关于VoLTE网络的概述与质量评估方法

admin

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
网规网优
16 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
网规网优
2017年 第4 期 17
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
万方数据
网规网优
18 2017年 第4 期
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
网规网优
2017年 第4 期 19
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
20 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。
参考文献：
[1] 周晶,叶丹. 运营商LTE语音解决方案研究[J]. 集成技术,
2013(3): 79-81.
[2] 夏晓威,周雄. LTE语音业务解决方案[J]. 中国新通信,
2014(17): 88-89.
[3] 颜军,徐皓. 运营商VoLTE发展策略探讨[J]. 科技创新与
应用, 2015(35): 26-27.
[4] 刘烨玮,张烁,彭岩,等. TDS/TDL系统互操作方案研究
[J]. 信息通信, 2013(8): 252-253.
[5] 宗序梅,吴晓波. 中国移动TD-LTE语音模式优化解决方
案研究[J]. 电信技术, 2015(1): 77-85.
[6] 周晶,师瑜. LTE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
网络的管理优化。
[J]. 电信科学, 2015(3): 14-22.
[7] 叶卫明,钟正泉,朱震海,等. VoLTE核心网组网及其VPN
互通研究[A]. 中国移动通信集团设计院第19届新技术
论坛[C]. 2013.
[8] 蔡家鹏,计宁,王逊. VoLTE信令和媒体流路径优化方法
研究[J]. 电信工程技术与标准化, 2015(7): 58-61.
[9] 撖书良,蒋嶷川,张世永. 基于神经网络的高效智能入侵
检测系统[J]. 计算机工程, 2004(10): 69-70.
[10] 梅林. 视频结构化描述（VSD）技术及在安检中的应
用[J]. 中国安防, 2014(20): 98-102.★
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）