MOS优化

语音质量（MOS）优化手册

1MOS理论背景

1.1语音质量评估指标

在GSM网络中，对无线质量的评价是通过RxQual来实现的。但是语音在GSM网络中是经过信道及信源编码的，而RxQual只能描述空中接口的传输质量，并不能给出终端用户对无线网络的实际感受。为此，在爱立信的TEMS Investigation中提出了一个用于表达终端用户对话音质量直接感受的指标－SQI。

SQI用于表达语音由于无线链路传输造成的失真度，该算法为爱立信的专利算法。

该算法考虑诸多的无线参数，包括BER，FER，切换频率，切换状态，DTX是否激活，以及所用的编码器等，从而给出最终的语音质量评估值SQI。SQI的取值从－20到＋30，从小到大其语音质量逐步提升。它与另一种国际通用的语音评估方法MOS之间有直接的对应关系。

在实际语音系统应用中，MOS评分法使用最为普遍。它不仅用于语音编码，通信设备性能测试上，也是语音客观评估方法研究中，作为衡量评价方法好坏的重要依据之一。

MOS法用于对语音整体满意度或语音通信质量的评价。其分值如表1所示。参加测试的评听人在听完测试语音后，从5个等级中选择其中某一级作为他对所测语音质量的评价。全体实验者的平均分就是所测语音质量的MOS值。由于主观上和客观上的种种原因，每次测试得到的MOS大都会有波动，为了减少波动的方差，除了参加测试的评听人要足够多之外(一般至少40人)，所测语音材料也应足够丰富，测试环境也要尽量保持相同。在数字语音通信中，通常认为MOS在4.0-5.0分为高质量数字化语音，达到长途电话网的质量要求，接近于透明信道编码，也常称为网络质量或长途质量。MOS在3.5左右称为通信质量，这是感到重建话音质量下降，但不妨碍正常通话，可以满足话音系统使用要求，MOS在3.0以下常称为合成语音质量，系指一些声码器合成的语音所能达到的质量。它一般具有足够的可懂度，但自然度及讲话人的确认等方面不够好。

现阶段对于语音质量的评估主要采取RxQual(信号质量)、SQI(Speech Quality Index) 、MOS等三种指标。

1.1.1 RxQual

RxQual是通过将误比特率BER(bit error rate)转换为0至7级来获得的(见 3GPP TS 05.08). 也就是说Rxqual是一个非常基本的测量值，它只反映在一定时间内(0.5秒)的误比特率BER。BER的值则是用于估计信道解码之前的评估的一个全帧或子帧的差错概率。

Rxqual的定义如下：

因此Rxqual主要反映无线传输过程中的BER情况，可以反映空口的无线传输质量。

但是相同BER情况下不同编码方式、切换情况、误比特率的波动情况下的实际语音质量也相差很大，而这些因素对于语音质量的影响无法通过RxQual展现，所以其不能给出终端用户对于语音质量的真实感受。

1.1.2 SQI

SQI(Speech Quality Index)是爱立信提出的表示用户对话音质量直接感受的指标。与通常使用的RxQual 相比，SQI 不仅考虑了无线环境中的干扰造成的误码率，还涉及到了语音编码模式、帧删除率、切换、不连续发射这些影响话音质量的因素；在进行定量的计算之后，得出表征无线话音质量的SQI 值，其单位为dBQ；SQI 数值越大表明质量越好，一般认为SQI 大于22.5即是比较优异的通话质量。

SQI 指标是基于测量报告中的通话质量数据，反映了实际通话效果。在上行链路，SQI 值由BSC 测量和计算，并存放在话务统计中，Objtype 为CELLSQI；在下行链路，可以通过路测，由TEMS Investigation 收集并计算。在BSC 统计中，根据SQI 的值，把SQI 分为三个级别：

? TSQIGOOD：SQI采样大于22.5dBQ的次数

? TSQIACCPT：SQI采样为13.5-22.5dBQ的次数

? TSQIBAD：SQI采样小于13.5dBQ的次数

SQI是对无线网络的话音质量的测量，而不是对空中接口的无线环境的直接测量，这意

味着在相同的无线条件下，由于相关条件不同SQI有可能不同。另外，由于SQI与误帧率(FER)有着密切的联系，可以预见SQI对不同的信道是不一样的。实验室仿真的结果也显示SQI vs. C/I的分布图与FER vs. C/I的分布图是吻合的，因此我们认为SQI是比RxQual更合理的评价网络语音质量的参数，其结果对不同信道是有可比性的。另一方面，SQI与另一种国际通用的语音评估方法MOS之间有直接的对应关系，这更加说明SQI可以反映用户对于网络语音质量的真实感受。

1.1.3 MOS

早期语音服务质量的测量主要采用主观评分的方式：调查用户被要求按照1-5分对接收到的电话语音质量进行评分，评分标准如下所示。

这种主观判断评测法由ITU组织在1996年8月制定为标准，其P.800标准详细定义了这种MOS评测法。

但是在现实中让一组人接听语音和评价语音的质量实现起来是非常困难和昂贵的，因此ITU在建议P.861中提出了PSQM(Perceptual Speech Quality Measurement)方法。根据P.861提出的PSQM方法，语音质量的测试开始摆脱原始的人类主观评估，而开始使用计算机产生的波型文件，通过比较其通过通信网络传输前后的变化计算出PSQM中相对应的级别及好坏程度。

2001年2月ITU组织继续发布了新的语音传输质量测量标准：P.862 — PESQ (Perceptual Evaluation of Speech Quality)。PESQ是评价各类端对端网络条件和语音编码与解码的最新标准。PESQ的测量的方法是将一段话音样本从发射器发送，在接收器接收后与原来参考话音样本进行波形比较后评分。PESQ由荷兰的KPN公司和英国电信公司协作开发，比其前身PSQM有了长足的进展。

ITU-TP.862（PESQ）是目前ITU推荐用于端到端网络语音质量测试的方法。原理下图所示：发送一个语音参考信号通过网络，在网络的另一端采用数字信号处理的方式比较样本信

号和接收到的信号，进而估算出网络的语音质量。它是一种基于听觉模型的语音评估方法，能提供主客观相关性较高的音质评价。可提供上、下行PESQ语音评分，对上、下行语音评分结果进行综合比较。

【PESQ原理图】

1.1.4 RXQUAL,SQI,MOS之间的关系

RXQUAL对应C/I关系

MOS与SQI

爱立信的研究人员经过大量的测试得出了SQI和MOS的近似对应关系，由于受环境，语音习惯，测试仪器，比较方法等的影响，每次测试可能结果会有差别。

下图/表为爱立信推荐的SQI和MOS的对应关系表：

SQI 与MOS值的换算表：

1.2MOS测试方法

目前，对于DT方面的MOS测试方法主要采用鼎利测试软件进行测试，通过一个语音盒单元将主、被叫手机的语音链路相连。对于主叫手机的下行MOS值是通过被叫手机端发一个标准的声音波形，经过网络达到主叫手机，测试软件对收到的波形与发出的波形进行比较、计算后得出下行MOS，上行MOS为相反过程。对于主叫手机的下行MOS值也为被叫手机的上行，因此，该软件测试的最终结果，主、被叫手机的MOS值是一样的。

1.3MOS影响因素分析

影响MOS值的因素有两部份：有线部份和无线部份。有线部分涉及基站、A-bis传输、BSC(TRA) 、MSC和PSTN等失真问题影响。无线部分主要涉及信号质量、切换问题和编码方式。以下结合2011年1月21日MOS测试结果分析三个主要无线因素对MOS值的影响。

1.3.1 编码方式对于MOS影响

语音编码方式决定了最基本的语音质量。在爱立信BSS系统中，有五种不同的语音编码：全速率（FR）、增强型全速率（EFR）、半速率编码（HR）以及自适应多速率编码全速率（AMR-FR）和以及自适应多速率编码半速率（AMR-HR）。编码类型的不同，得到的语音质量就不同，所对应SQI上限也不同。各种编码器所对应的SQI上限如下

因此对于编码方式的优化一方面可以减少HR话务，对覆盖道路的小区分配更多的AMR HR载波；另一方面可增加AMR FR载波，因为在C/I较差的情况下AMR FR能够比EFR得到更好的语音质量，如下图所示。

1.3.2 无线环境对于MOS影响

载干比(C/I)是决定通话质量的重要因素，随着无线环境的恶化、C/I的降低语音质量会随之下降，。下图是MOS的经验值，显示AMRFR和AMRHR的各种编码速率与EFR、FR及HR 在各种载干比环境下可达到的MOS值。

AMR FR各种编码速率的MOS值与载干比的关系:

AMR HR各种编码速率的MOS值与载干比的关系:

1.3.3 切换对于MOS影响

切换过程中会产生偷帧(Stolen Frame)问题，即将TCH作为FACCH用于切换时信令的传

送。这将会导致话音帧的丢失从而对语音质量产生影响。如果存在乒乓切换或频繁切换，SQI 及MOS值会迅速下降。此外，如果由于切换参数设置不合理导致手机切换到一个信号质量不是最好的小区也会影响语音质量。

如上述MOS测试记录所示，测试中只要发生切换就会产生1个MOS小于3的测量值。因此合理设置切换参数、提高切换性能、减少不必要切换次数。可以提高网络的语音质量及MOS值。

2MOS值整体情况分析

对于网络MOS的分析应按以下步骤进行：

●整体情况分析

●编码方式分析

●无线环境分析

●切换情况分析

●问题点确定

2.1整体情况分析

2.1.1 整体情况分析目标

网络整体MOS情况需要通过测试数据了解网络的MOS均值、MOS值大于3比例、编码方式比例、900/1800话务比例、各种RxQual话务占比等信息。

2.1.2 整体情况分析示例

以下为具体分析示例。根据MOS测试数据，其中包含MOS值样本9967个。MOS评分均值3.48分，其中大于3.0分的样本占78.76%，小于2.5分的样本占9.41%。测试中出现的语音编码有AFR，EFR、AHR和HR四种。

MOS值区间分布比例如下图

其中占用1800占用比例55.38%，900占用比例44.62%

其中Rxqual>=5占比99.03%

测试中主要占用AFR和EFR，其次是AHR，HR只占极少数

各种Codec方式的样本比例：

2.2编码方式分析

2.2.1 编码方式分析目标

编码方式的分析主要是基于测试数据，了解各编码方式在现网中的分布，以及各编码方式的MOS测量情况。并且分析900与1800小区不同的MOS情况。

2.2.2 编码方式分析示例

以下为分析示例（广州网络的MOS测试统计）。首先按MOS采样期间的采用的编码方式将MOS采样点进行分类。因为在每个MOS采样点的评估周期内，手机可能一直使用某一种类型的Codec，也可能使用了多种Codec方式；可能使用了单频网络，也可能使用了双频网络。在测试种占用四种编码方式组合的结果有15种，如下表所示（以广州网络的MOS测试统计为例）：

各种Codec组合方式采样点次数以及MOS平均性能比较：

对于“MOS值大于3样点百分比”指标，仅使用AFR的时候是81.35%；仅使用EFR的时候是84.79%；仅使用AHR的时候是81.54%，仅使用HR的时候是71.88%。

当使用了一种以上的信道速率和编码的时候，“MOS值大于3样点百分比”指标明显变差，原因是此种情况下，MOS值计算周期内发生切换的次数会较多。

从上图可以看出，仅使用AFR和EFR的情况下，MOS值大于3的样点百分比也未能达到90%的目标。意味着，一般情况下，全部样点采用AFR或EFR编码也不能达到3.0分以上达到90%的目标。

下图是按指标计算的仅使用AFR编码与小区频段类型的MOS得分关系：

在仅使用AFR且纯使用DCS1800的情况下，

“MOS值大于3样点百分比”指标达到89.20%。下图是按指标计算的仅使用EFR编码与小区频段类型的MOS得分关系：

“MOS值大于3样点百分比”指标达到89.17%。

在仅使用EFR且纯使用DCS1800的情况下，

下图是按指标计算的仅使用AHR编码与小区频段类型的MOS得分关系：

“MOS值大于3样点百分比”指标达到86.71%。

在仅使用AHR且纯使用DCS1800的情况下，

下图分别按指标计算的仅使用HR编码与小区频段类型的MOS得分关系：

在仅使用HR且纯使用DCS1800的情况下，“MOS值大于3样点百分比”指标只达到80%

2.3无线环境分析

2.3.1 无线环境分析目标

无线环境主要根据现网的RxQual测试结合编码方式以及其MOS测量值分析各编码方式

在不同无线环境下的MOS情况，并预估达到期望的MOS值所需要的无线环境。

2.3.2 无线环境分析示例

以下为具体示例，分析AFR、EFR、AHR、HR四种纯编码方式MOS与Rxqual的散点图，我们可以得到Rxqual对MOS得分的影响情况，并用以估计在何种Rxqual的前提下可以获得既定的MOS得分期望。

2.3.2.1 AFR编码

采用MOS评分周期内的Rxqual均值作为MOS评分样本的Rxqual估计值，并做出下面的散点图。

剔除切换对MOS值的影响，选取切换为0的MOS周期采样点

通过分析得到MOS相对Rxqual的趋势线。从图上分析，要在AFR编码下获得3.0分以上的MOS均分，要将Rxqual均值控制在5.5以下, 见图中红色箭头指示。

满足指标的条件

指标满足条件是指对测试数据进行分析，分段计算MOS>3.0分以上的指标。假设以10个样本点为考核粒度，考核指标对Rxqual的要求则严格得多，见下图。

从上图来看，AFR要达到90%的考核目标值，要求Rxqual均值逼近0.7。

2.3.2.2 EFR编码

采用与评估AFR相同方法，得到下面的散点图。

剔除切换对MOS值的影响，选取切换为0的MOS周期采样点

通过对趋势分析，我们发现，在使用EFR的时候，要使MOS得分均值控制在3.0分以上，要将Rxqual均值控制在5.1左右，见图中红色箭头指示。

满足指标的条件

指标满足条件是指对测试数据进行分析，分段计算MOS>3.0分以上的指标。假设以10个样本点为考核粒度，考核指标对Rxqual的要求则严格得多，见下图。

从上图来看，EFR要达到90%的考核目标值，要求Rxqual均值逼近1。

2.3.2.3 AHR编码

剔除切换对MOS值的影响，选取切换为0的MOS周期采样点

通过对趋势分析，我们发现，在使用AHR编码的时候，要使MOS得分均值保持在3.0分以上，必须将Rxqual控制在2以下。

满足指标的条件

指标满足条件是指对测试数据进行分析，分段计算MOS>3.0分以上的指标。假设以10个样本点为考核粒度，考核指标对Rxqual的要求则严格得多，见下图。

从上图来看，即使AHR的Rxqual等于0，也无法达到90%的考核目标值。

2.3.2.4 HR编码

剔除切换对MOS值的影响，选取切换为0的MOS周期采样点

通过对趋势分析，我们发现，在使用AHR编码的时候，要使MOS得分均值保持在3.0分以上，必须将Rxqual控制在0.7左右，但由于HR采样点的个数比较少，参考意义不是非常大。

根据上述分析可以提供无线环境优化的目标及指导。

2.4切换情况分析

2.4.1 切换情况分析目标

切换情况分析主要根据MOS采样期间发生的切换数量对采样点分类，计算不同切换次数所能达到的MOS均值即MOS大于3的百分比。

2.4.2 切换情况分析示例

2.4.2.1 切换对于全网MOS指标的影响

通过分析MOS值及MOS大于3的比例随采样期间内切换次数的增加而下降。

理论上1个MOS采样点的周期为20秒，现网中TINIT的设置为10或12，因此1个MOS采样周期最多包含4次切换。但是由于测试结果中部分采样点的测量时间高于20秒，因此存在个别切换次数较多的测量点。