VoLTE业务端到端服务质量指标及测试

2017-09-15许延陈也乐

移动通信 2017年15期

关键词：时延服务质量语音

许延，陈也乐

VoLTE业务端到端服务质量指标及测试

许延1，陈也乐2

（1.中国信息通信研究院，北京 100045；2.南安普顿大学，南安普顿 SO17 1BJ）

正确评估VoLTE业务的服务质量对于LTE网络运营商至关重要，因此通过调研语音QoS和VoLTE的相关标准，明确VoLTE端到端QoS指标及其目标值，最后给出了利用现有技术测试VoLTE端到端QoS的方法。

VoLTE 端到端QoS 时延

1 引言

为了在LTE网络上传输语音包，GSMA（GSM Associaton）2010年宣布将IMS（IP Multimedia Subsystem）作为移动语音的主要架构。VoLTE服务能够保证QoS，为用户提供运营级别的端到端高清语音服务从而改善用户体验，这使得VoLTE与OTT业务相比具有更强的竞争力。为了确保业务传到端用户时能够满足用户的感知要求，3GPP定义了一系列的QoS类别标识符（QCI，QoS Class Identifier），每一个类别用于特定优先级和属性的承载。不同等级的QoS由不同的服务来提供，得到有质量的服务，保证VoLTE呼叫。VoLTE采用3GPP策略和计费控制（PCC，Policy and Charging Control）架构提供端到端的服务质量保证。PCC结构建立专用承载将VoLTE业务和其它IP业务流隔离。端到端QoS要求移动终端、无线接入网、核心网的协作来建立端到端的语音信令和承载信道，从而为语音业务提供更高的服务质量保证，改善用户体验。

从用户角度来看，VoLTE的QoS恶化主要包括以下两大类情况：

呼叫会话的性能：如注册IMS/SIP服务时出现问题；呼叫建立时出现问题；呼叫过程中的不连续，包括移动的影响（无线切换或发生SRVCC事件，也就是在LTE覆盖不好的情况下发生切换到2G/3G网络的事件）。

通话期间用户感知到的语音质量：如呈现给用户的语音频谱（窄带、宽带、超宽带）以及潜在的失真、通话中断、端到端时延过大、不期望噪声的出现等。要监视、报告并解决这些影响用户体验的问题，需要建立VoLTE服务质量的指标和测试方法。这方面标准化组织做了很多工作，ETSI TS103 219[1]描述了LTE环境下的语音通信QoS参数；ITU-T G.1028[2]给出VoLTE几种端到端场景的参考连接及服务质量建议。

本文将梳理现有IETF、3GPP、ETSI和ITU-T关于语音QoS及VoLTE相关方面的标准，对VoLTE业务端到端服务质量问题进行了归纳总结，为服务提供商规划网络业务，监视业务质量，发现并解决问题，使用户获得满意的服务质量。

2 VoLTE业务网络结构及服务质量参数

2.1 VoLTE业务网络结构

VoLTE业务的简化结构如图1所示，主要包括下面几个模块：移动终端、4G无线接入网（EUTRAN，Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network）、4G核心网（EPC，Evolved Packet Core）、移动IMS网络、其它无线接入网（GERAN和UTRAN）、其它2G和3G的移动核心网以及与其它EPC或固定网络的互联。

图1 VoLTE业务的简化结构

2.2 VoLTE网络服务质量参数

为了解决QoS问题，LTE采用EPS承载来传输数据，一个EPS承载可以看作一个双向的数据管道，可以将数据按照正确的路径，以合适的QoS进行传输。LTE采用QCI来指明EPS承载的QoS，QCI是核心网和接入网节点间共享的QoS参数，用于控制信息的传送以确保网络所有节点的QoS要求。一个EPS承载可以由一个或多个双向服务数据流（SDF，Service Data Flow）组成，每个SDF为一个特定的服务（如视频流应用）运送数据包。在同一个EPS承载中的SDF共享同样的QoS，以确保以同样的方式传输。QCI用于衡量特定的提供给SDF的分组转发行为（如分组丢失率、分组时延预算），它同时应用于GBR和Non-GBR承载，用于指定访问节点内定义的控制承载级分组转发方式（如调度权重、接纳门限、队列管理门限、链路层协议配置等），这些都由运营商预先配置到接入网节点中。

表1是3GPP TS23.203[3]中定义的QCI，其中与VoLTE有关的是QCI=1、5这两类。传统的语音服务对应QCI=1，IP分组在该承载上具有第2等级的优先级，网络资源应该确保分组丢失率小于10-2，发起呼叫的移动终端和PCEF（Policy and Charging Enforcement Function）之间的时延应该在100 ms内；IMS信令对应QCI=5，IP分组在该承载上具有第1等级的优先级，网络资源应该确保分组丢失率小于10-6，发起呼叫的移动终端和PCEF之间的时延应该在100 ms内。

3 VoLTE端到端QoS指标和质量目标

3.1 VoLTE端到端QoS指标

对于一个VoLTE用户来说，端到端的服务质量指标主要有以下7个[2]：

（1）注册成功率

如公式(1)所示，VoLTE端到端注册成功率指尝试注册VoLTE服务成功的概率，等价于IMS注册成功率。

注册相关事件及触发条件如表2所示。

（2）服务可用性

如公式(2)所示，端到端服务可用性根据能力在VoLTE用户之间建立呼叫。

服务可用性相关事件及触发条件如表3所示。

（3）拨号后时延

如公式(3)所示，拨号后时延指主叫方拨号结束至其听到回铃音或者电话录音之间的时间间隔。

表1 3GPP定义的标准化QCI[3]

表2 注册相关事件及触发条件

表3 服务可用性相关事件及触发条件

拨号后时延相关事件及触发条件如表4所示。

（4）语音质量

VoLTE端到端语音质量等价于ITU-T P.10[4]中定义的语音质量，即在语言通信系统中，用户所感受到的语音质量。P.862[5]和P.863[6]中定义的模型提供了关于语音信号质量的客观评估方法，可看作为ITU-T E.804[7]中定义的一个呼叫的语音质量或者一个样本的语音质量。

（5）嘴到耳时延

VoLTE端到端嘴到耳时延指语音信号从说话者嘴巴到听者耳朵所经历的时间，对应IP网相当于Y.1540[8]中的IPTD（Internet Packet Transfer Delay），指从信源端测试点到信宿端测试点所经历的时间。

（6）呼叫掉话率

VoLTE端到端呼叫掉话率指服务的连续性，也指维持呼叫至正常结束的能力，相当于ITU-T E.804中定义的电话呼叫中断率。

VoLTE会话掉话率如公式(4)所示：

呼叫掉话率相关事件及触发条件如表5所示。

（7）语音带宽

指对使用带宽的测试（正常的NB或WB，或者部分且无必要的带宽限制），与编解码模式的选择及切换有关，可以从SIP消息中得到。

3.2 QoS指标在不同端到端场景下的目标值

表6至表9给出端到端QoS指标在4种情况下的目标值，表中列出端到端路径上所有模块单独的质量预算以及端到端的总质量预算，这个目标值是网络运营商可以达到的实际值[2]。

对表中数据的说明如下：关于嘴到耳时延，ITU-T G.114[9]中提出首选最大值为150 ms，目前还达不到。有些运营商可以提供国内通话嘴到耳时延低于250 ms，表中给出的最大值是400 ms。对于终端，3GPP TS26.131[10]中给出发送和接收的总时延必须小于190 ms。对于E-UTRAN，3GPP TS23.203给出移动终端和PCEF之间的时延预算为100 ms，减去PCEF和无线基站之间20 ms的平均时延（20 ms平均值是考虑漫游的，是一种不典型场景而得到的），就导出了空中接口的时延预算为80 ms。

（1）两个LTE用户在同一个网络中通信的情况如图2、表6所示：

图2 两个LTE用户在同一网络中通信的参考模型

其中，拨号后时延在LTE-LTE情况下最大为3.5 s（ETSI TS 101 563[11]建议为5.9 s，且95%的概率低于2.4 s），当呼叫发起端的用户发生CSFB时，拨号后时延最大为6 s。语音质量是采用AMR-WB编码方式，数据速率为23.85 kbit/s时的目标值。

（2）两个LTE用户在需要互联的网络中通信（包括漫游）的情况如图3、表7所示：

表4 拨号后时延相关事件及触发条件

表5 呼叫掉话率相关事件及触发条件

图3 两个LTE用户在两个互联的网络中通信的参考模型

表6 LTE-LTE在同一个网络中通信的质量预算

其中，拨号后时延在LTE-LTE情况下最大为4 s，当呼叫发起端的用户发生CSFB时，拨号后时延最大为6 s。语音质量是采用AMR-WB编码方式，数据速率为23.85 kbit/s时的目标值。当采用高清语音和免编码运营（TrFO Transcoder Free Operation）时，语音质量目标值为4，其它情况下目标值为2.8。

（3）一个VoLTE用户和一个3G移动用户进行通信的情况如图4、表8所示。

图4 一个LTE用户和一个3G移动用户通信的参考模型

其中，语音质量是采用AMR-WB编码方式、数据速率为12.65 kbit/s时的目标值。当采用高清语音和免编码运营时，目标值是3.8，其它情况目标值是2.8。

（4）一个VoLTE用户和一个PSTN用户进行通信的情况如图5、表9所示。

其中，语音质量是采用AMR编码方式、数据速率为12.2 kbit/s时的目标值。

图5 一个LTE用户和一个PSTN用户通信的参考模型

表7 LTE-LTE在两个互联网络中通信的质量预算

表8 LET-3G通信的质量预算

表9 LTE-PSTN通信的质量预算

4 端到端QoS测试

根据需要设定测试条件，测试条件包括但不限于以下所列：

（1）无线网络的状态：测试终端所在位置的信号强度表明网络覆盖情况；

（2）业务状态：测试时段选择在业务的忙时、闲时或通常时段；

（3）网络业务种类及分布：被测网络所提供业务的种类及所占资源比例；

（4）移动终端数量及地理分布：测试终端的数量及其地理分布；

（5）移动终端的业务特点：采用的语音编码方式及数据速率等；

（6）移动终端的运动情况：包括移动轨迹及移动速度；

（7）测试时长：测试所持续的时间。

测试不同条件下端到端QoS指标，可以分析各种条件对QoS的影响，也可以得到QoS指标的统计特性，如最大值、最小值、均值、方差、概率分布等。下面给出针对一个测试终端情况下QoS指标的测试方法。

4.1 注册成功率

移动终端启动三个主要进程，一个不断发起注册，一个抓包（例如wireshark、tcpdump等），一个数据分析。通过抓取SIP数据包中的注册信息，根据第3.1节（1）中的定义及相应的触发点，统计一定时间内IMS注册请求次数、成功/不成功IMS注册次数，用公式(1)可以计算得到单个移动终端在某段时间内的注册成功率。当测试整个网络的注册成功率时，可以在该网络的不同区域部署多个移动终端进行测试，汇总计算得到整个网络的注册成功率。

4.2 服务可用性

移动终端启动三个主要进程，一个不断发起呼叫，一个抓包，一个数据分析。通过抓取SIP数据包中的“INVITE”相关信息，根据第3.1节（2）中的定义及相应的触发点，统计一定时间内VoLTE会话建立请求次数、成功/不成功会话建立次数，用公式(2)可以计算得到单个移动终端在某段时间内的服务可用性。当测试整个网络的服务可用性时，可以在该网络的不同区域部署多个移动终端进行测试，汇总计算得到全网的服务可用性。

4.3 拨号后时延

移动终端启动三个主要进程，一个不断发起呼叫，一个抓包，一个数据分析。通过记录每一次呼叫SIP数据包中“INVITE”及其“200OK”消息的时间，根据公式(3)可以计算得到每一次呼叫的拨号后时延（呼叫尝试时刻和连接建立时刻的间隔），对一定时间内或一定数量的呼叫的拨号后时延进行统计平均，即可得到该移动终端的平均拨号后时延。对于整个网络，可以在该网络的不同区域部署多个移动终端进行测试，汇总计算得到全网的拨号后时延及其统计特性。

4.4 语音质量的测试

关于语音质量主要有两类测试方法：参数工具和基于信号的模型。在移动终端上安装这样的测试工具，通过测试得到语音质量的MOS值。

（1）参数工具

参数工具利用网络连接技术参数和端用户感受到的端到端质量之间的相关性，以较低的代价获得相对准确的质量估计。这种工具可以放置在边缘节点、端用户附近，用来准确预测个体质量，或者放置在网络内部，以了解网络性能对端到端质量的影响。

ITU-T P.564[13]给出了一类参数语音质量预测模型，该类模型可以利用IP/UDP/RTP头中的信息估计语音质量适用于3.1 kHz的窄带语音和7 kHz的宽带语音。

ITU-T G.107[14]中的E模型广泛应用于传输规划，E模型使用网络损伤因素计算传输速率因子R（也给出了R与MoS值之间的映射关系）。G.107.1[15]使该模型适用于IP和宽带语音场景，该模型中的很多参数也适用于VoLTE，如编解码方式、时延和分组丢失率等。在窄带语音情况下，R的范围为0到100，R=0代表最差的质量，R=100代表最好的质量。为了适应宽带语音的情形，R范围扩展为0到129，R=0代表最差的质量，R=129代表最好的质量。

（2）基于信号的模型

基于信号的模型比参数模型更复杂，因为它需要抓取并分析语音信号。该类模型通常用于点到点的情形，以准确测试语音业务在给定时间、给定地点的端到端质量。ITU-T P.862和ITU-T P.863是全参考的模型，P.563[16]是无参考的模型，仅适用于窄带语音。P.862和P.863是目前广泛使用的有参考模式的语音质量评价方法。P.862模型存在的主要问题是：处理CDMA编码（如EVRC）不够准确；在特定的GSM/WCDMA网络条件下过于敏感；不能处理超宽带语音信号。P.863解决了P.862存在的问题，支持更多的编码方式，支持超宽带语音，可以替代P.862。

4.5 嘴到耳时延

发送终端与接收终端建立呼叫连接，并发送特定的语音序列（P.501[17]中的语音序列或P.863中的语音序列）。接收终端对收到的信号和原始信号进行互相关分析后，可计算得到语音信号的时延。通常语音质量测试软件都提供端到端时延的测试值。

4.6 呼叫掉话率

移动终端启动三个主要进程，一个不断发起呼叫，一个抓包，一个数据分析。统计移动终端收到的SIP“200OK（INVITE）”、“200OK（BYE）”消息，根据第3.1节（6）中的定义及相应的触发点，计算得到一定时间内成功开始的VoLTE会话、成功/不成功结束的VoLTE会话，用公式(6)计算得到单个移动终端在一定时间内的掉话率。当测试整个网络的呼叫掉话率时，可以在该网络的不同区域部署多个移动终端进行测试，汇总计算得到全网的呼叫掉话率。

5 结论

VoLTE是在IP网上通过IMS控制来传输语音，全部业务承载于4G网络上，可实现数据与语音业务在同一网络下的统一。由于语音业务和其他数据业务（如网页浏览、视频、社交媒体、文件传输等）共享网络资源，为了保证各种业务的服务质量，LTE定义了一系列的QoS类别标识符，不同等级的QoS由不同的服务来提供，从而可以得到有服务质量保证的VoLTE呼叫。尽管LTE提供了QoS机制保证服务质量，也就是针对不同业务在资源分配、优先级等方面区别对待，但是这些机制并不能保证用户最终获得其想得到的服务质量。因此需要明确VoLTE的端到端质量指标及其评估方法，为VoLTE业务提供商提供监视、报告、发现并解决服务质量问题的基础，这是本文的主要目的。文章首先介绍VoLTE业务网络结构和服务质量参数，然后解释VoLTE端到端QoS指标的定义（包括注册成功率、服务可用性、拨号后时延、语音质量、嘴到耳时延、呼叫掉话率等），并明确定义中所涉及事件及其触发条件，列出VoLTE四种常见端到端场景下QoS指标的目标值，包括端到端路径上所有模块各自的质量预算和总的质量预算。这四种场景为：LTE-LTE（同一网络）通信、LTE-LTE（互连）通信、LTE-3G通信和LTE-PSTN通信，在此基础上，进一步说明利用现有技术测试VoLTE端到端QoS的方法。

[1] ETSI TR 103 219 v1.1.1. Speech and multimedia Transmission Quality (STQ); Quality of Service aspects of voice communication in an LTE environment[S]. 2015.

[2] Recommendation ITU-T G.1028. End-to-end quality of service for voice over 4G mobile networks[S]. 2016.

[3] 3GPP TS 23.203 v 14.4.0. 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; Policy and charging control architecture (Release 14)[S]. 2017.

[4] Recommendation ITU-T P.10/G.100. Vocabulary for performance and quality of service[S]. 2006.

[5] Recommendation ITU-T P.862. Perceptual evaluation of speech quality (PESQ): An objective method for end-toend speech quality assessment of narrow-band telephone networks and speech codecs[S]. 2001.

[6] Recommendation ITU-T P.863. Perceptual objective listening quality assessment[S]. 2014.

[7] Recommendation ITU-T E.804. Quality of service aspects for popular services in mobile networks[S]. 2014.

[8] Recommendation ITU-T Y.1540. Internet protocol data communication service – IP packet transfer and availability performance parameters[S]. 2016.

[9] Recommendation ITU-T G.114. One-way transmission time[S]. 2003.

[10] 3GPP TS 26.131 v 13.1.0. 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; Terminal acoustic characteristics for telephony; Requirements (Release 13)[S]. 2015.

[11] ETSI TS 101 563 v 1.4.1. Speech and multimedia Transmission Quality (STQ); IMS/PES/VoLTE exchange performance requirements[S]. 2015.

[12] GSMA IR.34 v 12.0. Guidelines for IPX Provider networks[S]. 2016.

[13] Recommendation ITU-T P.564. Conformance testing for voice over IP transmission quality assessment models[S]. 2007.

[14] Recommendation ITU-T G.107. The E-model: a computational model for use in transmission planning[S]. 2015.

[15] Recommendation ITU-T G.107.1. Wideband E-model[S]. 2015.

[16] Recommendation ITU-T P.563. Single-ended method for objective speech quality assessment in narrow-band telephony applications[S]. 2004.

[17] Recommendation ITU-T P.501. Test signals for use in telephonometry[S]. 2017. ★

End-to-end Quality of Service Indicator and Test for VoLTE

XU Yan1, CHEN Yele2
(1. China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100045, China; 2. University of Southampton, Southampton SO17 1BJ, United Kingdom)

Voice over LTE is a solution to transfering voice packets over the LTE network with low latency and high Quality of Service. The accurate assessment of QoS of VoLTE service is of importance to operators of the LTE network. The related standards of voice QoS and VoLTE were investigated to determine the end-to-end QoS indicators and target values for VoLTE. Finally, the method to test end-to-end QoS for VoLTE using existing technology was presented.

voice over LTE end-to-end QoS delay