Wi-Fi语音（VoWi-Fi）测试中的挑战（一）

思博伦通信

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Wi-Fi语音（VoWi-Fi）测试中的挑战（一）

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编辑按：要应对VoWi-Fi服务在部署中遇到的挑战，需要一套全面的设备性能评价方法，其中既要包含真实网络，也是包括基于实验室的测试环境。尽管现场测试在提供真实的性能数据方面具备极强的洞察能力，但只有实验室环境才能实现可复制、可控制，且十分精确的各项条件。思博伦通信的《Wi-Fi语音（VoWi-Fi）测试中的挑战》一文描述了VoWi-Fi部署过程中面临的挑战，探讨了一种基于实验室的VoWi-Fi设备性能的优势，提供了具体测试场景的详细说明，并列出了对体验质量（QoE）影响最大的各项因素。最后，指出了VoWi-Fi部署过程中需要进一步调查的其它方面，而且这些方面都是VoWi-Fi持续演化并成为一种重要服务产品过程中十分关键的组成部分。

1 引言

本文描述了VoWi-Fi部署过程中面临的挑战，并探讨了一种基于实验室的VoWi-Fi服务用户体验评价方法。为强调在实验室中评价VoWi-Fi设备性能的优势，本文还提供了具体测试场景的详细说明，并列出了对体验质量（QoE）影响最大的各项因素。本文还指出了VoWi-Fi部署过程中需要进一步调查的其它方面，而且这些方面都是VoWi-Fi持续演化并成为一种重要服务产品过程中十分关键的组成部分。

Wi-Fi的部署成本较低，而且在城市环境中无处不在，这些因素为Wi-Fi网络上数据流量的爆炸性增长创造了极为有利的条件。在所有移动数据中，目前有近80%都通过Wi-Fi网络完成。在2015年1月，全球已部署的热点数量达到了5000万个，比2013年增长了80%。到2016年年底前，由于多家服务运营商的大规模部署行动，美国市场可望再增加3200万个热点。

运营商可能已经发现，Wi-Fi是一种非常有效的分流机制，因此具备一系列明显的优势。它的频谱完全免费且无需牌照，而它的可用带宽超过了500MHz。此外，Wi-Fi的短距覆盖能力和频率使之可以用于众多短距离内的流量，使频谱的重复使用率大幅提高。这些特性都促使运营商努力增强服务的覆盖能力，目的就是留住更多的客户。因此，无怪乎众多行业团体，如运营商、设备制造商和OEM厂商都在想方设法，以最快且最有效的方式推出自己的Wi-Fi语音（VoWi-Fi）服务。为了确保有效的推广，为用户提供LTE和Wi-Fi之间高性能的无缝切换，这些行业团体必须在现场和实验室环境中，对VoWi-Fi性能中的众多关键性能指标（KPI）进行测试和测量。

2 VoWi-Fi保证体验质量面临的挑战

要想将Wi-Fi部署为一种有效分流机制的同时保持终端用户的体验质量（QoE），将会面临多项挑战。无线电接入技术所内建的网络信令协议具备一种有效的机制，能够交换无线电链路状态方面的全面信息。然而，Wi-Fi并不具备这一优势，在保证VoWi-FiQoE时需要考虑如下几个方面：

（1）Wi-Fi在PHY层的信号完整性

在分流至Wi-Fi网络或返回LTE的过程中，Wi-Fi无线电链路的信号完整性在确定终端用户的QoE可接受程度时发挥着关键的作用。必须评估该链路是否足以实现完整的分流，并且在分流完成后保持可接受的语音质量。有两个方面会对信号完整性产生影响：

●Wi-Fi信号的接收信号强度指标（RSSI）

RSSI指的是在整个带宽上测得的Wi-Fi信道功率水平，而且它是确定从LTE向Wi-Fi切换，或从Wi-Fi向LTE切换的一项关键组成部分。尽管LTE、CDMA和UMTS等无线电接入技术都已经拥有通过网络消息实现的成熟且标准化的信号强度测量方法，但在测量Wi-Fi信道的RSSI时并无此类现成的方法。设备会根据一些专有的算法来报告Wi-Fi信号的测量结果，而且这些算法会根据实施的不同而有所区别。

●信号质量

信号的质量是一个非常重要的独立因素，其特性由多种参数决定，如信噪比（SNR）和误差向量幅度（EVM）。即使在RSSI较高时，由于信道功率中被引入的噪音水平较高，信号的质量仍然可能处于无法接受的状态。较低的信噪比会妨碍设备成功解码语音包的能力，对VoWi-Fi呼叫的语音质量和可靠性造成严重的不良影响。

（2）包丢失

有两种方式可能会在无线电链路中引入包丢失，造成可能严重影响语音性能的延迟：

●访问无线电信道时的冲突

LTE网络会对设备访问无线电信道的时间和频率进行调度，而与此相反的是，在Wi-Fi上进行通信的设备并不具备类似的先进机制。要想访问无线电链路，Wi-Fi网络上的设备会遵守一种回避机制。设备和Wi-FiAP并不会在同一时间发送信号。有一种称为分布式控制功能的回避机制，允许AP只在它“认为”信道已经清空后才发送信号。在负载较大的AP和Wi-Fi热点上，越来越多的冲突不可避免，导致的网络时延可能让语音包在经历多个发送-退回-发送周期后才能被成功发送。

●IP回传上的包丢失

尽管从RSSI和先前描述过的SNR来看，Wi-Fi信道的无线电链路质量可能非常好，但数据包在IP回传过程中的“尽力而为”式网络上发送时仍可能遭遇丢失。这种包丢失会导致音频质量的严重恶化。

（3）验证

无线电接入路径可以分为两种类型，即可信赖3GPP接入路径和不可信赖3GPP接入路径。在可信赖3GPP接入路径中，Wi-FiAP由网络运营商来提供。除提供安全的验证方法外，此类Wi-Fi接入点还需要支持：

●基于802.1x的验证，包括对无线电接入网络（RAN）上所发送数据进行的加密。

●使用可扩充验证协议（EAP）的基于3GPP的网络接入。

●用于将设备与演进分组核心（EPC）相连的GPRS隧道协议（GTP）隧道。

使用GTP隧道的后果是，用户验证所遵循的机制与通过SIM卡数据进行的3GPP验证是完全一样的。因此，多数支持可信赖3GPP接入的设备都需要具备一张SIM卡。

在非可信赖3GPP接入路径中，其安全水平不受网络运营商的监管。多数此类实施都只不过是使用公共Wi-Fi热点实现的Internet接入，而其确保安全性的方式是在用户设备与演进分组数据网关（ePDG）之间建立一条IPSec隧道。ePDG是一个实体，其作用是允许运营商在不安全的Wi-Fi接入信道上实施IPSec协议来强制实现安全的通信隧道。在LTE网络中，验证由网络自动完成，而在VoWi-Fi上，需要由运营商使用ePDG来强制实现验证过程，确保用户获得有保障的安全链路，在LTEEPC与IMS核心之间建立隧道。

在LTE网络中，验证由网络自动完成，而在VoWi-Fi上，需要由运营商使用ePDG来强制实现验证过程，确保用户获得有保障的安全链路，在LTEEPC与IMS核心之间建立隧道。

3 VoWi-Fi网络组件的仿真

网络组件的精确仿真可以在实验室中复制出真实的VoWi-Fi测试场景，并对VoWi-Fi的体验质量做出全面的评估。图1、2描绘的是通过网络的呼叫流，其中图1显示的是VoLTE呼叫，图2显示的是VoLTE呼叫向Wi-Fi网络的交接过程。

图1 简化后的VoLTE呼叫流

图2 分流至不可信赖3GPPWi-Fi接入点的VoLTE呼叫

（1）VoLTE的高层次呼叫流

当用户拨打VoLTE呼叫时，数据和流量被通过蜂窝网络和EPC路由至IMS核心，目的是完成SIP注册和LTE语音包的路由。

（2）分流至Wi-Fi的VoLTE呼叫

以下的步骤和图2描绘的是不可信赖3GPPWi-Fi接入的高层次呼叫流：

●用户通过蜂窝网络发起一个VoLTE呼叫。

●根据预先定义好的决策标准，设备会将该呼叫交接给Wi-Fi接入点，且在该过程中使用EAPAKA协议来完成验证。

●通过使用IPSec协议，可建立一个安全通信隧道，通过ePDG向AAA服务器发送验证数据，用以确定尝试分流至Wi-Fi的设备是否具备应有的验证资质。

●在设备通过验证后，一个安全的通信链路会被建立起来，而语音包会通过隧道方式发送至ePDG，然后由ePDG将语音包通过EPC路由至IMS核心。

4 评价VoWi-Fi性能的关键指标

Wi-FiAP上的负载，Wi-Fi信号的强度和质量，以及Wi-Fi接入点的IP回传流量性能，都会对终端用户的VoWi-Fi体验质量产生重大的影响。要想测量终端用户体验质量（QoE）的能力，就需要对多种独立的性能指标加以测量。

（1）语音质量

语音质量以平均意见得分（MOS）的方式实现量化，而该方式会使用话音质量感知评价（PESQ）算法或感知客观收听质量评估（POLQA）算法，来对特定无线电链路上发送的测试信号质量加以量化。以下各项因素都会对VoWi-Fi呼叫的总体质量产生影响：

●Wi-Fi协商所用的编码解码器

当两台设备在Wi-Fi上建立一个语音呼叫时，它们会使用SIP消息来协商解码语音包所需编码解码器的类型或模式。所用的编码解码器模式取决于设备所支持的能力，例如编码解码器可以是自适应调制速率—窄带（AMR-NB）或自适应调制速率—宽带（AMR-WB）。

会话描述协议（SDP）文件中所列出的可支持编码解码器顺序不仅能确定成功切换的可能性，还可确定成功建立的后续呼叫所具备的语音质量。例如，在最初的SDP协商中，如果窄带编码解码器（AMR/8000）的提供顺序先于宽带编码解码器（AMR-WB/16000），那么即使两台设备都能适用宽带编码解码器，语音呼叫中也会优先使用窄带编码解码器。在这一案例中，所得的语音质量会比预期的水平低得多（见图3）。

语音质量评价中另外一个重要的方面，就是不同的设备可能在其原生的拨号应用中运行不同的编码解码器，例如AMR或增强语音服务（EVS）编码解码器。EVS编码解码器目前正在多种商用前芯片组上进行测试，并支持多种模式，包括与AMR-WB和AMR-WB+编码解码器的后向兼容性等。两种设备之间不同的编码解码器类型可能对语音质量产生不利的影响，使编码解码器间的兼容性成为一项关键的性能因素。

●音频损失

Wi-Fi网络上发送的语音数据包属于实时传输协议（RTP）包，而且与Wi-Fi上发送的任何其它数据包一样，都会受到丢失（损失）的影响。在从LTE向Wi-Fi切换（或反之亦然）期间发生的RTP语音包丢失可能会导致MOS恶化，具体情况如图4所示。

●网络时延或“口耳”延迟

Wi-FiAP的负载是另外一个需要仔细考虑的因素。如果包丢失的百分比较高，则可能导致所谓的“口耳”延迟，即讲话者说出一个词到收听者听到它之间的延迟。通常情况下，在电话对话中，超过200ms的延迟都有可能对体验质量产生不良影响。

●抖动

图3 编码解码器匹配不当会导致较低的MOS

数据包发送过程中的非统一延迟有可能导致抖动。当音频数据包在接收方出现相互重叠时，话音会变得断断续续，无法辨别，甚至可能出现间断性的语段丢失。

图4 包丢失增加后MOS也会进一步恶化

（2）呼叫性能

除评价VoWi-Fi呼叫的语音质量外，对其可靠性和LTE与Wi-Fi双向交换所用时间进行的性能量化也非常重要。ePDG负责管理这一过渡过程，同时还要确保过渡过程中的安全隧道。在这些ePDG策略执行期间对数据重试性能进行的评估具有不可或缺的重要意义。本节将探讨VoWi-Fi呼叫的各项呼叫性能指标。

●交接时间

完成从LTE到Wi-Fi的交接所需的时间可能会是语音对话中的一个非连续期，如果交接时间足够短，用户将不会察觉到它的存在。但如果交接时间较长，则这种较长的非连续期可能意味着用户遭遇到较低的体验质量。

从LTE到Wi-Fi交接的决策实施方式之一，就是看Wi-Fi功率水平（RSSI）是否足够高，因为只有足够高的功率才有可能保持稳定的链路。根据实施方式的不同，这项决策还有可能综合考虑设备从语音升级到视频的请求。在此需要注意的是，Wi-Fi的功率水平是由设备测量的，并没有标准可言。如果测量不够准确，或者如果环境条件在交接期间发生变化，设备仍会交接至Wi-Fi，而最终的信号水平可能太弱而无法形成稳定的链路。此时，设备可能会丢失呼叫，或者在LTE与Wi-Fi之间长时间来回切换。这就可能导致语音对话中较长的延迟和可变延迟（抖动），并最终造成低劣的体验质量。

●呼叫建立时间

呼叫建立时间是主叫方按下电话上“拨号”键的一刻，到被叫方的电话开始响铃之间的时间。对于一个Wi-Fi发起的语音呼叫而言，呼叫建立时间可能受到多种因素的影响，包括最初SIP协商中所用编码解码器的不兼容性等。例如，如果设备之间的编码解码器匹配不当，其中一方设备支持AMR-WB编码解码器，而另一方设备支持的是AMR-NB编码解码器，则呼叫建立时间可能会更长，因为这些设备需要协商出一个双方都能接受的“最低标准”，而在更糟糕的情况下，双方可能根本无法建立呼叫。

●交接时的呼叫可靠性

为确保可接受的体验质量，终端用户所体验到的交接必须是无缝的。在多种“不利场景”和极端条件下进行的呼叫可靠性测试可以帮助您查明实施中的各种问题。鉴于测试要求以设备自身的功率水平评估作为基础，而这种要求并不是标准化的，因此必须对设备从LTE向Wi-Fi交接的能力进行多次的重复测试。测试自动化可以精确地多次重复执行这项测试，准确地确定呼叫丢失性能的特性。

●ePDG验证环境下的呼叫连续性

当某台设备尝试分流至Wi-Fi接入点时，验证测试所涉及的网络会向设备发出一系列盘问。ePDG向设备发出盘问的目的是测试该设备是否拥有使用安全隧道的授权，而该安全隧道是通过IPSec协议实施的。测试要求包括评估移动设备（在VoLTE呼叫上）保持呼叫活动状态，并且不会完全丢弃该语音呼叫的能力。

（待续）