GSM系统中的语音质量增强技术

[摘要]文章阐述7GSM系统中语音质量增强的几种途径，包括语音编码方法、VQE设备、TFO和GCME，给出了移动一移动呼叫中实施TFO协议处理的功能实体，并对GCME的功能和应用作了简要介绍。

[关键词]GSM语音质量增强EFR AMR TFO GCME

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(Enhanced Full Rate，增强型全速率)、AMR(Adaptive Multi-Rate，自适应多速率)和TFO(Tandem Free Operation，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，VoiceQuaIity Enhancement)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。本文将对这些方法、途径一一加以介绍。

2　语音编码方法

GSM中的FR(Full Rate，全速率)语音编码始于上世纪80年代末，编码速率为13kb／s，陆地传输使用16kb／s信道。受当时的语音编码方法的发展水平以及硬件器件的限制，FR只能向移动用户提供MOS(MeanOplnlon Score，平均意见分)为3.7的话音质量，在实际应用中用户不是很满意。

为了增加GSM网络容量，高效地利用无线频谱，ETSI完成了HR(HaIf Rate，半速率)语音编码规范，并商用于GsM Phase2以及Phase2+。HR速率为5.6kb／s，传输使用8kb／s信道。HR编码使得GSM无线网络容量倍增，但由于其MOS只有3.4分，音质明显差于全速率编码，所以运营商未进行大规模商用。

1997年末ETSl推出了十分接近于有线线路话音音质的基于ACELP(Algebraic Code Excited LinearPrediction，代数码激励线性预测)的EFR语音编码方案。EFR的编码速率为12.2kb／s，陆地传输使用16kb／s信道。由于使用同全速率一样的信道编码，因此EFR有着较好的抗无线信道误码的鲁棒性(robustness)。

GSM规范中MS(Mobile Station，移动台)对于FR、HR、EFR的支持是强制的，而是否向移动用户提供HR、EFR业务则是由运营商决定的。由于HR、EFR的支持需要运营商的大量投资(主要用于码型变换器Transcoder的更新)，所以运营商必须充分考虑多方面因素以决定是否支持HR、EFR。目前，我国GSM网络以FR、EFR为主，HR仅在网络拥塞时应急使用。

AMR的提出旨在克服GSM无线信道误码问题。由于AMR源于EFR，所以这种新的编码方案是以无缝提供有线线路话音质量为目标的，它在有着良好的抗无线信道误码性能以及拥有EFR编码话音质量的同时只需要半速率信道。由于全速率信道具有更好的鲁棒性，AMR提供了改善农村覆盖和建筑内部深层覆盖的可能性。实施AMR后，经营者可以以更少的基础设施建设提供用户所需的容量，降低成本。

由此可见，采用更优的话音编解码器可以提高移动通信的话音质量，但这需要移动终端和运营商网络双方的支持，这就在一定程度上限制了其实施：一方面，对每一种新的语音编解码器都有可能要求移动用户更换终端设备，而这是移动用户所不愿接受的；另一方面，运营商必须投入大量的资金。

3　话音质量增强(VQE)设备

在网络中使用VQE设备可以大幅降低移动环境下的背景噪声，而且不会影响基本的话音质量。此外。VQE还用来进行回声消除。虽然移动终端不存在模拟线路2／4线转换带来的回声，但是由于声学回声(acoustic echo)的存在，网络侧还是需要回声抵消设备的。通过测试，发现当VQE与EFR组合使用时，即使使用者是处在嘈杂的环境中，远端用户通常也不会察觉使用者是在使用移动终端。图1为VQE设备在网络中的部署示意图：

4　TFO和GCME

GsM网络中话音在进入基于64Kb／s电路交换的MSC(移动交换中心)之前需要进行码型变换(transcoding)，由FR(或HR、EFR)转换成G.711PCM 64kb／s编码，即使呼叫发生于移动用户和移动用户之间也要进行同样的操作。语音在经过多次编解码后音质会降低，尤其是语音的参数编码(如GSM中的FR、HR、EFR)与波形编码(如G.711 PCM编码)多次混合使用后会大大降低话音质量。

4.1TFO

随着移动用户的增多，越来越多的呼叫发生在两个移动用户之间。如果移动用户之间的呼叫避开反复编解码过程，就可以提高话音质量。按此思想，ETSI制定了GSM 08.62规范，定义了无汇接运行(TFO)协议，允许对移动用户一移动用户呼叫的话音码型转换器旁路，如图3所示：

在取消了两端码型转换器的话音编码转换操作后，在两个移动用户之间形成一个透明数字信道，话音编码的传输是无损的，从而改善了话音质量。如表1所示：

图4为GSM Rec.08.62中按照TFO协议建立的移动用户一移动用户呼叫处理的功能实体示意图。

4.2GCME

如果TFO协议结合核心网络MCS之间的多路复用，就成了GCME，即GSM电路倍增设备。对于移动终端到PSTN方向的链路，话音将以13kb／s(FR)通过GSM网络传送到GMSC(Gate MSC，关口移动交换中心)。在此参考点上，13kb／s话音被转换成64kb／s PCM编码。在反方向上，由于PSTN不必具有使话音直接传送到被叫终端所在MSC的功能，PSTN只需将移动话务传送到最近的关口互连点，接下来由移动运营商负责将其选路至正确的MSC。借助GCME设备，TFO可以为此类呼叫节省核心网络的传输资源。

同样的功能还可以延伸到增值业务(VAS，ValueAdded Service)接口，使得GSMFR 13kb／s话音能够直接传送到语音信箱或是其它业务关口(如VolP Gateway)，而不是通过其它更低速率的语音编码方式。这样的系统能够让运营商话音呼叫所需的核心网络带宽减少75％。如果再对实施DTX(DiscontinuousTransmission，不连续传输)的话音业务进行VAD(Voice ActivityDetection，语音活性检测)和DSI(Digital Speech Interpolation，数字话音插空)，那么GCME设备的增益可由4倍增至10倍。由于话音业务仍将是交换机间的主要业务，因此GCME设备可以在提升话音质量的同时，大幅降低运营成本。

5　结论

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／lSDN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。