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摘要 基于IP承载网络和软交换技术的下一代网络（NGN）有着很大的发展趋势，NGN网络的基本业务是语音业务，影响语音质量的因素是由多个方面决定的，主要包括时延、丢包、抖动等。语音质量的好坏直接影响用户对运营商的选择，因此对NGN网络语音服务质量进行有效的分析和测量是十分重要的。
1、引言
随着IP网络及其应用的迅猛发展，NGN网络已被广泛认为是实现三网合一的大势所趋。NGN网络可以提供包括话音、数据和多媒体等各种业务的综合的、开放的网络架构。语音质量测试是NGN网络测试的一个重要方面，为了增强NGN业务的市场竞争力，就必须确保其语音业务能达到传统长途电话所提供的语音质量。根据电信网络服务质量（QoS）的要求，对NGN网络语音数据和服务质量进行分析和测量是十分必要的。下面主要围绕着RTP协议和中国移动通信集团公司在语音质量测试方面的主要规范对NGN网络语音质量测量进行分析和探讨。
2、NGN网络中语音数据的传输流程
VoIP（Voice over IP）业务是NGN网络中最普遍的应用，它是以IP分组交换网络为传输平台，对模拟的语音信号进行压缩、打包等一系列的特殊处理[1]。在NGN网络中VoIP业务是以RTP数据流的方式进行传输的，因此NGN网络的语音服务质量测试主要是针对RTP业务流进行端到端的QoS性能测试的。RTP由两个紧密链接部分组成。
（1）实时传输协议（RTP，Real-time Transport Protocol）。RTP传送具有实时属性的数据，本身不提供任何保证实时传送数据和服务质量的能力，而是通过提供净荷类型指示、序列号、时间戳、同步源标识符等信息，在接收端根据这些信息来重新恢复正确的数据。RTP本身只保证实时数据的传输，并不能为按顺序传送数据包提供可靠的传送机制，也不提供流量控制或拥塞控制，它依靠RTCP提供这些服务。
（2）实施传输控制协议（RTCP，Real-time Control Protocol）。RTCP协议是RTP协议的控制部分，用于实时监控数据传输质量，为系统提供拥塞控制和流控制，同时可以在会议业务中传送与会者的信息。在RTP会话期间，各参与者周期性地传送RTCP包，包中含有已发送的数据包的数量、丢失的数据包的数量等统计资料，因此，服务器可以利用这些信息动态地改变传输速率，甚至改变有效载荷类型。
RTP包头格式如图1所示。
图1 RTP包头格式
上面每个域的意义及作用如下：
版本号（V）：2bit，这个域代表RTP的版本号，目前RTP采用的版本号是2。
间隙（P）：1bit，该位置1，则数据包包含一个或多个附加间隙位组，其中这部分不属于有效载荷。
扩展位（X）：1bit，该位置1，则在固定头后面根据指定格式设置一个扩展头。
CSRC计数器（CC）：4bit，这个域表示固定头后面的CSRC（Contributing Source）的数目。
标记位（M）：1bit，标记由Profile文件定义。允许重要事件如帧边界在数据包流中进行标记。
净荷类型（PT）：7bit，该域标识了RTP净荷的格式，它决定了应用程序如何对净荷解码。
序列号（Sequence Number）：16bit，发送方在每发送完一个RTP包后就将该域的值加一，接收方可以由该域检测包的丢失并恢复数据包序列。
时间戳（Timestamp）：32bit，该域记录了该包中数据的第一个字节的采样时刻。时间戳在媒体同步和抖动计算中是不可缺少的。
同步源（SSRC）：32bit，该标识符随机选择，旨在确保在同一个RTP会话中不存在两个同步源具有相同的SSRC标识符。
贡献源标志符（CSRC）：0～15项，每项32bit，用于识别该RTP数据包中的有效载荷的贡献源。
典型RTP包的传输流程如图2所示。
图2 RTP包传输流程
RTP是利用混合器和翻译器完成实时数据的传输的。
（1）混合器（Mixers）。接收来自一个或多个发送方的RTP包，并把它们组合成一个新的RTP包继续转发。这种组合数据块将有一个新的SSRC标识，具有新标识的特别发送方被作为特别信源加入到RTP数据块中。因为来自不同特别发送方的数据块可能非同步到达，所以混合器就对这些输入源进行时间判断，然后形成混合流自己的时间。
（2）翻译器。翻译器只改变数据块内容，而并不把媒体流组合在一起。翻译器只是对单个媒体流进行操作，可能进行编码转换或者协议翻译。典型的例子是多媒体会议中不同端系统之间的视频编解码转换器，以及在多媒体应用跨越内部网防火墙时的过滤器。翻译器是形成RTP包完整同步源定义符的中间系统。
一个RTP会话包括传给指定目的地的所有通信量，发送方可能包括多个。从同一个同步源发出的RTP分组序列称为流，一个RTP会话可能包含多个RTP流。一个RTP分组在服务器端发送出去的时候总是要指定属于哪个会话和流，在接收时也需要进行两级分用，即会话分用和流分用。只有当RTP使用同步源标识和分组类型把同一个流中的分组组合起来，才能够使用序列号和时间戳对分组进行排序和正确回放。
3、NGN网络中语音质量测量方法
根据中国移动通信集团公司出台的软交换测试仪表测试规范中要求语音质量测量的方法主要包括如下。
3.1 主动式语音质量测试
主要是通过测试仪表模拟两个NGN网络的终端用户，首先通过同NGN网络的信令交互建立起这两个用户之间的呼叫连接，然后在该连接上模拟发送和接收测试语音流，通过对收发语音信号的比较，来测试出端到端的语音质量，并且能提供PESQ值和时延值，图3为主动式语音质量测试的结构图。
图3 主动式语音质量测试结构
3.2 被动式语音质量测试
通过仪表对NGN网络中实际运行的RTCP/RTP业务流进行捕获、解码和统计分析，来计算VoIP业务流的关键指标：时延、抖动、丢包率、R系数和MOS值等统计参数[2，3]，图4为被动式语音质量测试的结构图。
图4 被动式语音质量测试结构
以上两种测试方法也可以结合使用，下面主要介绍被动式语音质量的测试，被动式语音质量测试的主要参数包括。
（1）时延（Delay），当一个数据包发送时，发送端在RTP报文头上增加一个时间戳；当在另一端被接收时，接收端同样记下接收包的时间戳；计算这两个时间戳之差可以得到这个数据包在网络中的通路时间，即时延。
（2）抖动（Jitter），语音信号在发送端经过压缩打包后在网络中传输时，由于数据包传送的路径可能不同，因此不同的数据包到达接收端的时间也可能不同，计算连续语音包端到端时延的差值，即抖动值。
（3）丢包（Packet Loss），是影响语音质量的又一个关键因素。数据包发送端和接收端之间的数据包数目的差值即为网络传输丢失包数目。当少量的丢包且是随机地分布时，人耳并不容易感觉到较差的语音质量，当丢包数量变大时，语音质量也就相应的变差。
（4）R系数，ITU-T的G.107标准提出了E-Model的模型，这种模型考虑了时延、抖动、丢包、回音、编码器性能等网络损伤因素对有噪语音质量的影响[4，5]。根据RTP包提供的信息，在计算出时延、抖动、丢包等参数后，根据E模型提供的算法就可以求出相应的R值。R值的范围是0～100，0是最差的，100是最好的。
（5）MOS值，MOS模型是主观评价方法，根据E模型MOS值是通过R值计算得到的。MOS值是1～5之间的数，1是最差的，5是最好的[6]。R和MOS值的关系式如下所示：
图5给出了用户满意等级与R系数和MOS值的范围对应关系[7]。
图5 用户满意度等级与R值和MOS值的范围对应表
对实时的语音和视频业务来说，业务数据端到端的时延最为关键，从仿真结果图6和图7可以看出时延对R系数和MOS值的影响：随着时延的增加，R系数和MOS值都降低，即语音质量变差。当时延大于150ms时，语音质量下降的比较厉害。
图6 时延对R值的影响
图7 时延对MOS值的影响
从仿真结果中同时可以看出R系数和MOS值的最大值分别是94和4.4左右，并且R系数和MOS值的对应关系和图5所列出的内容基本是一致的。
4、结束语
本文围绕着RTP协议和中国移动通信集团公司出台的软交换测试仪表测试规范，对NGN网络语音质量测试所要求的几个重要指标进行了分析和说明，并给出了基本的实现方法，最后通过实际仿真说明了时延对语音质量的影响。总之，语音质量是NGN网络测试的一个重要方面，用行之有效的方法对其进行测量是十分重要的，需要在实际应用中不断的加以改进和补充。
参考文献
[1] 朱海毅，周春楠.VoIP基本原理，信息技术，2003.5(5)：83-84
[2] ITU-T Recommendation P.800.1，Mean Opinion Score(MOS)Terminology，2003
[3] ITU-T Recommendation G.107，The E-Model，a Computational Model for Use in Transmission Planning.2005
[4] TIA Telecommunications IP Telephony Equipment-Voice Quality Recommendations for IP Telephony，TSB-116-A，March 2006
[5] Akira Takahashi and Hideaki Yoshino. Perceptual QoS Assessment Technologies for VoIP.IEEE Communications Magazine.July 2004：28-34
[6] 吴耀文，王平.VoIP语音评价方法综述.舰船电子工程，2006(1)：44-46
[7] 杨宗林，张治中.基于E-Model的VoIP语音质量测试.广东通信技术，2007(2)：58-61
