（信号与信息处理专业论文）voip的qos保障技术研究.pdf

重庆邮电学院硕士论文 摘要 由于制订i p 时并没有针对实时语音传送的特点，因而i p 网络的交换能力不 足以使数据网络达到通信级水平的稳定传输。如何保证v o l p 的语音服务质量成 为一个不容忽视的、迫切需要解决的重要问题一一即v o l p 的q o s 保障的实现是 v o l p 发展的关键问题，对v o l p 的q o s 的研究成为业界研究的热点。本文就是研 究如何保障v o l p 的端到端的q o s 。 首先，作者阐述了v o l p 的一些基本知识以及v o l p 的相关协议标准。重点介 绍了v o i p 的通信原理、实现方式、系统组成，并详细分析了影响v o i pq o s 的主 要因素及其主要q o s 技术参数。在v o l p 系统中，技术标准是十分重要的，因此 本文深入分析了v o l p 的两大重要标准h 3 2 3 、s i p ，以及用于保证v o l pq o s 的 r t p r t c p 、r s v p 协议。 然后，作者在现有v o l pq o s 保障技术的基础上，分别从语音处理上和i p 网 络上对v o i pq o s 保障技术进行了深入的研究与探讨。在语音处理上，本文先分 析了语音处理上的常用技术，包括低速率编码压缩技术、静音压缩技术、包头压 缩技术、前向纠错技术以及抖动缓冲策略：然后提出一种基于r t p 的自适应抖 动处理技术，通过动态调整缓冲器容量来达到时延和抖动之间的优化；最后提出 一种基于r t p 的传输速率自适应调整算法来控制丢包率，本文还讨论了这种算 法的实际应用一一自适应变速率语音编码器，并对其实现技术进行了研究。在i p 网络上，本文提出一种集成i n t s e r v 、d i f f s e r v 以及m p l s 的服务模型，对这种集 成模型的基本结构、主要组成部件及q o s 实现技术进行了深入研究和分析，并 重点讨论了在这种集成模型上传输v o l p 业务时的q o s 实现技术。 对v o i p 端到端q o s 保障技术的研究构成全文的重点内容。 关键词：v o l p ，服务质量，h 3 2 3 ，实时传输协议，资源预留协议，集成模型 重庆邮电学院硕士论文 a b s t r a c t b e c a u s eo fn o tc o n s i d e r i n gt h ef e a t u r eo fr e a l - t i m ev o i c et r a n s m i s s i o nw h e n d e s i g n i n gi n t e r a c tp r o t o c o l ( i p ) ，t h es w i t c i l i n ga b i l i t yo fi n t e r a c tc a n n o te m b l et h e d a t an e t w o r kt oa c h i e v es t a b l et r a n s m i s s i o no fc o m m u n i c a t i o nl e v e la n dt h ec a l l q u a l i t yc a n n o tb eg u a r a n t e e dw i t i ie a s e t h e r e f o r e t h er e s e a r c ht o w a r d sv o l pq o s b e c o m e sah o ti s s u ei nt e l e c o m m u n i c a t i o ni n d u s t r y 1 1 1 i sp a p e rd e a l sw i t ht h e p r o b l e m s o nh o wt og u a r a n t e et h ee n d - t o - e n dq o so f v 6 ip a tf i r s t ，t h ea u t h o re x p o u n d ss o m ee s s e n t i a lk n o w l e d g eo fv o l pa n dr e l e v a n t p r o t o c o la b o u tv o w , m a i n l yi n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fc o m m u n i c a t i o n ，t h ew a y so f r e a l i z a t i o na n dt h ec o n s t i t u t i o no fs y s t e ma b o u tv o i p , a n de l a b o r a t e st h ep r i m a r y r e a s o nw h i c hw o u l di m p a c tv b i pq o sa n di t sc h i e fq o st e c h n i c a lp a r a m e t e r s t h i s p a p e ra l s oe l a b o r a t e st w oi m p o r t a n t s t a n d a r d so fv o l p , h 3 2 3a n ds i p , a n dt h e p r o t o c o l so f r t p r t c p a n dr s v p , w h i c ha r eu s e dt oe l 毽l l r ev o l pq o s 1 1 l e n ，t h ea u t h o rc o n d u c t ss o m ed e e pr e s e a r c ha n dd i s e u s s i o no nv b i po o si n t e r m so fv o i c ep r o c e s s i n ga n di n t e r n e tr e s p e c t i v e l y r e g a r d i n gt h ev o i c ep r o e e s s i n g ， t h i sp a p e rf i r s t l ya n a l y s e sv o i c e c o m p 他s s c dc o d i n gt e c l - n o l o g y , v a d ，f e c ，c r t p , a n dd e l a y - j i t t e rp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t h e nh ep r e s e n t sa na d a p t i v e j i t t e rp r o c e s s i n g t e c h n o l o g yb a s e do nr t p , w h i c hc o u l da t t a i nt h eo p t i m i z a t i o nb e t w e e nt h er e d u c i n g o ft h ee n d - t o - e n dt r a n s m i s s i o nd e l a ya n dd e l a yj i t t e rv i aa d a p t i v e l yc h a n g i n gt h e v o l u m eo ft h ed y n a m i cb u f f e r a tl a s th ea d v a n c e sa nr t p b a s e dt r a n s m i s s i o nr a t e a d a p t i v ea r i t h m e t i ct oc o n t r o lt h ep a c k e t - l o s i n gr a t e m o r e o v e r , h ea l s od i s c u s s e st h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o no f t h i sa r i t h m e t i c - a d a p t i v ev a r i a b l e - b i t - r a t ec o d e e i ni n t e m e t , t h i sp a p e rp r e s e n t sas e r v i c em o d ei n t e g r a t e d 、】l ，i 血i n t s e r v , d i f t s e r v a n dm p l s ，a n dd o e sd e e pr e s e a r c ha n da n a l y s i st o w a r d st h eb a s i cs t r u c t u r ea n dm a i n c o m p o n e n t so ft h i si n t e g r a t e dm o d ea n dq o sr e a l i z a t i o nt e c h n o l o g y , t h e nh em a i n l y d i s c u s s e st h eq o sr e a l i z a t i o nt e c h n o l o g yw h e nt r a n s m i t t i n gt h e 、，o i ps e r v i c ei nt h i s i n t e g r a t e dm o d e i naw o r d , t h er e s e a r c ht o w a r d sg u a r a n t e e i n ge n d - t o - e n dq o so fv o i pc o m p o s e s t h ek e yc o n t e n to f t h i sp a p e r k e yw o r d s ：v o i p ，q o s ，i t 3 2 3 ，r t p ，r s v p ，i n t e g r a t e d m o d e 1 v 重庆邮电学院硕士论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得重庞邮电堂跪或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：c 彩魄签字日期：7 , 卵l b 年歹月沙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重废邮电堂院有关保留、使 用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 重麽由e 电堂瞳 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： ( 虱硬 签字日期：伊埠年，月俨日 。口 少 闪场1 月 r 9 一l l 、炒f、哆戤 重庆邮电学院硕上论文 1 1 引言 第1 章绪论 v o l p ( v o i c eo v e ri p ) 俗称i p 电话( i n t e m e tp r o t o c o lp h o n e ) ，也叫网络电话， 是利用i p 网络实现语音通信的一种先进通信手段。它利用电话网关服务器之类 的设备将话音数字化，将数据压缩后打包成数据包，通过i p 网络传输到目的地； 目的地收到这一串数据包后，将数据重组，解压缩后再还原成声音。这样网络两 端的人就可以昕到对方的声音。 众所周知，基于交换机采用电路交换的公众电话交换网( p u b l i cs w i t c h e d t e l e p h o n en e t w o r k ，p s t n ) 最初是为传输语音设计的，而基于路由器采用分组 交换的l p 网( i n t e r n e t i n t r a n e t e x t r a n e t 等) 则是为传输数据设计的。但由于在电 话网上打电话特别是打国际长途电话，其通话费用极高，为此，数据网络专家考 虑能否利用i n t e m e t 廉价的上网费和全世界无处不能的特点来传输语音，这样长 途话费可降至传统电话网的l 1 0 l 5 。 1 9 9 5 年初，以色列的v o c a l t e c 公司推出了客户端l p 电话软件一一“i n t e m e t p h o n e ”，i p 电话从此以耀眼的光彩粉墨登场。尽管c a l t e c - - j t ：始没有能够很 好地诠释在i p 上传送语音的概念，但它无疑是第一个成功地使用i p 电话商用化 并将其推向市场的公司。 1 9 9 6 年，i t u t 通过了局域网上支持可视电话通信的网络协议一一h 3 2 3 1 1 1 ， 成为i p 网络电话系统的公共规范，为i p 电话系统进入p s t n 奠定了协议框架。 同时，i e t f 也推出了i p 电话通信的网络协议切始会话协议( s e s s i o ni n i t i a t i o n p r o t o c o l ，s i p ) 弘1 ，继推出这些协议后，不同运营商之间的互操作性问题以及向 i p 网络上的多媒体通信演进方式成为目前i p 网络标准化工件的重点。 v o l p 技术从出现到现在，时间虽然不长，但发展却非常迅速。国际上，v o l p 电话研究机构i l o c u s 的研究报告表明口i ，2 0 0 1 年全球平均每个月要处理1 0 亿分 钟的v o l p 业务，全年收入达1 7 亿美元，全球v o i p 电话业务综合收入到2 0 0 4 年 将达到 9 0 亿美元，国际长途将占i p 业务市场的7 5 ，在2 0 0 8 年可能会占到全 球电话用户的2 7 ；国内，2 0 0 2 年的v o l p 电话业务总量超过1 0 0 亿分钟；据我 国信息产业部最新统计显示，目前的长途电话市场，i p 电话已经切走了7 0 的 国际长途、6 6 的港澳台长途以及5 7 的国内长途市场份额。 目前。下一代电信网的基本特征已经浮出水面。即使对分组技术持保守看法 的人们也都同意，在未来几年里，融合语音、数据和视频应用的数据网络技术将 成为电信运营商的核心网络技术1 4 l 。电信运营商和电信设备制造商目前已达成共 识：i p 协议体系可使各种电信业务和应用在同一分组数据网上实现。人类历史 重庆邮电学院硕士论文 上首次具有统一的，为电信网、计算机网和有线电视网三大业务网都能接受的端 到端通信协议，从而为实现下一代以i p 为核心技术的电信网的发展目标奠定了 最孥实的基础。低廉的通信费用及投资费用是v o l p 电话发展仞级阶段的优势， 但其提供更多的增值服务和对今后的“三网合一，统一于i p 网络”来说，j 是 v o l p 系统存在的真正价值所在。 v o l p 广泛的应用前景和巨大的商业价值促使业界对其产生了巨大的开发热 情，然而v o l p 面临的挑战也是未有的。v o l p 与传统电话语音相比，具有许多优 越性，但是也存在一些问题。首先是语音质量无法得到保证：其次是标准的统一 问题；此外，还有各网络互连、i ) 电话运营商之间的业务互通和结算等问题。 目前v o i p 的服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 是用户和运营商普遍关注 的焦点问题，提高v ( ) l p q o s 已经成为运营商增强在v o i ，市场上竞争力的一个最 重要的因素。如何在一个无连接的网络上对传输的语音信号提供质量保证也是市 场提出的最迫切需要解决的关键问题，由此使得v o l p 勺q o s 研究成为当f i i j - t 分 活跃的前沿研究领域。本文就是研究如何保障v ( ) i p 的端到端( 4 0 s 问题。 1 2v o i po o s 的研究意义及技术现状 o o s ，是指为保证所提供业务的质量达到相应标准而采用的一系列措施的技 术总称。i p 是一种无连接技术，对于每个分组均根据当时网络的状态独立的选 路，一个通信过程中的各个分组般来说会走不同的路线，经历不同的时延，这 对于只要求准确率而对时延没有严格要求的数据业务是合适的，但对于语音、视 频等实时通信业务来说显然是有问题的，它们的q 【) s 难以 ：导到保证。在i p 网络 中，q o s 的作用是保证在会话建立和会话过程中，其带宽、包丢失率、延时和抖 动处在一定的范围限制内，以保障连接和会话的质量。 v o i l 的q o s 直接反映了i p 电话中语音的质量，包括可懂性、清晰度等方面， 也就是说q o s 直接反映了v o i p 的效果和人们对lp 语音的满意程度。衡量v o f p 的o o s 的主要参数有：带宽、时延、抖动( 时延变化) 、包丢失( 差错效应) 、有 效性( 可靠性) 等。带宽是影响语音服务质量的晟关键的因素，成为v o i p 发展 的“瓶颈”，语音质量的不稳定，往往是由于网络带宽的限制。虽然i n t e r n e t 的固有带宽不断的提高，i p 技术可将一路电话压缩到8 k b p s 甚至更低，但由于 i n t e r n e t 是一个公众信息网络，用户众多，而且数据业务和用户数都在急剧增 长，不能保证有足够的带宽用来传输语音包。因此，必须采用一定的措旌和技术 来保障v o i p 的o o s 。从图1 1 中。我们可以看到有o o s 和没有q o s 两种情况下 的v o i p 语音的传输质量的对比。当线路处理低负载运行时，两种方式下的v o i p 都保持了较高的质量水平：而当线路紧张、甚至处于自目塞状态时，带有o o s 的 重庆邮电学院硕士论文 v o i p 仍然具有很高的质量值而没有q o s 保证的v o i p 质量很差。 带口o s 1 1 0 拥塞1 0 0 9 0 8 0 7 0 链路饱和6 0 度( ) 5 0 4 0 3 0 2 0 失载1 0 0 商质霹 质量 ( p s o m ) j 低质量 盯州线 图1 1q o s 的功能 目前，在语音处理上保障v o i p 的o o s 技术主要有：压缩编码技术、抖动处 理技术、前向纠错技术、包头压缩技术、静音压缩技术等。语音压缩编码技术的 目的是为了使用较少的带宽产生较低的延时，i t u t 定义的编码技术主要有的 g 7 2 9 1 5 1 、g 7 2 8 1 “、g 7 2 3 i t 7 i 等，能将6 4 k b p s 话音以几乎不失真的质量压缩至 8 k b p s 甚至更低。语音抖动处理技术就是在接收端设置设置缓冲区，当语音包到 达时首先进入缓冲区暂存，系统以稳定平滑的速率将语音包从缓冲区中取出、解 压、播放给受话者。前向纠错技术( f o r w o r de r r o rc o r r e c t i o n ，f e c ) 是网关采 用的项保证音质的技术，通过在同一语音包内加入冗余数据或在每一个语音包 中存放后续包的冗余数据来减少丢包，以保证v o l p 的通话质量。包头压缩技术 可以把4 0 字节的i p + r t p + u d p 分组关压缩为2 到4 字节，相应减少点到点链路 上每路语音呼叫的带宽需求。静音压缩技术即语音状态检测( v o i c ea c t iv i t y d e t e c t i o d ，v a d ) ，用于检测语音状态，当语音信道空闲时，不发送数据包或只发 送较短的信息包，将部分带宽收回，提高带宽利用率。、恿过这些技术的使用能有 效的保障在i p 网络传输语音业务的服务质量，但也存在些问题和不足，如采 用低比特率的语音压缩编码技术有效的降低了带宽的需求，但同时增加大了肘 延；抖动处理有效消除了语音抖动，但却增加了时延，而且固定的缓冲区大小对 不稳定的i p 网络来说缺乏灵活性：f e c 可以控制丢包率，但相应增加了多达3 0 的网络带宽。 在ip 网络上主要有三种保障q o s 服务模型：综合服务( i n t s e r v ) 8 1 、区分 服务( d i f f s e r v ) 一l 以及多协议标签交换( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ，m p l s ) u 0 l 。i n t s e r v 借用传统电路交换思想，在基于i p 的呼叫两端，先通过信令建立 一条虚连接链路，然后呼叫双方的报文都经过j 比链路传递，从而达到保证传输质 量的目的。o i f f s e r v 则是传统路由思想的延伸，它把流经路由器的数据包按照 一定的优先级分类，然后按照优先级膊序将数据包转发至下一跳路由器。这两种 思想各有千秋，也各有弊端。i n t s e r v 要为每一路呼叫都建立一条虚链路，相应 重庆邮电学院硕士论文 地网上的路由器都要为每条虚链路维护一个状态，这使i p 网络良好的扩展性优 点大打折扣。而且每次呼叫前都必须进行的信令传递过程也很耗费带宽。 d i r f s e r v 的问题在于，它只着眼于网络中的单个路由器，缺乏全网观念，它只 为进入当前路由器的报文设置不同的优先级，而并不关心此报文即将到达的下一 跳路由器的状态如何。在网络没有拥塞时，不同优先绥的数据包按部就班发送， 没有问题，而一旦网络发生拥塞，即使采用d i f f s e r v ，报文无论优先级多高， 一样会被阻塞。m p l s 被称为是下一代最具竞争力的通信网络技术，是一种在开 放的通信网上，利用标签引导数据高速、高效传输的技术。它在一个无连接的网 络中引入了连接模式的特性，减少了网络的复杂性，兼容现有的各种主流网络技 术，能降低5 0 的网络成本。在提供业务时能够确保“c ) s 和安全性，并具有 流量工程( t r a f f i cf , n g in e e r i n g ，1 、f ：) 【l ”能力。因此，1 1 1 网络几种q o g 解决方 案采取了不同的方法，各有一定的优点，但也都存在一些缺点和不足之处，无法 保证端到端的q o s ，但它们有很强的互补性。 1 3 本文的主要研究内容 v o i p 语音质量的控制技术主要包括三个方面：一是采用注册许可机制来限 定网络登录的用户数，以防止产生资源缺乏现象，导致语音质量进一步降低：二 是采用交换优先机制，为语音数据优先预留资源；三是在v o i p 系统中引进自适 应策略，通过监测网络资源的变化，再根据变化情况来做相应的技术调整。 针对v o l p 存在的服务质量问题及现有技术的不足之处，根据上述三种控制 技术，本文分别从语音处理上以及i p 网络上对确保v o l p 的端到端的o o s 进行研 究，并提出一些策略和技术来保障v o i i ，的q o s 。 在语音处理上采用基于线性预测合成分析的低速率编码技术，来减少 传输速率，以使用较少的带宽产生较低延时，以提高语音质量；提出基于实时传 输协议( r e a l t i m et r a n s m i s s i o np r o t o c o l ，r t p ) i 1 2 1 的抖动自适应处理技术，在 端到端传输时延容限和时延抖动容限内，利用r 1 、p 协议通过实时传输控制协议 ( r e a l t i m et r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l ，r t c p ) 报告提供的网络当前状态信 息来自适应的改变接收缓冲区的大小，从而在保证时延的情况下消除抖动；提出 基于r t p 的传输速率自适应调整算法，来控制丢包率，并讨论该算法的实际应 用一种白适应变速率编码器，用于i p 电话网关处来控制丢包率。 在i p 网络上通过对现有的几种q o s 模型的分析，针对几种模型各自的 优、缺点及互补性，提出一种集成i n t s e r v 、d if f s e r v 以及m p l s 的服务模型， 来保证v o i p 的传输实时性和较低的丢包率。随着研究的深入，人们渐渐意识到， 只靠目前存在的某一个q o s 体系是无法全部解决i pq o s 问题的，应该将i n t s e r v 4 重庆邮电学院硕士论文 和d i f t s e r v 二者思想结合，既有由动态信令机制带来的灵活性，又有按业务进行 流分类的简单性。然后，再辅以流量工程以及改进传统最短路径路由方式的技术。 这样的方案才是完美的。 通过一系列的技术和策略的实施，经过实验或仿真，能够保障v o i p 的端到 端的q o s ，满足客户对其服务质量的要求。对v o l p 端到端的o o s 的研究构成了 本文的重点内容。如无特殊说明，本文都是以基于h 3 2 3 网关的v o l p 系统进行 分析和研究的。 1 4 论文的组织与结构 本文紧紧围绕如何保障v o l p 的端到端的q o s 进行研究。在分析和介绍v o l p 的基本知识及相关协议标准的基础上，分别从语音处理上以及i p 网络上保障 v o l pq o s 技术展开了深入的研究，针对现有的v o l pq o s 保障技术缺点和不足之 处，提出了一些控制算法、自适应策略以及集成服务模型，并对其进行实验和仿 真。文章的具体组织安排如下： 第一章：绪论。主要介绍v o l p 的概念、产生、发展、存在的问题，v o l p q o s 的研究意义和技术现状，以及论文的主要研究内容及方法。 第二章：v o l p 的基本知识概述。分别介绍v o l p 的通信原理、实现方式以及 系统组成，并着重分析和讨论了v o l p 的q o s 问题。 第三章：v o l p 的相关协议标准。介绍了v o l p 的栩关组织，实现v o l p 两大 技术标准h 3 2 3 和s i p ，并分析了本文的理论基础r t p r t p 、r s v p 协议的基础 结构和工作原理。 第四章：v o l p 在语音处理上的q o s 保障技术。讨论了v o l p 中常用的语音编 码压缩技术、静音压缩技术、r t p 包头压缩技术、前向纠错技术以及抖动缓冲策 略；提出了基于r t p 的抖动处理自适应技术以及基于r t p 的减少丢包率的控制 算法，并提出一种自适应变速率语音编码器，来消除抖动和控制包丢失。 第五章：v o l p 在l p 网络上的q o s 保障技术。分析了i p 网络上现有几种q o s 服务模型，提出一种集成i n t s e r v 、d i f f s e r v 以及m p l s 的服务模型，分析了其组 成、结构及主要组件进行详细分析，并着重讨论了在这种集成模型上传输v o l p 业务时如何实现的其q o s 的保障技术。 第六章：全文总结。主要对全文工作进行总结。 重庆邮电学院硕士论文 第2 章v o i p 的基本知识概述 i n t c m e t 是当今应用最广泛、发展最迅速的通信网络，它是基于数据包方式 的数据分组交换网络。一般来说，i n t e m e t 比较适宜于数据的传输，但视频、音 频信号经过模数转换后可以变成数字信号，这些数据应该也能在i n t e r n e t 上传递， 那么数字化的视频、音频信号在i n t e m e t 上传递，最终是否可以达到预期的效果? 特别是众所瞩目的语音通信，也就是当今的热门话题一一v o i p ，更是业界关注的 焦点。 本章主要对v o l p 的棚关基本知识进行介绍。首先介绍了v o l p 的通信原理、 v o l p 的实现方式，然后介绍了基于网关的v o l p 的系统组成，最后介绍了影响语 音质量的主要原因，并详细分析v o i p 的主要q o s 技术参数。 2 1v o l p 的通信原理 下面我们以拨号上网为例，说明v o l p 在i n t e r n e t 上实现语音通信的最简啦 的方式一p c t o p c 的通信原理，如图2 1 所示。 图2 1v o i p 的通信原理 基本通信过程为：首先，双方用户都通过计算机向因特网业务提供商 ( ir l t e r n o ts e r v i c e sp f o v i d e r ，i s p ) 发出业务请求，i s p 经过身份认证后，与 计算机建立连接，并为计算机提供数据转发。呼叫开始后，发送端通过语音输入 设备( 话筒等) 将语音信号传送到计算机，计算机经过处理( 模数转换、压缩、 打包) 形成i p 包，然后通过 s p 发送到i n t e r n e t 上。【p 包内含目的地址信息， 供i n t e r n e t 选路用。数据到达接收端后，由接收方i s p 转接到被叫终端。然后， 被叫端计算机将i p 数据包经过处理( 拆包、解压、数模转换) 还原成语音信息， 经由语音输出设备( 音箱、耳机等) 发出。这样就完成了一个i n t e r n e t 语音通 信过程。 与电路交换的语音通信不同，i n t e r n e t 语音通信是面向无连接的，它具有 如下特点： 重庆邮电学院硕士论文 通信双方不需要进于亍链路建立的初始化过程，可以随时发送数据。 ，i n t e r n e t 内所有路由都是共享的，接入in t e r n ( t 的计算机均不独占路 由。 ，由于数据包需要排队传输，会产生延迟。 ，用户计算机至i s p 的通信通过p s t n ，所以仍然会独占该段通信路由。 由于i p 电话是基于i n t e r n e t 传输的，所以i p 电话的通信原理与i n t e r n e t 数据通信原理很类似区别在于前者要考虑和p s t n 的连接，所以也存在链路建 立和控制方面的问题。 2 2v o i p 的实现方式 v c ) l p 技术自问世以来，在技术上逐步成熟。短短几年，它已经由最初的p c t o p c 发展到目前最实用的p h o n e - t op h o n e ，并逐渐走入电信市场。v o i p 的 实现方式主要有以下几种【i j | ： 1 p c - t o p c 这是初期采用的一种方式，它以多媒体技术为基础，建立在网对网的架构上， 在技术上较容易实现，但对于用户的要求比较高。通话双方的计算机均须登录到 网络上还要有全双工声卡、话筒等设备，并安装相同的电话软件。通话时两台 计算机均要上网，登录到相应的网络服务器上，并运行网络通话软件。由于它的 技术背景比较简单，使用方法比较复杂，所以效果不好，债台高筑适合于网络爱 好者个人使用，不能作为公共电话服务的手段推广使用。早期的i n t e r n e tp h o n e 就是此类产品的代表。 2 p c t o p h o n e 、p h o n e t o p c 作为主叫方的计算机必须上网，而被叫方使用普通电话即可。通话时，主叫 方登录到与对方电话网相连的i p 电话网关服务器。主叫方的呼叫信号通过 i n t e r n e t 到达服务器后，自动转接到被叫方的电话上建立链路后，双方即可 像普通电话一样交谈。运行软件时，要预先登记用户名、口令及对方的电话号码。 而且，要使用它，通常需预付一定的费用或提供信用卡号码。n e t 2 p h o n e 便是此 类产品的代表。p h o n e t op c 的通信过程与之相反。 3 p h o n e t o p h o n e 这种形式出现得比较晚，是使用最简便、最容易被人们接受的方式，也是技 术背景最复杂的一种。如今，这种产品很多，实际性能差别很大，大致可分为3 种类型： ( 1 ) 双方电话各配置一个类似于m o d e m 的设备，通话双方通过它登录到 i n t e r n e t 上，首次通话前进行一次启用注册后，每次通话只需简单的操作便能 重庆邮电学院硕士论文 像普通电话一样交谈。它的优点是用户不必直接操作计算机。如美国的：、p l i ofr l c 公司生产的a p 【i o p h o n e 系列产品，体积如同普通电话机大4 、，有【n t e r n el 账 户的用户即可利用它通过l nl e r n e t 进行交谈。 ( 2 ) 两端都没有计算机与电话连接，而是通过“桥接器”的设备进行通话。 它可以把普通模拟电话的音频信号流转换成分组数据，送入l n t 吖n e t 传输。“桥 接器”可直接插入i n t e r n e t i n t r a n e t 。有些“桥接器”本身还具有小型交换机 的功能，是一种小型智能t p 电话系统。目前已有很多公司介入“桥接器”市场。 如美国的l o u c h w a r eif 1 c ，它研制的i p 电话产品w e b 、；w it c h 是含有p b x 功能的 智能i p 电话系统，可直接插入公司的l a n 或i n t e r n e l 。这种“桥接器”目前已 发展为i i 电话机，直接接入l p 网络上进行通话。 ( 3 ) 利用r p 电话网关服务器进行通话，如图2 2 所示。刚关服务器一端与 i n t e r n e t 相连，另一端与当地的p s t n 相连。用户不需要申请 n le r n e i 帐号， 打电话时拨一个特殊的号码( 接入号) 即可连到服务器。它使用起来就像国内的 2 0 0 卡一样，经过身份验证后，即可直接输入对方的电话号码。服务器收到被叫 号码后，通过i n t e r n e t 与被叫方当地的相关服务器建立连接。对方服务器收到 呼叫后立刻接通本地被叫电话号码。 不管如何分类，所有i p 电话的目的只有一个，即利用i n te r n e t 传送语音。 从目前i p 电话的现状和发展的趋势来看，使用基于【p 电话网关服务器的i p 电 话技术对于用户来说是最便捷的方法，是i p 电话发展的最佳途径。这种方式是 大型电信运营商普遍采用的通信方式，本文对v t ，【pq o s 的研究除特殊说明外， 都是基于这种通信方式的。 冒古 电话 网守 图2 2v o i p 系统的基本组成 2 3 电信级v o l p 系统组成 重靠湘 一 电话 v o i p 系统采用网关技术，网关的一边连接到传统的电路交换网，如p s t n 重庆邮电学院硕士论文 可与外部任意一台电话机通信：网关的另一边连接到ip 包交换网，如i n t e r n e t 、 in t r a n e t 、e x t r a n e t 等。在整个v o i p 系统中，网关设立在世界上各个地区，完 成当地电话网与ln t e r n e t 的接入与转换处理等。网关接收到标准电话信号后， 经数字化、编码、压缩处理，按i p 打包到i n t e r n e t 上，根据传输路由，通过 i n t e r n e t 发送到接收端网关：反之网关接收到了i n t e r n e t 传来的i p 包，经解 压处理后还原成拟语音信号再转往电话网系统。网关可同时接入和转出电话语音 信号，实现全双工通信。电信级v o i p 系统基本组成如图2 2 所示。 i p 电话系统有4 个基本组件：终端设备( t o r m in a l ) 、网关( 魄t e w a y ) 、多 点控制单元( m c u ，m u lti p ( ) in tc o n t r o lu n i t ) 和网- q - ( g a t e k e e p e r ) ，其基本 功能如下： 终端设备 终端设备是一个i p 电话客户终端，可以是软件( 如m i c f o s o f 、t 公司的 n e t m e e t i n g ) 或是硬件( 如专用i n t e r n e tp h o n e ) ，可以直接连接在l p 网上进 行实时的语音或多媒体通信。 网关 网关是通过i p 网络提供p c t o p h o n e 、p h o n e t o p c 、p h o n e t op h o n e 语音 通信的关键设备，是i p 网络和p s t n l s d n p b x 网络之间的接口设备，完成电路 交换和分组交换之间的协议转换，对不同的语音传送格式和通信规程进行翻译。 具有以下功能： 具有i p 网络接口和p s t n i s d n p b x 交换机互连的接口； 完成实时语音压缩，将6 4 k b p s 的语音压缩成低码率语音信号； 完成寻址和呼叫控制。 网守 网守负责用户注册和管理，主要完成以下功能： 地址映射：将电话网的e 1 6 4 地址映射成相应网关的i p 地址： 呼叫论证和管理：对接入用户的身份进行认证，防止非法用户的接入； 呼叫记录：使得运营商有详细的数据作为依据进行收费； 区域管理：多个网关可以由一个网守来进行管理。 m c u m c u 的功能在于利用i p 网络实现多点通信，使得l p 电话能够支持诸如网络 会议这样的多点应用。 除了上述4 个基本组件处，i p 电话系统还包括网管服务器、记帐服务器等 其他组件。网管服务器是为网络管理人员提供的管理工具，其功能主要包括：设 备的控制及配置、拨号方案管理及负载均衡、数据配给、远程监控等。记帐服务 器的功能是对用户的呼叫进行费用计算，并提供相应的单据和统计报表。 重庆邮电学院硕士论文 2 4v o i p 的服务质量 根据第l 章的分析，我们知道v o l p 和q o s 的联系尤为密切，因为在用户打 电话过程中，最关心的就是通话的时延和话音的质量问题，较高的时延和失真的 语音都会令用户无法忍受。因此，如何保障v o i p 的q o s ，是v o l p 成功与否的关 键技术之一。现在我们来对影响v o l p 语音质量的因素进行分析，并讨论其主要 的q o s 参数。 2 4 1 影响语音质量的因素 1 编码压缩 任何压缩算法都对语音质量有影响。忽略所有其他的衰减原因不考虑，语音 质量只能达到压缩算法在接收端准确重构语音信号能力的水平。平均意见得分 ( m e a no p i n i o ns c o r e ，m o s ) 为检测每个算法执行这些任务的所达到的水平提供 了一个手段。选择正确的算法以满足用户团体的要求很重要。在某些情况下，如 果需要很高的语音质量，就意味着只能使用标准的6 4 k b p sp c m 。 2 语音活动检测 由于语音通信是双工方式，大多数的对话有大约5 0 瓢0 时间是无声韵， 这是由于在一方说话时，另一方通常在安静地听着。x a d 通过监视语音信号的 功率和功率的变化，以及到达的语音信号的频率和该频率的变化情况来判断什么 时候是静音，将安静的一方的语音数据使用的带宽节省下来。分配给其他数据流 类型，如数据。v a d 的技术难点是如何正确标识讲话何时停止，又何时重新开 始，因此，使用v a d 技术由于静音判断的失误通常会产生所谓的“切尾”现象 1 1 4 1 。改进的措施是在检测到讲话已经停止后，在离开分组处理之前，v a d 大约 等待2 0 0 m s 。 3 延时 延时是直接影响到电话语音质量的主要因素。过长的延时会导致讲话人的声 音产生重叠和回声。更长延时甚至会使讲话者的交谈无法进行，因为它延长了对 话应答之间的时间，难以保持对话同步。这就产生了与数据网络中阻塞条件类似 的情况，发送方等待应答的忍耐可能超出了限度，迫使忆再次发问相同的问题( 重 新发送) ，尽管应答可能已经在回来的路上了。实验表明，当网络中的端到端的 延时在2 5 m s 3 5 m s 以上时，就引起了讨厌的回声。这时，回声开始影响讲话者， 并开始降低对话的质量。 延时可以分成两部分，即传播延时和处理延时。 传播延时( p r o p a g a t i o nd e l a y ) 是指电流或光子通过网络传送所发送的报文的速度，传播延时非常低，因为 重庆邮电学院硕士论文 电子或光予在传输介质中的传输速度是每秒3 0 0 0 0 0 公里，故对于跨国界的3 0 0 0 英里长的传输介质大约只需3 0 m s 。 处理时延( h a n d l i n gd e l a y ) 是由语音传输过程中处理语音数据流的所有组件引起的。在v o l p 网络中， 以下项目均会在一个端到端语音传输过程中引起单向延时： 模拟语音信号的数字化； 数字语音信号的压缩； 语音数据流的分组； v o l p 的排队； 初始网络链路上的传输和串行化延时： 所有中间网络部件( 路由器、l a n 交换机、w a n 交换机、l a n w a n 链路) 上的排队和串行化延时： 分组在目的地接收和排队； 语音数据流的解包； 数字语音信号的解码： 数字信号到模拟语音信号的转换。 v o l p 与传统语音网络在网络延迟方面的最大区别是处理延迟，在传统语音 网络中，语音信道是同步数据流，能够精确地保留所有语言元素的节拍。在数据 网络中，由于拥塞或处理过程可能会插入不同的延迟，从而导致通话质量的下降。 v o l p 协议几乎从不提供任何错误恢复处理，因为错误恢复处理将增加延迟抖动 从而导致影响语音质量。 4 延迟抖动 固定的延迟将干扰人们的谈话和回答的节奏，变动的延迟( 简称抖动) 将在 发音之间产生随机中断。抖动是指由于各种延时的变化导致网络中数据分组到达 速率的变化。i p 网络不提供一致的性能，常常引起分组到达速率产生很大的变 化。这是由于几个因素引起的，包括排队延时、可变的分组大小、中间链路和路 由器上的相对负载。为了补偿这个抖动，语音设备在接收设备上加入了缓冲区， 该缓冲区保存数据分组足够长的时间，使最慢的分组能地到达，顺序处理。对分 组处理之前缓冲的做法与使延时最小的目标相悖，然而这是必需的。因此如何 在延时和消除抖动之间