EVS高清語音編解碼器對VoLTE覆蓋性能影響

【摘要】在對EVS技術(shù)原理和網(wǎng)絡(luò)部署應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行必要介紹的基礎(chǔ)上，結(jié)合理論和試驗(yàn)結(jié)果分析引入EVS功能對VoLTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能的影響，并通過鏈路預(yù)算評估給出EVS的無線覆蓋能力。

【關(guān)鍵詞】增強(qiáng)型語音服務(wù)；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(xiàn)標(biāo)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(luò)的發(fā)展，用戶對高品質(zhì)語音體驗(yàn)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(jī)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(wù)傳輸?shù)男聝?nèi)容。因此，通過更強(qiáng)大的音頻編解碼技術(shù)將有助于改善通話服務(wù)質(zhì)量，為用戶提供更高清晰度的音效沉浸體驗(yàn)。

通過標(biāo)準(zhǔn)化的增強(qiáng)型語音通話服務(wù)（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(zhì)量的3GPP編解碼器。同時(shí)，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(jìn)行靈活切換。同時(shí)，這一編解碼器能在移動服務(wù)的常用比特率下運(yùn)行。這為適用于各類網(wǎng)絡(luò)，如移動通信和OTT語音服務(wù)，用戶通話體驗(yàn)新標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)[1]。

2 EVS編解碼器技術(shù)原理

2.1 EVS編解碼器基本功能

（1）編解碼自適應(yīng)比特率[2]

EVS編解碼器的比特率范圍與音頻帶寬映射關(guān)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(jìn)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(zhì)量，編解碼器中的集成帶寬檢測器可以自適應(yīng)輸入信號的實(shí)際帶寬，以20 ms為周期根據(jù)感知到的信道質(zhì)量、容量變化實(shí)時(shí)切換比特率。

表1 EVS不同帶寬下編解碼自適應(yīng)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(jìn)行不連續(xù)傳輸（DTX）。也就是說，當(dāng)檢測到由于丟包造成的無效語音編碼時(shí)，EVS編解碼器的錯誤隱藏機(jī)制可以去除錯誤幀，同時(shí)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(zhì)量惡化帶來的語音質(zhì)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(shù)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(shí)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(shí)采用的是改進(jìn)型代數(shù)碼激勵線性預(yù)測（ACELP），并且可以適配不同語音類別的線性預(yù)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(guān)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(shí)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(dá)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(diǎn)。那么，EVS在技術(shù)上是根據(jù)是否采用語音或非語音音頻模式，使用時(shí)域帶寬擴(kuò)展（BWE）技術(shù)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(zhì)[7]。

EVS高清通話的實(shí)現(xiàn)除了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的支持之外，還需要終端設(shè)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(jié)合VoLTE上行受限系統(tǒng)的特性[11]，搭建試驗(yàn)環(huán)境評估EVS-WB的覆蓋性能。為便于對比，同時(shí)利用試驗(yàn)環(huán)境在相同條件下對AMR-WB的覆蓋性能進(jìn)行評估。試驗(yàn)環(huán)境如圖2所示：

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)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(dá)到4分，也就是處于HD Voice認(rèn)定的高清水平。以MOS為3分為語音覆蓋基準(zhǔn)，AMR-WB 23.85 kb/s對應(yīng)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(nèi)，基本處于高清水平。以MOS為3分為語音覆蓋基準(zhǔn)：

◆EVS-WB 9.6 kb/s對應(yīng)RSRP為-135 dBm；

◆EVS-WB 13.2 kb/s對應(yīng)RSRP為-134 dBm；

◆EVS-WB 24.4 kb/s對應(yīng)RSRP為-132 dBm。

EVS編解碼技術(shù)的碼率越低，覆蓋能力越強(qiáng)。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(yàn)結(jié)果對比分析

◆以MOS得4分（即高清語音）為基準(zhǔn)，AMR-WB 23.85 kb/s要求RSRP值在[-90，-120]區(qū)間內(nèi)，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(yīng)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(zhǔn)，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(jī)制覆蓋性能對比

EVS技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和終端設(shè)備端到端的配合才能支持。由于終端及網(wǎng)絡(luò)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(luò)輔助進(jìn)行轉(zhuǎn)碼型操作，同時(shí)也存在對語音質(zhì)量的影響。

目前主要的編解碼協(xié)商機(jī)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(jìn)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(jìn)行轉(zhuǎn)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(jìn)方案，出現(xiàn)了EVS優(yōu)先的編解碼協(xié)商機(jī)制[8]。

4.1 EVS優(yōu)先的編解碼協(xié)商機(jī)制[9]

除TrFO之外，網(wǎng)絡(luò)還可通過參數(shù)配置實(shí)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(shè)當(dāng)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(jié)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(dān)兩種編碼的互譯，從而實(shí)現(xiàn)端到端的語音互通。這種協(xié)商機(jī)制的優(yōu)勢在于能讓VoLTE用戶有機(jī)會使用EVS編碼，從而帶來更加優(yōu)質(zhì)的語音體驗(yàn)，有利于高清語音業(yè)務(wù)的推廣和用戶感知的提升。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在前述試驗(yàn)環(huán)境基礎(chǔ)上，將網(wǎng)絡(luò)側(cè)的語音編解碼協(xié)商機(jī)制改為EVS優(yōu)先，再進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)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(nèi)，未達(dá)到高清水平；

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

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

◆經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)側(cè)轉(zhuǎn)碼操作的EVS不同碼率的覆蓋能力相當(dāng)。

（2）編碼協(xié)商機(jī)制、編解碼器和比特率對覆蓋性能的影響

為了進(jìn)一步分析不同編解碼器及不同比特率之間覆蓋能力的關(guān)系，對以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，設(shè)定MOS=3分為語音覆蓋邊緣。EVS不同編碼協(xié)商機(jī)制覆蓋邊緣場強(qiáng)如表2所示：

表2 EVS不同編碼協(xié)商機(jī)制覆蓋邊緣場強(qiáng)

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(jī)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(luò)轉(zhuǎn)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(yàn)系統(tǒng)上下行信號傳播損耗分析，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果可以通過鏈路預(yù)算對具有EVS功能的VoLTE系統(tǒng)語音覆蓋能力進(jìn)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(yù)算的基本參數(shù)配置：LTE FDD網(wǎng)絡(luò)，頻段為Band3，帶寬為20 MHz，基站側(cè)功率2×20 W，Pa/Pb=0/1；傳播模型：COST231-HATA。鏈路預(yù)算表如表3所示：

表3 鏈路預(yù)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(biāo)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(biāo)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(jìn)一步增強(qiáng)移動通信網(wǎng)絡(luò)的語音深度覆蓋能力。EVS能夠通過較低比特率提供優(yōu)質(zhì)語音質(zhì)量的特性可以進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)容量，吸收話務(wù)，充分保障密集突發(fā)性話務(wù)需求場景。

6 結(jié)束語

EVS作為3GPP標(biāo)準(zhǔn)化的最新一代語音編解碼器，無論從聲音和音樂品質(zhì)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(yùn)營商來說至關(guān)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(zhì)量和更顯著的覆蓋能力，是移動通信網(wǎng)絡(luò)語音解決方案未來演進(jìn)的重要方向之一。關(guān)于EVS深度性能，如計(jì)算復(fù)雜度、耗電量等有待進(jìn)一步研究和評估。

參考文獻(xiàn)：

[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(shù)[J]. 中興通訊技術(shù), 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(wù)及VoLTE技術(shù)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(xué)院，現(xiàn)任職于中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，主要從事終端與網(wǎng)絡(luò)協(xié)同發(fā)展研究工作。

李佳�。焊呒壒こ處�，博士畢業(yè)于北京交通大學(xué)，現(xiàn)任職于中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，主要從事終端與網(wǎng)絡(luò)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(xué)，現(xiàn)任職于中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，主要從事無線通信相關(guān)業(yè)務(wù)和技術(shù)研究工作。

欒帥：高級工程師，碩士畢業(yè)于西南交通大學(xué)，現(xiàn)任職于中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，主要從事無線通信相關(guān)業(yè)務(wù)和技術(shù)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