51学通信论坛2017新版
标题:
关于VoLTE网络的概述与质量评估方法
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作者:
admin
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2017-11-13 21:51
标题:
关于VoLTE网络的概述与质量评估方法
[attach]4393[/attach]
网规网优
2017年 第4 期
15
收稿日期：2016-10-08
责任编辑：袁婷
yuanting@mbcom.cn
关于VoLTE网络的概述与质量评估方法
Overview and Quality Evaluation Method of VoLTE Networks
为了熟悉VoLTE复杂的网络结构、发展趋势和解决用户感知问题，通过对VoLTE的发展现状及其技术原理
与优势进行梳理和总结，分析了网络升级改造中提出并选定的几种关键技术方案，研究了在语音质量优化
上提出的几种基于MOS值的评估方法。结果表明，基于深度神经网络DNN-MOS的评估方法是更佳的语音
质量评估方法，可以有效地评估和提升用户感知。
VoLTE 网络优化 MOS值 DNN-MOS
In order to know the complex network structure and development trend of VoLTE and deal with the user perception,
the developmental status, technical principle and advantages of VoLTE were arranged and summarized. Several
key technical solutions which are proposed and selected in the network update and reform were analyzed. Several
evaluation methods based the MOS value to optimize voice quality were studied. Results show that DNN-MOS
method based on the deep neural network is the better evaluation method of voice quality, which can effectively
evaluate and enhance the user perception.
VoLTE network optimization MOS value DNN-MOS
（中国移动通信集团广东有限公司中山分公司，广东 中山 528400）
(China Mobile Group Guangdong Co., Ltd., Zhongshan Branch, Zhongshan 528400, China)
【摘 要】
【关键词】
钟其柱，罗耀满，杨彬
ZHONG Qi-zhu, LUO Yao-man, YANG Bin
[Abstract]
[Key words]
1
背景介绍
2014
年
LTE
网络进入商用元年，这标志着
4G
时代
的正式来临。目前
TD-LTE
网络主要承载数据业务，经
过
3GPP
制定的
VoLTE
网络技术方案、
R8
版本到
R10
版
本的标准化工作以及
IMS
（
IP Multimedia Subsystem
，
I P
多 媒 体 子 系 统 ） 网 络 相 关 技 术 ， 使 得
Vo LT E
技
术逐渐完善。该技术对比
CSFB
（
Circuit Switched
Fallback
，电路域回落）有较明显优势，
VoLTE
将是
LTE
语音发展的必然趋势
[1]
。
VoLTE
网络的发展进程如
图
1
所示。
1.1 VoLTE
的发展形势
VoLTE
已成为国际运营商共识并纳入发展路线，
主要分为：
路线
1
：
VoLTE/eSRVCC
（
Enhanced Single Radio
Voice Call Continuity
，增强的单一无线语音呼叫连续
性）。主要由于
2G/3G
网络积累较好或
VoLTE
推动初
期难以快速实现
LTE
全覆盖。
路 线
2
： 无 线 广 覆 盖 实 现
V o L T E w i t h o u t
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2017.04.003 中图分类号：TN929.532 文献标志码：A 文章编号：1006-1010(2017)04-0015-07
引用格式：钟其柱,罗耀满,杨彬. 关于VoLTE网络的概述与质量评估方法[J]. 移动通信, 2017,41(4): 15-21.
万方数据
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2017年 第4 期
eSRVCC
。
2G/3G
为
CDMA
的运营商全部选择路线
2
。
韩国三大运营商均已在
2012
年下半年商用；北美
和日本几大运营商在
2014
年商用；欧洲几大运营商在
2014
年至
2015
年商用。而中国移动采用的是路线
1
的
方案，
2016
年广东省
VoLTE
已全面实现商用，图
2
是
VoLTE
网络在
2015
年的工作进度情况。
1.2 VoLTE
的技术原理
相比
LTE
网络，
VoLTE
是在
LTE
网络的基础上新增
了
IMS
域，
VoLTE
用户的所有业务触发均由
IMS
域来进
行控制。
终端同一时刻只能在一个网络上进行业务（
LTE
或者
2G/3G
）。在
LTE
覆盖区，数据
/
语音业务都承载
在
LTE
网络
[2]
；在非
LTE
覆盖区，由
2G/3G
网络为其提
供服务，支持
LTE
网络到
2G/3G
网络的切换。
VoLTE
的技术原理示意图如图
3
所示。
2
技术优势
VoLTE
是一种
IP
数据传输技术，全部业务承载于
4G
网络上，与目前在
2G/3G
网络下通话相比，其带给
4G
用户最直接的感受就是接通等待时间更短
[3]
、更高
质量以及更自然的音视频通话效果。
VoLTE
和
3G
网络
的技术优势对比如表
1
所示。
3
方案选择
相比
2G/3G
或者
CSFB
网络，
VoLTE
网络具有明显
的优势。但这些优势是需要相应的技术支撑的，因此
需要规划一套较为完善的
VoLTE
技术方案。
图
1 VoLTE
语音方案演进路线图
图
2
广东省
VoLTE
在
2015
年的工作进度情况示意图
图
3 VoLTE
的技术原理示意图
万方数据
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3.1 LTE
语音解决方案
4G
网络的技术演进历经双待机、
CSFB
和
VoLTE
这几个阶段。
CSFB
和双待机都是
VoLTE
演进的过渡性
技术，也将在一段时期内与
VoLTE
共存。其中，在支
持国际漫游的前提下，
CSFB
的生命周期会相对较长，
同时双待机方案作为一种终端形态将长期存在
[4]
。
下面将对双待机、
CSFB
和
VoLTE
三种
LTE
语音解
决方案进行对比，具体如表
2
所示。
基于
IMS
控制的
VoLTE
是
LTE
语音的目标方案，
中国移动商用
VoLTE
目前选择的就是这种方案，此方
案的前提是
LTE
网络实现连续覆盖要求。而在
LTE
网
络覆盖边缘，将利用
SRVCC
（
Single Radio Voice Call
Continuity
，单一无线语音呼叫连续性）切换技术来回
落到
2G
网络，以确保用户语音通话不会中断。
3.2 SRVCC
切换方案
在
VoLTE
语音方案中，涉及到从
LTE
网络切换到
2G
网络的场景，该场景下所使用的技术为
SRVCC
切换
技术
[5]
。
3GPP R9
阶段已经标准化
SRVCC
方案，
R10
阶
段标准化
eSRVCC
方案。这两种切换方案的特点如下：
（
1
）
SRVCC
SRVCC
的媒体切换点是对端网络设备（如对端
UE
），发生切换后需要在
IMS
网络中创建新的承载。
SRVCC
切换导致的语音中断时长在
800 ms
左右。
（
2
）
eSRVCC
eSRVCC
的媒体切换点改为更靠近本端的设备
[6]
，
具体方案就是在
SBC
（
Session Border Control
，会
话边界控制器）增加
ATCF
（
Acess Transfer Control
Functionality
，接入转移控制功能）
/ATGW
（
Access
表
2
三种
LTE
语音解决方案对比
LTE
语音解决方案 特点 优势 劣势
双待机 终端双待，语音业务由传
统
2G/3G
网络提供
对网络改动小，用户体验不
变，语音和数据可以并发，
无需切换
终端要支持双待，对手机芯片、
电池续航能力都有较高要求
CSFB
终端单待，当有语音业务
需求时，需要回落到传统
2G/3G
网络
对终端要求较低，重用传统
2G/3G
网络
对传统
2G/3G
网络有改造要求，
时延较长，语音和数据业务不可
并发
VoLTE/SRVCC
语音业务基于
IMS
提
供，并支持从
LTE
切换到
2G/3G
网络的语音连续性
基于
LTE
的语音音质好、频
谱利用率高，语音和数据业
务可以并发
需要部署
IMS
，支持
SRVCC
的终
端较少
表
1 VoLTE
和
3G
网络的技术优势对比
体验升级
VoLTE 3G
上网和呼叫并发 可以 不可以
呼叫接通时间
/s 0.5~1.5 5
语音通话质量
◆频宽：
50~7000 Hz
◆采样率：
16 kHz
◆比特率：
AMR-WB
（自适应多速率
宽带编码）最大
23.85 kbps
◆频宽：
300~3400 Hz
◆采样率：
8 kHz
◆比特率：
AMR-NB
（自适应多速率
窄带编码）最大
12.2 kbps
视频通话质量 典型分辨率：
480
×
640
甚至
720/1080P
分辨率：
176
×
144
频谱效率 相同频谱支持相当于
2
倍的
3G
网络语音
呼叫量或
6
倍的
2G
网络语音呼叫量
相同频谱支持相当于
2
倍的
3G
网络语音
呼叫量或
6
倍的
2G
网络语音呼叫量
富媒体
与
RCS
（富媒体业务）天然融合，提供
即时消息、图片共享、文件共享、
网络地址簿等富媒体业务
与
RCS
（富媒体业务）天然融合，提供
即时消息、图片共享、文件共享、
网络地址簿等富媒体业务
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Transfer Gateway
，接入转移网关）功能实体作为媒
体锚定点。发生
eSRVCC
切换时，只需要创建
UE
与
ATGW
之间的承载通道，对端设备与
ATGW
之间的媒
体流还是通过原承载通道传输
[7]
。
eSRVCC
切换导致的
语音中断时长小于
300 ms
。
3.3
锚定方案
锚定（
Anchoring
）是指将呼叫从
CS
网络路由到
IMS
网络进行业务处理的过程
[8]
，也就是确定主被叫各
自由哪个域的哪个网元来实现信令接续流程。在以下
两种场景中，与
LTE
用户相关的呼叫请求需要通过锚
定功能路由到
IMS
网络：
场景一：
LTE
用户通过
CS
网络接入，并且签约了
IMS
网络业务；
场景二：
LTE
用户作为被叫用户，通过
LTE
网络接
入，并且主叫用户为
CS
网络用户。
关 于 锚 定 ， 目 前 可 供 选 择 的 方 案 分 别 是 ：
I C S
（
IMS Centralized Services
，
IMS
集中业务）、主被
叫全锚定、被叫锚定、国际漫游不锚定以及协同方案
（ 主 被 叫 都 不 锚 定 ） 。 中 国 移 动 目 前 使 用 主 叫 不 锚
定、被叫锚定到
IMS
域的策略。如果主叫锚定，则效
率 较 低 ， 特 别 是 主 叫 多 数 不 存 在 一 致 性 问 题 仍 迂 回
IMS
域，初期存在媒体面迂回，呼叫时延增加
1~3 s
；
若采取主叫不锚定，由于主叫补充业务较少，即便存
在业务一致性问题，市场也可以接受。
4
网络优化
VoLTE
的部署演进是一个复杂的系统工程，涉及
除
3G
无线网络之外的所有专业领域，全网改造量巨
大，其主要改造内容如表
3
所示。
改造升级后的
VoLTE
网络结构复杂，如何准确、
高 效 、 全 面 评 估 端 到 端 用 户 感 知 ， 进 而 保 障 网 络 质
量，提升用户体验，将成为巨大挑战。语音质量评价
方法可以分为主观评价和客观评价两种。根据是否需
要 参 考 话 音 信 号 ， 客 观 评 价 方 法 又 分 为 全 参 考 模 型
（双边评估）评价和无参考模型（单边评估）评价，
具体如下：
（
1
）全参考模型适用于定点拨测或路测场景，从
最早的
PSQM
（
Perceptual Speech Quality Measure
，
感知通话质量测量）算法到后面的
PESQ
（
Perceptual
Evaluation of Speech Quality
，感知评估通话质量测
量）算法，再到目前普遍使用的
POLQA
（
Perceptual
Objective Listening Quality Analysis
，感知客观语音
质量评估）算法，各有各的优缺点。
（
2
）无参考模型适用于实时的全网范围评估，
ITU
目前仅推出
P.563
算法，且该算法仅支持窄带语
音，而在评价宽带语音质量方面仍未有统一标准，这
是需要后续去努力研究的一个重点方向。
MOS
（
Mean Opinion Score
，平均意见值）评估
算法的发展历程示意图如图
4
所示。
4.1
基于全参考模型的算法介绍及应用
基于全参考的客观的语音感知质量评估方法中，
目前最常用的是
PESQ
和
POLQA
，前者基于
P.862
算
法，后者基于
P.863
算法。
PESQ
算法从初期适应窄带
语音的评估发展到目前适用宽带语音的
PESQ-WB
算
表
3 VoLTE
网络改造内容
改造项 改造内容
终端侧
◆终端需支持
IPv6
地址、
VoLTE
和
eSRVCC
等功能；
◆
TD-LTE
用户使用
VoLTE
不需要换卡，仍使用原来的
USIM
卡；
◆用户不用换号码，但需要登记使用
VoLTE
业务，用户
开通
VoLTE
时会同时开通
4
个相关号码。
无线网侧
◆
2G
无线网络需要支持小区重选返回
4G
；
◆
4G
无线网络需要升级支持
VoLTE/eSRVCC
、头压缩和
半持续调度等功能；
◆
eSRVCC
切换确定至
2G
网络。
核心网侧
◆
2G/3G CS
域：需要将
MSC
升级为
eMSC
或者新建独立
的
eMSC
；
◆
EPC
：
MME
需要升级支持
Sv
接口，
SGW
、
PGW
、
PCRF
需要升级支持
PCC
增强功能；
◆
IMS
域：需要与固网
IMS
部分融合，新建独立
SBC/
P-CSCF
，改造
I/S-CSCF
接入
DRA
，扩容
MGCF
等设备；
◆数据存储：需要将
HLR
、
EPC HSS
和
IMS HSS
进行三
合一改造。
承载网侧
◆
AR/BR
：需支持
6vPE
（即
IPv6 VPN
）；
◆
CE
：需支持
IPv4/IPv6
双栈；
◆网管：需支持
IPv6
。
万方数据
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法，但该算法不支撑超宽带语音的质量评估。为了解
决
PESQ
的局限性，
ITU
发展了新的
POLQA
标准，这种
算法支持窄带、宽带和超宽带语音，是目前普遍使用
的路测标准。
实际上，
PESQ
和
POLQA
这两种算法都具有共同
的缺点，那就是仅适用于一些定点拨测或路测的场
景，适用的场景局限性较大，不能大范围地实时评估
网络的语音质量。这两种算法的对比如表
4
所示。
鉴于以上两种算法的局限性，为了达到实时性地
评估全网范围语音质量的目的，
ITU
推出了一种基于无
参考模型（单边评估）的
P.563
算法。
4.2
基于无参考模型的算法介绍及应用
P.563
算法是基于无参考模型的适用于窄带语音的
话音质量评估方法。该算法采用一个二元逻辑分类器
判别话音信号的失真类型，将语音信号失真划分为
6
个
类型：强背景噪声、信号静音与间断、乘性噪声、话
音机械化、不自然男声及不自然女声。
P.563
算法通过
提取话音信号的
43
维特征参数，并根据
8
个关键参数来
判决话音信号的主要失真类型，得到话音质量的粗略
估计值，再结合
11
维话音特征矢量映射得到最终的话
音质量评价结果。
P.563
算法的优点是实时性好，仅需网络侧样本即
可完成评估，并可进行全网范围评估；缺点是仅适用
于窄带语音，使用
8
个关键特征进行判决，模型不够完
善且评价体系不够稳定。
下面将介绍一种新型的无参考算法，它是基于深
度神经网络结构
[9]
的
DNN-MOS
评估方法。
DNN
即深
度神经网络，深度学习（
Deep Learning
）是机器学习
研究中的一个新领域
[10]
。
DNN-MOS
评估方法提取
72
维语音特征，共有
5
层非线性变化，同时适用于窄带、
宽带语音，并高度拟合
POLQA
路测的结果，只需退化
语音便可实时、大范围分析，既弥补了
P.563
算法在宽
图
4 MOS
评估算法的发展历程示意图
表
4
基于全参考模型的算法对比
算法 参考
标准 适用场景 优点 缺点
PESQ P.862
◆适用
2G/3G
网络的窄带语音质
量评估；
◆适用于
CQT
、
DT
等拨测评估。
采用全参考模型，
MOS
值准确可靠。
适用场景有局限，需要通过耗费人力、物
力的路测手段进行收集和评测，实时性较
差，且仅反映道路情况而无法反映全网范
围所有场景的状况。
POLQA P.863
◆适用窄带、宽带和超宽带的语
音质量评估；
◆适用于
CQT
、
DT
等拨测评估。
◆采用全参考模型，
MOS
值准确可靠；
◆适用宽带和超宽带
语音。
适用场景有局限，需要通过耗费人力、物
力的路测手段进行收集和评测，实时性较
差，且仅反映道路情况而无法反映全网范
围所有场景的状况。
万方数据
网规网优
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2017年 第4 期
带语音质量分析的缺陷，又弥补了
POLQA
算法的高成
本、低效率、单场景的不足。与
P.563
算法相比，
DNN
算法与时俱进，优势明显。在实践数据验证中，基于
DNN
算法的
MOS
值与传统路测的
MOS
值相比，拟合度
高达
0.89
，平均误差仅
0.17
，这两项数据比
P.563
算法
和
E-Model
模型算法均有明显的优势。
DNN-MOS
评估方法实际上就是基于
DNN
来进行
数学建模，其基本原理如图
5
所示。
在实际应用方面，利用
DNN-MOS
评估方法，结
合用户、终端、小区等维度数据，与大数据平台的网
管
/Gn/IMEI/
信令数据通过多维度数据聚合分析，可进
行
MOS
质量监控、获取质差用户
/
终端、劣化小区、投
诉定位以及终端质量评估等分析结果，为端到端业务
优化提供有力支撑。
5
结论
VoLTE
技术在国际上都是一种解决
LTE
语音接续
的目标方案，而且近年来发展迅猛。广东移动通过对
终端侧、无线网侧、核心网侧以及承载网侧等各种网
络设备改造升级后，已于
2016
年实现全省
VoLTE
商用
的目标。随着
VoLTE
的用户日益增多，语音质量将会
成为关注的重点。基于此，本文通过研究几种评估语
音质量（
MOS
）算法的优缺点，提出了一种基于深
度神经网络的
DNN-MOS
评估方法，该方法是基于无
参考模型且适用于宽带语音的评估算法。经过实践证
明，该方法已完全可以辅助或者替代传统的路测，并
有望成为
ITU
在无参考模型的宽带语音质量评估方面的
新标准。
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终端语音解决方案现状及下一步演进
图
5
基于深度神经网络的
DNN-MOS
基本原理图
征
万方数据
网规网优
2017年 第4 期
21
作者简介
钟其柱：工程师，硕士毕业于华南
理工大学，现任职于中国移动通信
集团广东有限公司中山分公司网络
管理中心，主要研究方向为移动通
信网络。
罗耀满：工程师，硕士毕业于北京
邮电大学，现任中国移动通信集团
广东有限公司中山分公司网络管理
中心室经理，主要研究方向为移动
通信网络的优化和分析。
杨彬：工程师，硕士毕业于浙江大
学，现任中国移动通信集团广东有
限公司中山分公司网络管理中心副
总经理，主要研究方向为移动通信
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★
工信部：移动转售吸引民资31亿
正式牌照适时发放
2017年2月17日，国务院新闻办召开新闻发布
会，通报2016年工业通信业发展情况。工信部部
长苗圩指出，目前我国稳居世界第一制造大国和网
络大国地位，并建成全球最大4G网络，网民总数从
4.57亿达到7.31亿人，机器人及移动互联网、云计
算、大数据等产业快速增长。
关于虚拟运营商发展，工信部总工程师张峰
指出，工信部先后向42家民营企业发放了试点批
文，截止到2016年底，试点取得的主要成效有以
下三方面：
一是累计发展用户超过4300万户，占移动用户
总数超过3%，同时直接吸引民间投资达到31亿；
二是激发市场活力，繁荣电信市场，特别是有
些转售企业在资费方面推出了流量不清零、无漫游
费、零月租等多种资费方案，促进了电信市场的竞
争，也使电信企业进一步改善服务；
三是丰富服务类型，为广大用户提供了更多的
选择和差异化服务。
张峰指出，在移动转售试点过程中，出现的前
期难以预估的新情况、新问题，经过各方的努力已
逐步得到解决。对于比较突出的虚拟运营商170号
段被不法分子滥用和从事垃圾短信传播以及通讯信
息诈骗的问题，工信部高度重视，并在2016年4月
出台了《关于加强规范管理 促进移动转售业务健
康发展的通知》，对转售企业、基础企业以及行业
协会和各级监管部门提出了相关要求，又在同年11
月出台了《关于进一步防范和打击通信信息诈骗工
作的实施意见》，且开展了专项督察工作。从年底
抽查暗访的情况来看，较7月份的违规比例下降了
20%。
关于正式牌照何时发放，张峰表示，工信部将
进一步加大对虚拟运营商的监督管理力度，结合实
名制整改落实情况，适时出台移动转售业务的正式
商用意见。（通信产业报）
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