CN104506387A - 一种评估lte通信***语音质量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种评估LTE通信***语音质量的方法,包括以下步骤:E-Model模型参数初始化;提取相关参数;提取语音片段;计算语音编解码损耗;计算时延损耗;计算抖动损耗;计算语音评估的MOS分数和传输等级因子R,并将其换算为相应的MOS分数。本发明将应用层RTP和RTCP协议引入到LTE通信***的语音质量评估方案中,可有效地评估LTE通信***中时延抖动所造成的语音质量损失;将RTCP协议引入LTE通信***网络包时延的估计方法,可有效提高时延对语音质量损失的评估性能;将RTP协议引入LTE通信***网络包抖动的估计方法,可有效提高抖动对语音质量损失的评估性能,可自适应进行调度控制和无线资源分配。
Description
技术领域
本发明涉及一种语音质量评估技术,特别是一种评估LTE通信***语音质量的方法。
背景技术
LTE(Long-Term Evolution,长期演进)是3GPP(3rd Generation PartnershipProject,第三代合作伙伴计划)对包括核心网在内的第三代移动通信网络的全面演进,它采用了一些先进技术,包括正交频分复用技术、多输入多输出技术(MIMO)、以波束成型为主的智能天线技术、调制和编码链路自适应技术(AMC)等。在接入网层面,LTE通信***主要由空中无线接口和无线接入网两部分组成。在下行链路,LTE通信***采用正交频分复用多址接入(OFDMA)技术;在上行链路,则采用单载波-频分复用多址接入(SC-FDMA)技术。在核心交换层面,LTE通信***取消了传统的电路交换,全面采用IP网络来承载语音通信和其它通信业务。LTE通信***采用了先进的无线接入技术和IP网络技术,可显著提升语音通信质量和数据传输速率。
话音业务是通信***的基础业务,话音质量是LTE通信***性能的一项重要指标。为了保证较高的通话质量,在LTE通信***中,通信资源的调度和分配控制策略变得越来越重要,这就需要根据当前LTE通信网络的语音质量对无线资源进行灵活的管理。为了对移动通信网络的语音质量进行评价,ITU-T G.107标准给出了基于E-Model模型的语音质量客观评估技术,该技术考虑了通话时延、回声、噪声等语音通信中存在的性能损失,也在一定程度上考虑了抖动、丢包等分组网络中特有的问题。下面对现有技术进行描述:
一、主观MOS评价
主观评价是通过人的主观感受来划分语音质量的等级,进而衡量语音质量的方法。它直接反映了评价者对语音质量的主观印象,符合人类对语音质量的真实感受。
在MOS(Mean Opinion Scores,平均意见得分)评分法中,参加语音质量评价的测试人员对待测语音进行评分,分数根据表1分为5个等级;然后,将所有测试人员的平均分数作为所测语音质量的MOS分数。由于人的心理等主观因素以及客观环境的不断变化,每次测试出的MOS分数结果都不尽相同,并且存在波动。为了抑制这种波动,参与评分的人数需40人以上,而且待测的语音数据应该包括男声、女声以及童声等各种类型,测试环境也要尽量保持相同。主观评价要求投入大量的人力,并且需要进行多次的测试,过程费时费力且受人主观感受的影响,难以实现对语音的实时评测。
表1 MOS分值标准
MOS判分 | 质量级别 | 失真级别 |
4.0-5.0 | 优(Excellent) | 不觉察 |
3.5-4.0 | 良(Good) | 刚有觉察 |
3.0-3.5 | 可(Fair) | 有觉察且刚觉可厌 |
1.5-3.0 | 差(Poor) | 明显觉察且可厌但可忍受 |
0-1.5 | 不可接受(Unacceptable) | 不可忍受 |
二、E-Model语音评估模型
E-Model是ITU-T G.107标准提出的语音质量评价模型,它充分考虑了通话时延、回声和噪声等语音通信中存在的性能损失,也在一定程度上考虑了抖动和丢包等分组网络中特有的问题,适用于VoIP(Voice over IP)等影响因素比较多的语音通信环境。该模型先根据网络时延、噪声以及语音编解码器等环境参数,计算出传输性能等级系数R,再将其转化为MOS分值。
传输性能等级系数R的表达式为:
R=R0-Is-Id-Ie-eff+A (1)
其中,R表示传输性能等级系数,R0表示基本信噪比,包括电路噪声和室内噪声;Is表示近似与声音传输同步的损耗;Id表示时延修复因子,包括呼叫方和接收方两方面回声的影响以及端到端传输导致的时延;Ie-eff表示设备损耗因子,包括低速率语音编解码以及网络丢包所造成的损伤;A表示由通信***所产生的损伤补偿。下面对这些参数进行详细说明。
(1)基本信噪比R0
影响R0的主要因素包括:响度评测值(包括发送端响度评测值SLR,接收端响度评测值RLR),背景噪声(包括发送端噪声Ps,接收端噪声Pr),电话时延值(包括发送端时延Ds,接收端时延Dr),说话者回音响度额定值TELR。
其中:
①Nc表示电路引起的所有噪声功率之和。
②Nos表示发送端背景噪声引起的电路噪声,即
Nos=Ps-SLR-Ds-100+0.004(Ps-OLR-Ds-14)2 (3)
OLR=SLR+RLR (4)
③Nor表示接收端背景噪声引起的电路噪声
Nor=RLR-121+Pre+0.008(Pre-35)2 (5)
这里,LSTR=STMR+D,STMR表示掩蔽电话侧音能力的评级。
④Nfo表示接收端的噪声,即
Nfo=Nfor+RLR,Nfor=-64dBmp (7)
(2)同步损伤系数Is
Is表示语音实时传输所产生的同步损伤。影响Is的主要因素有:话音响度,说话人回声响度,单向时延时间(T)以及定点化引起的量化失真度(qdu)。
Is的表达式为:
Is=Iolr+Ist+Iq (8)
其中:
①Iolr表示由于话音响度太低而引起的话音质量损耗,即
Xolr=OLR+0.2(64+N0-RLR) (10)
②Ist表示非最优的侧音引起的损耗,即
③Iq表示量化失真所造成的损伤,即
Iq=15log[1+10Y+10Z] (13)
G=1.07+0.258Q+0.0602Q2 (16)
Q=37-15log(qdu) (17)
(3)时延损伤系数Id
Id表示语音信号的时延损伤。影响Id的主要因素有:时延,说话者回声响度,受话者回声响度等。
Id=Idte+Idle+Idd (18)
其中:
①Idte表示发送端回声所造成的损伤,即
Roe=-1.5(N0-RLR) (20)
Re=80+2.5(TERV-14) (21)
②Idle表示接收端回声所造成的损伤,即
Rle=10.5(WEPL+7)(Tr+1)-0.25 (24)
③Idd表示太长的绝对时延所引起的损伤,即
(4)设备损伤系数Ie-eff
Ie-eff表示低比特率编码及丢包所造成的损伤。Ie-eff的表达式为[3]:
其中,Ie表示语音编解码所造成的损伤因素,Bpl表示与语音编解码有关的信息包丢失强度系数,Ppl表示丢包率,BurstR表示网络丢包突发比率:
(5)较先进的通信***所产生的损伤补偿A
当通信***有足够的技术优势时,可对话音质量提供补偿。传统PSTN电话为0,WLAN设置为20。
(6)默认值
ITU G.107中给出了E-Model模型中各参数的默认值。如果所有参数均设定为默认值,最终计算得到的R值为93.2,求得的MOS默认值为4.41。表2给出了各参数的默认值以及所允许的范围。
传输性能等级系数R的范围从0到100。R=0表示质量极差,R=100表示质量极好。于是,MOS评分可表示为
表2 E-Model模型中各参数的默认值及允许的范围
三、改进的E-Model模型
Whai En Chen等人[Chen W E,Lin P J,Lin Y B.Real-time VoIP qualitymeasurement for mobile devices.IEEE Systems Journal,2011,5(4):538-544.]通过丢包率和丢包分布突发比来评估丢包对语音质量造成的影响。该方法对E-Model模型中的设备损伤系数Ie-eff进行了改进,其表达式为:
其中,Ie表示语音编解码所造成的损伤因素,Bpl表示与语音编解码有关的信息包丢失强度系数,Ppl表示丢包率,BurstR表示网络丢包突发比率:
Ie的取值如表3所示。
表3 各种编码器的Ie取值
综上所述,现有的技术方案主要基于标准世界时和人为的加工处理,大多还停留在理论层面,并且不适用于LTE通信***实时评估的工程应用当中。当实际应用时,它存在用户信息公开和协议层内容改变等问题。基于E-Model模型的语音质量客观评估方法还存在评估不准的问题。
本发明用到的简称释义汇总如下:
3GPP:3rd Generation Partnership Project,第三代合作伙伴计划;
AMC:Adaptive Modulation and Coding,调制和编码链路自适应技术;
IP:Internet Protocol,因特网协议;
ITU:International Telecommunications Union,国际电信联盟;
LTE:Long-Term Evolution,长期演进;
MIMO:Multi-input Multi-output,多输入多输出;
MOS:Mean Opinion Scores,主观语音评价;
OFDM:Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交频分复用;
OFDMA:Orthogonal Frequency Division Multiple Access,正交频分多址;
PCC:Pearson Correlation Coefficient,皮尔森相关系数;
PESQ:Perceptual Evaluation of Speech Quality,感知语音质量评估;
QAM:Quadrature Amplitude Modulation,正交幅度调制;
QoS:Quality of Service,服务质量;
RMSE:Root Mean Square Error,均方根误差;
RTCP:Real-time Transport Control Protocol,实时传输控制协议;
RTP:Real-time Transport Protocol,实时传输协议;
SC-FDMA:单载波-频分复用多址接入;
VoIP:Voice over Internet Protocol,网络电话。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题,本发明要设计一种可以实际应用并可提高语音评估质量的评估LTE通信***语音质量的方法。
为了实现上述目的,本发明的技术方案如下:
一种LTE通信***包括无线接入网络和核心交换网络。因此,LTE通信***中以发送端为起点的***时延也包括无线接入网络中资源调度和切换功能所造成的时延,以及核心交换网络中路由选择和队列缓冲功能所造成的网络时延。如果分别对这两部分的各种时延进行分别讨论,则会得不偿失,并且估计结果未必会考虑到所有的因素。
本发明根据应用层中的RTP和RTCP协议内容,分别对LTE通信***的无线接入网络和核心交换网络的协议栈结构进行分析,对E-Model模型中的Id因子进行改进,提出抖动损耗因子Ij及其求解方案。
LTE通信***在语音通信方面使用了VoIP(Voice over Internet Protocol,网络电话)相关技术,并利用RTP协议(Real-time Transport Protocol,RTP)和RTCP协议(RTP Control Protocol,RTCP)承载语音流。RTP协议和RTCP协议属于应用层协议。RTP协议包括包的序列号、时间戳、数据类型以及语音编解码方式等信息;RTCP用于通话控制和流量控制,并提供实时的QoS保障。RTP协议包的固定包头格式如图2所示。
RTP协议的包头部分包括:版本号V(2比特)、填充标识位P(1比特)、扩展标识位X(1比特)、同步源辨识(SSRC)的数目CC(4比特)、指示器位M(1比特)、净载类型PT(7比特)、序列号SN(16比特)和时间戳timestamp(32比特)、同步源SSRC(32bis)标识和贡献数据源(CSRC,32比特)标识。其中,时间戳的长度为32比特,记录了RTP数据包第一个字节采样的时刻。根据网络包的包头中时间戳的相关信息,即可得到发送端UE封装该网络包的起始时间。
RTCP协议规定了RTCP包的类型包括发送者报告(Sender Report,SR)、接收者报告(Receiver Report,RR)以及最后一个包发送的指示等。其中,包含了发送者相关信息的SR包的格式如图3所示。
SR包的格式中包括版本号V(2比特)、填充标识位P(1比特)、接收报告的块数RC(5比特)、包的类型编号PT(8比特,该协议中PT=200)、包的长度(16比特)、发送方同步源辨识SSRC(32比特)以及NTP时间戳(包括高32位和低32位)等内容。
SR包中与时延和抖动的计算有关的部分罗列如下:
NTP时间戳:记录了SR包发送时相对于1900年1月1日零点的时间差,单位为秒,长度为64比特(前32位是整数部分,后32位是小数部分)。NTP是网络时间协议的简称(Network Time Protocol),其准确的时间来源于国际标准时间:通用协调世界时(Universal Time Coordinated,UTC)。
最后一个SR的时间戳(LSR):记录了接收端所接收到的最近的SR包中NTP时间戳的中间截取部分,单位为秒,长度为32比特(前16位是整数部分,后16位是小数部分)。
从接收到最后一个SR,到发送此SR为止的时延(DLSR):记录了从接收端收到SR包开始、直到对该SR包发送回复RR包为止的时延,亦即接收端处理SR包所产生的时间间隔;单位为秒,长度为32比特(前16位是整数部分,后16位是小数部分)。
时延抖动:记录了相邻语音包的时延抖动,单位为秒,长度为32比特(前16位是整数部分,后16位是小数部分)。
RR包的格式与SR包类似,所不同的是时间戳的起点和终点是相反的。
一种评估LTE通信***语音质量的方法,包括以下步骤:
A、E-Model模型参数初始化:从E-Model模型的配置文件中读取相关的默认参数,并对E-Model模型进行初始化;
B、提取相关参数:从配置文件和实时网络包的反馈信息中提取相关参数,所述的相关参数包括网络包的编解码方式、载荷长度、时间戳、语音/静音标记以及是否丢包的标记,并进行网络包的实时存储和处理。
C、提取语音片段:根据网络包的语音/静音标记,提取静音包之间连续的语音包作为一次评估的语音片段;
D、计算语音编解码损耗:根据步骤B中得到的编解码方式求出Ie的值,并作为输出值备用;
E、计算时延损耗;根据网络包中的RTCP时间戳信息,计算时延损耗因子Id;
时延的估计过程通过传送三次RTCP包完成:发送者报告SR包、接收者报告RR包、发送者报告SR包。具体步骤如下:
E1、在接收端收到的从用户设备UE端发送的第一个SR包中,记录UE端SR包生成的开始时间tsr以及UE端的处理时延td-sr;所述的开始时间tsr记录在LSR包中,所述的处理时延td-sr记录在DLSR包中;
E2、接收端向UE端发送的RR包中,记录生成RR包的起始时间trr以及接收端的处理时延td-rr;所述的起始时间trr记录在LSR包中,所述的处理时延td-rr记录在DLS包R中;
E3、接收端收到的从UE端发送的第二个SR包中记录UE端SR包生成的开始时间tsr,所述的开始时间tsr记录在LSR包中;
E4、计算时延:
从UE端到接收端的单向路径时延为:T1=trr-tsr-td-sr;
从接收端到UE端的单向路径时延为:T2=t′sr-trr-td-rr;
UE端的处理时延为:Td-ue=td-sr;
接收端的处理时延为:Td-r=td-rr;
E5、计算时延损伤因子Id;
E-Model模型中与时延有关的参数有:平均单路回声路径时延T,四线路径环路时延Tr和无回声连接中的全程时延Ta;根据步骤E4,得到这三个参数的求解公式为:
Tr=Td-ue+Td-r+T1+T2=t′sr-tsr
Ta=T1+T2=t′sr-tsr-td-sr-td-rr
E-Model模型中时延损伤因子Id求解公式为
Id=Idte+Idle+Idd
其中:
Idte表示发送端回声所造成的损伤,即:
Roe=-1.5(N0-RLR)
Re=80+2.5(TERV-14)
Idle表示接收端回声所造成的损伤,即:
Rle=10.5(WEPL+7)(Tr+1)-0.25
Idd表示太长的绝对时延所引起的损伤,即:
至此,将平均单路回声路径时延T,四线路径环路时延Tr和无回声连接中的全程时延Ta代入E-Model模型中,即求得时延损伤因子Id;
式中,SLR为发送端响度评测值,RLR为接收端响度评测值,TELR为说话者回音响度额定值,WEPL为加权回声通道损耗。
F、计算抖动损耗:根据网络包中的RTP时间戳信息计算抖动损耗因子Ij:
RTCP包头中的抖动信息反映了相邻语音包的时延抖动;利用一组语音包的平均抖动和方差对E-Model模型进行改进,提出抖动损耗因子Ij的概念,通过平均抖动时间、抖动方差和语音片段的实际长度对抖动损耗进行估计;
进行一次语音评估的对象是两个静音包之间的有效语音片段。设语音包的数目为n,记录的抖动分别为j1、j2、…、jn,则该语音片段的平均抖动J和抖动方差D分别为:
于是,抖动损耗因子Ij的估值为:
其中,a~d为多项式系数,它们通过最小二乘拟合方法来确定,分别取值为:-15.5、33.5、4.4和13.6;
G、计算E-Model模型中的其余部分,一般采用默认值;
H、计算语音评估的MOS分数和传输等级因子R,并将其换算为相应的MOS分数。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
1、本发明将应用层RTP和RTCP协议引入到LTE通信***的语音质量评估方案中,可有效地评估LTE通信***中时延抖动所造成的语音质量损失。
2、本发明将RTCP协议引入LTE通信***网络包时延的估计方法,可有效提高时延对语音质量损失的评估性能。
3、本发明将RTP协议引入LTE通信***网络包抖动的估计方法,可有效提高抖动对语音质量损失的评估性能。
4、本发明适用于LTE通信***语音质量评估的完整流程和评价***。
5、本发明采用最小二乘方法,提出了一种应用层时间戳提取技术,可提高语音评估的质量。本发明致力于实时评估LTE通信***中语音通信的质量,使得***可自适应地进行调度控制和无线资源分配,并满足用户更高的通信体验需求。
附图说明
本发明共有附图3张,其中:
图1是本发明的流程图。
图2是RTP协议包的固定包头格式。
图3是RTCP协议SR包格式。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。
为了验证本发明方法的有效性,按照图1所示流程,进行了相关的实时语音质量评估实验。原始的语音文件从ITU-T P-series的语音数据库supplement23中随机选取,包括10个男声语音和10个女声语音,所选语音文件与训练阶段中所选的文件不同。根据评估算法的需要,将这些语音分为126个片段,并设置不同的LTE通信***参数(包括***时延、丢包、编解码方式等),再分别对这些片段进行语音质量的评估。部分结果如表4所示。由表4可见,通过与PESQ评价分的对比可知,本发明提出的技术方案的相关度与PESQ较高,可有效地评价由***时延和抖动所造成的对语音质量的影响;同时,由于方案从协议层中提取时间戳等相关信息,并且只采用三次多项式进行估计,因此可保持较低的计算复杂度。
表4 女声语音第26个片段的评分结果
Claims (1)
1.一种评估LTE通信***语音质量的方法,其特征在于:包括以下步骤:
A、E-Model模型参数初始化:从E-Model模型的配置文件中读取相关的默认参数,并对E-Model模型进行初始化;
B、提取相关参数:从配置文件和实时网络包的反馈信息中提取相关参数,所述的相关参数包括网络包的编解码方式、载荷长度、时间戳、语音/静音标记以及是否丢包的标记,并进行网络包的实时存储和处理;
C、提取语音片段:根据网络包的语音/静音标记,提取静音包之间连续的语音包作为一次评估的语音片段;
D、计算语音编解码损耗:根据步骤B中得到的编解码方式及下表求出Ie的值,并作为输出值备用;
各种编码器的Ie取值表
E、计算时延损耗;根据网络包中的RTCP时间戳信息,计算时延损耗因子Id;
时延的估计过程通过传送三次RTCP包完成:发送者报告SR包、接收者报告RR包、发送者报告SR包;具体步骤如下:
E1、在接收端收到的从用户设备UE端发送的第一个SR包中,记录UE端SR包生成的开始时间tsr以及UE端的处理时延td-sr;所述的开始时间tsr记录在LSR包中,所述的处理时延td-sr记录在DLSR包中;
E2、接收端向UE端发送的RR包中,记录生成RR包的起始时间trr以及接收端的处理时延td-rr;所述的起始时间trr记录在LSR包中,所述的处理时延td-rr记录在DLS包R中;
E3、接收端收到的从UE端发送的第二个SR包中记录UE端SR包生成的开始时间tsr,所述的开始时间tsr记录在LSR包中;
E4、计算时延:
从UE端到接收端的单向路径时延为:T1=trr-tsr-td-sr;
从接收端到UE端的单向路径时延为:T2=t′sr-trr-td-rr;
UE端的处理时延为:Td-ue=td-sr;
接收端的处理时延为:Td-r=td-rr;
E5、计算时延损伤因子Id;
E-Model模型中与时延有关的参数有:平均单路回声路径时延T,四线路径环路时延Tr和无回声连接中的全程时延Ta;根据步骤E4,得到这三个参数的求解公式为:
Tr=Td-ue+Td-r+T1+T2=t′sr-tsr
Ta=T1+T2=t′sr-tsr-td-sr-td-rr
E-Model模型中时延损伤因子Id求解公式为
Id=Idte+Idle+Idd
其中:
Idte表示发送端回声所造成的损伤,即:
Roe=-1.5(N0-RLR)
Re=80+2.5(TERV-14)
Idle表示接收端回声所造成的损伤,即:
Rle=10.5(WEPL+7)(Tr+1)-0.25
Idd表示太长的绝对时延所引起的损伤,即:
至此,将平均单路回声路径时延T,四线路径环路时延Tr和无回声连接中的全程时延Ta代入E-Model模型中,即求得时延损伤因子Id;
式中,SLR为发送端响度评测值,RLR为接收端响度评测值,TELR为说话者回音响度额定值,WEPL为加权回声通道损耗;
F、计算抖动损耗:根据网络包中的RTP时间戳信息计算抖动损耗因子Ij:
RTCP包头中的抖动信息反映了相邻语音包的时延抖动;利用一组语音包的平均抖动和方差对E-Model模型进行改进,提出抖动损耗因子Ij的概念,通过平均抖动时间、抖动方差和语音片段的实际长度对抖动损耗进行估计;
进行一次语音评估的对象是两个静音包之间的有效语音片段;设语音包的数目为n,记录的抖动分别为j1、j2、…、jn,则该语音片段的平均抖动J和抖动方差D分别为:
于是,抖动损耗因子Ij的估值为:
其中,a~d为多项式系数,它们通过最小二乘拟合方法来确定,分别取值为:-15.5、33.5、4.4和13.6;
G、计算E-Model模型中的其余参数,其余参数采用默认值;
H、计算语音评估的MOS分数和传输等级因子R,并将其换算为相应的MOS分数。
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PB01 | Publication | ||
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |