GSM系统的语音质量研究

GSM系统的语音质量研究

陈海华1谢志芬2

1身份证号码：44180219821124****；

2身份证号码44190019821102****中国移动通信集团广东有限公司东莞分公司523129

摘要：随着GSM蜂窝移动通信网络的快速发展，其语音业务的话务量增长显著，扩容需求大大增加。特别是在密集城区的超高话务密度区域，由于基站站间距离已经很小，而载频数量又很大，导致现有的频率资源可能无法满足话务的高速增长对网络容量提升的需求。为缓解网络的扩容压力并且有效的保护投资，提高GSM位载频承载的话务量成为运营商日益关注的问题。半速率语音编码技术是一种能够快速提高网络容量的方法。由于半速率语音编码技术在信源编码中采用了矢量激励线性预测编码（VSELP）来压缩语音信息，其编码速率仅为全速率及增强型全速率的一半，在话音质量上必然存在差异，从而影响用户感受。如何评估这种语音质量上的差异，通过何种技术手段来保障语音质量就成为了急需解决的问题。本文正是围绕语音质量评价体系和语音质量保障措施开展研究，主要内容包括：

（1）对语音质量评估算法的原理和测试方法进行研究。通过对ITU-T的语音质量评估算法建议的分析，了解其评估算法的适用范围和精确程度，从而选择出合适的评估方法。由于主观测评工作量大，开展难度大，不适合日常工作中选用，为此，语音质量评估系统通过不同测量技术来模拟人耳的听觉过程，用算法替代人耳进行听音，并给出等价的MOS值。利用语音质量评估的典型测试方法，有针对性地对GSM系统语音质量进行实测和对比。

（2）语音质量的好坏与GSM网络的相关技术特性有关，通过总结系统运行中的语音质量优化问题，对影响GSM语音质量的因素进行分析，并分别进行工程优化。

（3）对半速率和全速率语音质量进行工程对比测试。通过理论研究和实际测试结果比较，深入研究和定量评价半速率技术对语音质量的影响，并在工程中通过实际分析和局部实施优化，寻求提高MOS语音质量的途径和方法。

（4）对GSM系统中提高语音质量的可选新技术和解决方案进行分析、比较和总结，为语音质量工程优化提供参考。

1引言

3G已在我国实现大规模商用，移动数据业务持续增长，但是话音业务仍占主导地位，并且2G网络仍承载了大量移动话音业务。如何能保持已有移动网络话音通信质量并不断提高，一直都是运营商们所关心的话题。ETSI（欧洲电信标准局）SMG-11完成了EFR（EnhancedFullRate，增强型全速率）、AMR（AdaptiveMulti-Rate，自适应多速率）和TFO（TandemFreeOperation，无汇接运行）规范的制定，一些专用于提供移动语音质量增强（VQE，VoiceQualityEnhancement）的设备也已投入商用。这使得运行商在降低成本、增加容量的同时，能为用户提供高质量的语音业务。

1.1语音质量评价的现状及发展趋势

在当代的电话和网络通信中，存在着各种各样的语音系统，它们提供了许多种类不同的服务。这些系统之间的性能差异客观存在，对各种系统进行评估从而提升总体性能已成为信息交流能否畅通的重要因素。而对系统性能进行评估的主要标准之一就是看这些系统对语音质量影响的大小，因此需要对系统输出的语音质量进行准确评价。所以，方便、可靠、灵活的语音质量客观评价方法的研究就成为了语音通信相关领域研究者们关注的焦点。近些年来，语音质量的评价方法多数是基于用户感知也就是釆用基于QoE的方法来评价通信系统的语音质量[35-37]。这是语音质量评价的一个新的趋势，评价模型不再是以QoS的角度来为中心，而是转向了以QoE为基础的评价模型上。客观语音质量评价方法将逐渐的代替主观评价的方法，研究的方向将是寻找可以能更准确的评价语音质量的客观方法。在语音质量的评价模型上了，有的研究已经考虑了人类的听觉心理特性，这也是一个发现的趋势。在语音质量的评价上，不管选取什么样的评价参量，目的都是为了尽可能的去反映人耳对语音质量的感知结果。基于听觉感知的语音质量评价方法将是未来发展的主流。

1.2语音质量评估方法研究现状

语音质量包括两层含义：清晰度和自然度。前者是衡量语音中字、单词和句子的清晰程度，而后者则是对讲话人的辨识水平。语音质量评价不但与语音学、语言学、信号处理等学科有关，而且还与心理学、生理学等学科有着密切联系。因此，语音质量评价本身是一个极其复杂的问题。对此，ITU-T提出了平均意见分（MeanOpinionScore：MOS）[7]和感知语音质量测度（PerceptualSpeechQualityMeasure：PSQM）[8]的语音质量评估方法作为标准。1.2.1MOSMOS是基于听觉模型的一种音质评价方法，通过用户接听电话的感觉给出评分，将所有被测试人给出的评分平均就得到某个通信系统的语音质量评分。分值采用5个等级表示语音质量，评分标准如下[9]：

由于主观测评工作量大，大规模开展很困难，业界通常的做法是通过不同的测量技术来模拟人耳的听觉过程，用算法来替代人耳进行听音，并最后给出等价的MOS值。在ITU-T2001年组织的语音算法测试中证明，MOS是当前最有效、使用最广泛的算法，已作为ITU－P.800标准。

2.1语音质量评估测试流程

目前主要通过自动路测系统中的语音质量评估功能来测量上下行语音质量，模拟用户在通话过程中对语音质量的感受。测试中，使用移动终端拨打一个电话，在接通后一端发送源语音样本，经过移动网络传输后，在另一端进行接收。而在接收端则预先保存了一份相同的源语音样本，通过调用评估算法来计算接收到的失真语音样本和源语音样本之间的差异程度，由此获得网络对语音质量的影响情况。由于通话的上下行链路语音质量可能存在差异，需要对上下行链路分别进行测试。如果通过一个移动终端拨打另外一个移动终端的方式，语音样本经过了一段上行链路和一段下行链路的无线传输，则无法反映是否是语音质量问题。通行的做法是，使用一个移动终端来拨打固定电话或者语音评估中心，然后再反过来进行测试，以此分别建立不同的语音链路。双方交替发送源语音样本，接收方收到后调用语音质量评估算法进行比较，计算得到MOS值，也即当前通话链路的语音质量。

2.2语音质量评估测试流程

目前主要通过自动路测系统中的语音质量评估功能来测量上下行语音质量，模拟用户在通话过程中对语音质量的感受。测试中，使用移动终端拨打一个电话，在接通后一端发送源语音样本，经过移动网络传输后，在另一端进行接收。而在接收端则预先保存了一份相同的源语音样本，通过调用评估算法来计算接收到的失真语音样本和源语音样本之间的差异程度，由此获得网络对语音质量的影响情况。由于通话的上下行链路语音质量可能存在差异，需要对上下行链路分别进行测试。如果通过一个移动终端拨打另外一个移动终端的方式，语音样本经过了一段上行链路和一段下行链路的无线传输，则无法反映是否是语音质量问题。通行的做法是，使用一个移动终端来拨打固定电话或者语音评估中心，然后再反过来进行测试，以此分别建立不同的语音链路。双方交替发送源语音样本，接收方收到后调用语音质量评估算法进行比较，计算得到MOS值，也即当前通话链路的语音质量。

2.3语音质量客观评价模型

客观评价来判断语音质量的算法是以计算机信息技术处理为核心来实现的。现在有各种各样的客观语音质量评估方法[62】。但是感知域的评估方法是最为成功的客观语音质量方法。典型的感知评估方法有PSQM（PerceptualSpeechQualityMeasure），PAMS（PerceptualAnalysisMeasureSystem），，PESQ（PerceptualEvaluationofSpeechQuality）和应用于通信系统和网络中评估语音质量的最新的ITU标准POLQA（Perceptualobjectivelisteningqualityassessment）o欧洲的ETSI标准组织也提出了一种客观语音质量评价方法就是E模型，它是一个非干扰式的语音质量评价方法，后来由ITU形成了ITU-TG.107建议[63]。还有本文新提出的基于ERB频率尺度和Moore响度变换的新型感知语音质量评价NPESQ（NewPerceptualEvaluationofSpeechQuality）模型。近年来，客观质量评估代替了主观质量评估，并且变为了主要的质量评估方法。

结语

随着移动电话用户数的持续增长及资费水平的下降，GSM网络语音业务话务量增长显著，近期网络扩容速度大大增加。为缓解网络扩容压力并有效保护投资，提高单位GSM载频承载话务量成为运营商日益关注的问题。许多地区的网络已经逐渐开启了半速率功能，能在一定程度上增强无线承载能力，吸收部分拥塞话务，改善无线接通率，提高网络接入性能。但启用半速率后，网络接通率与用户感受质量之间的矛盾随之而来。移动通信市场的经验表明，客户希望他们的移动终端能提供与其PSTN/ISDN终端相同的服务质量。优良的话音质量是运营商吸引用户和增强竞争力的主要手段之一，如何能够增强现有GSM网络的音质必将受到越来越多的关注和研究。

参考文献：

[1]黄成才.GSM网络CQT系统研究及应用[D].哈尔滨理工大学，2007.

[2]喻业勤刘永昌.基于承载网的VOI系统语音质量测试方法研究[J].软件导刊.2006（17）.

[3]吴伟陵.移动通信中的关键技术.北京：北京邮电大学出版社，2000.11.

[4]啜刚、王文博等。移动通信原理与系统。北京邮电大学出版社。2009.1

[5]吴伟陵、牛凯。移动通信原理。电子工业出版社。2005.1