VoLTE码率协商及码率转换策略研究

龙青良，刘光海，许国平，肖 天（.中国联通网络技术研究院，北京 00048；.中国联合网络通信集团有限公司，北京 00033）

0 前言

VoLTE 作为LTE 语音的最终解决方案在国内各运营商相继部署商用。根据3GPP 的定义，VoLTE 语音业务编码主要有AMR-NB和AMR-WB编码2种，其中AMR-NB 有8 种语音编码速率，分别为4.75、5.15、5.9、6.7、7.4、7.95、10.2、12.2 kbit/s。AMR-WB 有9 种语音编码速率，分别为6.6、8.85、12.65、14.25、15.85、18.25、19.85、23.05、23.85 kbit/s。因此有必要研究通话过程中语音业务最终采用的码率是如何协商确定的，协商结果受哪些因素影响。

另外，在VoLTE 商用初期，由于4G 网络建设的成熟度及VoLTE 终端渗透率不高，在4G 覆盖空洞或弱覆盖区域及非VoLTE 终端用户，只能通过2G/3G 网络发起语音业务，那么必然存在VoLTE 与2G/3G 语音互通的现象，因此需研究VoLTE 与2G/3G 互通时码率协商机制与转码策略，为VoLTE 网络部署商用策略及优化提供技术支撑。

1 VoLTE码率协商策略研究

1.1 码率协商机制

在IMS 会话中，主叫UE 和被叫UE 在会话建立过程中需要对媒体的类型和编解码方式达成一致，为此使用会话发起协议（SIP）消息中携带的会话描述协议（SDP）消息体对媒体进行协商。SDP 是一个用来描述多媒体会话的应用层控制协议，SDP 的内容以“行”为单位，每一行都表示一项媒体描述信息，其中媒体描述（m行）主要描述媒体类型、媒体端口号、使用的编解码格式等信息。

会话建立时媒体协商的常见流程如图1所示。

图1 媒体协商流程

a）主叫UE 发起一个呼叫，呼叫请求中包含主叫支持的媒体类型及相应媒体的编解码能力等信息，这些信息包含在初始INVITE请求的第1个SDP offer中。

b）被叫检查SDP 列表中的可用编解码能力，并把本侧不支持的编解码能力删除后，通过183 消息把被叫侧支持的编解码能力发给主叫。

c）由于协商结果可能包含多个编解码能力，双方需要进一步确认唯一的编解码格式，主叫侧根据接收到的被叫侧编解码能力列表，选出双方都支持的公共编解码格式，主叫侧发送PRACK来通知被叫用户所选择的编解码格式。

d）被叫侧发送200 OK对PRACK进行确定。

该流程简要说明了主叫UE 和被叫UE 之间的媒体协商流程。在IMS 网络中，会话边界控制（SBC）具备分析SDP 中的媒体编解码信息并计算得到会话所需带宽的功能，SBC 应能配置支持的媒体类型和编解码类型，并提供媒体类型和编解码检查功能，只允许指定的媒体类型及编解码经过SBC，非支持的媒体类型或编解码将被删除，即SBC 也会影响编解码协商的结果。

综上所述，对于VoLTE 语音业务，在会话建立过程中，语音业务的编解码格式由核心网SBC 和主叫UE、被叫UE协商确定。

1.2 VoLTE码率协商策略

为了研究VoLTE 语音业务建立过程的码率协商流程，以及核心网和终端对码率协商结果的影响，在实验室构建试验环境进行测试。本次实验室测试采用的核心网SBC默认AMR-WB速率集配置为（0，1，2，8），分别 对应6.6 kbit/s，8.85 kbit/s，12.65 kbit/s 及23.85 kbit/s 4种编码速率，2部VoLTE 测试终端默认配置最高支持23.85 kbit/s 编码速率的高清语音业务。测试中分别对SBC 配置的速率集和终端支持的编解码能力进行限制，以验证其对码率协商结果的影响，共进行5种组合的对比测试。

下面以测试组合2、组合3、组合4 的测试结果为例简要说明码率协商的过程及结果。

a）组合2（在SBC配置速率集（0，1，2，8），2部终端默认配置）的协商过程见图2。

b）组合3（在SBC 配置速率集（0，1，2），2 部终端默认配置）的协商过程见图3。

c）组合4（在SBC 配置速率集（0，1，2，8），被叫终端默认配置，主叫终端配置限制最高12.65 kbit/s 码率）的协商过程见图4。

对各组合验证测试的分析结果进行总结，如表1所示。

表1 码率协商测试结果表

基于码率协商验证结果，得出以下结论。

a）从测试组合1和组合2、组合3的测试结果对比可以看出，当SBC 不配置速率集或配置最高支持23.85 kbit/s 编码速率，且2 部终端也配置最高支持23.85 kbit/s 编码速率时，码率协商的最终结果为采用双向23.85 kbit/s 编码速率；当SBC 配置速率集最高支持12.65 kbit/s 编码速率，即使2 部终端配置最高支持23.85 kbit/s 编码速率，码率协商的最终结果为采用双向12.65 kbit/s 的编码速率的语音业务。即码率协商时，在SBC 配置速率集可限制VoLTE 用户语音业务编码速率。

图2 组合2的码率协商流程及结果

图3 组合3的码率协商流程及结果

图4 组合4的码率协商流程及结果

b）从测试组合1和组合4、组合5的测试结果对比可以看出，当SBC 不配置速率集或配置最高支持23.85 kbit/s 编码速率，2 部终端中只要有1 部配置限制最高支持12.65 kbit/s 编码速率，码率协商的最终结果为采用双向12.65 kbit/s编码速率的语音业务。即码率协商时，终端的编解码支持能力也会影响码率协商结果。

因此，VoLTE 网络部署商用后，为让VoLTE 用户体验更高码率的高清语音业务，建议在SBC 配置携带可支持23.85 kbit/s 的速率集，以约束主叫终端和被叫终端间优先采用更高的VoLTE 编码速率，从而提升VoLTE用户语音业务感知。

2 VoLTE与CS语音互通转码策略研究

2.1 编解码转换机制

在VoLTE商用初期，由于4G网络建设的成熟度及VoLTE 终端渗透率不高，在4G覆盖空洞和弱覆盖区域及非VoLTE 终端用户，只能通过2G/3G 网络发起语音业务，那么必然存在VoLTE 与2G/3G 的CS语音互通的现象。

VoLTE 语音与CS语音的互通，通常是通过码率协商来确定主叫终端和被叫终端都支持的语音编解码格式，来避免编解码的转换。如图5 所示常规流程中虚线框内的流程，这种方案对于VoLTE 终端用户来说，即使在4G 网络上也可能无法获得VoLTE 高清语音业务体验。因此，在VoLTE 与CS 语音互通场景下，为了使驻留在4G 网络的VoLTE 终端用户能更好体验VoLTE 高清语音业务，就需要在核心网进行编解码的转换。转换原理是，由IMS 网络中的网元媒体网关控制功能（MGCF）实现IMS 域与PSTN/CS 域控制面信令的互通等功能，由多媒体子系统-媒体网关（IMMGW）在MGCF 的控制下完成VoLTE 用户面IMS 域与PSTN/CS 域之间的转换，提供编解码转换、承载资源管理等功能。通过编解码转换，主叫终端和被叫终端都分别选择各自所支持的最高的语音业务编码速率进行通话。

2.2 VoLTE与CS语音互通转码策略

为研究进行编解码转换后对语音业务质量的影响，本文分别对“VoLTE 23.85 kbit/s 高清语音与3G 12.65 kbit/s 高清语音互通”和“VoLTE 23.85 kbit/s 高清语音与3G 12.2 kbit/s 标清语音互通”2 种场景进行测试，对比经过编解码转换和编解码不转换2 种情况下的VoLTE 侧语音业务质量MOS 的差异，进而给出VoLTE与CS语音业务互通的转码策略。

图5 VoLTE与CS语音互通转码示意图

2.2.1 VoLTE与3G高清语音业务互通

为了更好分析编解码转换和编解码不转换2 种情况下VoLTE 侧语音质量MOS 的差异，排除3G 侧无线环境等因素的影响，在测试时，将3G 测试终端放置于无线信号的极好点，将VoLTE 测试终端从无线信号较好的区域向无线信号较差的区域慢速移动，测试VoLTE 语音业务在不同无线环境下的MOS 值。在进行编解码转换测试时，通过MGCF 对编解码进行转换使VoLTE 侧上下行采用23.85 kbit/s编码速率，3G 侧上下行采用12.65 kbit/s编码速率。在编解码不转换的测试中，则通过码率协商后双方将采用双向12.65 kbit/s编码速率。基于测试数据，将MOS 均值与RSRP 和SINR进行关联分析，分析结果如图6所示。

从图6 可以看出，不管是否经过编码转换，VoLTE侧的MOS 均值都随着RSRP 或SINR 的下降而降低，在相同的无线信号条件下，开启转码功能（VoLTE23.85 kbit/s←转码→3G 12.65 kbit/s）相对于不开启转码功能，对VoLTE 侧语音质量MOS 大约有0.11 的提升。因此，在VoLTE 语音与3G 高清语音互通时，建议开启转码功能。

2.2.2 VoLTE与3G标清语音业务互通

VoLTE 与3G 标清语音业务互通的测试方法和VoLTE 与3G高清语音业务互通测试一样，只是在进行编解码转换测试时，通过MGCF 对编解码进行转换使VoLTE 侧上下行采用23.85 kbit/s 编码速率，3G 侧上下行采用12.2 kbit/s 编码速率。在进行编解码不转换的测试时，通过码率协商后双方将采用双向12.2 kbit/s编码速率。基于测试数据，将MOS 均值与RSRP 和SINR进行关联分析，分析结果如图7所示。

图6 VoLTE 23.85 kbit/s和3G 12.65 kbit/s互通测试中转码与不转码的MOS对比图

图7 VoLTE 23.85 kbit/s和3G 12.2 kbit/s互通测试中转码与不转码的MOS对比图

从图7 可以看出，不管是否经过编码转换，VoLTE侧的MOS 均值都随着RSRP 或SINR 的下降而降低，在相同的无线信号条件下，开启转码功能（VoLTE23.85 kbit/s←转码→3G 12.2 kbit/s）相对于不开启转码功能，对语音质量MOS 大约有0.12 的提升。因此，在VoLTE语音与3G标清语音业务互通时，建议开启转码功能。

2.2.3 VoLTE与CS语音互通转码策略

从上述测试分析结果得出，VoLTE与3G语音互通时，开启转码功能后，VoLTE 侧的语音质量MOS 约有0.11～0.12 的提升，因此，在VoLTE 部署初期，建议在MGCF 开启转码功能，使VoLTE 与CS 语音互通时，VoLTE 侧优先采用23.85 kbit/s 的编码速率，以提升语音业务感知。

3 结束语

本文首先研究了VoLTE 码率协商机制，通过测试分析影响VoLTE 码率协商的因素，进而提出VoLTE 码率协商的策略。其次，针对VoLTE 商用初期存在VoLTE 和2G/3G 语音互通的现象，研究了语音编解码转换的机制，通过测试分析VoLTE 与3G 语音互通时经过编解码转换和不转换对VoLTE 侧语音质量MOS的影响，提出了VoLTE 与CS 语音互通的转码策略，为VoLTE网络部署商用策略及优化提供技术支撑。