R&S公司VoLTE高清語音質(zhì)量自動化測試方案簡介

劉軼旻 羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司

羅德與施瓦茨技術(shù)專欄

R&S公司VoLTE高清語音質(zhì)量自動化測試方案簡介

劉軼旻 羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司

編者按：在LTE網(wǎng)絡(luò)中，運(yùn)營商最終將會使用基于IMS系統(tǒng)的IP語音技術(shù)為用戶提供傳統(tǒng)電話業(yè)務(wù)的替代服務(wù)。這一重大技術(shù)升級的優(yōu)勢在于網(wǎng)絡(luò)使用高帶寬的語音編解碼技術(shù)承載“高清語音”，從而極大地提高用戶體驗(yàn)。羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司劉軼旻所撰《R&S公司VoLTE高清語音質(zhì)量自動化測試方案簡介》一文對R&S完整的VoLTE語音質(zhì)量自動化測試系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。R&S測試系統(tǒng)突出的優(yōu)勢在于，CMW500和UPV的保有量非常多，而且CMW500的擴(kuò)展性能非常好。客戶升級時(shí)無需花費(fèi)太多的時(shí)間和金錢，甚至只需購買CMWrun軟件選件，即可快速開展相關(guān)測試，這為保護(hù)客戶投資起到了十分積極的作用。

對R&S完整的VoLTE語音質(zhì)量自動化測試系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。R&S測試系統(tǒng)突出的優(yōu)勢在于，CMW500和UPV的保有量非常多，而且CMW500的擴(kuò)展性能非常好。客戶升級時(shí)無需花費(fèi)太多的時(shí)間和金錢，甚至只需購買CMWrun軟件選件，即可快速開展相關(guān)測試，這為保護(hù)客戶投資起到了十分積極的作用。

VoLTE；高清語音質(zhì)量；自動化測試；CMW500；UPV

1 引言

在LTE網(wǎng)絡(luò)中，運(yùn)營商最終將會使用基于IMS（IP MultimediaSubsystem）系統(tǒng)的IP語音技術(shù)為用戶提供傳統(tǒng)電話業(yè)務(wù)的替代服務(wù)。這一重大技術(shù)升級的優(yōu)勢在于網(wǎng)絡(luò)使用高帶寬的語音編解碼技術(shù)承載“高清語音”（HDVoice，它的定義請參考GSMA官方網(wǎng)站上的說明），從而極大提高用戶體驗(yàn)。人耳能識別的聲音的頻率范圍限制在20～20000Hz之間。傳統(tǒng)固定電話網(wǎng)絡(luò)和第二代數(shù)字移動通信系統(tǒng)（包括起源于歐洲的GSM和北美的IS-95），都只將頻率范圍在300～3400Hz之間的窄帶聲波信號作為信源編碼的輸入，其它頻率成分則被濾除。這樣做主要受限于兩個(gè)因素：

●空中接口速率非常有限（如GSM的空口速率僅為270.833kbit/s，且需要多用戶時(shí)分復(fù)用）。

●無法實(shí)現(xiàn)高效率的語音壓縮和編碼。

窄帶語音的缺點(diǎn)非常明顯，盡管通信雙方的語意可以被識別，但是聲音聽起來單調(diào)、干澀，缺乏現(xiàn)場感。例如，信源編碼時(shí)聲音中的頻率成分被保留的越多，那么用戶聽到的聲音會越接近原聲，感受更豐富、更柔和、更悅耳。在電話系統(tǒng)中，按照聲音信號的頻率范圍，可將聲碼器劃分為4種類型，具體參見表1。

表1 聲碼器種類

寬帶與超寬帶語音將主要應(yīng)用于LTE網(wǎng)絡(luò)，而全帶寬語音作為超寬帶語音的演進(jìn)，將成為未來EVS（EnhancedVoiceServices）全高清語音業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)，覆蓋聲音全部頻率成分的特性使得通過移動通信網(wǎng)絡(luò)可以傳輸更高質(zhì)量的語音信號。

2 寬帶與超寬帶語音方法的演進(jìn)

人對聲音的感知是一個(gè)復(fù)雜的從物理現(xiàn)象到生理直至心理作用的過程，即音源振動產(chǎn)生聲音并以波的形式傳播出去，聲波進(jìn)入人耳引起耳蝸內(nèi)結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生生物電信號，生物電信號傳導(dǎo)到大腦刺激聽覺神經(jīng)使人感受到聲音。人對聲音的判別帶有強(qiáng)烈的主觀色彩?；诖颂攸c(diǎn)，聲音相關(guān)的測試不僅要使用客觀的檢測手段（如元器件或整機(jī)的聲壓、頻響等可定量參數(shù)的測量），還需要采用“聽音”方式進(jìn)行主觀評判。傳統(tǒng)的聽音測試，由很多經(jīng)過訓(xùn)練的“人耳”在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下，聆聽被測信號，按照一定的標(biāo)準(zhǔn)對聲音質(zhì)量的“好壞”進(jìn)行打分完成，5分為“優(yōu)秀”，1分則是“最差”。所有這些測試者打出的平均分?jǐn)?shù)，就得到所謂“MOS”分?jǐn)?shù)（MeanOpinionScore）。理論上推算，VoLTE高清語音的最高編碼速率等級，在靜態(tài)傳輸條件下MOS分?jǐn)?shù)可到達(dá)4分以上的效果，比傳統(tǒng)2/3G語音有明顯的提高。

考察人對語音的主觀感受，除了音質(zhì)“MOS”分?jǐn)?shù)之外，還需考慮語音在整個(gè)通信過程當(dāng)中延遲（Latency）的影響。喜歡看電視新聞節(jié)目的人，常會看到演播室和新聞現(xiàn)場遠(yuǎn)程聯(lián)線的場景。聯(lián)線距離如果很遠(yuǎn)，可看到演播室這邊話已講完，而聯(lián)線那端的人長時(shí)間沒有反應(yīng)的現(xiàn)象，這就是延遲的影響，即由于通信距離過遠(yuǎn)，導(dǎo)致音視頻信號需要長時(shí)間傳輸，從而使雙方無法保持“實(shí)時(shí)”的交流。一般來說，通信系統(tǒng)中語音信號的環(huán)路延遲超過300ms，雙方就能夠感受到通話的等待和暫停，繼而引起不適。GSM、WCDMA、TD-SCDMA、cdma2000這幾種制式下，語音通過面向連接的電路交換網(wǎng)絡(luò)傳輸，延遲比較小且固定。但是，LTE網(wǎng)絡(luò)是完全的分組包交換網(wǎng)絡(luò)，IP包的突發(fā)特性和語音傳輸?shù)囊蟊举|(zhì)上是矛盾的，加上IP協(xié)議的“發(fā)后不管，盡力而為”的特點(diǎn)，使VoLTE語音里延遲和通信質(zhì)量之間的矛盾愈加突出。因此，從測試角度來看，必須對VoLTE語音的延遲進(jìn)行準(zhǔn)確測量，才有助于手機(jī)設(shè)計(jì)者提高VoLTE語音的整體性能。

上述人工聽音方法現(xiàn)已無法大規(guī)模應(yīng)用，尤其在激烈的市場競爭下，廠家無力投入巨大的人力資源進(jìn)行此類測試。業(yè)界實(shí)際使用一種模擬主觀聽音的客觀測試方法作為替代，這就是所謂的PESQ?（Perceptual Evaluation of Speech Quality）和POLQA（Perceptual Objective Listening Quality Assessment）?測試。POLQA可以簡單地理解為PESQ功能的升級和擴(kuò)展，VoLTE語音質(zhì)量測試使用POLQA方法，因此本文只介紹POLQA的測試（關(guān)于PESQ和POLQA測試的具體差別，建議讀者參考R&S公司的編號為1GA62的應(yīng)用文檔中有關(guān)內(nèi)容）。這兩種測試都是根據(jù)人耳工作原理，用物理和數(shù)學(xué)方法對人耳聽覺功能建立PESQ或者POLQA分析模型。測試時(shí)將標(biāo)準(zhǔn)參考信號輸入被測設(shè)備（簡稱DUT），獲得經(jīng)DUT后的有損信號輸出，再將此輸出信號輸入PESQ/POLQA模型，與預(yù)存的參考信號進(jìn)行對比，從而獲得結(jié)果，具體參見圖1。POLQA模型除了能夠獲得MOS分?jǐn)?shù)外，還可以通過比對有損輸出和參考信號時(shí)間差而得到整個(gè)通路的延遲，因此POLQA測量對VoLTE語音質(zhì)量檢測有著更積極的意義。

真實(shí)的LTE網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜，在不同層面存在著多種影響通信質(zhì)量的消極因素。而且LTE和2/3G網(wǎng)絡(luò)會長期共存，用戶在通話過程中難免會經(jīng)歷系統(tǒng)之間互操作的情況。此外，運(yùn)營商會根據(jù)優(yōu)化的需要約束終端在網(wǎng)絡(luò)中的一些行為。因此，VoLTE語音質(zhì)量測試不僅要覆蓋靜態(tài)傳播場景，還要考慮到上述這些因素的影響。具體來說要著重進(jìn)行下面這些測試：

圖1 POLQA測試模型

（1）射頻衰落場景下的MOS分?jǐn)?shù)

在無線傳播信道存在多普勒頻移以及白噪聲時(shí)，如果下行方向使用高階調(diào)制方式和過大的數(shù)據(jù)傳輸塊尺寸，DUT將變得無法承受，進(jìn)而引起MOS分?jǐn)?shù)的嚴(yán)重惡化。此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)通常需要改用較低的MSC（Modulation Scheme）來提供更多冗余保護(hù)，從而保證音質(zhì)。

（2）IP層損傷場景的MOS分?jǐn)?shù)和時(shí)延

因VoLTE語音使用RTP協(xié)議傳輸，無后向糾錯(cuò)機(jī)制，IP層傳輸過程中的丟包會嚴(yán)重影響音質(zhì)，使MOS分?jǐn)?shù)下降，甚至導(dǎo)致連接中斷。IP傳輸過程中很可能經(jīng)過多個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，各設(shè)備間并沒有時(shí)基同步機(jī)制。這些都使得連續(xù)的IP包之間在傳輸時(shí)間上出現(xiàn)波動，這一現(xiàn)象被稱為“Jitter”（抖動）。為對抗抖動，DUT在接收端都要設(shè)計(jì)一定大小的緩存，當(dāng)連續(xù)到達(dá)的語言幀之間存在時(shí)間波動時(shí)，該緩存可存放若干連續(xù)語音幀，待語音穩(wěn)定后再輸出。較大尺寸的Jitter Buffer會改善音質(zhì)，即MOS分?jǐn)?shù)提升，但會帶來較大的處理延遲，引起通話者注意；反之，較小容量的Jitter Buffer處理延遲小，但MOS分?jǐn)?shù)優(yōu)化有限。因此，如何平衡延遲與MOS分?jǐn)?shù)成為Jitter抑制的主要挑戰(zhàn)（關(guān)于Jitter Buffer，請參考3GPP組織的規(guī)范26.448）。

（3）數(shù)據(jù)和語音同步傳輸時(shí)MOS分?jǐn)?shù)

LTE網(wǎng)絡(luò)下RTP語音和其它IP協(xié)議數(shù)據(jù)包同時(shí)傳輸是很常見的場景。DUT需要按照不同業(yè)務(wù)類型對數(shù)據(jù)包分別進(jìn)行QoS處理。好的DUT設(shè)計(jì)應(yīng)該是在MOS分?jǐn)?shù)、延遲不惡化的要求下，最大程度保證其它數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的質(zhì)量。

（4）切換場景下MOS分?jǐn)?shù)和時(shí)延

切換包括LTE網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的跨小區(qū)切換、頻點(diǎn)切換，還有通過eSRVCC方式完成的LTE→GSM，LTE→WCDMA等異系統(tǒng)間切換。切換動作會造成DUT與網(wǎng)絡(luò)的短時(shí)間內(nèi)連接的丟失，并帶來額外的協(xié)議棧信令處理時(shí)間，所以切換會降低音質(zhì)，增加延遲。

（5）出于省電、擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋、降低信令開銷等多種目的，運(yùn)營商在LTE網(wǎng)絡(luò)內(nèi)可以使用cDRX（連接態(tài)下非連續(xù)接收）、TTI Bundling（TTI綁定）、SPS（半靜態(tài)調(diào)度）、RoHC（PDCP層包頭壓縮）等功能對DUT行為進(jìn)行約束。開啟這些功能對MOS音質(zhì)以及延遲都有可能產(chǎn)生影響。

3 R&S完整的VoLTE語音質(zhì)量自動化測試系統(tǒng)

根據(jù)上文介紹可知，為保證質(zhì)量，對手機(jī)的VoLTE語音質(zhì)量需要進(jìn)行全面測試。因測試環(huán)境涉及到LTE基站與核心網(wǎng)，IMS網(wǎng)絡(luò)與IP傳輸，音頻編解碼能力及標(biāo)準(zhǔn)音頻源與分析等通信過程中的幾乎所有重要網(wǎng)元與功能實(shí)體，而且測試中還可能隨意設(shè)置基站功能，并精確地定量（如延遲），所以整個(gè)測試非常復(fù)雜，無法在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)下開展，只能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

為了滿足此類測試需求，R&S開發(fā)了一套完整的VoLTE語音質(zhì)量自動化測試系統(tǒng)，它具有功能全面、構(gòu)成簡單、運(yùn)行速度快、人機(jī)交互友好等優(yōu)點(diǎn)，十分適合開發(fā)和準(zhǔn)入測試。該套系統(tǒng)僅由射頻測試儀CMW500和音頻分析儀UPV兩臺儀表，一臺運(yùn)行CMWrun自動化控制軟件的電腦，以及若干特殊測試電纜組成，具體參見圖2。

圖2 R&S完整的VoLTE語音質(zhì)量自動化測試系統(tǒng)

圖2上方的儀表是高精度音頻信號分析儀UPV，具有工作頻率范圍寬（直流/10Hz～250kHz），測量范圍廣（0.1μV～110V）、靈敏度高（±0.025dB）、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。配備有雙通道的獨(dú)立音頻源和分析儀，能同時(shí)分析DUT的上行和下行通路。在POLQA測試系統(tǒng)中，UPV的兩路音頻源負(fù)責(zé)播放按照3GPP規(guī)范要求制作的測量參考信號（或者運(yùn)營商提供的測試語料文件），這種信號通常是一段混合了幾秒鐘男、女聲及靜默的wav格式語音文件。按測試方向的不同，參考信號被分別發(fā)送至DUT的麥克風(fēng)輸入端（上行測量）和CMW500的音頻編碼器輸入端（下行測量）；類似的，根據(jù)測試方向的差異，UPV的兩路音頻分析儀則分別接收來自CMW500音頻解碼器輸出端（上行測量）和手機(jī)的耳機(jī)輸出端（下行測量）的有損聲音信號，然后由內(nèi)置POLQA測量軟件出該方向的MOS分?jǐn)?shù)及通路的延遲。

圖2下方的儀表是無線通信綜合測試儀CMW500。它是一款非常優(yōu)秀的產(chǎn)品，自2007年10月面世以來，全球銷量累計(jì)已達(dá)5.5萬余臺，已經(jīng)成為了行業(yè)內(nèi)事實(shí)上的標(biāo)桿，它的用戶遍布各類有無線通信測量測量需求的組織與機(jī)構(gòu)。在高清語音質(zhì)量測試系統(tǒng)中，CMW500起到了非常重要的作用，具體包括：

●模擬LTE/GSM/WCDMA/TD-SCDMA/ cdma2000等基站及核心網(wǎng)功能，允許手機(jī)注冊，連接建立；根據(jù)需要執(zhí)行LTE帶內(nèi)、帶間、LTE到GSM或WCDMA等異系統(tǒng)間的切換；LTE網(wǎng)絡(luò)下可以模擬cDRX、TTI Bundling、SPS、RoHC等多種實(shí)網(wǎng)復(fù)雜場景

●提供IMS服務(wù)和IP網(wǎng)絡(luò)功能，允許手機(jī)根據(jù)不同信令條件注冊到IMS服務(wù)器，并建立VoLTE語音呼叫；提供IP層損傷模擬，包括可選擇不同丟包率和Jitter時(shí)間；AMR聲碼器支持窄帶、寬帶到EVS等多種形式，最高支持23.85kbit/s的編碼速率；提供IP層抓包分析功能；內(nèi)置不同類型IP服務(wù)器，如網(wǎng)頁瀏覽、FTP、VideoStreaming等，可模擬VoLTE語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)并發(fā)場景。

●上/下行雙向音頻硬件接口，提供電壓和阻抗匹配，可實(shí)時(shí)更改編碼器速率，真實(shí)還原實(shí)網(wǎng)下DUT根據(jù)網(wǎng)絡(luò)要求更改語音速率的場景

●可準(zhǔn)確測量網(wǎng)絡(luò)側(cè)處理造成的延遲。此功能不僅對VoLTE有效，對GSM、WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA等電路交換業(yè)務(wù)，CMW都可以計(jì)算出每一個(gè)語音幀（20ms）在網(wǎng)絡(luò)側(cè)的延遲，而不是給出一個(gè)模糊的經(jīng)驗(yàn)值，VoLTE下的網(wǎng)絡(luò)側(cè)延遲結(jié)果參見圖3。

系統(tǒng)中的電腦將會安裝CMWrun自動化測量軟件，它通過運(yùn)行預(yù)先編制好的測試腳本，控制CMW500和UPV，進(jìn)行各種測試場景模擬及POLQA測量。CMWrun提供的測試腳本非常靈活，可根據(jù)需要進(jìn)行修改，以滿足個(gè)性化的測試要求。CMWrun還可通過安卓系統(tǒng)ABD接口控制DUT，執(zhí)行開關(guān)飛行模式、接聽電話等動作，做到完全的無需人為干預(yù)的自動化測試，極大地解放了人力。VoLTE測試需驗(yàn)證的場景很多，不少測試用例（如切換類測試）對參考信號的播放時(shí)間與測量時(shí)間窗口之間的配合有嚴(yán)格要求，所以手工測試效率低下且不準(zhǔn)確，而CMWrun自動化測試的方法可以精確地控制測試過程及定時(shí)，因此非常適合這類測試。測試結(jié)束后，CMWrun還可以提供多種格式的詳細(xì)測量報(bào)告，具體參見圖4。

圖3 VoLTE下的網(wǎng)絡(luò)側(cè)延遲結(jié)果

除上述優(yōu)點(diǎn)外，R&S測試方案中延遲的測量也有獨(dú)到之處。首先，系統(tǒng)使用CSS（Composite Source Signal）信號作為延遲測量的參考信號。該信號由語音、噪聲和靜默組成。語音的作用是讓DUT接收端的Jitter Buffer能夠盡快收斂以便執(zhí)行延遲測試。而時(shí)間的定位則是根據(jù)偽隨機(jī)噪聲信號良好的互相關(guān)特性來完成，當(dāng)有損信號與參考信號做互相關(guān)運(yùn)算得到尖峰時(shí)，即獲得準(zhǔn)確的時(shí)間信息。靜默的添加則使得整個(gè)測試信號更加接近真實(shí)通話場景。CSS信號在3GPP規(guī)范26.132以及ITU技術(shù)要求P.501當(dāng)中都有詳細(xì)規(guī)定，具有權(quán)威性和準(zhǔn)確性。圖5是R&S方案中使用的CSS信號的時(shí)域構(gòu)成。

此外，R&S公司的測試系統(tǒng)提供單端和環(huán)路兩種延遲測量的方法。真實(shí)通信中，延遲來自于網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)各自的處理時(shí)間，以及空中接口的傳輸時(shí)間。實(shí)驗(yàn)室測試時(shí)，空口傳輸時(shí)間可忽略不計(jì)。UPV的POLQA模型計(jì)算得到的是整體延遲，該時(shí)間減去儀表側(cè)精確測量的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部延遲，即可獲得DUT側(cè)的延遲。運(yùn)營商往往只關(guān)心整個(gè)環(huán)路的延遲性能，包括上行和下行兩個(gè)方向；然而，從手機(jī)廠商角度看，DUT接收側(cè)延遲更加有意義。這是因?yàn)镈UT里延遲主要來自于接收通路里的JitterBuffer，緩存容量的大小決定DUT側(cè)延遲的表現(xiàn)。正是基于用戶不同的關(guān)切，R&S公司的POLQA測試系統(tǒng)提供了單端和環(huán)路兩種延遲的結(jié)果，為客戶提供了更為深入的分析數(shù)據(jù)。以上兩種延遲測量方法，都是有嚴(yán)格依據(jù)的，在3GPP規(guī)范26.132中有詳細(xì)的描述，具體參見圖6、7。

4 結(jié)束語

從功能上看，R&S公司的這套系統(tǒng)確實(shí)是VoLTE語音質(zhì)量測量的一大利器。現(xiàn)實(shí)中，該系統(tǒng)也已經(jīng)為許多不同類型的客戶提供了服務(wù)，尤其是R&S公司和多家大型移動運(yùn)營商，如中國移動、中國聯(lián)通、美國AT&T、美國Verizon等在不同芯片、不同品牌的DUT上進(jìn)行了大量的聯(lián)合調(diào)試，效果顯著。根據(jù)運(yùn)營商的需求，R&S公司提供成套的CMWrun定制測試腳本，用于他們的準(zhǔn)入測試，有效推動了整個(gè)產(chǎn)業(yè)界的技術(shù)升級和發(fā)展。而且，對手機(jī)廠商來說，一個(gè)非?，F(xiàn)實(shí)的問題就是如何降低成本。R&S測試系統(tǒng)有一個(gè)突出的優(yōu)勢，就是CMW500和UPV的保有量非常多，而且CMW500的擴(kuò)展性能非常好?？蛻羯墪r(shí)無需花費(fèi)太多的時(shí)間和金錢，甚至只需購買CMWrun軟件選件，即可快速開展相關(guān)測試，這為保護(hù)客戶投資起到了十分積極的作用。

圖4 CMWrun提供多種格式的詳細(xì)測量報(bào)告

圖5 R&S方案中使用的CSS信號的時(shí)域構(gòu)成

圖6 R&S公司的測試系統(tǒng)提供單端延遲測量方法

圖7 R&S公司的測試系統(tǒng)提供環(huán)路延遲測量方法