基于E-Model的VoIP語(yǔ)音質(zhì)量測量方法
2007/04/20
摘要 基于E-Model的語(yǔ)音質(zhì)量測量方法是一種客觀(guān)測試方法，它克服了傳統語(yǔ)音質(zhì)量測試在數據網(wǎng)絡(luò )測量中的不足。為了能夠準確評估VoIP語(yǔ)音質(zhì)量，在E-Model算法的基礎之上，探討了延時(shí)、噪聲、回音、語(yǔ)音壓縮等損傷因素對VoIP語(yǔ)音質(zhì)量的影響。
1、引言
VoIP（Voice over IP），以IP分組交換網(wǎng)絡(luò )為傳輸平臺，對模擬的語(yǔ)音信號進(jìn)行壓縮、打包等一系列的特殊處理，使之可以采用無(wú)連接的UDP（User
Datagram Protocol）協(xié)議進(jìn)行傳輸[1]。近年來(lái)，隨著(zhù)IP網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的廣泛應用，VoIP成為一種新興的電話(huà)通信方式，IP網(wǎng)絡(luò )所提供的語(yǔ)音質(zhì)量問(wèn)題受到人們的普遍關(guān)注，如何對語(yǔ)音質(zhì)量進(jìn)行科學(xué)可靠的測量和評價(jià)是網(wǎng)絡(luò )測量和網(wǎng)絡(luò )規劃設計中十分關(guān)鍵的問(wèn)題。E-Model作為語(yǔ)音質(zhì)量測量的一種新方法，它適合數據網(wǎng)絡(luò )的語(yǔ)音質(zhì)量測量，必將有廣泛的應用。本文將在E模型下分析延時(shí)、噪聲、回音和語(yǔ)音壓縮等對VoIP語(yǔ)音質(zhì)量的影響。
2、基于E-Model的語(yǔ)音質(zhì)量評價(jià)
目前對IP電話(huà)業(yè)務(wù)語(yǔ)音質(zhì)量評分的評價(jià)分為主觀(guān)評價(jià)和客觀(guān)評價(jià)。主觀(guān)評價(jià)方法主要是MOS模型（平均評定得分法），還包括判斷滿(mǎn)意度測量等方法；客觀(guān)評價(jià)方法主要有PSQM模型（感知話(huà)音質(zhì)量測量法）、PAMS模型（感知分析測量法）、PESQ模型（感知話(huà)音評估法）和E-Model[2，3]。傳統的測量方式不是基于數據網(wǎng)絡(luò )的，不能反映延時(shí)、抖動(dòng)和丟包等數據網(wǎng)絡(luò )特有的問(wèn)題。
在ITU-T P.800中規定的平均主觀(guān)值MOS，基于該主觀(guān)評測把人接聽(tīng)和感知語(yǔ)音質(zhì)量的行為被調研和量化，接聽(tīng)到何種級別質(zhì)量的語(yǔ)音，就得到多少平均主觀(guān)值MOS。一般情況下MOS值是4或更高被認為是比較好的語(yǔ)音質(zhì)量，而若平均主觀(guān)值MOS低于3.6，則大部分接聽(tīng)者不能滿(mǎn)意語(yǔ)音質(zhì)量。平均主觀(guān)測試雖然準確有效，但是這種方法存在的最大問(wèn)題就是實(shí)現起來(lái)非常麻煩和昂貴，因此人們在不斷地探索能進(jìn)行客觀(guān)測量的方法。ITU-T的G.107標準提出的E模型考慮了延時(shí)、噪聲、回音、編碼器性能、丟包、抖動(dòng)等網(wǎng)絡(luò )損傷因素對語(yǔ)音質(zhì)量的影響。它的評價(jià)標準如圖1所示。
圖1 用戶(hù)滿(mǎn)意度等級與R值和MOS值的范圍對應表
根據ITU-T G.107的定義和實(shí)際測試所需的參數可以求出R的值。傳輸參數R的表達式為：
其中
（1）Ro表示基本的信噪比，Ro的表達式為：
其中，SLR表示發(fā)送端響度評測值，No表示不同噪聲源功率之和。
No的表達式為：
其中，Nc表示電路引起的所有哚聲功率之和，Nos表示發(fā)送端背景噪聲引起的電路噪聲，Nor表示接收端背景噪聲引起的電路噪聲，Nfo表示接收端的噪聲。影響Ro的主要因素包括：響度評測值（SLR，RLR），背景噪聲（Ps，Pr），電話(huà)延遲值（Ds，Dr），說(shuō)話(huà)者回音響度額定值（TELR）。
（2）Is表示語(yǔ)音實(shí)時(shí)傳輸所產(chǎn)生的同步損傷，Is的表達式為：
其中，Iolr表示是由太低的響度評測值所引起的質(zhì)量的下降，Ist表示是由非適宜的電話(huà)噪聲引起的損傷，Iq表示量化失真所造成的損傷。影響Is的主要因素有：響度評測值，背景噪聲，電話(huà)延遲值，說(shuō)話(huà)者回音響度額定值，單向延遲時(shí)間（T），量化失真度（qdu）。
（3）Id表示語(yǔ)音信號的延遲損傷，Id的表達式為：
其中，Idte表示發(fā)送端回音所造成的損傷，Idle表示接收端回音所造成的損傷，Idd表示太長(cháng)的絕對延遲所引起的損傷。影響Id的主要因素有：延遲，說(shuō)話(huà)者回音響度，背景噪聲，響度評測值等。
（4）Ie-eff表示低比特率編碼及丟包所造成的損傷，Ie-eff的表達式為：
其中Ie表示設備損傷因素，Bbl表示丟包主要因素，Ppl表示丟包率。
（5）A表示優(yōu)勢損傷因素，它是當有其它優(yōu)勢傳遞到用戶(hù)的一種補償，通常情況下設置為零[4]。
在E-Model測量中包含了影響窄帶電話(huà)通話(huà)質(zhì)量的多種傳輸參數，在ITU-T G.107中提供了一組默認值，當終端和應用環(huán)境是正常的，可以直接使用這些默認值。根據這些默認值和一些可求的參數比如延時(shí)、丟包率等可以得到E-Model輸出的傳輸參數R。R直越大，說(shuō)明語(yǔ)音質(zhì)量越好，R值的范圍是0-100，0是最差的，100是最好的。
平均主觀(guān)值MOS是1-5之間的數，1是語(yǔ)音質(zhì)量最差的，5是語(yǔ)音質(zhì)量最好的。R值可以通過(guò)下面的公式轉化成MOS分：
IP電話(huà)網(wǎng)絡(luò )損傷的主要因素包括延時(shí)、噪聲、回音、語(yǔ)音編碼和丟包[5，6]：
（1）延時(shí)（delay），指IP包從網(wǎng)絡(luò )入口點(diǎn)到達網(wǎng)絡(luò )出口點(diǎn)所需要的傳輸時(shí)間。如果在一個(gè)呼叫中包含不同的通路時(shí)間，則存在抖動(dòng)，抖動(dòng)越大則語(yǔ)音質(zhì)量下降的越明顯。在E模型中采用固定緩沖區的方法，可以使抖動(dòng)的影響轉化為延時(shí)[7]。
（2）回音（echo），是由語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò )中的電氣反射引起的，延時(shí)超過(guò)16 ms的回聲對說(shuō)話(huà)人會(huì )有影響。下文通過(guò)說(shuō)話(huà)者回音響度額定值（TELR），來(lái)檢測回音對語(yǔ)音質(zhì)量的影響。
（3）噪聲（noise），是影響語(yǔ)音質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵因素，下文分別通過(guò)發(fā)送端背景噪聲Ps和接收端背景噪聲Pr來(lái)分析噪聲對語(yǔ)音質(zhì)量的影響。
（4）語(yǔ)音壓縮（Speech compression），在語(yǔ)音處理中語(yǔ)音編碼有很多種方式，每一種都有不同的特點(diǎn)。低速的編碼方式占用較少的帶寬，但是低速編碼使用有損的壓縮算法，削弱了語(yǔ)音質(zhì)量。仿真將采用標準為G.711、G.729
A、G.723.1的編碼方式，演示編碼對語(yǔ)音質(zhì)量的影響，其主要參數如表1所示。
表1 標準編碼器的主要參數
（5）丟包（Packet loss），是影響語(yǔ)音質(zhì)量的又一個(gè)關(guān)鍵因素。數據包發(fā)送端和接收端之間的數據包數目的差值即為網(wǎng)絡(luò )傳輸丟失包數目。當少量的丟包且是隨機地分布時(shí)，人耳并不容易感覺(jué)到較差的語(yǔ)音質(zhì)量。當丟包數量變大時(shí)，語(yǔ)音質(zhì)量也就相應的變差。
3、仿真結果
（1）圖2演示了延時(shí)和說(shuō)話(huà)者回音響度額定值（TELR）對R值的影響：時(shí)延在0～500 ms變化時(shí)，相應的R值隨時(shí)延的增長(cháng)而降低，另外，從仿真結果也可以看出，TELR對R值的影響也是很大的，TELT=65
dB時(shí)，R值隨延時(shí)變化的相對緩慢，隨著(zhù)TELR值的減小，R值隨延時(shí)的增加而迅速降低，且在相同的時(shí)延條件下，TELR越大，得到的R值也越大。
圖2 延時(shí)、回音額定值對R值的影響
（2）從圖3仿真結果可以看出語(yǔ)音編碼對R值的影響：選擇越低速率的編碼方式，得到的R值就越小。在實(shí)際情況中，選擇低速的編碼方式能夠在相同的連接上建立更多的呼叫，但是引入了更大的延時(shí)，使語(yǔ)音質(zhì)量對丟包也更加敏感。如果需要很高的語(yǔ)音質(zhì)量，則意味著(zhù)只能使用64
kbit/s的G.711編碼方式。
圖3 語(yǔ)音編碼對R值的影響
（3）從圖4仿真結果可以看出，發(fā)送端背景噪聲Ps和接收端背景噪聲Pr對MOS值的影響：背景噪聲小于40 dB時(shí)，對語(yǔ)音質(zhì)量沒(méi)有太大的影響，當背景噪聲大于40
dB，語(yǔ)音質(zhì)量會(huì )迅速下降。
圖4 噪聲對MOS值的影響
4、結束語(yǔ)
E-Model是一種語(yǔ)音質(zhì)量測量的新方法，在網(wǎng)絡(luò )規劃和語(yǔ)音監測方面有著(zhù)廣泛的應用。隨著(zhù)IP網(wǎng)絡(luò )和應用的迅猛發(fā)展，特別是隨著(zhù)NGN網(wǎng)絡(luò )的逐步應用，該網(wǎng)絡(luò )可以提供包括話(huà)音、數據和多媒體等各種業(yè)務(wù)。語(yǔ)音質(zhì)量測量是NGN網(wǎng)絡(luò )測試的一個(gè)重要方面，基于E-Model的語(yǔ)音質(zhì)量測量是對NGN網(wǎng)絡(luò )語(yǔ)音質(zhì)量測量的一種有效的方法，必定會(huì )有很好的應用前景。
廣東通信技術(shù)
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