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EVS高清语音编解码器对VoLTE覆盖性能影响

http://www.c114.com.cn ( 2018/10/15 17:17 )

【摘要】在对EVS技术原理和网络部署应用特点进行必要介绍的基础上,结合理论和试验结果分析引入EVS功能对VoLTE网络覆盖性能的影响,并通过链路预算评估给出EVS的无线覆盖能力。

【关键词】增强型语音服务;高清语音编解码;EVS

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2018.02.000      中图分类号:TN929.5      文献标志码:A      文章编号:1006-1010(2018)02-0000-00

引用格式:许珺,李佳俊,李轶群,等. EVS高清语音编解码器对VoLTE覆盖性能影响[J]. 移动通信, 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

声音是人类获取信息的重要形式,也是通信系统主要解决的问题之一。随着移动通信网络的发展,用户对高品质语音体验的要求也随之增加。语音音频带宽从窄带发展至宽带、超宽带,甚至全频带(20 Hz~20 kHz),通过手机传递的声音也已不仅局限于人声,高频音频成为通话业务传输的新内容。因此,通过更强大的音频编解码技术将有助于改善通话服务质量,为用户提供更高清晰度的音效沉浸体验。

通过标准化的增强型语音通话服务(EVS,Enhanced Voice Service)编解码器是首个提供超宽带音频带宽,且在9.6 kb/s比特率下仍能极大改善语音通话质量的3GPP编解码器。同时,可处理音乐和人声等混合音频信号,并可以在语音信号和音乐信号的专业编码模型之间进行灵活切换。同时,这一编解码器能在移动服务的常用比特率下运行。这为适用于各类网络,如移动通信和OTT语音服务,用户通话体验新标准奠定了基础[1]。

2   EVS编解码器技术原理

2.1  EVS编解码器基本功能

(1)编解码自适应比特率[2]

EVS编解码器的比特率范围与音频带宽映射关系如表1所示,其窄带(NB)和宽带(WB)支持最小从5.9 kb/s开始,最高分别为24.4 kb/s和128 kb/s的比特率进行编码,除此之外,EVS还额外支持超宽带(SWB)和全频带(FB)的操作。为了优化编码质量,编解码器中的集成带宽检测器可以自适应输入信号的实际带宽,以20 ms为周期根据感知到的信道质量、容量变化实时切换比特率。

表1    EVS不同带宽下编解码自适应参数

参数
EVS-NB
EVS-WB
EVS-SWB
EVS-FB
采样速率/Hz
8 000
16 000
32 000
48 000
语音带宽
NB
WB
SWB
FB
编码速率/kbs-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
帧大小/ms
20
20
20
20
语音通道数
单声道
单声道
单声道
单声道
(2)舒适噪声生成[3]

EVS编解码器还具备音频检测并生成舒适噪声(CNG)的功能,并对其进行不连续传输(DTX)。也就是说,当检测到由于丢包造成的无效语音编码时,EVS编解码器的错误隐藏机制可以去除错误帧,同时根据背景声音生成舒适噪声替代去除的错帧,并以DTX的形式传输。这样的处理手段可以在很大程度上减轻由信道质量恶化带来的语音质量的影响。

(3)抖动缓冲器管理[4]

EVS编解码器支持抖动缓冲器管理(JBM)系统,以解决接收到的数据包延迟抖动变化。

(4)信道感知模式

信道感知模式可以在无线信道环境特别恶劣的情况下提高系统鲁棒性。

(5)支持与AMR-WB编解码器的向后兼容性

EVS编解码器支持AMR-WB I/O和EVS两个模式之间的无缝切换。

2.2  EVS编解码器技术原理

EVS编解码器是第一个在语音和音乐音频信号之间具备即时切换功能的编解码器,极大改善了以往仅针对一般语音音频信号的编码性能。这种编码器在处理语音信号时采用的是改进型代数码激励线性预测(ACELP),并且可以适配不同语音类别的线性预测模式。对于非语音音频信号,则采用频域(MDCT)编码方式,并特别关注低延迟/低比特率情况下的频域编码效率,从而在语音处理器和非语音音频处理器之间实现无缝可靠的切换。图1展示了EVS编码器和解码器的框架图[5-6]。

图1    EVS编解码器框架图

由于EVS相比于以往的语音编解码器,其支持带宽范围最高可达到全频带,因此通话中声音高频部分的清晰度是其解决的重点。那么,EVS在技术上是根据是否采用语音或非语音音频模式,使用时域带宽扩展(BWE)技术作为解决方案的。这种根据不同对象选择专有优化方式的处理手段,即使在比特率非常低的情况下也能够提供自然、高保真度的音质[7]。

EVS高清通话的实现除了网络设备的支持之外,还需要终端设备和芯片的配合,通过端到端的联合推动才能发挥其能力。芯片方面,目前高通英特尔、MTK、三星、Hisilicon等主流芯片厂商均已支持EVS;终端方面,三星、LG华为P10以及APPLE最近发布的iPhone 8、iPhone X等终端也支持EVS。

3   EVS不同速率覆盖性能对比

基于前文对EVS编解码器的基本原理的研究,结合VoLTE上行受限系统的特性[11],搭建试验环境评估EVS-WB的覆盖性能。为便于对比,同时利用试验环境在相同条件下对AMR-WB的覆盖性能进行评估。试验环境如图2所示:

图2    试验系统架构图

 (1)AMR-WB 23.85 kb/s呼叫AMR-WB 23.85 kb/s覆盖性能

在[-90,-120]的区间里,AMR-WB 23.85 kb/s的MOS基本达到4分,也就是处于HD Voice认定的高清水平。以MOS为3分为语音覆盖基准,AMR-WB 23.85 kb/s对应RSRP为-130 dBm。

(2)EVS-WB呼叫EVS-WB在不同比特率下覆盖性能

EVS-WB 9.6 kb?s-1/13.2 kb?s-1/24.4 kb?s-1在RSRP在[-90,-130]区间内,基本处于高清水平。以MOS为3分为语音覆盖基准:

◆EVS-WB 9.6 kb/s对应RSRP为-135 dBm;

◆EVS-WB 13.2 kb/s对应RSRP为-134 dBm;

◆EVS-WB 24.4 kb/s对应RSRP为-132 dBm。

EVS编解码技术的码率越低,覆盖能力越强。图3为AMR-WB 23.85与EVS不同比特率覆盖性能对比:

图3    AMR-WB 23.85与EVS不同比特率覆盖性能对比

(3)试验结果对比分析

◆以MOS得4分(即高清语音)为基准,AMR-WB 23.85 kb/s要求RSRP值在[-90,-120]区间内,而EVS-WB不论速率高低,仅要求RSRP值在[-90,-130]区间即可,其能够适应的区间范围下限较AMR-WB多10 dB。

◆以MOS得3分(即基本语音覆盖)为基准,AMR-WB 23.85 kb/s要求RSRP值在-126 dBm以上,而EVS-WB 24.4 kb/s仅要求-132 dBm,较相同码率的AMR-WB宽松6 dB,更低码率的EVS-WB 9.6 kb/s仅要求-135 dBm,较AMR-WB宽松9 dB。

◆综上,不论高清语音还是基本语音覆盖,EVS-WB的覆盖性能均优于AMR-WB。

4   不同编解码协商机制覆盖性能对比

EVS技术的实现需要网络设备和终端设备端到端的配合才能支持。由于终端及网络对语音编解码器的支持情况不同,有可能出现在无线接入网和核心网传送的码流格式不一致的情况,这样将会出现网络辅助进行转码型操作,同时也存在对语音质量的影响。

目前主要的编解码协商机制是TrFO(Transcoder Free Operation),通过MSC SERVER之间的信令,在呼叫建立前就对编解码的类型和模式进行协商。具体做法是在通话发起方、接收方和核心网三方支持的编码类型的交集中,选择最优的编码类型,如不存在交集,则需在传输路径上插入TC单元进行转码。通常核心网支持所有编码类型,如果通话双方有一方支持EVS但另一方不支持EVS,则整条链路不会采用EVS编码,从而支持EVS的一方也无法享受高清语音。作为改进方案,出现了EVS优先的编解码协商机制[8]。

4.1  EVS优先的编解码协商机制[9]

除TrFO之外,网络还可通过参数配置实现EVS优先的编解码协商策略。以VoLTE用户向3G用户拨打语音电话为例。假设当前VoLTE用户的终端支持EVS编码,3G用户的终端只支持AMR编码[10]。

核心网配置BGF的EVS优先参数preferEvsPrimaryModeOverTrFO=TRUE,即EVS编码优先级最高,编码协商流程如图4所示:

图4    EVS优先编码协商流程

在图4的示例中,协商结果是VoLTE用户与IMS-AGW之间采用EVS编码,IMS-AGW与3G用户之间采用AMR编码,IMS-AGW承担两种编码的互译,从而实现端到端的语音互通。这种协商机制的优势在于能让VoLTE用户有机会使用EVS编码,从而带来更加优质的语音体验,有利于高清语音业务的推广和用户感知的提升。

4.2  试验结果分析

在前述试验环境基础上,将网络侧的语音编解码协商机制改为EVS优先,再进行试验,结果如下:

(1)基于EVS优先策略EVS-WB呼叫AMR-WB 23.85不同比特率下覆盖性能

图5    基于EVS优先策略EVS-WB呼叫AMR-WB 23.85不同比特率覆盖性能对比

◆EVS-WB 9.6 kb•s-1/13.2 kb•s-1在RSRP在[-90,-132]区间内,未达到高清水平;

◆EVS-WB 24.4 kb/s在RSRP在[-90,-132]区间内,基本处于高清水平;

◆以MOS为3分为语音覆盖基准:EVS-WB 9.6 kb•s-1/13.2 kb•s-1/24.4 kb•s-1基本对应RSRP均为-133 dBm;

◆经过网络侧转码操作的EVS不同码率的覆盖能力相当。

(2)编码协商机制、编解码器和比特率对覆盖性能的影响

为了进一步分析不同编解码器及不同比特率之间覆盖能力的关系,对以上试验数据进行对比分析,设定MOS=3分为语音覆盖边缘。EVS不同编码协商机制覆盖边缘场强如表2所示:

表2    EVS不同编码协商机制覆盖边缘场强

参数
TrFO:EVS-WB呼叫EVS-WB
EVS优先策略: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机制下,EVS-WB 9.6 kb/s覆盖性能最优;

◆EVS优先策略下,网络转码后的EVS-WB覆盖性能依然优于AMR-WB 23.85 kb/s;

◆EVS-WB呼叫AMR-WB场景下,EVS优先的编码协商策略覆盖性能优于TrFO。

5   基于EVS的VoLTE系统覆盖能力分析

根据对搭建试验系统上下行信号传播损耗分析,结合试验结果可以通过链路预算对具有EVS功能的VoLTE系统语音覆盖能力进行评估。由于VoLTE语音的覆盖通常受限于终端发射功率,因此以下仅考虑上行链路覆盖范围。

链路预算的基本参数配置:LTE FDD网络,频段为Band3,带宽为20 MHz,基站侧功率2×20 W,Pa/Pb=0/1;传播模型:COST231-HATA。链路预算表如表3所示:

表3    链路预算表

COST231-HATA
VoLTE-1800
VoLTE-1800
VoLTE-1800
编码方式
AMR-WB-23.85
EVS-WB-24.4
EVS-WB-9.6
RSRP/dBm
-130
-132
-135
最大路径损耗(室外)/dB
145.2
147.2
150.2
密集市区CELL覆盖距离/km
1.37
1.51
1.77
单站覆盖面积/km2
0.91
1.10
1.50
目标覆盖范围/km2
50
50
50
基站数量
55
46
34

从EVS-WB(24.4 kb?s-1/9.6 kb?s-1)和AMR-WB 23.85 kb/s的覆盖能力看,EVS-WB 9.6 kb/s和24.4 kb/s的覆盖半径分别为1.77 km和1.51 km,AMR-WB 23.85 kb/s覆盖半径为1.37 km。如果按照50平方公里的目标覆盖面积来看,使用EVS-WB 9.6 kb/s、EVS-WB 24.4 kb/s以及WB-AMR 23.85 kb/s需要的基站数分别为34个、46个和55个,即EVS 9.6 kb/s所需站址数量仅为AMR-WB 23.85 kb/s数量的62%。换言之,引入EVS功能的VoLTE可以进一步增强移动通信网络的语音深度覆盖能力。EVS能够通过较低比特率提供优质语音质量的特性可以进一步优化网络容量,吸收话务,充分保障密集突发性话务需求场景。

6   结束语

EVS作为3GPP标准化的最新一代语音编解码器,无论从声音和音乐品质角度,还是编码效率和抗无线环境恶化的性能方面,都是真正意义上AMR-WB的升级版。这些特性对于目前亟需寻求成本效益的运营商来说至关重要。与AMR-WB相比,EVS编解码器以更低的比特率提供了更优异的通话质量和更显著的覆盖能力,是移动通信网络语音解决方案未来演进的重要方向之一。关于EVS深度性能,如计算复杂度、耗电量等有待进一步研究和评估。

参考文献:

[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] 陈翼,高洁,喻莉. 3G中的编解码协商技术[J]. 中兴通讯技术, 2006(6): 31-35.

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

[10] 江林华. LTE语音业务及VoLTE技术详解[M]. 北京: 电子工业出版社, 2016.★

作者简介

许珺:工程师,硕士毕业于法国南特综合理工学院,现任职于中国联合网络通信有限公司网络技术研究院,主要从事终端与网络协同发展研究工作。

李佳俊:高级工程师,博士毕业于北京交通大学,现任职于中国联合网络通信有限公司网络技术研究院,主要从事终端与网络协同发展研究工作。

李轶群:高级工程师,博士毕业于北京邮电大学,现任职于中国联合网络通信有限公司网络技术研究院,主要从事无线通信相关业务和技术研究工作。

栾帅:高级工程师,硕士毕业于西南交通大学,现任职于中国联合网络通信有限公司网络技术研究院,主要从事无线通信相关业务和技术研究工作。

作者:许珺 李佳俊 李轶群 栾帅   来源:《移动通信》2018年2月

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