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摘要 v o i p 系统关键技术的研究与回声消除技术的实现 专业：无线电物理 硕士生：方丹 指导教师：丘海明副教授 摘要 v o i p 技术属于分组语音通信的范畴，最早的研究始于二十世纪七十年代初，并随着 i n t e r n e t 技术的飞速发展而从理论研究转为实际应用。采用v o i p 技术的i p 电话是以i p 为 标志的网络分组化和以多媒体为目标的网络业务综合化两大主流技术融合的结果，并成为传 统电信与i p 网络优势互补的一个突破口。 目前v o i p 己经能够实现传统的p s t n 的绝大部分功能。在这基础上人们对v o i p 的语音 通话质量提出了进一步的要求。和p s t n 相比，目前i p 语音通讯的质量还不尽如人意。影响 语音质量的因素有很多，其中之一是回声。针对i p 语音通讯中的回声问题，人们通过使用 回声抵消器对回声进行处理，达到了一定的效果。 在这样的背景下，本文对回声现象进行了深入的研究，并对回声抵消器的主要模块一自 适应滤波器模块的算法进行了分析和改进。在设计的回声抵消器上，使用了p n l m s 改进算法 作为该模块的核心算法。经过测试，新的改进算法与传统的n l m s 算法相比，在收敛速度上 有了明显的提高。 论文首先阐述了v o i p 系统的基本原理和技术构成，在此基础上提出了对回声抵消进行 研究的重要性。在目前各种有关回声抵消技术的基础上针对v o i p 的要求和d s p 芯片的特 点，对回声抵消器的各个模块进行了理论上的改进和实现技术上面的优化，在达到了有关回 声抵消技术要求的同时，具有更好的性能指标。 关键词：v o i p 、回声消除、p n l m s 、语音检测 a b s t r a c t r e s e a r c ho nk e yt e c h n i q u e so fv o i ps y s t e m a n dl m p i e m e n 协悄o no fe c h oc a n c e i l a t j o n m a j o r ：r a d i op h y s i c s n a m e ：f a n gd a n s u p e r v j s o r ：p r o f e s s o rq i uh a j m i n g t h ev o i pt e c h n 0 i o g yb e i o n g st 0t h ec a t e g o r y0 fv o i c ec o m m u n i c a t i o no np a c k e ts w i t c h e d n e t w o r k s t h ee a i e s ts t u d ys t a r t e da tt h eb e g j n n i n go f7 0 si a s tc e n t u r y ，a n dt h ef o c u s h a sb e e nt u m e df r o mt h e o r e t i c a i 旧a r c ht op m d i c a ia p p c a t i o nw i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fi n t e m e t t h ei pp h o n eu s i n gv o l pt e c h n 0 1 0 9 yi st h er e s u l t o ft h e c o m b i n a t i o no fs u c ht w oc h i 酐t e c h n 0 i o g i e s ，t h ep a c k e tt e c h n i 口u eo nn e t w o r kt a k i n gi pa s 峙s i g n ，a n dt h ei n t e g r a t i n gt e c h n i q u e0 fs e r v o b so nn e t w o r kt a k i n gm u m e d j aa si t s9 0 a i 1 th a sb e c o m et h ej o i n t0 ft r a i d o n a it e l e c o ma n dl pn e l w o 一，m u t u a ys u p p i y i n gw i t he a c h o t h e r 。sa d v a n t a g e s u pt on o wv o l ph a si m p i e m e n t e dam a i o t yp a r to ft r a d i t i o n a ip s t nf u n c t i o n s ，b a s e do n w h f c hp e o p i er a i s e da d d i t i o n a lr e q “陀m e n to ns p e e c hq ua i 时t h a ti sn o ts a t i s f i e d - nv o i p n o w ，a n de c h oi sa m o n gt h em a n yk e yf a c t o r st h a ta f 伯c tv o i c eq u a l i t y p e o p l eh a v eb e e n u s i n ae c h oc a n c e e 瑁t o 怕d u c ee c h o ，w h i c hd o e sw o r k ns o m ew a v u n d e rs u c hab a c k g r o u n d a sap a r to ft h er e s e a r c hw o r ko nv o l pg a t e w a y ，t h ea u t h o r c a r r i e dt h u g hs o m ed e e ps t u d yi n t oe c h oc a n c e a t i o n ，a n dm a d ei m p r a v e m e n tj nt h e m a i o rp a r to fa e c ，t h es e i f - a d a p t l v e 们i t e r t h ep n l m sa l 口o m h mi sr e a l i z e di nt h en e w e c h 0c a n c e e rt h a ti sn o ww o r k i n gi no u rv o l pe qu l p m e n t 1 tp r o d u c e sl o w e rr e s i d u a ie r r o r i e v e | t h a nt h eo n 口i n a io n et 卜l a tu s e sn l m s t h ea r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e ss o m eb a c k g r o u n dk n d w i e d g ea b o u tv o i ps y s t e m ，n e c e s s a r y t e c h n 0 i o g j e sa n dp o s s j b l es o l u t i o n s t h ei m p o r t a n c eo fs t u d va b o u te c h 0c a n c e a l i o ni s d e s c n be c i b a s e do ns o m ei a t e s te c h oc a n c e a 矗o nt e c h n 0 i o g i e s ，a i m i n ga td s p m p i e m e n t a 埘o n ，a ni m p r o v e m e n t nt h e o r ya n do p t i m i z a t i o no np r a c t i c a | i sg i v e no ne v e r y ma i np a r to fe c h oc a n c e a t i o n t h er e s u i to fw h i c hm e e t st h ei m e m a t i o na i 陀q u i 陀m e n t k e y w o r d ：v o l p ，e c h oc a n c e lj a t i o n ，p n l m s d td e t e c t o r i l 第1 章引言 第1 章引言 1 1v 0 i p 的历史背景与发展现状【1 j 【驯 v o i pf v b i c eo v c ri p ) ，是在以口协议作为网络层协议的计算机网络中进行语 音通信的实现技术的统称，而一般将i p 电话这一名词作为v o i p 通信系统的代称。 随着二十世纪末i r i t e m e t 取得的巨大成功，i p 技术成为未来信息网络的支柱 技术之一，以口为核心的分组化和以移动通信为核心的无线化已成为电信网络 演进的主流方向。近年来，在市场利益和计算机通信技术发展的双重推动下，基 于i p 的多媒体通信发展已经成为世界关注的热点。在口网络技术逐渐进入电信 领域的同时，i p 电话的开发和应用展示着以i p 为基础的新一代信息网络的美好 前景。 从历史上看，以分组技术承载话音的实验最早出现在美国。1 9 7 4 年8 月， 在西海岸的南加州大学的信息科学研究所( i s i ) 和东海岸的林肯实验室( l l ) 首先进行了分组话音实验，采用了语音编码为9 6 k b i 帕的连续可变斜率增量调制 ( c v s d ) 和静音检测技术( w 山) 。随后美国、英国、意大利等国于七、八十 年代在总线型局域网、令牌环、以太网上进行了大量的实验，深入研究了分组时 延的原因、分组话音通信协议、链路利用率和话音分组同步等问题。1 9 9 6 年， r r u - t 通过了局域网上支持可视电话通信的网络协议h 3 2 3 ，同年正t f 推出了 i p 电话通信的网络协议s i p ( s e s s i o nh l m a t i o np r o t o 1 ) ，标志v 0 i p 技术进入了 标准化和大规模实用化阶段。 从通信方式上看，v o i p 技术经历了早期的口电话软件时期，已经进入了目 前的口电话网关时期。早期v 0 i p 通话形式为p c 到p c ( 口接入接出，口主干) ， 使用p c 这一通用平台，其话音质量很差，而且要求主叫和被叫用户同时在线。 其后的商用公司开发出p c 到电话的通话方式( 口接入，i p 主干，市话接出) ， 比较适用于单向主叫的情况，在国际电话市场上赢得了一定的市场。目前国内最 中山大学硕1 ：学位论文v 0 j p 系统关键技术的研究与回声消除技术的实现 常见的是电话到电话的方式( 市话接入接出，i p 主干) ，其在长途电话上取得了 巨大的成功。随着i p 的发展，未来将会出现通话质量更好，容量更大，更多 样通信服务的i p 电话。 目前，与传统电话相比，i p 电话的优势有如下几个方面： 1 、低廉的成本导致廉价的话费。 近二十年来，通信信道容量、超大规模集成电路以及软件技术取得了飞速发 展，这使得v o i p 技术成为可能，同时，与传统电话相比，成本大大降低，进而 为用户带来更廉价的通话方式。 2 、话音和数据的融合。 、，0 i p 的发展客观上促进了三网合一( 计算机网络、电信网络和有线电视网 络) ，大大丰富了通信内容。同时，利用统计复用、话音检测等技术，话音和数 据的融合也有利于提高带宽利用率。 3 、未来广阔的前景。 以i p 为核心的分组化和以移动通信为核心的无线化已成为电信网络演进的 主流方向，未来v o i p 技术将承载视频、电视电话会议等多种增值服务。 同时，v o i p 仍然存在一些问题有待解决，包括： 1 、q o s 得不到保障。 、，0 i p 的这个问题由来已久，根本原因是i p 分组网提供面向无连接的服务， 由此产生的时延、抖动都是需要解决的问题，目前的解决方法主要有：综合服务 模型( i s a ) ( 通过资源预留r s v p ) 、区分服务模型( d s a ) 、多协议标志交换 ( m p l s ) 等。 2 、系统问互通问题。 目前林立的v o i p 协议间的系统互连仍没有完美的解决方法，甚至使用同一 协议不同厂商产品间仍有互连问题。不同运营商之间的互操作问题以及向i p 网 络上的多媒体通信演进方式成为目前口网络标准化工作的重点之一。 3 、安全问题和可靠性稳定性问题。 随着v o i p 的进一步推广，将产生和i n t e m e t 类似的安全问题。其它如供电、 2 第1 章引言 网络设备可靠性、稳定性方面，要达到传统电话的水平，仍有很多工作要做。 4 、远距离通话带来的回声问题：各种处理带来的话音延迟使回音问题突出。 1 2 回声消除技术的研究意义 在通信系统中，例如i p 电话、可视电话及免提数字蜂窝电话系统中，回声 会严重影响通信质量。因此，回声消除是提高通话质量的关键技术之一。 过去，通过卫星打国际长途电话时，由于同步静止卫星的通话路径长会引起 通话延迟( 单跳2 5 0 i n s ，双跳5 0 0 l i l l s ) ，因为电路失配所引起的电学回声就很明 显，所以从二十世纪八十年代起人们就在研究回声消除的办法。由简单的回声抑 制器发展到自适应回声消除器，国际电联r i u 相应地制订了回声消除器的国际 标准，如g 1 6 4 ，g 1 6 5 和，g 1 6 7 等。 九十年代后期，出现了口电话，即通过i n t e m e t 拨打长途电话的方式。i p 电话是以数据包的格式在h l t e m e t 中与其它数据信息按t c p i p 协议一起传输， 从发话端到受话端的延时较长，并且是不确定的。这里的延时包括算法延迟、处 理延迟、网络延迟等【”，算法延迟从o 1 2 5 m s 3 0 m s 不等，处理延迟约3 0 m s ，网 络延迟高达7 0 1 0 0 l i l l s ，总的延迟在1 0 0 岫s 以上，而人耳对于大于5 0 m s 的回声就 能鉴别出来，因此口电话系统的回声影响相当严重，如何消除i p 电话中的回声 成为非常重要的问题。在口电话系统中，自适应回声消除器已经成为不可缺少 的设备。 现代进行回声消除的技术主要是基于白适应滤波器实现的，该滤波器能够根 据参考信号，预测出接收信号中的回声，并将回声从信号中扣除，从而消除回声。 同时，在回声消除算法中需要注意的问题是近端语音的检测。在没有近端语音输 入的情况下，近端的输入信号只有回声信号，因此误差信号中不包含其他的部分。 而在有近端语音信号输入的信号情况下，误差信号中不仅包括回声的残差信号， 还包括近端的语音信号。在这种情况下，对滤波器的抽头系数进行更新，将会引 起很大的误差，使自适应算法失去作用。因此为了保证算法的有效性，必须引入 近端语音信号检测算法。当检测到近端输入信号存在语音输入时，停止滤波器抽 头系数的更新，只对参考信号进行滤波。 中山大学硕士学位论文v o l p 系统关键技术的研究与回声消除技术的实现 1 3 研究内容 本文涉及到的研究内容可以分成三个部分。 第一部分主要分析了v o 口系统的基本原理和关键技术，包括v o 口技术的历 史和发展现状，v 0 口的基本传输过程，推动v 0 口发展的主要技术，以及v 0 i p 系统的主要特点和关键技术。 第二部分是基于v 0 口的发展趋势，分析了回声产生的原因和i p 电话系统中 回声的特点，并针对其回声具有路径延迟、延迟抖动大等特点，研究了自适应回声 消除器设计的基本思想和相关算法。主要详述了自适应回声消除的主要算法和语 音检测算法，如l m s 、n l m s 、p n u s 、r l s 等。 第三部分是对、，0 i p 系统中回声消除器的软件设计与实现。回声消除器的软 件设计包括各个模块与具体算法的设计，算法的实现是在用c 语言进行仿真后， 移植到c 5 4 x d s p 芯片的仿真平台c c s 上，进行汇编语言优化，调试运行得到 实验测试结果。 在本文的软件设计中，通过分析n u s 和块自适应算法的优缺点，提出了一 种基于p n i j s 算法和块更新算法的新的自适应方案该方案可以利用回声路径 冲击响应的稀疏性达到比n u s 更快的收敛速度，而且只带来了计算复杂度的少 量增加收敛速度的提高，使得回声消除器能够更快的进入工作状态，从而得到 更好的回声消除效果。 4 第2 章v 0 i p 系统关键技术的研究 第2 章v o i p 系统关键技术的研究 2 1v o i p 系统原理【2 5 2 1 1v b l p 系统的基本传输过程 传统的电话网是以电路交换方式传输语音，所要求的传输带宽为6 4 k b i 怕。 而v 0 i p 则是以口分组交换网络为传输平台，对模拟语音信号进行压缩、打包等 特殊处理，使其可以采用无连接的u d p 协议进行传输。 要在一个i p 网络上传输语音信号，需要具备几个元素和功能。最简单形式 的网络由两个或多个具有p 功能的设备组成，这一设备通过一个口网络连接。 v o i p 模型的基本结构图如图2 1 所示。从图中可以发现v o i p 设备是如何把语音 信号转换为i p 数据流，并把这些数据流转发到i p 目的地，i p 目的地又把它们转 换回到语音信号。两者之间的网络必须支持i p 传输，且可以是i p 路由器和网络 链路的任意组合。因此可以简单地将v o i p 的传输过程分为下列几个阶段。 语音代理 图2 1 i p 模型的基本结构图 语啻代理 中山大学硕士学位论文 v o i p 系统关键技术的研究与回声消除技术的实现 1 、语音数据转换 语音信号是模拟波形，通过i p 方式来传输语音，不管是实时应用业务还是 非实时应用业务，首先要对语音信号进行模拟数据转换，也就是对模拟语音信号 进行8 位或6 位的量化，然后送入到缓冲存储区中，缓冲器的大小可以根据延迟 和编码的要求选择。许多低比特率的编码器是以帧为单位进行编码的，典型帧长 为1 睢3 0 m s 。考虑传输过程中的代价，语音包通常由6 0 、1 2 0 或2 4 0 m s 的语音数 据组成。数字化可以使用各种语音编码方案来实现，目前采用的语音编码标准主 要有r r u tg 7 1 1 。源和目的地的语音编码器必须实现相同的算法，这样目的地 的语音设备才可以还原模拟语音信号。 2 、原数据到球转换 一旦语音信号进行了数字编码，下一步就是对语音包以特定的帧长进行压缩 编码。大部份的编码器都有特定的帧长，若一个编码器使用1 5 m s 的帧，则把从 第一来的6 0 m s 的包分成4 帧，并按顺序进行编码。每个帧合1 2 0 个语音样点( 抽 样率为8 k h z ) 。编码后。将4 个压缩的帧合成一个压缩的语音包送入网络处理器。 网络处理器为语音添加包头、时标和其它信息后通过网络传送到另一端点。砰 网络不像电路交换网络，它不形成连接，它要求把数据放在可变长的数据报或分 组中，然后给每个数据报附带寻址和控制信息，并通过网络发送，一站一站地转 发到目的地。 3 、传送 在这个通道中，全部网络被看成一个从输入端接收语音包，然后在一定时间 ( t ) 内将其传送到网络输出端。t 可以在某范围内变化，反映了网络传输中的抖 动。网络中的同问节点检查每个i p 数据附带的寻址信息，并使用这个信息把该 数据报转发到目的地路径上的下一站。网络链路可以是支持i p 数据流的任何拓 结构或访问方法。 4 、i p 包数据的转换 目的地的v 0 口设备接收i p 数据并开始处理。网络级提供一个可变长度的缓 第2 章v o l p 系统关键技术的研究 冲器，用来调节网络产生的抖动。该缓冲器可容纳许多语音包，用户可以选择缓 冲器的大小，小的缓冲器产生延迟较小，但不能调节大的抖动。在数据报的处理 过程中，去掉寻址和控制信息，保留原始的原数据，然后把这个原数据提供给解 码器。然后，解码器将经编码的语音包解压缩后产生新的语音包，这个模块也可 以按帧进行操作，完全和解码器的长度相同。若帧长度为1 5 m s ，是6 0 m s 的语音 包被分成4 帧，然后它们被解码还原成6 0 m s 的语音数据流送入解码缓冲器。 5 、数字语音转换为模拟语音 播放驱动器将缓冲器中的语音样点( 4 8 0 个) 取出送入声卡，通过扬声器按 预定的频率( 例如8 k h z ) 播出。简而言之，语音信号在i p 网络上的传送要经 过从模拟信号到数字信号的转换、数字语音封装成i p 分组、i p 分组通过网络的 传送、i p 分组的解包和数字语音还原到模拟信号等过程。整个过程如图2 2 所示。 图2 2v o i p 系统基本传输过程 2 1 2v b i p 发展的动力 由于相关硬件、软件、协议、标准的快速发展，使得v o 口的广泛使用很快 就会变成现实。这些领域中的技术进步和发展为创建一个更有效，功能和互操作 性更强的v 0 坤网络起到了推波助澜的作用。表2 1 简单列出了这些领域中的主 要发展。从表中可以看出，推动均i p 飞速发展乃至广泛应用的技术因素可以归 纳为如下几个方面。 中山大学硕士学位论文v 0 1 p 系统关键技术的研究与回声消除技术的实现 表2 1 推动v o i p 的主要技术进展 协议和标准软件硬件 ； h 3 2 3 加权公平排队法d s p l 一 m p l s 标记交换加权随机早期榆测 r 风r t c p双漏斗通用信元速率算法 一一、 1 r s v p 额定访问速成率 d i 如e c a ra s c 0 快速转发 d w d m s o n e t c p u 处理功率 g 7 2 9 ，g 7 2 9 a ：c s - a c e l p扩展访问表a d s l ，r a d s l ，s d s l f r e l l f r r l 2 令牌桶算法 ， m u l t i l i i l kp p p 帧中继数据整流形 s i p 基于优先级的c 0 s “ 一 n 一一一+ w + + n “一 t p a c k e t o v c r s 0 n e t l p 和a t m o o s ，c o s 的集成 ； 1 、数字信号处理器 先进的数字信号处理器( d i 酉t a ls i 乒a lp m c e s s o r ，d s p ) 执行语音和数据集成 所要求的计算密集的任务。d s p 主要用于执行复杂的计算，否则这些计算可能必 须由通用c p u 执行。专门化的处理能力与低成本的结合使d s p 能够很好地执行 v o 口系统中的信号处理功能。 单个语音流上6 7 2 9 语音压缩的计算开销非常大，要求达到2 0 m i p s ( 百万 指令每秒) ，如果要求一个中央c p u 在处理多个语音流的同时，还执行路由和系 统管理功能，这是不现实，一般使用一个或多个d s p 可以从中央c p u 卸载其中 的复杂语音压缩算法的计算任务。另外，由于d s p 能够实时处理语音数据流， 并能快速访问板上内存，还适用于语音活动检测和回声消除等功能。 2 、高级专用集成电路 专用集成电路( a p p l i c a t i o n s p e c i f i ci n t e g i a t e dc i r c u i t ，a s i c ) 的发展产生了 更快、更复杂、功能更强的a s i c 。a s i c 是执行单一应用或很小的一组功能专门 的应用芯片。由于集中于很窄的应用目标，故它们可以对特定的功能进行高度的 优化，通常比通用c p u 快一个或几个数量级。就像精简指令集计算机( r i s c ) 芯片集中于快速执行有限数目的操作一样，a s i c 被预先编程、使其能更快地执 行有限数目的功能。一旦开发完成，a s l c 批量生产的成本并不高，被用于包括 路由器和交换机这样的网络设备，执行路由查表、分组转发、分组分类和检查以 8 第2 章v o i p 系统关键技术的研究 及排队等功能。a s i c 的使用使设备的性能更高，而成本更低。它们为网络提供 增加的宽带和更好的q o s 支持，所以对v o i p 发展起着很大的促进作用。 3 、i p 传输技术 传输电信网大多采用时分多路复用方式，m t e m e t 采用的是统计复用变长分 组交换方式，二者相比，后者对网络资源利用率高，互连互通简便有效、对数据 业务十分适用，这是i n t e m e t 得以飞速发展的重要原因之一。由于宽带口网络通 信对o o s 和延迟特性提出了苟刻的要求，因此，统计复用变长分组交换的技术 发展为人们所关注。 目前，除已问世的新一代i p 协议一i p v 6 外，世界因特网工程任务组( m t f ) 提出了多协议标记交换技术( m p l s ) ，这是一种基于网络层选路的各种标记标 签的交换，能提高选路的灵活性，扩展网络层选路能力，简化路由器和基于信元 交换的集成，提高网络性能。m p l s 既可以作为独立的选路协议工作，又能与现 有的网络选路协议兼容，支持i p 网络的各种操作、管理和维护功能，使m 网络 通信的q o s 、路由、信令等性能大大提高，达到或接近统计复用定长分组交换 ( a t m ) 的水平，而又比删简单、高效、便宜、适用。i e l 限还在研究新的分 组技术，以便实现q o s 选路。其中正在研究”隧道技术”就是为了实现单向链路的 宽带传送。 另外，如何选择i p 网络传输平台也是近年来研究的一个重要领域，先后出 现了i po v e ra 1 m 、i po v e rs d h 、i po v e rd w d m 等技术，目前公认的宽带网络 分析模型如图2 3 所示。 -用户层 i d 服务层 17 a t m s d h g ed w d m 图2 3 宽带网络分析模型 第一层是基础层，提供高速的数据传输骨干。i p 层向i p 用户提供高质量的， 中山大学硕七学位论文i p 系统关键技术的研究与回声消除技术的实现 具有一定服务保证的i p 接入服务。用户层提供接入形式( 印接入和宽带接入) 和服务内容形式。在基础层，以太网作为i p 网络的物理层，是理所当然的事情， 其中，i po v e rd w d m 是最新技术，具有很大的发展潜力。 密集波分多路复用( d e n s ew 打ed i v i s i o nm u n i p l e x i i l g ，d w d m ) 为光纤网络 注入新的活力，并在电信公司铺设新的光纤主干网中提供惊人的带宽。d w d m 技术利用光纤的能力和先进的光传输设备。波分多路复用的名称是从单股光纤上 传送多个波长的光( l a s e r ) 而得来的。目前的系统能够发送和识别1 6 个波长， 而将来的系统能够支持4 0 曲6 全波长。这具有重要意义，因为每增加一个波长， 就增加了一个信息流。因此可以将2 6 g b i t s ( o c - 4 8 ) 网络扩大1 6 倍，而不必 铺设新的光纤。 大多数新的光纤网络以( 9 6 g b i 怕) 的速度运行，在与d w d m 结合时，在 一对光纤上产生1 5 0 g b i 体以上的容量。另外，d w d m 提供了接口的协议和速度 无关的特征，在一条光纤上可同时支持删、s d h 和千兆以太网信号的传输， 这样和现在已建成的各种网络都可以兼容，因此d w d m 既可以保护已有的投资， 还可以以其巨大带宽为i s p 和电信公司提供了功能更强的主干网，并使宽带成本 更低和访问性更强，这对v 0 i p 解决方案的带宽要求提供强有力的支持。增加的 传输速率不仅可以提供更粗的管道，使阻塞的机会更少，而且使延时降低了许多， 因此可以在很大程度上减少口网络上的q o s 要求。 4 、宽带接入技术 口网络的用户接入已成为制约全网发展的瓶颈。从长期发展看，用户接入 的终极目标是光纤到户( f 1 t 珊) 。光接入网从广义上讲包括光数字环路载波系统 和无源光网络两类。前者主要在美国，结合开放口v 5 1 v 5 2 ，在光纤上传送其 综合系统，显示了很大的生命力。后者主要在日本和德国。日本坚持不懈攻关十 多年，采取一系列措施，将无源光网络成本降低至与铜缆和金属双绞线相近的水 平，并大量使用。特别是近年r r u 提出以a t m 为基础的无源光网络( a p o n ) ， 将a i m 与无源光网络优势互补，接入速率可达6 2 2 mb i t s ，对宽带i p 多媒体业 务发展十分有利，且能减少故障率和节点数目，扩大覆盖范围。目前r i t u 已完 成了标准化工作，各厂家正在积极研制，不久会有商品上市，将成为面向2 1 世 第2 章v 0 i p 系统关键技术的研究 纪的宽带接入技术的主要发展方向。 目前主要采用的接入技术有：p s t n 、i s d n 、a d s l 、c m 、d d n 、x 2 5 和 e t h e m e t 以及宽带无线接入系统等。这些接入技术各有特点，其中发展最快的是 a d s l 和c m ；c m ( c a b l em o d e m ) 采用同轴电缆，传输速率高、抗干扰能力强； 但是不能双向传输，无统一标准。a d s l ( 缸y m m e t r i c a ld i g i t a ll d 0 p ) 独享接入 宽带，充分利有现有电话网，提供非对称的传输速率，用户侧的下载速率可以 达到8 m b i “s ，用户侧的上载速率可以达到1 m b i 帕。a d s l 为企业和各个用户提 供必要的宽带，并极大地降低成本。使用较低成本的a d s l 地区环路，现在公司 能以更高的速度访问i n t e m e t 和基于i n t 唧e t 服务供应商的v p n ，允许更高的v 0 口 呼叫容量。 5 、中央处理单元技术 中央处理单元( c p u ) 在功能、功率和速度方面继续发展，使得多媒体p c 能够广泛应用，并提高了受c p u 功率限制的系统功能的性能。p c 处理流式音频 和视频数据的能力在用户中期待已久，所以在数据网络上传送语音呼叫理所当然 成为下一步的目标。该功能将使先进的多媒体桌面应用和网络组件中的先进功能 都支持语音应用。 2 1 3v b i p 的特点 1 、采用t c 聊p 协议分组交换：将报文分成许多比较短的、有固定格式的分 组进行交换和传输，分组的长度较短，穿过交换机或网络的时间相对较 短，克服了传输延时过大时无法满足实时性要求的问题。 2 、传输的语音必须进行压缩编码：语音通信的数据量较纯数据要大，而且 有实时性要求，而目前源点到目的点的带宽得不到保障。因而需要有一 个采用高效率的低速率读音编码将语音压缩到较小的带宽内传输。 3 、方便地集成智能：继承了计算机网的智能模块，可以灵活地控制信令和 连接，有利于各种增值业务的开发。 4 、开放的体系结构：传输的协议体系是开放式的，有利于各厂商产品的标 1 1 中山大学硕士学位论文v o i p 系统关键技术的研究与回声消除技术的实现 准化和相互连通。 5 、多媒体业务的集成：i p 语音传输网络同时支持语音、数据、图像的传输， 为全面提供多媒体业务打下了基础。 2 2v o i p 关键技术1 2 2 j f 2 4 l 传统的i p 网络主要是用来传输数据业务，采用的是尽力而为的、无连接的 技术，因此没有服务质量保证，存在分组丢失、失序到达和时延抖动等情况。数 据业务对此要求不高，但话音属于实时业务，对时序、时延等有严格的要求。因 此必须采取特殊措施来保障一定的业务质量。v o i p 的关键技术包括信令技术、 编码技术、实时传输技术、服务质量( q o s ) 保证技术、以及网络传输技术等。 2 2 1 信令技术 信令技术保证电话呼叫的顺利实现和话音质量，目前被广泛接受的v 0 i p 控 制信令体系包括i t u t 的h 3 2 3 系列和匝t f 的会话初始化协议s i p 。 r r u 的h 3 2 3 系列建议定义了在无业务质量保证的h l t e m e t 或其它分组网络 上多媒体通信的协议及其规程。h 3 2 3 标准是局域网、广域网、i i l t i _ a n e t 和i n t e m e t 上的多媒体提供技术基础保障。h 3 2 3 是r r u t 有关多媒体通信的一个协议集， 包括用于i s d n 的h 3 2 0 ，用于b i s d n 的h 3 2 1 和用于p s t n 终端的h 3 2 4 等 建议。其编码机制，协议范围和基本操作类似于i s d n 的q 9 3 l 信令协议的简化 版本，并采用了比较传统的电路交换的方法。相关的协议包括用于控制的h 2 4 5 ， 用于建立连接的h 2 2 5 ，用于大型会议的h 3 3 2 ，用于补充业务的h 4 5 0 1 、h 4 5 0 2 和h 4 5 0 3 ，有关安全的h 2 3 5 ，与电路交换业务互操作的h 2 4 6 等。h 3 2 3 提供 设备之间、高层应用之间和提供商之间的互操作性。它不依赖于网络结构，独立 于操作系统和硬件平台，支持多点功能、组播和带宽管理。h 1 3 2 3 具备相当的灵 活性，支持包含不同功能的节点之间的会议和不同网络之间的会议。h 3 2 3 建议 的多媒体会议系统中的信息流包括音频、视频、数据和控制信息。信息流采用 h 2 2 5 建议方式来打包和传送。 第2 章v o i p 系统关键技术的研究 h 3 2 3 呼叫建立过程涉及到三种信令：r a s ( r e g i s t r a t i o na d m i s s i o ns t a t u s ) 信 令，h 2 2 5 呼叫信令和h 2 4 5 控制信令。 r a s 信令用来完成终端与网守之间的登记注册、授权许可、带宽改变、状 态和脱离解除等过程； h 2 2 5 呼叫信令用来建立两个终端之间的连接，这个信令使用q 9 3 1 消息来 控制呼叫的建立和拆除，当系统中没有网守时，呼叫信令信道在呼叫涉及的两个 终端之间打开；当系统中包括一个网守时，由网守决定在终端与网守之间或是在 两个终端之间开辟呼叫信令信道： h 2 4 5 控制信令用来传送终端到终端的控制消息，包括主从判别、能力交换、 打开和关闭逻辑信道、模式参数请求、流控消息和通用命令与指令等。h 2 4 5 控 制信令信道建立于两个终端之间，或是一个终端与一个网守之间。 此外，h 3 2 3 不支持多点发送( m u l t i c a s t ) 议，只能采用多点控制单元( m c u ) 构成多点会议，因而同时只能支持有限的多点用户。h 3 2 3 也不支持呼叫转移， 且建立呼叫的时间比较长。 2 2 2 编码技术 话音压缩编码技术是i p 电话技术的一个重要组成部分。目前，主要的编码 技术有r r u t 定义的g 7 2 9 、g 7 2 3 等。其中g 7 2 9 可将经过采样的6 4 k b i t s 话 音以几乎不失真的质量压缩至8 k b i 怕。由于在分组交换网络中，业务质量不能 得到很好保证，因而需要话音的编码具有一定的灵活性，即编码速率、编码尺度 的可变可适应性。g 7 2 9 原来是8 k b i t s 的话音编码标准，现在的工作范围扩展至 6 4 1 1 8 k | b i 体，话音质量也在此范围内有一定的变化，但即使是6 4 k b i 临，话音 质量也还不错，因而很适合在v o i p 系统中使用。g 7 2 3 1 采用5 3 6 3 k b i 以双速 率话音编码，其话音质量好，但是处理时延较大，它是目前已标准化的最低速率 的话音编码算法。 此外，静音检测技术和回声消除技术也是v o 口中十分关键的技术。静音检 测技术可有效剔除静默信号，从而使话音信号的占用带宽进一步降低到3 5 k b i 佻 左右；回声消除技术主要利用数字滤波器技术来消除对通话质量影响很大回声干 扰，保证通话质量。这点在时延相对较大的i p 分组网络中尤为重要。 中山大学硕上学位论文、b i p 系统关键技术的研究与回声消除技术的实现 2 2 3 实时传输技术 实时传输技术主要是采用实时传输协议r t p 。r t p 是提供端到端的包括音频 在内的实时数据传送的协议。r t p 包括数据和控制两部分，后者叫r t c p 。r t p 提供了时间标签和控制不同数据流同步特性的机制，可以让接收端重组发送端的 数据包，可以提供接收端到多点发送组的服务质量反馈。 2 2 4q o s 保障技术 v o 口中主要采用资源预留协议( r s v p ) 以及进行服务质量监控的实时 传输控制协议r t c p 来避免网络拥塞，保障通话质量。 2 2 - 5 网络传输技术 v o i p 中网络传输技术主要是t c p 和u d p ，此外还包括网关互联技术、路由 选择技术、网络管理技术以及安全认证和计费技术等。由于实时传输协议r 即 提供具有实时特征的、端到端的数据传输业务，因此v 0 i p 可用r t p 来传送话音 数据。在r t p 报头中包含装载数据的标识符、序列号、时间戳以及传送监视等， 通常r t p 协议数据单元是用u d p 分组来承载，而且为了尽量减少时延，话音净 荷通常都很短。口、u d p 和r t p 报头都按最小长度计算。v 0 疋话音分组开销很 大，采用r t p 协议的v 0 i p 格式，在这种方式中将多路话音插入话音数据段中， 这样提高了传输效率。 2 3v o i p 系统基本协议 现行的v 0 i p 协议主要有以下三个：h 3 2 3 、s i p 和m g c p 瓜2 4 8 。 2 3 1h 3 2 3 【7 h 3 2 3 是i t u t 研究开发的i p 网络实时多媒体通信标准协议族。h 3 2 3 是一 个框架协议，由呼叫控制、媒体编码、管理控制、网络安全和会议通信等一系列 协议组成，不但包括i p 电话应用，而且还包括了i p 视频和数据应用以及多媒体 1 4 第2 章v 0 i p 系统关键技术的研究 会议应用。其主要目的是实现位于不同网络中的终端之间的音视频交互通信，这 主要通过网关进行双方信令和媒体的互相转换问题。h 3 2 3 建议标准比较成熟， 现已称为v o i p 公认的国际标准，在工业界广为使用。 h 3 2 3 提供设备之间、高层应用之间和提供商之间的互操作性，它不依赖于 网络结构，独立于操作系统和硬件平台，支持多点功能、多播和带宽管理。h 3 2 3 同时具备相当的灵活性，支持不同功能的节点之间的会议和不同网络之间的会 议。h 3 2 3 的缺点是标准过于复杂，产品过于昂贵，且不能与s s 7 集成，扩展性 较弱。 2 0 2s i p 【8 】 会话初始化协议( s e s s i o ni n i t i a t i o p m t o l ，s 口) 由i e ，i f 提出，可在h l t e m e t 终端之间建立会话的一个应用层控制协议。 和h l t e m e t 的其它协议类似，s 口的出现，是基于计算机世界的客户一服务器 理念，终端具有较高的智能性，可以独立请求、建立连接，并支持单播、组播和 移动性，网络只是为其提供路由、认证等业务。此外，s i p 还可以与s d p ( 会话 描述协议) 配合，动态调整和修改会话属性，如通话带宽，传输媒体类型及媒体 编码格式，而且采用文本格式，开发人员容易理解。 s i p 和h 3 2 3 相比具有较好的功能扩充性和网络可扩展性，易于实现，管理 简单。作为移动通信标准化组织的3 g p p 已经决定在s i p 协议基础上建立第三代 移动通信的全口网络，并要求未来的3 g 终端支持s i p 。s i p 的缺点是不够完善， i e t f 正不断进行修改和扩充，以满足实际应用的需要。此外s i p 单独应用的范 围较窄，需要和其它协议配合使用。 2 3 3m g c p ，h 2 4 8 1 9 】 随着网络开放需求的增加，提出了将h 3 2 3 网关分解的解决方案，即呼叫控 制和媒体处理相分离，其中呼叫处理部分由软交换或媒体网关控制器实现，媒体 处理部分由智能终端或媒体网关实现，m g c p 和h 2 4 8 则为这两者之间的通信协 中山大学硕士学位论文v o l p 系统关键技术的研究与回声消除技术的实现 议。 m g c p h 2 4 8 与h 3 2 3 和s i p 在不同的技术层面上。h 3 2 3 建议和s i p 协议 提出了两套完全独立的、不相兼容的口电话体系结构，二者之间且存在互通问 题。而m g c p 不仅可以用于h 3 2 3 i p 电话系统，也可以用于s 口的i p 电话系统， 其实际上将网关分解成媒体网关( m g ) 与媒体网关控制器( m g c ) 两个逻辑单 元，为将来满足大容量电信级的i p 电话接入，发展智能多媒体业务提供支持。 m g c p 于1 9 9 8 年提出，其随后被纳入，r fr f c 2 7 0 5 。其优点是其解决方案 有利于网关的互连，适合构建大规模网络，且由于可以和s s 7 信令网关配合工作， 可以和s s 7 网良好集成。m g c p 已经得到大量应用，是一个相对成熟的协议。 h 2 4 8 是2 0 0 0 年由f r u t 的s g l 6 工作组和m t f 的m e g a c o 工作组将m g c p 和m d c p 两协议融合发布。除具备m g c p 的优点外，h 2 4 8 可以支持更多类型 的接入技术并支持终端的移动性，允许的规模更大，更具灵活性。h 2 4 8 可能成 为m g c p 的取代协议。 1 6 第3 章回声消除技术的原理和算法 第3 章回声消除技术的原理和算法 3 1 回声的产生m 根据回声的产生原因，