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Ｖｏ ｌ Ｐ話音質量分析與測試

劉石峰中國移動通信集團設計院有限公司黑龍江分公司工程師

孫悅信息產業部電信研究院泰爾實驗室助理工程師

摘要：隨著ＶｏＩＰ發展的日趨成熟，ＶｏｌＰ單憑粗

放低價進行市場競爭日趨艱難，更多人把關注

點投向ＶｏｌＰ服務質量。首先從ＶｏＷ的傳輸層

面和業務層面分析影響ＶｏｌＰ話音質量的主要

因素。然后提出相應的應對方法，最后提出測試

與評估ＶｏｌＰ話音質量的指標體系以及測試方

法。

關鍵詞：ＶｏｌＰ，ＭＯＳ，話音質量

從１９９５年２月Ｖｏｃ￣Ｔｅｃ的第一部ＩＰ電話的使用至

今，ＶｏｌＰ已經經歷了日新月異的發展，但是隨著目前若干

問題的出現，ＶｏＩＰ發展進入一個緩慢發展的狀態，其中導

致ＶｏｌＰ發展緩慢的主要技術因素包括以下三個方面：互聯

互通、話音質量以及信息安全。其中ＶｏｌＰ的生存之本——

話音質量是最主要的因素。

眾所周知，ＶｏｌＰ作為一種業務，必須為用戶提供高質

量的服務；另外，ＶｏｌＰ作為一個投資，必須為業務部門降低

成本。而ＶｏｌＰ的最大優勢是成本，最大劣勢是話音質量。故

此，對于ＶｏｌＰ業務來說，能否把握好成本與質量的均衡，是

ＶｏｌＰ發展一個非常重要的因素。本文重點分析和解決ＶｏｌＰ

話音質量的相關問題。

１ ＶｏｌＰ話音質量的影響因素分析

ＶｏｌＰ作為基于ＩＰ的業務，同樣存在兩個層面的影響

因素：傳輸層面和業務層面。

１．１傳輸層面的影響因素

不同于ＰＳＴＮ基于固定連接傳輸機制，ＶｏｌＰ采用基于ＩＰ

技術的“Ｂｅｓｔ Ｅｆｆｏａ”端到端的傳輸，所以不可避免存在丟包、

包時延和抖動現象，在很大程度上影響ＶｏｌＰ的話音質量。

丟包是從發話端發出的包沒有能夠到達聽話端，從而引

起話音質量下降。丟包通常由以下三種原因造成：傳輸損壞、

過大時延和數據擁塞。傳輸損壞是當傳輸媒介出現故障時，

所傳輸的話音包便可能被丟掉；過大時延是當話音包超過

“生存時間” Ｌ０時，該話音包便會被丟棄；數據擁塞是當交

換路由設備的隊列被塞滿時便會根據策略拋棄某些話音包。

包時延是指從發話端發送話音包到聽話端收到話音包

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泰爾測試………………………．

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的時間差。包時延通常由以下原因造成：存儲轉發時

延和媒體傳輸時延。存儲轉發時延主要是由于交換路

由設備對話音包進行存儲轉發排隊等候處理引起；媒

體傳輸時延是由于話音包傳輸所需要時問引起。

抖動是話音包從發話端到達聽話端所花費的時

間的可變量。抖動通常由以下原因造成：多路徑轉發

時延差和存儲轉發時延差。多路徑轉發時延差是話

音包通過不同路徑轉發到達聽話端的時延不同引

起；存儲轉發時延差是交換路由設備本身由于緩沖

和處理時間不同引起。

１．２業務層面的影響因素

ＶｏＩＰ本身在業務層面也有許多必要環節會影

響話音質量。隨著ＩＰ技術的快速發展和ＩＰ網絡的

廣泛建設，業務層面的因素漸漸顯得越來越突出。業

務層面的主要影響因素主要包括以下方面：編解碼、

時延和回聲。

編解碼是所有數字語音通信必不可少的處理步

驟，而話音編解碼肯定對話音造成損耗。只不過在

ＰＳＴＮ中損耗非常小，而對于ＶｏＩＰ，編解碼引入的話

音質量損耗就比較大了。當然影響是多個方面的，包

括時延、帶寬和ＭＯＳ多個方面。具體如表１（僅僅包

含５種典型話音編解碼技術）：

時延在這里不包括傳輸時延，而專指由ｖｏＩＰ設

備（終端或者網關）引入的處理時延，包括編解碼時

延（見表１）、信號處理時延和去抖動緩沖時延。根據

ＩＴＵ—Ｔ Ｇ．１１４“單向傳輸時間”規定，語音會話的單

向時延不能超過４００ ｍｓ。

在ＶｏＩＰ中回聲主要有兩種：電氣回聲和聲學回

聲。電氣回聲是由于２—４轉換的混合器因阻抗匹配不

同造成“泄漏”導致的；聲學回聲是指揚聲器播放出來

表１編解碼對話音質量的影響

編解碼 技術 幀長（ｍＳ） 算法時延（ｍｓ） 比特率（Ｋ） ＭＯＳ

Ｇ．７１１ ＰＣＭ Ｏ．１ ２５ ０．２５ ６４ ４．４

ｌ

Ｇ．７２３．１ ＡＣＥＬＰ ３０ ６７．５ ５．３ ３．６

Ｇ．７２３．１ ＭＰ－ＭＬＱ ３０ ６７．５ ６．３ ３．４

Ｇ．７２９ ＣＳ—ＡｃＥＬＰ １０ ２５ ８ ４．０

Ｇ．７２９Ａ ＣＳ－ＡＣＥＬＰ ｌＯ ２５ ８ ４．０

的聲音被麥克風拾取后發回遠端導致的。對于網關這

類只具有電接口的設備只存在電氣回聲，用回聲損耗

來衡量。對于手柄和免提這樣具有聲接口的設備，存

在聲學回聲，用加權的終端回聲損耗來衡量。

２ ＶｏｌＰ話音質量的解決辦法分析

２．１傳輸層面解決辦法

ＩＰ技術本身采用“Ｂｅｓｔ Ｅｆｆｏｒｔ”的方式，對進入網

絡的業務流，都以先來先服務的方式對業務流分組

進行服務。隨著Ｉｎｔｅｒｎｅｔ和各種業務的迅猛發展，尤

其是視頻、話音等多媒體業務的迅猛增長，ＩＰ網絡

也由以前單一的數據網變成了多業務的綜合數字

網。此時，傳統的ＩＰ網絡沒有服務質量保證的弱點

已經顯現出來。為此，ＩＰ ＱｏＳ成為ＩＰ技術發展最重

要的課題，目前可以采用的ＩＰ ＱｏＳ方案主要有以下

四類：輕載方式／高帶寬方案、綜合服務／ＲＳＶＰ方

案、區分服務／ＤＳＣＰ方案和流量工程／ＭＰＩ＿Ｓ方案。

輕載方式／高帶寬方案主要就是加大基礎網絡

建設，使網絡帶寬遠遠大于ＶｏｌＰ實際使用帶寬，從

而保證ＶｏＩＰ端到端傳輸質量。雖然效果明顯，但是

投入過大，是一種不現實的解決方案。

綜合服務／ＲＳＶＰ方案基本思想是在傳送ＶｏＩＰ

數據之前，根據ＶｏＩＰ的ＱｏＳ需求進行網絡資源預

留，從而為ＶｏＩＰ數據流提供端到端的ＱｏＳ保證。這

種模型的優點是能提供端到端的絕對的ＱｏＳ保證，

但由于這種模型在實現上是非常困難的，問題的核

心是綜合服務具有面向連接的特點，這與ＩＰ本身無

連接特性是不符合的，容易導致網絡的復雜化，具體

體現在：資源預留是基于每個流而進行的，因此使得

節點中要保留每個流的狀態信息，導致路由器負擔

太重；ＲＳＶＰ本身協議復雜，不容易實現；需要全網

支持，但是現實網絡很難全網都支持。

流量工程／ＭＰＬＳ是指為業務流選擇路徑的處

理過程，以在網絡中不同的鏈路、路由器和交換機之

間平衡業務流負載。其目標是在給一定節點與另一

節點之間計算一條最優路徑。但該方案有如下問題：

必須應用在ＭＰＬＳ網絡中，而ＭＰＬＳ還沒有在全網

實現；目前對ＭＰＬＳ—ＴＥ跨域的應用仍然在研究階

ＭＳｒｒ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２００８

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段，意味著當前ＭＰＬＳ—ＴＥ主要的應用只能在單個

域中；另外，ＭＰＬＳ本身就非常復雜。

所以目前真正得到應用的是區分服務／ＤＳＣＰ

方案。ＤＳＣＰ不需要信令，即ＶｏｌＰ設備在發出數據

包之前就為數據包打上ＱｏＳ標簽，網絡設備不需要

為每個流維護狀態，它根據每個數據包ＱｏＳ進行一

定策略的數據包優先轉發，滿足ＶｏｌＰ傳輸質量。區

分服務／ＤＳＣＰ方案通常包括以下步驟：通常包括分

類標記、流量整形、擁塞避免和隊列管理。

（１）分類標記

所有數據包在進入邊緣網絡設備的時候，根據

一定優先策略對數據包分類標記，通常ＶｏＩＰ數據包

分配高的優先級，即根據既定策略為ＩＰ數據包分配

高優先級的ＴＯＳ值（３ ｂｉｔｓ，可支持８個優先級隊列）

或者ＤＳＣＰ值（６ ｂｉｔｓ，可支持６４個優先級隊列）；

（２）流量整形

限制流出某一網絡的ＶｏｌＰ的流量，使ＶｏｌＰ報

文以均勻的速度向外發送。流量整形通常使用緩沖

區和令牌桶來完成，當報文的發送速度過快時，首先

在緩沖區進行緩存，在令牌桶的控制下，再均勻地發

送這些被緩沖的報文。通常可以采用約定訪問速率

（ＣＡＲ）、通用流量整形（ＧＴＳ）等方式；

（３）擁塞避免

由于ＶｏｌＰ主要關心實時『生，而對一定程度的丟

包不敏感，所以為了避免數據包擁塞重發，通常可以

采用加權隨機早期檢測的報文丟棄策略（ＷＲＥＤ）；

（４）隊列管理

由于廣域網的帶寬較小，在發生網絡擁塞時，數

據包不可能按原有的發送速度在廣域網上傳輸。為

了保證優先級較高的ＶｏＩＰ數據包優先傳送，在數據

包轉發之前，把數據包按照優先級放人不同隊列，然

后再按一定的調度策略把報文從隊列中取出，在接

口上發送出去。通常不同的隊列算法用來解決不同

的問題，并產生不同的效果。常用的隊列有ＦＩＦＯ、

ＰＱ、ＣＱ、ＷＦＱ、ＣＢＷＦＱ優先隊列等。通常具體情況

需要具體對待。

經過以上四個步驟，最終實現區分服務。盡管區

分服務／ＤＳＣＰ方案也有一定問題，比如不能完全保

證絕對的ＩＰ傳輸服務質量，但是由于實現簡單，不

需要特定信令協議，對網絡要求低，可擴展性好，所

以被大量實際使用。

２．２業務層面解決辦法

由于當前ＩＰ ＱｏＳ技術的快速發展與基礎網絡

帶寬的迅速提高，網絡傳輸對ＶｏｌＰ業務質量影響漸

漸變弱，而業務層面因素對ＶｏＩＰ服務質量的影響漸

漸突出。目前具體解決技術與方案如下：

編解碼是ＶｏＩＰ的核心。編解碼技術直接影響

ＶｏｌＰ業務的時延、ＭＯＳ以及傳輸需要帶寬，而且本

身也有復雜度和成本的問題。所以綜合考慮以上多

方面因素，ＶｏｌＰ設備一般采用ＩＴＵ—Ｔ Ｇ．７１１

（ＰＣＭ）、Ｇ．７２３．１（ＡＣＥＬＰ或者ＭＰ—ＭＬＱ）、Ｇ．７２９

（ＣＳ—ＡＣＥＬＰ）、Ｇ．７２９Ａ（ＣＳ—ＡＣＥＬＰ）編解碼技術。其

中，采用ＩＴＵ—ＴＧ．７１１話音質量最高，需要帶寬也最

高。但是隨著帶寬的增加，６４Ｋ的帶寬需求已經漸漸

不成為問題，所以ＩＴＵ—Ｔ Ｇ．７１１是所有ＶｏｌＰ設備必

須支持、同時也是推薦的編解碼方式。

靜噪抑制技術對于節約帶寬有非常重要的作

用。大量的研究表明，在一路全雙工電話交談中，當

一方在講話時，另一方在聽，而且講話過程中有大量

顯著的停頓，故此平均只有不到４０％的信號是有效

的。無效階段不應該浪費帶寬，故此采用稱為靜噪

抑制技術來解決無效浪費問題。所謂靜噪抑制技術，

是指檢測到通話過程安靜時段，并在這些安靜時候

停止發送語音包。通過靜噪抑制技術，大量的網絡帶

寬節省下來用于其他話音或數據通信。

由于靜噪抑制技術的采用，通話過程中會有一

些靜噪抑制時段沒有語音包，如果用戶感到絕對安

靜會有通話終止或者其它不適感覺，所以需要舒適

背景噪音來解決靜噪抑制技術帶來的在講話和停頓

之間出現語音不平滑的弊端。

回聲抑制功能與性能在ＩＴＵ—Ｔ Ｇ．１６５、Ｇ．１６８給

出。回音抑制的功能是用相位補償的方法抵消串入

遠端發送信號中的遠端接收信號。其目標是消除延

時超過４５毫秒的回聲，因為當回音超過４５毫秒時，

發話方就能夠聽到反射回來、滯后的自己的聲音。

通過以上技術的采用，ＶｏｌＰ話音服務質量得到

了很大的提高，但是永遠不可能超過ＰＳＴＮ的通話

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Ｖ １ｒＬ Ｔｅｓｔ

質量，我們所需要做的就是接近或者等于ＰＳＴＮ話

音質量。當然話音質量是ＶｏＩＰ的弱點，但是ＶｏＩＰ還

有很多優點是ＰＳＴＮ無法比擬的。

４衡量ＶｏｌＰ話音質量的指標體系

雖然以上章節提出了提高ＶｏＩＰ話音質量的具

體解決辦法，但是在現實情況中，不同的ＶｏｌＰ系統

或者設備話音質量還是存在巨大差異。鑒于ＶｏＩＰ話

音質量的重要性，運營商、設備商、政府、協會都對

ＶｏＩＰ話音質量提出一系列的技術指標來衡量。例

如，２００５年信息產業部３６號令對國內ＶｏＩＰ業務的

時延、丟包、抖動以及其它業務性能做了明確規定：

語音傳輸時延平均值≤４００ ｍｓ

時延抖動平均值≤８０ ｍｓ

丟包率平均值≤５％

其中關于時延和時延抖動指標同ＩＴＵ—Ｔ Ｇ．１ １４

規定。

另外，在ＩＴＵ—Ｔ Ｐ．８ＸＸ系列建議中，對各種提高

話音質量的技術都有一定相關評定方法與標準。例

如：

ＩＴｕ＿Ｔ Ｐ．８３０規定了話音頻帶和寬帶數字編解

碼主觀性能評價，ＩＴＵ—Ｔ Ｐ．８３１規定了回聲抑制主觀

性能評估，ＩＴＵ—Ｔ Ｐ．８３２規定了免提終端主觀性能評

估，ＩＴＵ—Ｔ Ｐ．８３５規定了噪聲抑制算法主觀測試方法

學。但是，以上指標遠遠不能滿足對ＶｏＩＰ話音質量

的測試與評估。其實，用戶感觸最深的就是語音質

量，它包含用戶所感受到的實際語音的質量和網絡

中客觀評定的語音質量。目前對ＶｏｌＰ業務語音質量

評分的評價包括多種模型：如主觀ＭＯＳ，客觀ＭＯＳ

和Ｅ—ｍｏｄｅｌ。

其中主觀ＭＯＳ在ＩＴＵ—Ｔ Ｐ．８００．１中規定，特定

的發話者與聽話者在特定的環境下，通過話機進行

對話，然后收集測試者在各種不同情景下的主觀感

受，根據一定分析法則得出該網絡的品質。主觀

ＭＯＳ對測試的要求非常嚴格，所有的操作都要嚴格

地服從操作流程，對錄音系統、語音采樣、語音輸入

級別、聽者級別、不同發話者等等，都作出了詳細嚴

格的規定。優點是結果直接是測試人員的切身體驗；

最大的缺點就是對測試員要求非常高，而且有很大

的主觀因素。

而客觀ＭＯＳ在ＩＴＵ—Ｔ Ｐ．８６１（ＰＳＱＭ）和ＩＴＵ—Ｔ

Ｐ．８６２（ＰＥＳＱ／ＰＥＳＱ ＬＱ）規定，采用測試原理如圖１。

圖１客觀ＭＯＳ測試原理示意圖

話音信號分為兩路，一路經過被測設備，一路為

原始信號，最終兩路話音信號相互比較按照一定算

法計算，獲得客觀ＭＯＳ值。隨著測試理論的完善，鑒

于可以采用儀表進行自動客觀的測試，所以目前話

音服務質量更多采用客觀ＭＯＳ評定。

Ｅ—ｍｏｄｅｌ主要應用于傳輸規劃，用于評價在各種

影響話音質量的傳輸參數中合成的影響。這個計算模

型對設計人員確保在網絡規劃中達到使用戶滿意的

服務質量有非常重要的意義。Ｅ—ｍｏｄｅｌ計算模型最終

結果是Ｒ值。表２是ＩＴＵ—ＴＧ．１０７對Ｒ取值的定義：

表２ Ｒ值與ＭＯＳ、用戶滿意度關系

Ｒ的取值范圍 話音傳輸質量類別 ＭＯＳ 用戶的滿意度

９０～１ＯＯ Ｂｅｓｔ ４．３－４．４ 非常滿意

８０－９０ Ｈｉｇｈ ４．０－４．３ 滿意

７０－８０ Ｍｅｄ１ｕｍ ３．６－４．０ 一些用戶不滿意

６Ｏ～７０ Ｌｏｗ ３．１－３．６ 許多用戶不滿意

５Ｏ～６Ｏ Ｐｏｏｒ ２．６～３．１ 接近所有的用戶不滿意

Ｒ的取值反映的是用戶期望的質量指標。

５結語

不可否認，盡管ＶｏＩＰ目前話音質量還有一些問

題，但畢竟大勢所趨，ＶｏＩＰ取代傳統語音技術僅僅

是一個時間問題。不過，在通信市場競爭日益加劇

的今天，服務質量是每個ＩＳＰ的立足之本、生命之

源，誰的ＶｏＩＰ服務質量的問題解決了，誰就能在競

爭中立于不敗之地，最終掌握市場的主動。 嗣

收稿Ｅｔ期：２００８—０８—２５

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