VoLTE視頻電話質(zhì)量標準化研究及指標設(shè)計

李寶磊，周俊，任曉華（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司，北京 100080）

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VoLTE視頻電話質(zhì)量標準化研究及指標設(shè)計

李寶磊，周俊，任曉華
（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司，北京 100080）

摘 要隨著VoLTE網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和高清視頻電話的商用，如何對LTE視頻通話質(zhì)量進行評估成為難點。本文對VoLTE視頻電話相關(guān)協(xié)議基礎(chǔ)和背景知識進行介紹，研究影響視頻通話業(yè)務(wù)的關(guān)鍵因素和質(zhì)量評估方法，并結(jié)合信令和RTP/RTCP解碼制定視頻電話業(yè)務(wù)評估指標體系，應用于中國移動自動路測系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞VoLTE；視頻電話；感知；評估；指標

1　引言

隨著LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的進一步完善和VoLTE的逐漸商用，聲圖并茂的視頻通話業(yè)務(wù)將成為4G時代人們重要的社交方式之一。在中國移動《VoLTE技術(shù)白皮書》發(fā)展愿景中明確提出：VoLTE提供高質(zhì)量音視頻業(yè)務(wù)，支持高清語音（WB-AMR編解碼）和高清視頻（至少支持H.264 720P@30fps編解碼），提供更豐富的業(yè)務(wù)體驗。但相比于業(yè)內(nèi)成熟的語音評估算法標準POLQA（Perceptual Objective Listening Quality Analysis，感知客觀語音質(zhì)量評估）視頻電話質(zhì)量評估受到用戶主觀感情、網(wǎng)絡(luò)損傷、實現(xiàn)復雜度等多種因素的影響，目前業(yè)內(nèi)尚未有統(tǒng)一的標準化方案，國際標準組織ITU只給出了一系列建議算法，如基于有參考的PEVQ、基于網(wǎng)絡(luò)傳輸參數(shù)的ITU-T P.1201和P.1202等。本文首先研究了視頻電話的底層傳輸協(xié)議及影響質(zhì)量因素，并對當前廠家的主流算法進行研究，結(jié)合應用于集團路測的復雜度和精確度，設(shè)計質(zhì)量評估指標體系。為后續(xù)大規(guī)模測試和指標分析提供技術(shù)方案儲備。

2　VoLTE視頻電話標準協(xié)議和業(yè)務(wù)因素分析

2.1RTP/RTCP協(xié)議

RTP（Real-time Transport Protocol，實時傳輸協(xié)議），在多播或單播的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)上，提供端對端的網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，目的是提供時間信息并實現(xiàn)流（Streaming）同步，適合應用程序傳輸實時數(shù)據(jù)，如音頻、視頻或者仿真數(shù)據(jù)。RTP數(shù)據(jù)分組重要的字段有： 負載類型（PT）、 通知接收端傳輸?shù)拿襟w類型（語音/視頻H.264/MPEG-4等），接收端調(diào)用不同的編解碼器；序列號（Sequence Number）：每發(fā)送一個RTP分組，序列號加1，接收端可以據(jù)此監(jiān)測分組損和重建分組序列。序列號初始值隨機，起加密作用；時間標志（Timestamp）：同步和抖動計算。RTP本身只保證實時數(shù)據(jù)的傳輸，并不能為按順序傳送數(shù)據(jù)分組提供可靠的傳送機制，也不提供流量控制或擁塞控制，它依靠RTCP提供這些服務(wù)。

RTCP（Real time Transport Control Protocol，RTP控制協(xié)議），負責管理傳輸質(zhì)量，在當前應用進程之間交換控制信息，進行流量控制和擁塞控制服務(wù)。在RTP會話期間，各參與者周期性地傳送RTCP分組，分組中含有已發(fā)送的數(shù)據(jù)分組的數(shù)量、丟失的數(shù)據(jù)分組的數(shù)量等統(tǒng)計資料，服務(wù)器可以利用這些信息動態(tài)地改變傳輸速率和載荷類型。RTP和RTCP配合使用使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院涂煽啃蕴岣?。RTCP數(shù)據(jù)分組重要的字段有：NTP時間標志：絕對時間，系統(tǒng)時間；RTP時間標志：相對時間，RTP前后分組的相對時間；分組丟失抖動等指標：進行同步和抖動等值的計算，包括：源識別符、分組丟失率（Fraction Lost）、累計分組丟失數(shù)（Cumulative Number of Packet Lost）、到達間隔抖動（Interval Jitter）、上一SR（Sender Report）報文時間標志、自上一SR的時間延時等。

VoLTE語音和視頻按照協(xié)議需要QCI=1和QCI=2的承載，分別按照不同的時延和傳輸?shù)纫筮M行建立。當視頻電話建立一個RTP會話時，確定一對目的傳輸?shù)刂贰Ｄ康膫鬏數(shù)刂酚梢粋€網(wǎng)絡(luò)地址和一對端口組成，兩個端口一個給RTP分組，一個給RTCP分組，使得RTP/RTCP數(shù)據(jù)能夠正確發(fā)送。RTP數(shù)據(jù)發(fā)向偶數(shù)的UDP端口，而對應的控制信號RTCP數(shù)據(jù)發(fā)向相鄰的奇數(shù)UDP端口（偶數(shù)的UDP端口+ 1），這樣就構(gòu)成一個UDP端口對。音視頻數(shù)據(jù)分組經(jīng)過封裝后，分別通過不同的端口進行傳輸。

2.2影響視頻業(yè)務(wù)的關(guān)鍵因素

影響VoLTE視頻電話業(yè)務(wù)的關(guān)鍵因素有三類：時延、抖動、分組丟失率。端到端的時延可分為兩部分：固定時延和可變時延。固定時延包括由編解碼器引起的時延和分組封裝時延，可變時延包括：承載網(wǎng)上的傳輸、節(jié)點排隊、服務(wù)器處理和去抖動處理等；抖動的影響因素一般和網(wǎng)絡(luò)擁塞有關(guān)，數(shù)據(jù)分組在各節(jié)點緩存時間較長導致。分組丟失對視頻電話質(zhì)量影響最大，原因主要為：IP傳輸過程中的誤碼和不能保障業(yè)務(wù)帶寬造成的擁塞，導致分組丟失率上升。

抖動：到達時刻抖動J表示接收機相對發(fā)射機的分組時延差，該值等于兩個分組相對傳輸時間的差值。若Si是分組i以RTP時間標志單位發(fā)送時刻值的RTP時間標志，Ri是到達時刻值，對于兩個分組i和j，D可以表達為：

實測發(fā)現(xiàn)，抖動大于500 ms是不可接受的，而抖動達到300 ms時，是可以接受的，此時為了消除抖動會引起較大的時延，綜合時延對話音質(zhì)量的影響來考慮，要求抖動小于80 ms。

分組丟失：通過計算接收分組數(shù)量和發(fā)送分組數(shù)量的比率得到，當分組丟失小于5%時，基本可以接受。大于10%無法接受。要求傳輸分組丟失率小于5%。

時延：通過計算發(fā)、收分組時間差得到，150 ms以下可以接受，大于400 ms不可接受。

另外，碼流速率的不同也會造成視頻質(zhì)量的差異，典型的MPEG-2視頻流，標準分辨率為720×486，根據(jù)相應的計算公式可以得到PSNR和碼流速率之間的關(guān)系，不同類型的編碼類型有壓縮效率，從經(jīng)驗上來看，ITU-T H.263比H.261有高一倍的壓縮效率，H.264 比MPEG-2有超過60%的效率提高。所以在相同的碼流速率情況下，H.264要比MPEG-2有更好的視頻質(zhì)量（VoLTE要求語音編碼必選AMR，其他編碼方式可選；視頻編碼必選H.264，其他編碼方式可選）。

3　視頻通話質(zhì)量評估方法

一般來說，視頻質(zhì)量評估分為主觀評估和客觀評估，前者憑借感知者主觀感受對視頻質(zhì)量進行評價打分，后者根據(jù)傳輸模型給出量化指標，借以衡量視頻質(zhì)量。其中客觀評估根據(jù)是否加入原始參考視頻樣本又分為有參考評估、縮減參考評估和無參考評估。

3.1主觀質(zhì)量評估

顧名思義，主觀質(zhì)量評估即采用人工主觀評價的方法，在一個受控的環(huán)境中連續(xù)觀看一系列測試樣本，然后按照制定好的評分等級（一般采用五分制）對視頻序列進行評分，最后求得MOS（Mean Opinion Score，平均分）。主觀質(zhì)量評估的優(yōu)點是評價比較準確，最接近用戶感知。缺點是花費昂貴，難以實現(xiàn)自動路測要求的實時性，導致實時視頻電話通信的評估很難實現(xiàn)。

3.2客觀質(zhì)量評估

客觀質(zhì)量評估根據(jù)評估模型來自動計算視頻通話質(zhì)量，提取的傳輸參數(shù)如時延、抖動、分組丟失，以及人類視覺感知特性等，對劣化信號進行客觀評估。國際電信聯(lián)盟所屬的VQEG（Video Quality Experts Group，視頻質(zhì)量專家組）提出根據(jù)原始參考視頻需要的程度，客觀質(zhì)量評估可以分為三大類：有參考評估、縮減參考評估和無參考評估。有參考評估通過比較劣化視頻和原始參考視頻，得到劣化信號質(zhì)量，如PSNR（Peak Signal to Noise Ratio，峰值信噪比）算法、PEVQ算法、思博倫Chromatic相機捕捉算法等?？s減參考評估是指在原始參考視頻和劣化視頻上分別進行某些運算，通過分析得到的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行質(zhì)量評估。無參考評估不需要原始參考視頻，只對劣化視頻進行評估。

其中無參考評測方法由于不需要參考原始視頻，而且信號評估較為準確，實現(xiàn)方法簡單。因此在移動通信的終端接收質(zhì)量評價中更為適用。近年來，無參考視頻客觀質(zhì)量評價方法得到業(yè)界很大的關(guān)注。

3.3無參考評估方法—VQmon

VQmon算法是一種典型的無參考評估算法，業(yè)內(nèi)具有較高的知名度，其原理是對接收到的語音和視頻信號分別評估，最后對整體質(zhì)量進行計算（如同步、音視頻質(zhì)量等）。語音評估借鑒了ITU-T G.107（E-model）的語音測量方法，將網(wǎng)絡(luò)的噪音、延時、抖動、編碼特性等損傷因素靈活加入后進行評估。視頻評估通過搭建模塊檢測傳輸后關(guān)鍵幀、分組丟失和場景等變化，對視頻質(zhì)量進行評估。

語音評估基于E-Model算法最終計算R值，取值范圍從0～100。R值的計算從沒有網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的損傷影響開始，此時語音質(zhì)量是最好，R=R0。R0是無網(wǎng)絡(luò)延時和設(shè)備損傷因素的信噪比。R值的基本計算公式如下：

其中： IS是與語音信號傳輸同步的損傷，Id是語音信號傳輸時延后的損傷，Ie由設(shè)備引入的損傷如編解碼器，A是優(yōu)勢因素，一般設(shè)置為0。

由公式知：語音質(zhì)量（R值）計算是通過先估計一個連接的信噪比（R0），然后從中減去網(wǎng)絡(luò)損傷（IS，Id，Ie），最后再用呼叫者對語音質(zhì)量的期望（A）進行補償后得到，每一個都需要考慮各種各樣的實際網(wǎng)絡(luò)損傷因素，通過非常復雜的數(shù)學計算得到。

VQmon的視頻評估模型如圖1所示。

圖1　VQmon視頻評估模塊

相關(guān)模塊功能如表1所示。

表1　視頻評估模塊功能

VQmon算法可以輸出如表2所示音頻視頻指標。綜上所述，該視頻質(zhì)量評價算法的主要特性如下：（1） 采用逐幀分析模式準確評價視頻、語音和多媒體業(yè)務(wù)的MOS值，可以實時得到平均和抽樣時間段內(nèi)的MOS值；平均MOS_V值從視頻開始播放/用戶加入多播組中到結(jié)束/用戶離開計算。抽樣時間內(nèi)的MOS_V值取決于抽樣間隔，該值反映的是在抽樣間隔內(nèi)的視頻質(zhì)量，也即當前視頻質(zhì)量分數(shù)，與之前的視頻質(zhì)量無關(guān)。

表2　音視頻指標定義　

（2） 支持RTP，MPEG-TS，MPEG-2，MPEG-4 和H.264等多種編碼方式。

（3） 采用數(shù)據(jù)分組頭信息模式實時分析擾亂以及加密的媒體流質(zhì)量。

（4） 自動檢測圖片組GoP結(jié)構(gòu)、速率和幀信息。

（5） 全面的數(shù)據(jù)幀層面分析，包括I、P、B幀，I幀間隔等，采用基于媒體幀丟失分析模式的評價方式，并可以對視頻場景進行分析以得到視頻內(nèi)容的種類和特性。

4　視頻電話業(yè)務(wù)評估指標設(shè)計

考慮到實現(xiàn)難度和自動路測實時上報MOS的要求，綜合各廠家目前傾向的算法，采用無參考評估方法。由于RTP/RTCP數(shù)據(jù)分組有嚴格的同步機制，因此暫不考慮對同步進行評估（同步性能更多考驗終端對數(shù)據(jù)分組的處理能力）。VoLTE視頻通話業(yè)務(wù)評估指標可以分為如圖2所示的資源類、質(zhì)量類和KPI 3類。資源占用類主要考察視頻通話業(yè)務(wù)的資源占用情況，質(zhì)量類主要考察MOS和傳輸速率，KPI指標考察視頻通話的建立、掉線以及時延等指標，更貼近用戶感知。

圖2　視頻通話質(zhì)量評估指標體系

表3　視頻通話關(guān)鍵指標算法

VoLTE視頻通話的業(yè)務(wù)指標定義需要參照視頻電話信令流程和RTP/RTCP協(xié)議RFC3550中的相關(guān)字段進行，詳細算法的準確性需要現(xiàn)場驗證并修正。近期正在進行視頻測試log信令的抓取和RTP/RTCP分組解碼字段的校驗，預計將很快應用于中國移動自動路測系統(tǒng)。視頻通話業(yè)務(wù)關(guān)鍵指標定義如表3所示。

5　總結(jié)

目前應用于外場測試的標準主要有兩種：基于P.120X系列標準，選用無參考算法，基于IP流和網(wǎng)絡(luò)傳輸參數(shù)對視頻進行評估，這是大部分廠商采用的算法。也有部分廠商采用有參考對比算法，但實現(xiàn)較為復雜。視頻電話業(yè)務(wù)質(zhì)量的評估需要考慮方案的實時性、復雜性和可行性，標準的制定既要反應用戶真實感知，又能直觀反應視頻通話網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。因此基于人眼的視覺特性，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸參數(shù)映射用戶感知的方法將會是視頻電話質(zhì)量評估的主流。VoLTE業(yè)務(wù)組正在進行相關(guān)解碼和技術(shù)評估工作，為VoLTE即將商用的視頻電話評估做準備。

News

VoLTEVideo telephony service quality evaluation and index design

LI Bao-lei， ZHOU Jun， REN Xiao-hua
（China Mobile Group Design Institute Co.， Ltd.， Beijing 100080， China）

AbstractWith the construction ofVoLTE networks and high-defi nitionVideo telephony application， how to assess the quality of LTEVideo call becomes more important. This article introduces theVoLTEVideo telephony related protocols and background knowledge， and studys the key factors and quality assessment method affecting theVideo call service. Then combines the signaling and decodes RTP / RTCP to developVideo telephony service evaluation system. It will be used in China Mobile automatically drive test systems.

KeywordsVoLTE；Video call； perceive； evaluate； index

中圖分類號TN929.5

文獻標識碼A

文章編號1008-5599（2016）05-0034-05

收稿日期：2015-10-10