EVS高清語音編解碼器對VoLTE覆蓋性能影響

【摘要】在對EVS技術原理和網(wǎng)絡部署應用特點進行必要介紹的基礎上，結合理論和試驗結果分析引入EVS功能對VoLTE網(wǎng)絡覆蓋性能的影響，并通過鏈路預算評估給出EVS的無線覆蓋能力。

【關鍵詞】增強型語音服務；高清語音編解碼；EVS

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2018.02.000 中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1010(2018)02-0000-00

引用格式：許珺,李佳俊,李軼群,等. EVS高清語音編解碼器對VoLTE覆蓋性能影響[J]. 移動通信, 2018,42(2): 00-00.

Analysis of Influence of EVS HD Voice Codec on VoLTE Coverage Performance

XU Jun, LI Jiajun, LI Yiqun, LUAN Shuai

(Network Technology Research Institution of China Unicom, BeiJing 100048, China)

[Abstract] In this paper, the principle of EVS technology and the characteristics of network deployment were introduced, and influence of EVS on VoLTE coverage performance were analysed in association with theoretical and test results.

[Key words] enhanced voice service; HD voice; EVS

1 引言

聲音是人類獲取信息的重要形式，也是通信系統(tǒng)主要解決的問題之一。隨著移動通信網(wǎng)絡的發(fā)展，用戶對高品質語音體驗的要求也隨之增加。語音音頻帶寬從窄帶發(fā)展至寬帶、超寬帶，甚至全頻帶（20 Hz~20 kHz），通過手機傳遞的聲音也已不僅局限于人聲，高頻音頻成為通話業(yè)務傳輸?shù)男聝热�。因此，通過更強大的音頻編解碼技術將有助于改善通話服務質量，為用戶提供更高清晰度的音效沉浸體驗。

通過標準化的增強型語音通話服務（EVS，Enhanced Voice Service）編解碼器是首個提供超寬帶音頻帶寬，且在9.6 kb/s比特率下仍能極大改善語音通話質量的3GPP編解碼器。同時，可處理音樂和人聲等混合音頻信號，并可以在語音信號和音樂信號的專業(yè)編碼模型之間進行靈活切換。同時，這一編解碼器能在移動服務的常用比特率下運行。這為適用于各類網(wǎng)絡，如移動通信和OTT語音服務，用戶通話體驗新標準奠定了基礎[1]。

2 EVS編解碼器技術原理

2.1 EVS編解碼器基本功能

（1）編解碼自適應比特率[2]

EVS編解碼器的比特率范圍與音頻帶寬映射關系如表1所示，其窄帶（NB）和寬帶（WB）支持最小從5.9 kb/s開始，最高分別為24.4 kb/s和128 kb/s的比特率進行編碼，除此之外，EVS還額外支持超寬帶（SWB）和全頻帶（FB）的操作。為了優(yōu)化編碼質量，編解碼器中的集成帶寬檢測器可以自適應輸入信號的實際帶寬，以20 ms為周期根據(jù)感知到的信道質量、容量變化實時切換比特率。

表1 EVS不同帶寬下編解碼自適應參數(shù)

參數(shù)

EVS-NB

EVS-WB

EVS-SWB

EVS-FB

采樣速率/Hz

8 000

16 000

32 000

48 000

語音帶寬

NB

WB

SWB

FB

編碼速率/kb•s-1

5.9、7.2、8.0、9.6、13.2、16.4、24.4

5.9、7.2、8.0、9.6、13.2、16.4、24.4、32、48、64、96、128

9.6、13.2、16.4、24.4、32、48、64、96、128

16.4、24.4、32、48、64、96、128

幀大小/ms

20

20

20

20

語音通道數(shù)

單聲道

單聲道

單聲道

單聲道

（2）舒適噪聲生成[3]

EVS編解碼器還具備音頻檢測并生成舒適噪聲（CNG）的功能，并對其進行不連續(xù)傳輸（DTX）。也就是說，當檢測到由于丟包造成的無效語音編碼時，EVS編解碼器的錯誤隱藏機制可以去除錯誤幀，同時根據(jù)背景聲音生成舒適噪聲替代去除的錯幀，并以DTX的形式傳輸。這樣的處理手段可以在很大程度上減輕由信道質量惡化帶來的語音質量的影響。

（3）抖動緩沖器管理[4]

EVS編解碼器支持抖動緩沖器管理（JBM）系統(tǒng)，以解決接收到的數(shù)據(jù)包延遲抖動變化。

（4）信道感知模式

信道感知模式可以在無線信道環(huán)境特別惡劣的情況下提高系統(tǒng)魯棒性。

（5）支持與AMR-WB編解碼器的向后兼容性

EVS編解碼器支持AMR-WB I/O和EVS兩個模式之間的無縫切換。

2.2 EVS編解碼器技術原理

EVS編解碼器是第一個在語音和音樂音頻信號之間具備即時切換功能的編解碼器，極大改善了以往僅針對一般語音音頻信號的編碼性能。這種編碼器在處理語音信號時采用的是改進型代數(shù)碼激勵線性預測（ACELP），并且可以適配不同語音類別的線性預測模式。對于非語音音頻信號，則采用頻域（MDCT）編碼方式，并特別關注低延遲/低比特率情況下的頻域編碼效率，從而在語音處理器和非語音音頻處理器之間實現(xiàn)無縫可靠的切換。圖1展示了EVS編碼器和解碼器的框架圖[5-6]。

圖1 EVS編解碼器框架圖

由于EVS相比于以往的語音編解碼器，其支持帶寬范圍最高可達到全頻帶，因此通話中聲音高頻部分的清晰度是其解決的重點。那么，EVS在技術上是根據(jù)是否采用語音或非語音音頻模式，使用時域帶寬擴展（BWE）技術作為解決方案的。這種根據(jù)不同對象選擇專有優(yōu)化方式的處理手段，即使在比特率非常低的情況下也能夠提供自然、高保真度的音質[7]。

EVS高清通話的實現(xiàn)除了網(wǎng)絡設備的支持之外，還需要終端設備和芯片的配合，通過端到端的聯(lián)合推動才能發(fā)揮其能力。芯片方面，目前高通、英特爾、MTK、三星、Hisilicon等主流芯片廠商均已支持EVS；終端方面，三星、LG、華為P10以及APPLE最近發(fā)布的iPhone 8、iPhone X等終端也支持EVS。

3 EVS不同速率覆蓋性能對比

基于前文對EVS編解碼器的基本原理的研究，結合VoLTE上行受限系統(tǒng)的特性[11]，搭建試驗環(huán)境評估EVS-WB的覆蓋性能。為便于對比，同時利用試驗環(huán)境在相同條件下對AMR-WB的覆蓋性能進行評估。試驗環(huán)境如圖2所示：

圖2 試驗系統(tǒng)架構圖

（1）AMR-WB 23.85 kb/s呼叫AMR-WB 23.85 kb/s覆蓋性能

在[-90，-120]的區(qū)間里，AMR-WB 23.85 kb/s的MOS基本達到4分，也就是處于HD Voice認定的高清水平。以MOS為3分為語音覆蓋基準，AMR-WB 23.85 kb/s對應RSRP為-130 dBm。

（2）EVS-WB呼叫EVS-WB在不同比特率下覆蓋性能

EVS-WB 9.6 kb?s-1/13.2 kb?s-1/24.4 kb?s-1在RSRP在[-90，-130]區(qū)間內，基本處于高清水平。以MOS為3分為語音覆蓋基準：

◆EVS-WB 9.6 kb/s對應RSRP為-135 dBm；

◆EVS-WB 13.2 kb/s對應RSRP為-134 dBm；

◆EVS-WB 24.4 kb/s對應RSRP為-132 dBm。

EVS編解碼技術的碼率越低，覆蓋能力越強。圖3為AMR-WB 23.85與EVS不同比特率覆蓋性能對比：

圖3 AMR-WB 23.85與EVS不同比特率覆蓋性能對比

（3）試驗結果對比分析

◆以MOS得4分（即高清語音）為基準，AMR-WB 23.85 kb/s要求RSRP值在[-90，-120]區(qū)間內，而EVS-WB不論速率高低，僅要求RSRP值在[-90，-130]區(qū)間即可，其能夠適應的區(qū)間范圍下限較AMR-WB多10 dB。

◆以MOS得3分（即基本語音覆蓋）為基準，AMR-WB 23.85 kb/s要求RSRP值在-126 dBm以上，而EVS-WB 24.4 kb/s僅要求-132 dBm，較相同碼率的AMR-WB寬松6 dB，更低碼率的EVS-WB 9.6 kb/s僅要求-135 dBm，較AMR-WB寬松9 dB。

◆綜上，不論高清語音還是基本語音覆蓋，EVS-WB的覆蓋性能均優(yōu)于AMR-WB。

4 不同編解碼協(xié)商機制覆蓋性能對比

EVS技術的實現(xiàn)需要網(wǎng)絡設備和終端設備端到端的配合才能支持。由于終端及網(wǎng)絡對語音編解碼器的支持情況不同，有可能出現(xiàn)在無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)傳送的碼流格式不一致的情況，這樣將會出現(xiàn)網(wǎng)絡輔助進行轉碼型操作，同時也存在對語音質量的影響。

目前主要的編解碼協(xié)商機制是TrFO（Transcoder Free Operation），通過MSC SERVER之間的信令，在呼叫建立前就對編解碼的類型和模式進行協(xié)商。具體做法是在通話發(fā)起方、接收方和核心網(wǎng)三方支持的編碼類型的交集中，選擇最優(yōu)的編碼類型，如不存在交集，則需在傳輸路徑上插入TC單元進行轉碼。通常核心網(wǎng)支持所有編碼類型，如果通話雙方有一方支持EVS但另一方不支持EVS，則整條鏈路不會采用EVS編碼，從而支持EVS的一方也無法享受高清語音。作為改進方案，出現(xiàn)了EVS優(yōu)先的編解碼協(xié)商機制[8]。

4.1 EVS優(yōu)先的編解碼協(xié)商機制[9]

除TrFO之外，網(wǎng)絡還可通過參數(shù)配置實現(xiàn)EVS優(yōu)先的編解碼協(xié)商策略。以VoLTE用戶向3G用戶撥打語音電話為例。假設當前VoLTE用戶的終端支持EVS編碼，3G用戶的終端只支持AMR編碼[10]。

核心網(wǎng)配置BGF的EVS優(yōu)先參數(shù)preferEvsPrimaryModeOverTrFO=TRUE，即EVS編碼優(yōu)先級最高，編碼協(xié)商流程如圖4所示：

圖4 EVS優(yōu)先編碼協(xié)商流程

在圖4的示例中，協(xié)商結果是VoLTE用戶與IMS-AGW之間采用EVS編碼，IMS-AGW與3G用戶之間采用AMR編碼，IMS-AGW承擔兩種編碼的互譯，從而實現(xiàn)端到端的語音互通。這種協(xié)商機制的優(yōu)勢在于能讓VoLTE用戶有機會使用EVS編碼，從而帶來更加優(yōu)質的語音體驗，有利于高清語音業(yè)務的推廣和用戶感知的提升。

4.2 試驗結果分析

在前述試驗環(huán)境基礎上，將網(wǎng)絡側的語音編解碼協(xié)商機制改為EVS優(yōu)先，再進行試驗，結果如下：

（1）基于EVS優(yōu)先策略EVS-WB呼叫AMR-WB 23.85不同比特率下覆蓋性能

圖5 基于EVS優(yōu)先策略EVS-WB呼叫AMR-WB 23.85不同比特率覆蓋性能對比

◆EVS-WB 9.6 kb•s-1/13.2 kb•s-1在RSRP在[-90，-132]區(qū)間內，未達到高清水平；

◆EVS-WB 24.4 kb/s在RSRP在[-90，-132]區(qū)間內，基本處于高清水平；

◆以MOS為3分為語音覆蓋基準：EVS-WB 9.6 kb•s-1/13.2 kb•s-1/24.4 kb•s-1基本對應RSRP均為-133 dBm；

◆經(jīng)過網(wǎng)絡側轉碼操作的EVS不同碼率的覆蓋能力相當。

（2）編碼協(xié)商機制、編解碼器和比特率對覆蓋性能的影響

為了進一步分析不同編解碼器及不同比特率之間覆蓋能力的關系，對以上試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，設定MOS=3分為語音覆蓋邊緣。EVS不同編碼協(xié)商機制覆蓋邊緣場強如表2所示：

表2 EVS不同編碼協(xié)商機制覆蓋邊緣場強

參數(shù)

TrFO：EVS-WB呼叫EVS-WB

EVS優(yōu)先策略：EVS-WB呼叫AMR-WB23.85

AMR-WB 23.85呼叫AMR-WB 23.85

9.6kbps

13.2 kbps

24.4 kbps

9.6 kbps

13.2kbps

24.4kbps

MOS

3

3

3

3

3

3

3

RSRP

-135

-134

-132

-133

-133

-133

-130

◆TrFO機制下，EVS-WB 9.6 kb/s覆蓋性能最優(yōu)；

◆EVS優(yōu)先策略下，網(wǎng)絡轉碼后的EVS-WB覆蓋性能依然優(yōu)于AMR-WB 23.85 kb/s；

◆EVS-WB呼叫AMR-WB場景下，EVS優(yōu)先的編碼協(xié)商策略覆蓋性能優(yōu)于TrFO。

5 基于EVS的VoLTE系統(tǒng)覆蓋能力分析

根據(jù)對搭建試驗系統(tǒng)上下行信號傳播損耗分析，結合試驗結果可以通過鏈路預算對具有EVS功能的VoLTE系統(tǒng)語音覆蓋能力進行評估。由于VoLTE語音的覆蓋通常受限于終端發(fā)射功率，因此以下僅考慮上行鏈路覆蓋范圍。

鏈路預算的基本參數(shù)配置：LTE FDD網(wǎng)絡，頻段為Band3，帶寬為20 MHz，基站側功率2×20 W，Pa/Pb=0/1；傳播模型：COST231-HATA。鏈路預算表如表3所示：

表3 鏈路預算表

COST231-HATA

VoLTE-1800

VoLTE-1800

VoLTE-1800

編碼方式

AMR-WB-23.85

EVS-WB-24.4

EVS-WB-9.6

RSRP/dBm

-130

-132

-135

最大路徑損耗（室外）/dB

145.2

147.2

150.2

密集市區(qū)CELL覆蓋距離/km

1.37

1.51

1.77

單站覆蓋面積/km2

0.91

1.10

1.50

目標覆蓋范圍/km2

50

50

50

基站數(shù)量

55

46

34

從EVS-WB（24.4 kb?s-1/9.6 kb?s-1）和AMR-WB 23.85 kb/s的覆蓋能力看，EVS-WB 9.6 kb/s和24.4 kb/s的覆蓋半徑分別為1.77 km和1.51 km，AMR-WB 23.85 kb/s覆蓋半徑為1.37 km。如果按照50平方公里的目標覆蓋面積來看，使用EVS-WB 9.6 kb/s、EVS-WB 24.4 kb/s以及WB-AMR 23.85 kb/s需要的基站數(shù)分別為34個、46個和55個，即EVS 9.6 kb/s所需站址數(shù)量僅為AMR-WB 23.85 kb/s數(shù)量的62%。換言之，引入EVS功能的VoLTE可以進一步增強移動通信網(wǎng)絡的語音深度覆蓋能力。EVS能夠通過較低比特率提供優(yōu)質語音質量的特性可以進一步優(yōu)化網(wǎng)絡容量，吸收話務，充分保障密集突發(fā)性話務需求場景。

6 結束語

EVS作為3GPP標準化的最新一代語音編解碼器，無論從聲音和音樂品質角度，還是編碼效率和抗無線環(huán)境惡化的性能方面，都是真正意義上AMR-WB的升級版。這些特性對于目前亟需尋求成本效益的運營商來說至關重要。與AMR-WB相比，EVS編解碼器以更低的比特率提供了更優(yōu)異的通話質量和更顯著的覆蓋能力，是移動通信網(wǎng)絡語音解決方案未來演進的重要方向之一。關于EVS深度性能，如計算復雜度、耗電量等有待進一步研究和評估。

參考文獻：

[1] 3GPP TS 26.441. Codec for Enhanced Voice Services (EVS); General overview[S]. 2017.

[2] 3GPP TS 26.446. Codec for Enhanced Voice Services (EVS); Adaptive Multi-Rate-Wideband(AMR-WB) backward compatible functions[S]. 2017.

[3] 3GPP TS 26.449. Codec for Enhanced Voice Services (EVS); Comfort Noise Generation (CNG) aspects[S]. 2017.

[4] 3GPP TS 26.448. Codec for Enhanced Voice Services (EVS); Jitter buffer management[S]. 2017.

[5] 3GPP TS 26.445. Codec for Enhanced Voice Services (EVS); Detailed algorithmic description[S]. 2017.

[6] Nokia. Nokia 3GPP EVS Codec White Paper[Z]. 2017.

[7] Huawei. VoLTE and OTT Voice Quality Report[R]. 2016.

[8] 陳翼,高潔,喻莉. 3G中的編解碼協(xié)商技術[J]. 中興通訊技術, 2006(6): 31-35.

[9] Ericsson. Evolved HD Voice for LTE White paper[Z]. 2014.

[10] 江林華. LTE語音業(yè)務及VoLTE技術詳解[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2016.★

作者簡介

許珺：工程師，碩士畢業(yè)于法國南特綜合理工學院，現(xiàn)任職于中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司網(wǎng)絡技術研究院，主要從事終端與網(wǎng)絡協(xié)同發(fā)展研究工作。

李佳俊：高級工程師，博士畢業(yè)于北京交通大學，現(xiàn)任職于中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司網(wǎng)絡技術研究院，主要從事終端與網(wǎng)絡協(xié)同發(fā)展研究工作。

李軼群：高級工程師，博士畢業(yè)于北京郵電大學，現(xiàn)任職于中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司網(wǎng)絡技術研究院，主要從事無線通信相關業(yè)務和技術研究工作。

欒帥：高級工程師，碩士畢業(yè)于西南交通大學，現(xiàn)任職于中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司網(wǎng)絡技術研究院，主要從事無線通信相關業(yè)務和技術研究工作。

作者：許珺 李佳俊 李軼群 欒帥 來源：《移動通信》2018年2月