VoLTE视频电话质量标准化研究及指标设计

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2016年5月第5期（第29卷总第224期）月刊
电信工程技术与标准化标准与规范2016年第5期
VoLTE视频电话质量标准化研究及指标设计
李宝磊，周俊，任晓华
（中国移动通信集团设计院有限公司，北京100080）
摘　要随着VoLTE网络的建设和高清视频电话的商用，如何对LTE视频通话质量进行评估成为难点。本文对VoLTE
视频电话相关协议基础和背景知识进行介绍，研究影响视频通话业务的关键因素和质量评估方法，并结合信
令和RTP/RTCP解码制定视频电话业务评估指标体系，应用于中国移动自动路测系统。
关键词VoLTE；视频电话；感知；评估；指标
中图分类号TN929.5文献标识码A文章编号1008-5599（2016）05-0034-05
收稿日期：2015-10-10
1引言
随着LTE网络建设的进一步完善和VoLTE的逐渐
商用，声图并茂的视频通话业务将成为4G时代人们重
要的社交方式之一。在中国移动《VoLTE技术白皮书》
发展愿景中明确提出：VoLTE提供高质量音视频业务，
支持高清语音（WB-AMR编解码）和高清视频（至少
支持H.264720P@30fps编解码），提供更丰富的业务
体验。但相比于业内成熟的语音评估算法标准POLQA
(PerceptualObjectiveListeningQualityAnalysis，
感知客观语音质量评估）视频电话质量评估受到用户主
观感情、网络损伤、实现复杂度等多种因素的影响，目
前业内尚未有统一的标准化方案，国际标准组织ITU
只给出了一系列建议算法，如基于有参考的PEVQ、基
于网络传输参数的ITU-TP.1201和P.1202等。本文
首先研究了视频电话的底层传输协议及影响质量因素，
并对当前厂家的主流算法进行研究，结合应用于集团路
测的复杂度和精确度，设计质量评估指标体系。为后续
大规模测试和指标分析提供技术方案储备。
2VoLTE视频电话标准协议和业务因素分析
2.1RTP/RTCP协议
RTP（Real-timeTransportProtocol，实时传输
协议），在多播或单播的网络服务上，提供端对端的网
络传输功能，目的是提供时间信息并实现流（Streaming）
同步，适合应用程序传输实时数据，如音频、视频或
者仿真数据。RTP数据分组重要的字段有：负载类
型（PT）、通知接收端传输的媒体类型（语音/视频
H.264/MPEG-4等），接收端调用不同的编解码器；
序列号（SequenceNumber）：每发送一个RTP分
组，序列号加1，接收端可以据此监测分组损和重建
分组序列。序列号初始值随机，起加密作用；时间标
志（Timestamp）：同步和抖动计算。RTP本身只保证
实时数据的传输，并不能为按顺序传送数据分组提供可
靠的传送机制，也不提供流量控制或拥塞控制，它依靠
DOI:10.13992/j.cnki.tetas.2016.05.009
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RTCP提供这些服务。
RTCP（RealtimeTransportControlProtocol，
RTP控制协议），负责管理传输质量，在当前应用进程
之间交换控制信息，进行流量控制和拥塞控制服务。在
RTP会话期间，各参与者周期性地传送RTCP分组，
分组中含有已发送的数据分组的数量、丢失的数据分组
的数量等统计资料，服务器可以利用这些信息动态地改
变传输速率和载荷类型。RTP和RTCP配合使用使得
数据传输的有效性和可靠性提高。RTCP数据分组重要
的字段有：NTP时间标志：绝对时间，系统时间；RTP
时间标志：相对时间，RTP前后分组的相对时间；分组
丢失抖动等指标：进行同步和抖动等值的计算，包括：
源识别符、分组丢失率（FractionLost）、累计分组丢
失数（CumulativeNumberofPacketLost）、到达间
隔抖动（IntervalJitter）、上一SR（SenderReport）
报文时间标志、自上一SR的时间延时等。
VoLTE语音和视频按照协议需要QCI=1和QCI=2
的承载，分别按照不同的时延和传输等要求进行建立。
当视频电话建立一个RTP会话时，确定一对目的传输
地址。目的传输地址由一个网络地址和一对端口组成，
两个端口一个给RTP分组，一个给RTCP分组，使得
RTP/RTCP数据能够正确发送。RTP数据发向偶数的
UDP端口，而对应的控制信号RTCP数据发向相邻的
奇数UDP端口（偶数的UDP端口＋1），这样就构成
一个UDP端口对。音视频数据分组经过封装后，分别
通过不同的端口进行传输。
2.2影响视频业务的关键因素
影响VoLTE视频电话业务的关键因素有三类：时
延、抖动、分组丢失率。端到端的时延可分为两部分：
固定时延和可变时延。固定时延包括由编解码器引起的
时延和分组封装时延，可变时延包括：承载网上的传输、
节点排队、服务器处理和去抖动处理等；抖动的影响因
素一般和网络拥塞有关，数据分组在各节点缓存时间较
长导致。分组丢失对视频电话质量影响最大，原因主要
为：IP传输过程中的误码和不能保障业务带宽造成的拥
塞，导致分组丢失率上升。
抖动：到达时刻抖动J表示接收机相对发射机的分
组时延差，该值等于两个分组相对传输时间的差值。若
Si是分组i以RTP时间标志单位发送时刻值的RTP时
间标志，Ri是到达时刻值，对于两个分组i和j，D可
以表达为：
D
(i,
j)=(Rj-Ri)-(Sj-Si)=(Rj-Sj)-(Ri-Si)
实测发现，抖动大于500ms是不可接受的，而抖
动达到300ms时，是可以接受的，此时为了消除抖动
会引起较大的时延，综合时延对话音质量的影响来考虑，
要求抖动小于80ms。
分组丢失：通过计算接收分组数量和发送分组数量
的比率得到，当分组丢失小于5%时，基本可以接受。
大于10%无法接受。要求传输分组丢失率小于5%。
时延：通过计算发、收分组时间差得到，150ms以
下可以接受，大于400ms不可接受。
另外，码流速率的不同也会造成视频质量的差异，
典型的MPEG-2视频流，标准分辨率为720×486，根
据相应的计算公式可以得到PSNR和码流速率之间的关
系，不同类型的编码类型有压缩效率，从经验上来看，
ITU-TH.263比H.261有高一倍的压缩效率，H.264
比MPEG-2有超过60%的效率提高。所以在相同的码
流速率情况下，H.264要比MPEG-2有更好的视频质
量（VoLTE要求语音编码必选AMR，其他编码方式可
选；视频编码必选H.264，其他编码方式可选）。
3视频通话质量评估方法
一般来说，视频质量评估分为主观评估和客观评估，
前者凭借感知者主观感受对视频质量进行评价打分，后
者根据传输模型给出量化指标，借以衡量视频质量。其
中客观评估根据是否加入原始参考视频样本又分为有参
考评估、缩减参考评估和无参考评估。
3.1主观质量评估
顾名思义，主观质量评估即采用人工主观评价的方
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法，在一个受控的环境中连续观看一系列测试样本，然
后按照制定好的评分等级（一般采用五分制）对视频序
列进行评分，最后求得MOS（MeanOpinionScore，
平均分）。主观质量评估的优点是评价比较准确，最接
近用户感知。缺点是花费昂贵，难以实现自动路测要求
的实时性，导致实时视频电话通信的评估很难实现。
3.2客观质量评估
客观质量评估根据评估模型来自动计算视频通话质
量，提取的传输参数如时延、抖动、分组丢失，以及人
类视觉感知特性等，对劣化信号进行客观评估。国际电
信联盟所属的VQEG（VideoQualityExpertsGroup,
视频质量专家组）提出根据原始参考视频需要的程度，
客观质量评估可以分为三大类：有参考评估、缩减参考
评估和无参考评估。有参考评估通过比较劣化视频和
原始参考视频，得到劣化信号质量，如PSNR（Peak
SignaltoNoiseRatio，峰值信噪比）算法、PEVQ算法、
思博伦Chromatic相机捕捉算法等。缩减参考评估是指
在原始参考视频和劣化视频上分别进行某些运算，通过
分析得到的统计数据进行质量评估。无参考评估不需要
原始参考视频，只对劣化视频进行评估。
其中无参考评测方法由于不需要参考原始视频，而
且信号评估较为准确，实现方法简单。因此在移动通信
的终端接收质量评价中更为适用。近年来，无参考视频
客观质量评价方法得到业界很大的关注。
3.3无参考评估方法—VQmon
VQmon算法是一种典型的无参考评估算法，业内
具有较高的知名度，其原理是对接收到的语音和视频信
号分别评估，最后对整体质量进行计算（如同步、音视
频质量等）。语音评估借鉴了ITU-TG.107（E-model）
的语音测量方法，将网络的噪音、延时、抖动、编码特
性等损伤因素灵活加入后进行评估。视频评估通过搭建
模块检测传输后关键帧、分组丢失和场景等变化，对视
频质量进行评估。
语音评估基于E-Model算法最终计算R值，取值
范围从0～100。R值的计算从没有网络和设备的损伤
影响开始，此时语音质量是最好，R=R0。R0是无网络
延时和设备损伤因素的信噪比。R值的基本计算公式如下：
R=R0-IS-Id-Ie+A
其中：IS是与语音信号传输同步的损伤，Id是语音
信号传输时延后的损伤，Ie由设备引入的损伤如编解码
器，A是优势因素，一般设置为0。
由公式知：语音质量（R值）计算是通过先估计
一个连接的信噪比（R0），然后从中减去网络损伤（IS，
Id，Ie），最后再用呼叫者对语音质量的期望（A）进行
补偿后得到，每一个都需要考虑各种各样的实际网络损
伤因素，通过非常复杂的数学计算得到。
VQmon的视频评估模型如图1所示。
相关模块功能如表1所示。
VQmon算法可以输出如表2所示音频视频指标。
综上所述，该视频质量评价算法的主要特性如下：
（1)采用逐帧分析模式准确评价视频、语音和多
图1VQmon视频评估模块
模块功能
抖动缓存
仿真
用于检测分组丢失、重复和错序报文并计算抖
动指标，评估前向错误纠正效率
内容分析
模块
检测视频的场景变化，能够识别内容的异常如：
无内容、噪音、图像停滞并产生警告信息
帧类型和
质量检测
识别GoP中的I/B/P帧并测量分组丢失率和帧
丢失分布，对加密数据流启动算法检测帧边界
和长度等信息
感知质量
模型
对每帧的质量进行分析，考虑观众对劣化敏感
性、反应时间等主观因素
表1视频评估模块功能
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媒体业务的MOS值，可以实时得到平均和抽样时间段
内的MOS值；平均MOS_V值从视频开始播放/用户
加入多播组中到结束/用户离开计算。抽样时间内的
MOS_V值取决于抽样间隔，该值反映的是在抽样间隔
内的视频质量，也即当前视频质量分数，与之前的视频
质量无关。
(2)支持RTP，MPEG-TS，MPEG-2，MPEG-4
和H.264等多种编码方式。
(3)采用数据分组头信息模式实时分析扰乱以及加
密的媒体流质量。
(4)自动检测图片组GoP结构、速率和帧信息。
(5)全面的数据帧层面分析，包括I、P、B帧，I
帧间隔等，采用基于媒体帧丢失分析模式的评价方式，并
指标指标含义
MOS_V
图像质量，代表了视频服务的质量，考虑了编码
和传输前的原始视频质量和视频数据内容分组丢
失的敏感性
MOS_A语音质量，代表了视频服务中的语音质量
MOS_AV
多媒体整体质量，考虑了视频画面质量、语音质
量和语音/视频同步，得到整体质量
VSTQ
视频业务传输质量，和支持可靠视频的承载信道
能力相关的独立编码测量
EPSNR
估算峰值信噪比，测量视频信号质量，对应于峰
值信噪比
表2音视频指标定义可以对视频场景进行分析以得到视频内容的种类和特性。
4视频电话业务评估指标设计
考虑到实现难度和自动路测实时上报MOS的要求，
综合各厂家目前倾向的算法，采用无参考评估方法。由
于RTP/RTCP数据分组有严格的同步机制，因此暂不
考虑对同步进行评估（同步性能更多考验终端对数据分
组的处理能力）。VoLTE视频通话业务评估指标可以分
为如图2所示的资源类、质量类和KPI3类。资源占用
类主要考察视频通话业务的资源占用情况，质量类主要
考察MOS和传输速率，KPI指标考察视频通话的建立、
掉线以及时延等指标，更贴近用户感知。
图2视频通话质量评估指标体系
指标指标算法
视频电话建立成功率成功完成视频呼叫次数/终端发起视频呼叫总数。UE发SIPINVITE后收到网络侧下发的SIP200OK消息，
且专用承载QCI1与QCI2建立成功，为成功完成呼叫反应
视频掉线率视频掉话次数/成功建立视频呼叫次数。一段时间没有收到视频RTP分组，或终端发起/收到BYE消息
异常码，或主动挂机的情况下，主叫未收到SIP_BYE-OK或被叫未发送SIP_BYE-OK，均计算一次掉线
视频电话建立时延视频业务中，SIPInvite消息到网络侧下发的SIP180Ring消息之间的时间差
视频通话挂断时延主叫端发起BYEMessage到收到网络侧下发的SIP200OK消息差
视频质差分组丢失率1s内下行分组丢失率大于3%认为质差，统计质差分组丢失率占比
视频编码H.264时
长占比H.264编码时长/（H.263编码时长+H.264编码时长）
切换中断时延终端从源小区收到的最后一个RTP分组，到终端在目标小区收到第一个RTP分组之间的时间差
LTE业务网内切换
成功率
切换成功次数/切换请求次数。UE收到源eNodeB发送的携带mobilityControlInfo的“RRC连
接重配置”消息（RRCConnectionReconfiguration），向目标小区eNodeB发送RRC重配完成消息
（RRCConnectionReconfigurationComplete）记为切换成功
表3视频通话关键指标算法
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VoLTEvideotelephonyservicequalityevaluationandindexdesign
LIBao-lei,ZHOUJun,RENXiao-hua
(ChinaMobileGroupDesignInstituteCo.,Ltd.,Beijing100080,China)
AbstractWiththeconstructionofVoLTEnetworksandhigh-definitionvideotelephonyapplication,howtoassess
thequalityofLTEvideocallbecomesmoreimportant.ThisarticleintroducestheVoLTEvideotelephony
relatedprotocolsandbackgroundknowledge,andstudysthekeyfactorsandqualityassessmentmethod
affectingthevideocallservice.ThencombinesthesignalinganddecodesRTP/RTCPtodevelopvideo
telephonyserviceevaluationsystem.ItwillbeusedinChinaMobileautomaticallydrivetestsystems.
KeywordsVoLTE;videocall;perceive;evaluate;index
VoLTE视频通话的业务指标定义需要参照视频电
话信令流程和RTP/RTCP协议RFC3550中的相关字
段进行，详细算法的准确性需要现场验证并修正。近期
正在进行视频测试log信令的抓取和RTP/RTCP分组
解码字段的校验，预计将很快应用于中国移动自动路测
系统。视频通话业务关键指标定义如表3所示。
5总结
目前应用于外场测试的标准主要有两种：基于
P.120X系列标准，选用无参考算法，基于IP流和网络
传输参数对视频进行评估，这是大部分厂商采用的算法。
也有部分厂商采用有参考对比算法，但实现较为复杂。
视频电话业务质量的评估需要考虑方案的实时性、复杂
性和可行性，标准的制定既要反应用户真实感知，又能
直观反应视频通话网络质量。因此基于人眼的视觉特性，
通过网络传输参数映射用户感知的方法将会是视频电话
质量评估的主流。VoLTE业务组正在进行相关解码和
技术评估工作，为VoLTE即将商用的视频电话评估做
准备。
中移动与海信加深5G合作
4月26日，中国移动研究院黄宇红副院长一行来访海信，与海信多媒体研发中心与多媒体集团副总裁杨文琳等，就5G
领域的发展及未来的合作发展进行了探讨和交流，双方达成一致，将依托5G联创中心框架成立“移动－海信”“青岛联合
实验室”。
据悉，在当天的交流会上，中国移动无线技术所副所长杨光副所长与海信刘宏举博士各自介绍了移动与海信在5G及
NB-IOT领域上的规划、进展，同时就双方可行的合作方向与内容进行了探讨。最终，双方达成一致，将依托5G联创中心
框架成立移动－海信“青岛联合实验室”，并计划5月份举行挂牌仪式。此后，双方将依托该实验室深度展开4.5G物联网
技术NB-IoT的应用验证与产业化，及5G标准研究上的合作。（摘自：中国网)
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