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定量評估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)備制造廠家的預測，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分析入手，對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，并介紹其測量方法，以便對全面評估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，即將模擬語音信號通過特定的處理方式轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)包信號，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，從而完成整個通話過程。
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傳遞的路徑為：主叫用戶語音信號→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 路由器實際上是一臺工作在第3層的特殊用途的計算機，是分組交換網(wǎng)中用于將呼叫信號送達到指定地址的器件。路由器從網(wǎng)關(guān)接收地址信息，確認其有效性（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傳遞至指定地址。
IP電話語音質(zhì)量的測試
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IP電話語言質(zhì)量進行定量的分析測量，并依據(jù)測量結(jié)果，對VoIP網(wǎng)絡(luò)中各器件進行調(diào)整，使其達到最佳的語音質(zhì)量，已成為決定VoIP生存發(fā)展的必要條件。
衡量語音質(zhì)量的四個重要因素是延時（Delays）、丟包 (Dropout)、抖動 (Jitter)和沿切割 (Clipping)。
根據(jù)測試經(jīng)驗和人體工程學的理論分析，若使VoIP的語音質(zhì)量接近普通電話，單向延時的指標最好小于100ms，最大不能超過250ms，丟包率不能超過5%，而抖動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)標準。最初ITU-T P.800提出了MOS
(Mean Objection Score)的方法，即請40至60個有代表性的人士來聽一段相同的語音樣本，然后對該樣本經(jīng)過VoIP傳輸后的語音質(zhì)量進行投票評價，這是一種純粹主觀的定性評估。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。判別標準有5級：
5 = 最佳
4 = 好 （4.5～4.0 =可收費電信級）
3 = 中級（4.0～3.5 =可通話通信級）
2 = 較差（3.5～2.5 =可建立連接級）
1 = 差
很顯然，MOS方法是一種模糊的評估方法，其測試結(jié)果很難對VoIP系統(tǒng)的改進和不同VoIP設(shè)備之間性能的比較，作出有實際意義的判別。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個級別作為標準，所不同的是其對每一個級別都以百分比的方式做出了差對最差（%PoW =Percent Poor
or Worse）和好對最好（%GoB = Percent Good or Better）的進一步描述。PSQM方法并未擺脫原始的人類主觀評估，只是作了進一步的說明。目前，有人使用計算機產(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，計算出與PSQM中相對應的級別及好壞程度，以此作為評估語音質(zhì)量的方法。
PSQM不能準確給出影響VoIP網(wǎng)絡(luò)語音質(zhì)量的各因素的量值，因為波形文件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)時的真實情況，而單音頻信號在通過語音編碼器后本身就會產(chǎn)生畸變。同時，在具體測試中必須在波形文件信號返回后，才可進行比較，這樣就根本無法測量網(wǎng)絡(luò)端到端的單向延時。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)負載下的語言質(zhì)量數(shù)據(jù)才有實際意義。而使用PSQM方法，通常只能在一個E1里做1～2個話路的測試，以此來代表該E1中的語音質(zhì)量，其結(jié)果顯然并不符合實際的用戶通話情況，因此，亦不能做為評價網(wǎng)絡(luò)QoS的指標數(shù)據(jù)。
VoIP技術(shù)的發(fā)展迫切需要一種能定量分析測量其影響語音質(zhì)量的4個指標的方法和相應的儀器設(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便宜的主要原因。與此同時，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)部的語音編碼器對帶內(nèi)音頻信號進行打包和重組。這些器件對確認接收和有效數(shù)據(jù)包接收的順序進行糾錯檢查。一旦發(fā)現(xiàn)錯誤，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。網(wǎng)關(guān)或路由器上的緩存器
(Buffer) 就是為容納這些延時的數(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，但同時延時就會增大，這是一對矛盾，需要系統(tǒng)設(shè)計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)中延時的分布情況。
圖3 VoIP網(wǎng)絡(luò)中時延的分布
在激烈的市場競爭中，QoS (Quality of Service) 是每一個電信運營商刻意追求的指標。事實上，目前利用IP電話的用戶都會遇到通話過程中隨時出現(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、丟包、沿切割和抖動。
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，建立一套客觀評估標準，并對VoIP網(wǎng)絡(luò)的語音服務(wù)質(zhì)量進行定量分析和測量，就成為當務(wù)之急。
測試典型方案
針對VoIP網(wǎng)絡(luò)的特點和對其語音質(zhì)量測試的要求，國際許多測試儀器設(shè)備制造廠家都投入了大量資源進行研究開發(fā)，并取得了階段性成果。美國Ameritec公司在長期從事電路交換語音測試和模擬語音傳輸損耗測試
(TIMS) 研究的理論基礎(chǔ)上，開發(fā)了用于分組交換系統(tǒng)測試的專利技術(shù)——“ Golden Voice ”。
“Golden Voice”是一個寬帶復合音調(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”可以作為測試音源，配置在模擬呼叫發(fā)生器上，當語音路由建立以后，由呼叫發(fā)生器將“Golden Voice”送出，同時對其所帶的間隔為1.25ms時標進行計數(shù)，從而精確地測量出VoIP網(wǎng)絡(luò)的單向時延、回路時延、丟包、抖動、沿切割等指標，如圖4所示。目前可以提供的VoIP測試功能及指標如下：
1.丟包測量 (Dropout Measurement)
語音丟包檢測器可以連續(xù)地測量每一個語音通道的音頻能量，對檢測出的由于打包或幀丟失引起的超過5ms的丟包進行計數(shù)，并可對不同長度的丟包進行統(tǒng)計。
2.前后沿切割測量(Leading and Trailing Edge Clipping Measurement)
圖4 測試解決方案
檢測網(wǎng)關(guān)中相應部件對從靜音到講話和從講話到靜音之間的過渡狀態(tài)的響應。
3.抖動測量 (Jitter Measurement)
檢測瞬間的時序變化，±5ms分辨力。
4.單向和回路延時測量(One-way and Round-trip Delay Measurement)
各音頻通道獨立檢測，單向±5ms分辨力，回路±10ms分辨力。
不難看出，以上指標測試的精確度和分辨力與“Golden Voice”信號源中的時標精度直接相關(guān)，但如與VoIP最好語音質(zhì)量效果指標比較，目前的量值已經(jīng)足夠了。
測試過程分析
1. 丟包測試
圖5所示的是丟包測試的時序圖， 圖中的語音路由測試信號即為“Golden Voice”產(chǎn)生的復合語音信號。在測試中，用戶可以自行設(shè)定分別為5ms、10ms、15ms、25ms、50ms或100ms檢測門限值。
一旦呼叫建立后，被叫即將測試音信號送至主叫，而主叫將檢測該信號通過VoIP后的狀態(tài)變化。
圖5 中“ a”處，雖然出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，但由于其時間間隔小于設(shè)定門限20ms，故在測試中忽略不計�！� b”處出現(xiàn)一個為20ms的丟包，則計數(shù)一次�！癱”處出現(xiàn)總長200ms的丟包，則計數(shù)器按20ms
值的整數(shù)倍統(tǒng)計為10次。在圖5中，我們檢測出在這次呼叫中共出現(xiàn)了11次丟包。
2. 沿切割、抖動和丟包測試
在分組交換網(wǎng)中，沿切割、抖動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,該三項指標可以在一次測量中完成�？梢栽诓簧儆�12個測試信號周期內(nèi)選擇不同的脈沖占空比（如25%、50%、75%或100%）以補償在“靜音”時有可能產(chǎn)生的丟包。測試如下：
·建立呼叫
·被叫應答
圖5 丟包時序圖
·被叫送測試信號到主叫
·主叫調(diào)整脈沖電平
·主叫與測試信號同步
·一旦電平調(diào)整與同步完成，開始檢測抖動、前沿切割、后沿切割及丟包
3.延時測量
單向延時測量過程如下：
·主叫發(fā)起呼叫
·被叫應答
圖6 抖動及沿切割的影響
·被叫送出長度為100ms的帶有時標標記的測試音信號到主叫
·主叫檢測收到的信號，并對時標進行測量，分辨力±5ms
·呼叫完成后，儀器中DSP將測量數(shù)據(jù)輸出到LGC存儲
·回路延時測量依此類推，分辨力變?yōu)椤?0ms
這套測試方案是建立在給VoIP網(wǎng)絡(luò)施加大話務(wù)量負載的背景下實現(xiàn)的。首先，被測系統(tǒng)必須達到預定的接通率指標；在指定的話路數(shù)和指定的話務(wù)量下，得出被測設(shè)備的延時、丟包、抖動、沿切割指標的平均值、最大值、最小值等綜合統(tǒng)計報告。
《賽迪市場專家》
2001/03/29
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