同时延时就会增大，这是一对矛盾，需要系统设计者和管理者来综合平衡，选择最佳的配置。图3显示出了VoIP网络中延时的分布情况。

　　图3 VoIP网络中时延的分布

　　在激烈的市场竞争中，QoS (Quality of Service) 是每一个电信运营商刻意追求的指标。事实上，目前利用IP电话的用户都会遇到通话过程中随时出现令人难以忍受的语音畸变和频繁的断话现象。而产生语音质量恶化的原因主要在网络延时、丢包、沿切割和抖动。

　　非常明显，在VoIP网络中影响语音质量的因素是由其结构决定的特殊问题，而且各因素之间存在着此消彼长的制约关系。因此，根据电信网络服务质量(QoS) 的要求，建立一套客观评估标准，并对VoIP网络的语音服务质量进行定量分析和测量，就成为当务之急。


　　测试典型方案


　　针对VoIP网络的特点和对其语音质量测试的要求，国际许多测试仪器设备制造厂家都投入了大量资源进行研究开发，并取得了阶段性成果。美国Ameritec公司在长期从事电路交换语音测试和模拟语音传输损耗测试 (TIMS) 研究的理论基础上，开发了用于分组交换系统测试的专利技术——“ Golden Voice ”。

　　“Golden Voice”是一个宽带复合音调发生器，它由24种不同频率、幅度、占空比的单音信号混合调制产生，以确保可靠地通过所有现代的语音编码器和译码器（如G.711、G.728、G.729、GSM、CDMA等）。

　　“Golden Voice”可以作为测试音源，配置在模拟呼叫发生器上，当语音路由建立以后，由呼叫发生器将“Golden Voice”送出，同时对其所带的间隔为1.25ms时标进行计数，从而精确地测量出VoIP网络的单向时延、回路时延、丢包、抖动、沿切割等指标，如图4所示。目前可以提供的VoIP测试功能及指标如下：

　　1.丢包测量 (Dropout Measurement)

　　语音丢包检测器可以连续地测量每一个语音通道的音频能量，对检测出的由于打包或帧丢失引起的超过5ms的丢包进行计数，并可对不同长度的丢包进行统计。

　　2.前后沿切割测量(Leading and Trailing Edge Clipping Measurement)

　　图4 测试解决方案

　　检测网关中相应部件对从静音到讲话和从讲话到静音之间的过渡状态的响应。

　　3.抖动测量 (Jitter Measurement)

　　检测瞬间的时序变化，±5ms分辨力。

　　4.单向和回路延时测量(One-way and Round-trip Delay Measurement)

　　各音频通道独立检测，单向±5ms分辨力，回路±10ms分辨力。

　　不难看出，以上指标测试的精确度和分辨力与“Golden Voice”信号源中的时标精度直接相关，但如与VoIP最好语音质量效果指标比较，目前的量值已经足够了。


　　测试过程分析


　　1. 丢包测试

　　图5所示的是丢包测试的时序图， 图中的语音路由测试信号即为“Golden Voice”产生的复合语音信号。在测试中，用户可以自行设定分别为5ms、10ms、15ms、25ms、50ms或100ms检测门限值。 一旦呼叫建立后，被叫即将测试音信号送至主叫，而主叫将检测该信号通过VoIP后的状态变化。

　　图5 中“ a”处，虽然出现丢包现象，但由于其时间间隔小于设定门限20ms，故在测试中忽略不计。“ b”处出现一个为20ms的丢包，则计数一次。“c”处出现总长200ms的丢包，则计数器按20ms 值的整数倍统计为10次。在图5中，我们检测出在这次呼叫中共出现了11次丢包。

　　2. 沿切割、抖动和丢包测试

　　在分组交换网中，沿切割、抖动和丢包通常是相伴而出的，其产生的根源都在语音编码器，因此,该三项指标可以在一次测量中完成。可以在不少于12个测试信号周期内选择不同的脉冲占空比（如25%、50%、75%或100%）以补偿在“静音”时有可能产生的丢包。测试如下：

　　·建立呼叫

　　·被叫应答

　　图5 丢包时序图

　　·被叫送测试信号到主叫

　　·主叫调整脉冲电平

　　·主叫与测试信号同步

　　·一旦电平调整与同步完成，开始检测抖动、前沿切割、后沿切割及丢包

　　3.延时测量

　　单向延时测量过程如下：

　　·主叫发起呼叫

　　·被叫应答

　　图6 抖动及沿切割的影响

　　·被叫送出长度为100ms的带有时标标记的测试音信号到主叫

　　·主叫检测收到的信号，并对时标进行测量，分辨力±5ms

　　·呼叫完成后，仪器中DSP将测量数据输出到LGC存储

　　·回路延时测量依此类推，分辨力变为±10ms

　　这套测试方案是建立在给VoIP网络施加大话务量负载的背景下实现的。首先，被测系统必须达到预定的接通率指标；在指定的话路数和指定的话务量下，得出被测设备的延时、丢包、抖动、沿切割指标的平均值、最大值、最小值等综合统计报告。

《赛迪市场专家》 2001/03/29