论文部分内容阅读
[摘 要]该文主要阐述了LTE语音升级方案VoLTE的语音性能影响因素，然后通过模拟真实城区场景进行了相应的仿真分析，针对不同的网络配置以及用户数，探究VoLTE的语音业务性能，最后得出较为合理的VoLTE语音性能评估结果。
[关键词]VoLTE；城区；语音性能
中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）09-0120-01
LTE技术是在原有技术的基础上演化来的，数据传输效率以及频谱效率均得到了很大提升。伴随着LTE网络技术的广泛使用，4G网络基本上能够满足用户们的高数据要求，但是LTE的语音业务水平仍然有待提升。现如今VoLTE受到了相关人士的普遍关注，人们目前比较关心的一个问题就是VoLTE语音质量能够提升到哪个层次，所以我们需要非常客观地对VoLTE语音性能做出评估。
1 VoLTE语音性能相关因素
LTE网络是一个全IP的网络，只能提供分组域业务，在LTE网络全IP环境下实现VoIP（VoiceoverIP）服务（即VoLTE），接人侧主要由EPS系统提供承载，核心侧由IMS系统提供业务控制，此外由PCC架构来实现用户业务QoS控制以及计费策略控制。网络架构上的变化，使得VoLTE相比CS域通话，时延更小，吞吐量更高。下面分析VoLTE的关键技术和语音性能相关因素。
影响VoLTE语音质量的因素主要有时延、抖动（时延变化）、丢包率（差错效应）、编码技术、带宽等。
1.1时延
I）VoLTE的业务流程
通过分析下图中的相关信息，我们不难发现，首次使用EPS系统的用户要经历几个不同的阶段才能实现端到端的VolP业务。
VoLTE语音业务流程如图1所示。
2）时延分析
在VoLTE通话过程中，把数据从发送地传送到目的地需要一定的时间，节点在交换信息过程中就会产生时延。端到端的时延主要由以下四个部分组成：一是语音的端到端网络传输时延；二是包转化时延，即语音编解码器处理语音信号所
引起的算法时延；三是编码过程及将话音采样包发往分组网络时所引起的处理时延；四是用来克服数据包到达时间差异的抖动缓冲时延。时延严重影响语音的重现，因此降低时延对提高VoLTE网络质量至关重要。
1.2时延抖动
所谓的时延抖动就是指时延的一系列变化。通常情况下，出现抖动的原因是网络中的缓冲或队列导致数据包到达的时延不同，进而使得声音断断续续，直接关系到语音通信质量。通常采用抖动缓冲技术来消除时延抖动：在接收端预留一个抖动缓冲区，当语音数据包到達时，先暂存在缓冲池中，等各包的时延基本一致后，再将语音数据包从缓冲池中平滑地取出，经解压后播放给收听者。抖动缓冲技术在一定限度内可以有效地消除话音抖动，但也相应增加了网络时延。所以缓冲世界大小是个关键，应该在延时和丢包之间取得平衡。
1.3丢包率
所谓的丢包现象就是语音包由于一些原因被丢弃，进而影响语音通信质量。发生丢包会直接导致声音的间断，丢包率较高时就会严重影响语音通信，为人们所不能接受。丢包原因可以归结于以下两方面：一是话音包在传输过程中遭到破坏，由于传输损伤、网络拥塞、超过生存周期等，造成丢包。二是由于延时过大，超过抖动缓冲处理能力而被丢弃。如果由于终端的带宽不够造成包丢失，可以考虑比较适合的语音编码方式来进行通信；如果是中间路由器堵塞，解决措施有：采用对丢包不明显的语音编解码器、丢包补偿、自动选择中间路由。
1.4编解码
语音压缩编码技术的目的是为了适应不同的信道带宽，以较少的带宽产生较低的时延，不同的编解码技术特性不同。
2 模拟场景建立及仿真分析
2.1场景的描述和特性分析
为了能够更加真实的评估出VoLTE在复杂城区的语音性能，我们需要先模拟一个较为真实的繁华城区场景，模拟城区中需要有居民楼、商场、人群以及树木等，并且建筑物均以高层建筑为主，按照密集城区的定义，楼房平均高度大于30m，平均楼距为10一20m，基站附近的建筑物较为密集，部分建筑物庞大，存在地下商城和停车场。场景里，用户随机地分布在户外、室内、街道等处。
2.2小区在不同容量取值和不同配置下的语音性能仿真及结果分析
LTE网络的语音业务是通过在共享信道上传送IP数据包来实现的，存在延时、抖动、丢包等问题，而在以往的电路域语音和固定电话系统对这些问题并敏感，因此以前的语音评测机制，如PSQM、PESQ等方法就不再适用于LTE系统。这些方法不能反映出时延、丢包等带给数据网络的影响，知识从收发信号差异的角度分析网络的语音问题，而E-Model方法克服了这些缺点，能够很好地适应数据网络中的语音性能评估。
针对数据网络的损伤因素，采用以离散时间为基础的NS-3作为网络仿真工具，在其上的LTE模块中进行实现仿真，并通过仿真脚本设置仿真场景。核心调度器会对一个个经过编码的语音包进行版持续调度，并在一定的容量下仿真出语音数据包的时延和丢包率。
下面是小区在不同容量取值和不同配置下的语音性能仿真结果分析。
（1）使用G.711音频编码器时，对于5MHz的信道带宽，当连接时延为100ms时，单向时延已经远超150ms，而MOS也只有1.75。对于VoIP呼叫来说，这已经是不可接受的性能评价。当把信道宽带增加到10MHz时，提高了网络性能，但由于小区只有300个用户，资源没有得到高效的分配。使用G.723音频编码器时，对于5MHz的信道宽带，即使使用150ms的连接时延，单向时延和丢包率都很小，网络性能非常好。
（2）使用G.711音频编码器时，对于10MHz带宽，如前面情况，MOS为不可接受值。因为增加连接时延不可取，因此音频编码器的比特率必须降低。而20MHz带宽在600用户下却能提供高品质的网络性能，又一次说明，增加信道带宽可以提升整体性能，但由于低效率的资源分配也使得这成为不实际的选择。
使用G.723音频编码器时，对于10MHz的信道带宽，在600用户下，仍然可以提供较高的服务质量。
（3）在20MHz信道带宽和G.723编码技术的条件下，1200个用户的MOS值超过4，从而也验证了VoLTE可以提供相当甚至优于“电信级”的语音服务。
3 结语
通过分析VoLTE关键技术和语音性能相关因素，针对密集城区的繁华街道场景，在一定的并发用户数下结合带宽、编码对时延、丢包率等话音质量相关因素进行仿真，并应用E模型工具，对语音质量进行评估。结果表明在20MHz信道带宽和1200个并发用户的条件下，VoLTE可以提供相当甚至优于“运营商级”的服务体验。从而为后续全面部署VoLTE提供参考。
参考文献
[1]胡宏林，徐景.3GPPLTE无线链路关键技术[M].北京：北京电子工业出版社，2008.
[关键词]VoLTE；城区；语音性能
中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）09-0120-01
LTE技术是在原有技术的基础上演化来的，数据传输效率以及频谱效率均得到了很大提升。伴随着LTE网络技术的广泛使用，4G网络基本上能够满足用户们的高数据要求，但是LTE的语音业务水平仍然有待提升。现如今VoLTE受到了相关人士的普遍关注，人们目前比较关心的一个问题就是VoLTE语音质量能够提升到哪个层次，所以我们需要非常客观地对VoLTE语音性能做出评估。
1 VoLTE语音性能相关因素
LTE网络是一个全IP的网络，只能提供分组域业务，在LTE网络全IP环境下实现VoIP（VoiceoverIP）服务（即VoLTE），接人侧主要由EPS系统提供承载，核心侧由IMS系统提供业务控制，此外由PCC架构来实现用户业务QoS控制以及计费策略控制。网络架构上的变化，使得VoLTE相比CS域通话，时延更小，吞吐量更高。下面分析VoLTE的关键技术和语音性能相关因素。
影响VoLTE语音质量的因素主要有时延、抖动（时延变化）、丢包率（差错效应）、编码技术、带宽等。
1.1时延
I）VoLTE的业务流程
通过分析下图中的相关信息，我们不难发现，首次使用EPS系统的用户要经历几个不同的阶段才能实现端到端的VolP业务。
VoLTE语音业务流程如图1所示。
2）时延分析
在VoLTE通话过程中，把数据从发送地传送到目的地需要一定的时间，节点在交换信息过程中就会产生时延。端到端的时延主要由以下四个部分组成：一是语音的端到端网络传输时延；二是包转化时延，即语音编解码器处理语音信号所
引起的算法时延；三是编码过程及将话音采样包发往分组网络时所引起的处理时延；四是用来克服数据包到达时间差异的抖动缓冲时延。时延严重影响语音的重现，因此降低时延对提高VoLTE网络质量至关重要。
1.2时延抖动
所谓的时延抖动就是指时延的一系列变化。通常情况下，出现抖动的原因是网络中的缓冲或队列导致数据包到达的时延不同，进而使得声音断断续续，直接关系到语音通信质量。通常采用抖动缓冲技术来消除时延抖动：在接收端预留一个抖动缓冲区，当语音数据包到達时，先暂存在缓冲池中，等各包的时延基本一致后，再将语音数据包从缓冲池中平滑地取出，经解压后播放给收听者。抖动缓冲技术在一定限度内可以有效地消除话音抖动，但也相应增加了网络时延。所以缓冲世界大小是个关键，应该在延时和丢包之间取得平衡。
1.3丢包率
所谓的丢包现象就是语音包由于一些原因被丢弃，进而影响语音通信质量。发生丢包会直接导致声音的间断，丢包率较高时就会严重影响语音通信，为人们所不能接受。丢包原因可以归结于以下两方面：一是话音包在传输过程中遭到破坏，由于传输损伤、网络拥塞、超过生存周期等，造成丢包。二是由于延时过大，超过抖动缓冲处理能力而被丢弃。如果由于终端的带宽不够造成包丢失，可以考虑比较适合的语音编码方式来进行通信；如果是中间路由器堵塞，解决措施有：采用对丢包不明显的语音编解码器、丢包补偿、自动选择中间路由。
1.4编解码
语音压缩编码技术的目的是为了适应不同的信道带宽，以较少的带宽产生较低的时延，不同的编解码技术特性不同。
2 模拟场景建立及仿真分析
2.1场景的描述和特性分析
为了能够更加真实的评估出VoLTE在复杂城区的语音性能，我们需要先模拟一个较为真实的繁华城区场景，模拟城区中需要有居民楼、商场、人群以及树木等，并且建筑物均以高层建筑为主，按照密集城区的定义，楼房平均高度大于30m，平均楼距为10一20m，基站附近的建筑物较为密集，部分建筑物庞大，存在地下商城和停车场。场景里，用户随机地分布在户外、室内、街道等处。
2.2小区在不同容量取值和不同配置下的语音性能仿真及结果分析
LTE网络的语音业务是通过在共享信道上传送IP数据包来实现的，存在延时、抖动、丢包等问题，而在以往的电路域语音和固定电话系统对这些问题并敏感，因此以前的语音评测机制，如PSQM、PESQ等方法就不再适用于LTE系统。这些方法不能反映出时延、丢包等带给数据网络的影响，知识从收发信号差异的角度分析网络的语音问题，而E-Model方法克服了这些缺点，能够很好地适应数据网络中的语音性能评估。
针对数据网络的损伤因素，采用以离散时间为基础的NS-3作为网络仿真工具，在其上的LTE模块中进行实现仿真，并通过仿真脚本设置仿真场景。核心调度器会对一个个经过编码的语音包进行版持续调度，并在一定的容量下仿真出语音数据包的时延和丢包率。
下面是小区在不同容量取值和不同配置下的语音性能仿真结果分析。
（1）使用G.711音频编码器时，对于5MHz的信道带宽，当连接时延为100ms时，单向时延已经远超150ms，而MOS也只有1.75。对于VoIP呼叫来说，这已经是不可接受的性能评价。当把信道宽带增加到10MHz时，提高了网络性能，但由于小区只有300个用户，资源没有得到高效的分配。使用G.723音频编码器时，对于5MHz的信道宽带，即使使用150ms的连接时延，单向时延和丢包率都很小，网络性能非常好。
（2）使用G.711音频编码器时，对于10MHz带宽，如前面情况，MOS为不可接受值。因为增加连接时延不可取，因此音频编码器的比特率必须降低。而20MHz带宽在600用户下却能提供高品质的网络性能，又一次说明，增加信道带宽可以提升整体性能，但由于低效率的资源分配也使得这成为不实际的选择。
使用G.723音频编码器时，对于10MHz的信道带宽，在600用户下，仍然可以提供较高的服务质量。
（3）在20MHz信道带宽和G.723编码技术的条件下，1200个用户的MOS值超过4，从而也验证了VoLTE可以提供相当甚至优于“电信级”的语音服务。
3 结语
通过分析VoLTE关键技术和语音性能相关因素，针对密集城区的繁华街道场景，在一定的并发用户数下结合带宽、编码对时延、丢包率等话音质量相关因素进行仿真，并应用E模型工具，对语音质量进行评估。结果表明在20MHz信道带宽和1200个并发用户的条件下，VoLTE可以提供相当甚至优于“运营商级”的服务体验。从而为后续全面部署VoLTE提供参考。
参考文献
[1]胡宏林，徐景.3GPPLTE无线链路关键技术[M].北京：北京电子工业出版社，2008.