VoLTE碼率協商及碼率轉換策略研究

龍青良，劉光海，許國平，肖 天（.中國聯通網絡技術研究院，北京 00048；.中國聯合網絡通信集團有限公司，北京 00033）

0 前言

VoLTE 作為LTE 語音的最終解決方案在國內各運營商相繼部署商用。根據3GPP 的定義，VoLTE 語音業務編碼主要有AMR-NB和AMR-WB編碼2種，其中AMR-NB 有8 種語音編碼速率，分別為4.75、5.15、5.9、6.7、7.4、7.95、10.2、12.2 kbit/s。AMR-WB 有9 種語音編碼速率，分別為6.6、8.85、12.65、14.25、15.85、18.25、19.85、23.05、23.85 kbit/s。因此有必要研究通話過程中語音業務最終采用的碼率是如何協商確定的，協商結果受哪些因素影響。

另外，在VoLTE 商用初期，由于4G 網絡建設的成熟度及VoLTE 終端滲透率不高，在4G 覆蓋空洞或弱覆蓋區域及非VoLTE 終端用戶，只能通過2G/3G 網絡發起語音業務，那么必然存在VoLTE 與2G/3G 語音互通的現象，因此需研究VoLTE 與2G/3G 互通時碼率協商機制與轉碼策略，為VoLTE 網絡部署商用策略及優化提供技術支撐。

1 VoLTE碼率協商策略研究

1.1 碼率協商機制

在IMS 會話中，主叫UE 和被叫UE 在會話建立過程中需要對媒體的類型和編解碼方式達成一致，為此使用會話發起協議（SIP）消息中攜帶的會話描述協議（SDP）消息體對媒體進行協商。SDP 是一個用來描述多媒體會話的應用層控制協議，SDP 的內容以“行”為單位，每一行都表示一項媒體描述信息，其中媒體描述（m行）主要描述媒體類型、媒體端口號、使用的編解碼格式等信息。

會話建立時媒體協商的常見流程如圖1所示。

圖1 媒體協商流程

a）主叫UE 發起一個呼叫，呼叫請求中包含主叫支持的媒體類型及相應媒體的編解碼能力等信息，這些信息包含在初始INVITE請求的第1個SDP offer中。

b）被叫檢查SDP 列表中的可用編解碼能力，并把本側不支持的編解碼能力刪除后，通過183 消息把被叫側支持的編解碼能力發給主叫。

c）由于協商結果可能包含多個編解碼能力，雙方需要進一步確認唯一的編解碼格式，主叫側根據接收到的被叫側編解碼能力列表，選出雙方都支持的公共編解碼格式，主叫側發送PRACK來通知被叫用戶所選擇的編解碼格式。

d）被叫側發送200 OK對PRACK進行確定。

該流程簡要說明了主叫UE 和被叫UE 之間的媒體協商流程。在IMS 網絡中，會話邊界控制（SBC）具備分析SDP 中的媒體編解碼信息并計算得到會話所需帶寬的功能，SBC 應能配置支持的媒體類型和編解碼類型，并提供媒體類型和編解碼檢查功能，只允許指定的媒體類型及編解碼經過SBC，非支持的媒體類型或編解碼將被刪除，即SBC 也會影響編解碼協商的結果。

綜上所述，對于VoLTE 語音業務，在會話建立過程中，語音業務的編解碼格式由核心網SBC 和主叫UE、被叫UE協商確定。

1.2 VoLTE碼率協商策略

為了研究VoLTE 語音業務建立過程的碼率協商流程，以及核心網和終端對碼率協商結果的影響，在實驗室構建試驗環境進行測試。本次實驗室測試采用的核心網SBC默認AMR-WB速率集配置為（0，1，2，8），分別 對應6.6 kbit/s，8.85 kbit/s，12.65 kbit/s 及23.85 kbit/s 4種編碼速率，2部VoLTE 測試終端默認配置最高支持23.85 kbit/s 編碼速率的高清語音業務。測試中分別對SBC 配置的速率集和終端支持的編解碼能力進行限制，以驗證其對碼率協商結果的影響，共進行5種組合的對比測試。

下面以測試組合2、組合3、組合4 的測試結果為例簡要說明碼率協商的過程及結果。

a）組合2（在SBC配置速率集（0，1，2，8），2部終端默認配置）的協商過程見圖2。

b）組合3（在SBC 配置速率集（0，1，2），2 部終端默認配置）的協商過程見圖3。

c）組合4（在SBC 配置速率集（0，1，2，8），被叫終端默認配置，主叫終端配置限制最高12.65 kbit/s 碼率）的協商過程見圖4。

對各組合驗證測試的分析結果進行總結，如表1所示。

表1 碼率協商測試結果表

基于碼率協商驗證結果，得出以下結論。

a）從測試組合1和組合2、組合3的測試結果對比可以看出，當SBC 不配置速率集或配置最高支持23.85 kbit/s 編碼速率，且2 部終端也配置最高支持23.85 kbit/s 編碼速率時，碼率協商的最終結果為采用雙向23.85 kbit/s 編碼速率；當SBC 配置速率集最高支持12.65 kbit/s 編碼速率，即使2 部終端配置最高支持23.85 kbit/s 編碼速率，碼率協商的最終結果為采用雙向12.65 kbit/s 的編碼速率的語音業務。即碼率協商時，在SBC 配置速率集可限制VoLTE 用戶語音業務編碼速率。

圖2 組合2的碼率協商流程及結果

圖3 組合3的碼率協商流程及結果

圖4 組合4的碼率協商流程及結果

b）從測試組合1和組合4、組合5的測試結果對比可以看出，當SBC 不配置速率集或配置最高支持23.85 kbit/s 編碼速率，2 部終端中只要有1 部配置限制最高支持12.65 kbit/s 編碼速率，碼率協商的最終結果為采用雙向12.65 kbit/s編碼速率的語音業務。即碼率協商時，終端的編解碼支持能力也會影響碼率協商結果。

因此，VoLTE 網絡部署商用后，為讓VoLTE 用戶體驗更高碼率的高清語音業務，建議在SBC 配置攜帶可支持23.85 kbit/s 的速率集，以約束主叫終端和被叫終端間優先采用更高的VoLTE 編碼速率，從而提升VoLTE用戶語音業務感知。

2 VoLTE與CS語音互通轉碼策略研究

2.1 編解碼轉換機制

在VoLTE商用初期，由于4G網絡建設的成熟度及VoLTE 終端滲透率不高，在4G覆蓋空洞和弱覆蓋區域及非VoLTE 終端用戶，只能通過2G/3G 網絡發起語音業務，那么必然存在VoLTE 與2G/3G 的CS語音互通的現象。

VoLTE 語音與CS語音的互通，通常是通過碼率協商來確定主叫終端和被叫終端都支持的語音編解碼格式，來避免編解碼的轉換。如圖5 所示常規流程中虛線框內的流程，這種方案對于VoLTE 終端用戶來說，即使在4G 網絡上也可能無法獲得VoLTE 高清語音業務體驗。因此，在VoLTE 與CS 語音互通場景下，為了使駐留在4G 網絡的VoLTE 終端用戶能更好體驗VoLTE 高清語音業務，就需要在核心網進行編解碼的轉換。轉換原理是，由IMS 網絡中的網元媒體網關控制功能（MGCF）實現IMS 域與PSTN/CS 域控制面信令的互通等功能，由多媒體子系統-媒體網關（IMMGW）在MGCF 的控制下完成VoLTE 用戶面IMS 域與PSTN/CS 域之間的轉換，提供編解碼轉換、承載資源管理等功能。通過編解碼轉換，主叫終端和被叫終端都分別選擇各自所支持的最高的語音業務編碼速率進行通話。

2.2 VoLTE與CS語音互通轉碼策略

為研究進行編解碼轉換后對語音業務質量的影響，本文分別對“VoLTE 23.85 kbit/s 高清語音與3G 12.65 kbit/s 高清語音互通”和“VoLTE 23.85 kbit/s 高清語音與3G 12.2 kbit/s 標清語音互通”2 種場景進行測試，對比經過編解碼轉換和編解碼不轉換2 種情況下的VoLTE 側語音業務質量MOS 的差異，進而給出VoLTE與CS語音業務互通的轉碼策略。

圖5 VoLTE與CS語音互通轉碼示意圖

2.2.1 VoLTE與3G高清語音業務互通

為了更好分析編解碼轉換和編解碼不轉換2 種情況下VoLTE 側語音質量MOS 的差異，排除3G 側無線環境等因素的影響，在測試時，將3G 測試終端放置于無線信號的極好點，將VoLTE 測試終端從無線信號較好的區域向無線信號較差的區域慢速移動，測試VoLTE 語音業務在不同無線環境下的MOS 值。在進行編解碼轉換測試時，通過MGCF 對編解碼進行轉換使VoLTE 側上下行采用23.85 kbit/s編碼速率，3G 側上下行采用12.65 kbit/s編碼速率。在編解碼不轉換的測試中，則通過碼率協商后雙方將采用雙向12.65 kbit/s編碼速率?；跍y試數據，將MOS 均值與RSRP 和SINR進行關聯分析，分析結果如圖6所示。

從圖6 可以看出，不管是否經過編碼轉換，VoLTE側的MOS 均值都隨著RSRP 或SINR 的下降而降低，在相同的無線信號條件下，開啟轉碼功能（VoLTE23.85 kbit/s←轉碼→3G 12.65 kbit/s）相對于不開啟轉碼功能，對VoLTE 側語音質量MOS 大約有0.11 的提升。因此，在VoLTE 語音與3G 高清語音互通時，建議開啟轉碼功能。

2.2.2 VoLTE與3G標清語音業務互通

VoLTE 與3G 標清語音業務互通的測試方法和VoLTE 與3G高清語音業務互通測試一樣，只是在進行編解碼轉換測試時，通過MGCF 對編解碼進行轉換使VoLTE 側上下行采用23.85 kbit/s 編碼速率，3G 側上下行采用12.2 kbit/s 編碼速率。在進行編解碼不轉換的測試時，通過碼率協商后雙方將采用雙向12.2 kbit/s編碼速率?；跍y試數據，將MOS 均值與RSRP 和SINR進行關聯分析，分析結果如圖7所示。

圖6 VoLTE 23.85 kbit/s和3G 12.65 kbit/s互通測試中轉碼與不轉碼的MOS對比圖

圖7 VoLTE 23.85 kbit/s和3G 12.2 kbit/s互通測試中轉碼與不轉碼的MOS對比圖

從圖7 可以看出，不管是否經過編碼轉換，VoLTE側的MOS 均值都隨著RSRP 或SINR 的下降而降低，在相同的無線信號條件下，開啟轉碼功能（VoLTE23.85 kbit/s←轉碼→3G 12.2 kbit/s）相對于不開啟轉碼功能，對語音質量MOS 大約有0.12 的提升。因此，在VoLTE語音與3G標清語音業務互通時，建議開啟轉碼功能。

2.2.3 VoLTE與CS語音互通轉碼策略

從上述測試分析結果得出，VoLTE與3G語音互通時，開啟轉碼功能后，VoLTE 側的語音質量MOS 約有0.11～0.12 的提升，因此，在VoLTE 部署初期，建議在MGCF 開啟轉碼功能，使VoLTE 與CS 語音互通時，VoLTE 側優先采用23.85 kbit/s 的編碼速率，以提升語音業務感知。

3 結束語

本文首先研究了VoLTE 碼率協商機制，通過測試分析影響VoLTE 碼率協商的因素，進而提出VoLTE 碼率協商的策略。其次，針對VoLTE 商用初期存在VoLTE 和2G/3G 語音互通的現象，研究了語音編解碼轉換的機制，通過測試分析VoLTE 與3G 語音互通時經過編解碼轉換和不轉換對VoLTE 側語音質量MOS的影響，提出了VoLTE 與CS 語音互通的轉碼策略，為VoLTE網絡部署商用策略及優化提供技術支撐。