（信号与信息处理专业论文）voip技术在网络监控系统中的应用研究.pdf

摘要 摘要 本文系统的论述了网络消防广播系统的研制过程，该系统基于t c p i p 局域网 络，利用了v o i p 的相关技术，采用分组交换的原理来实现语音的网络传输，易于 扩展，不受距离的限制，消除了传统基于音频电路消防广播的弊端。本网络消防 广播系统能够有效的利用现有的网络资源，实现对园区内联网大楼的语音传输， 能实现同时对各大楼的广播，且能实现在系统中同时传输多路不同的音频码流， 音源可以是音频文件或麦克风语音输入。本网络化的消防广播系统还具有智能化 的特点，能实现总控中心对各大楼消防广播相关设备的远程控制和状态监视。 该网络化的消防广播软件系统跨越了两个操作系统，服务器软件植于总控中 心的w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统的工控机，终端软件植于w i n c e 嵌入式操作系统的 p c i 0 4 工控机。本文首先从v o i p 相关技术入手，介绍了v o i p 系统的构架、应用 环境、基本原理及相关技术。然后回到电子科技大学集中式消防监控系统中，对 网络化的消防广播系统的需求和可行性进行分析论证。在对系统原有设备和新增 设备的分析后，提出了网络消防报警系统的总体设计方案。在系统的研制过程中， 始终贯穿了模块化的思想，将系统分为了业务模块和控制模块，在每一模块中又 划分出相应的子模块。在业务模块的论述中，首先对c c i t t 的g 7 2 6 语音压缩标 准算法进行了分析和研究，结合具体的工程实际对该标准算法进行了一定的简化 和优化，并最终以该简化后的形式应用于本项目，使得简化后的算法性能比标准 算法有了一定的提高。同时还论述了业务模块中的输入输出模块，缓冲区的设计， 收发线程的设计与实现，以及数据的网络传输，并对延时和抖动等相关性能进行 了测试分析。本消防广播系统的控制模块包括两部分，一部分是总控中心服务器 软件对分控终端软件的控制，另一部分是总控中心服务器软件对分控中心联动控 制板的控制，由此实现了在总控中心对分控中心消防广播相关设备的远程控制， 且控制的对象可以细化到每一单独的楼层。本文还介绍了m i c r o s o f te m b e d d e d v i s u a lc + + 4 0 程序设计软件使用，以及基于w i n c e 嵌入式操作系统应用程序开发 的过程。 关键词：v o i p ，语音压缩，t c p i p 协议，远程控制，消防广播 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nh a sd i s c u s s e dt h er & d p r o c e s so f a b r o a d c a s t i n gs y s t e mb a s e do n n e t w o r kf o rf i r ef i g h t i n g t h i sb r o a d c a s t i n gs y s t e mi sb a s e d o nt h el a n ，a n di th a su s e d t h et e c h n o l o g yo fv o i ei th a si m p l e m e n t e dt h en e t w o r ks p e e c hc o m m u n i c a t i o nb y p a c k e ts w i t c h i n g , a n di th a sr e m o v e dt h es h o r t c o m i n go ft h et r a d i t i o n a lb r o a d c a s t i n g s y s t e mw h i c hi sb a s e do nc i r c u i t i ti se a s yt oe x t e n da n dt h ec o m m u n i c a t i o nd i s t a n c ei s u n l i m i t e d ，t h i sn e t w o r kf i r ef i g h t i n gb r o a d c a s t i n gs y s t e mc a nu s ee x i s t i n gn e t w o r k r e s o u r c e a v a i l a b l ya n di m p l e m e n tt h es p e e c hc o m m u n i c a t i o ni n t h en e t w o r k i n g b u i l d i n g si nt h eg a r d e na r e a 。i tc a r li m p l e m e n tt h eb r o a d c a s t i n gt ov a r i o u sb u i l d i n g s 敲 t h es a m et i m e 、a n di ta l s oc a ni m p l e m e n tt h eb r o a d c a s t i n gw i t hm u l t i c h a n n e ld i f f e r e n t s p e e c hd a t a t h es p e e c hd a t am a yb et h ea u d i of i l e so rt h em i c r o p h o n ei n p u ts p e e c h t h i sn e t w o r kf i r ef i g h t i n gb r o a d c a s t i n gs y s t e mi si n t e l l e c t u a l i z e d i th a si m p l e m e n t e d t h er e m o t ec o n t r o la n dw a t c h 椎i sn e t w o r kf i r ef i g h t i n gb r o a d c a s t i n gs o f t w a r es y s t e ms p a n st w oo p e r a t i n g s y s t e m s t h es e r v e rs o t = 1 w a r ei sb a s e do nw i n d o w s 2 0 0 0o p e r a t i n gs y s t e ma n dt h ec l i e n t s o f t w a r ei sb a s e do n 、) l ，加c ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m f i r s to fa 1 1 t h ed i s s e r t a t i o n h a si n t r o d u c e dv o i ps y s t e mf r a m e w o r k , t h ea p p l i c a t i o na r e a ，t h eb a s i cp r i n c i p l ea n dt h e m a j o rt e c h n o l o g y t h e nt h e n e e d sa n df e a s i b i l i t yo ft h en e t w o r kf i r e f i g h t i n g b r o a d c a s t i n gs y s t e mh a v eb e e na n a l y s e d 。a f t e ra n a l y z i n gt h eo l de q u i p m e n t sa n dt h e r l e we q u i p m e n t s ，t h et o t a ls o l u t i o no ft h en e t w o r kf i r ef i g h t i n gb r o a d c a s t i n gs y s t e m w e r em a d eo u t i nc o u r s eo ft h es y s t e md e s i g n i n g t h et r a f f i cm o d u l ea n dt h ec o n t r o l m o d u l ew e r ed i s c u s s e db yt h em o d u l a rc o n c e p t i nd e t a i l i n gt h et r a f f i cm o d u l e ，t h e g 7 2 6v o i c ec o m p r e s s i o na l g o r i t h mo fc c i t th a v eb e e na n a l y s e da n dr e s e a r c h e d t h e a l g o r i t h m h a sb e e ns i m p l i f i e db a s e do n 氇ea c t u a l e n g i n e e r i n ga n dh a sb e e n i m p l e m e n t e db yt h es i m p l i f i e df o r mi nt h i sp r o j e c tf i n a l l y t h i sh a si m p r o v e dt h ev o i c e c o m p r e s s i o n t h e r ea r et h ei n p u ta n do u t p u to f t h et r a f f i cm o d u l e ，t h eb u f f e rd e s i g n i n g , t h et h r e a do fs e n d i n ga n dr e c e i v i n gd e s i g n i n ga n dt h ed a t ac o m m u n i c a t i o ni nt h i s d i s s e r t a t i o n t h er e l a t e dp e r f o r m a n c eh a sb e e nq u a n t i f i e d ，i nt h i ss y s t e m ，t h ec o n t r o l m o d u l ei n c l u d e st w op a r t s 。o n ei st h em o d u l eo f c o n t r o l l i n gt h ec l i e n ts o f t w a r ea n d t h e o t h e ri st h em o d u l eo fc o n t r o l l i n gt h eo p e r a t i n gb o a r d 。能es y s t e mh a si m p l e m e n t e dt h e i i a b s t r a c t r e m o t ec o n t r o lt ob r a n c hc o n t r o lc e n t e ra n di te 箍娃c o n t r o le v e r ys i n g l ef l o o ro fa b u i l d i n g t h i sd i s s e r t a t i o na l s od e t a i l sh o w t od e v e l o pt h ea p p l i c a t i o np r o g r a mb a s e do l l w i n c ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mb ym i c r o s o f te m b e d d e dv i s u a lc + + 4 0 k e yw o r d s ：v o i p , v o i c ec o m p r e s s i o n ，t c p i p , r e m o t ec o n t r o l ，b r o a d c a s t i n go ff i r e 羲馥r i n g 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 为获得电子科技大学或其它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。 wi ， 签名： 叠盗日期：h 哆占年争月2 夕日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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。本人授权电子科技大学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应遵守此规定) 签名：丛盗导师签名： 日期：砌 第一章绪论 1 1v o lp 技术的研究意义 第一章绪论 近年来，随着i n t e m e t 的飞速发展与普及应用，作为其核心技术的i p 协议体 系在数据网络架构中的统治地位已得到了广泛认同。网络的宽带化、i p 化成为整 个电信网发展的必然趋势。从现实情况来看，在电信数据业务中，i p 业务己占9 5 以上，可以说数据承载网业务已基本i p 化【1 。从各电信运营商的运营情况可以看 出，目前电信网中的业务除了传统电话业务外都是i p 业务。随着计算机技术、光 纤通信技术、数字技术、交换技术和语音压缩技术的发展，将语音、数据、图象 等多种业务融合到同一口网络中已经成为现实，也必将是今后发展的必然趋势。 v o i p 2 1 又称m 电话，是v o i c eo v e ri p 的缩写，它是建立在i p 技术上的分组 化、数字化传输技术，其基本原理是：通过语音压缩算法对语音进行压缩编码处 理，然后把这些语音数据按i p 等相关协议进行打包，经过i p 网络把数据包传输到 目的地，再把这些语音数据包串起来，经过解码解压处理后，恢复成原来的语音 信号，从而达到由i p 网络传送语音的目的。v o i p 同传统的p s t n 电话系统相比的 主要优势有以下几点： 1 有效利用网络带宽 传统的p s t n 电话系统基于电路交换，通信双方在通信时独占一条通信线路 且其语音通信数据率为6 4 k b p s ，而v o i p 技术基于分组交换3 1 ，通信双方不需要独 占一条通信线路，双方的数据以分组的形式按照i p 路由技术通过不同的路径传输， 同时，随着语音压缩技术的发展，v o i p 技术使语音通信数据率大为降低，因此也 有效的节约了网络带宽资源； 2 节省通信费用 传统的p s t n 电话系统的记费的依据是双方通信时间以及双方间的距离，而 v o i p 的记费方式同其他数据通信一掣4 】，目前各i s p 提供的记费方式主要有包月 和记时两种，且与通信距离无关，无论哪种记费方式与p s t n 相比都是十分低廉 的，这也是吸引广大消费者的最大亮点： 3 业务多样化 电子科技大学硕士学位论文 由于v o i p 是一种基于分组交换的数据通信，因此广义的v o i p 系统不仅能提 供基本的语音通信服务，也能提供如视频、文字及数据传送等服务，由于整合了 多种通信业务，因此对消费者的吸引力是单一通信业务无法相比的。 正是由于v o i p 具有以上的诸多优势，才驱使我们要对其进行深入的研究，并 开发适合的产品。 1 2v o l p 技术在我国的发展情况 1 软件v o i p 应用计算机通信软件或网络语音聊天室实现点到点的语音通话是v o i p 最早 的实现形式，目前这部分服务绝大多数是免费的，如微软公司的n e t m e e t i n g 、腾 讯公司的q q 以及t o m 公司的s k y p e ，但是这种模式的应用范围受到了很大的局 限，通信双方必须各有一台安装有相应通信软件的计算机，而且通话质量不是十 分令人满意。 2 电信级v o i p 电信级v o i p 是指电信运营商用于商用的v o i p 。从上世纪9 0 年代末期开始， 国内各大运营商相继开通试验网，其网络结构基本相同，均采用h 3 2 3 标准。我 国于2 0 0 0 年正式开通i p 电话业务，现有中国移动、中国联通、中国电信、中国网 通、中国铁通等几家运营商开通了i p 电话业务。通过语音网关等设备构成的电信 级v o i p 网络，以p s t n 作为用户的的接入网络，用i p 网络代替传统长途电话传 输网络，用户使用特服接入号码( 1 7 9 x x 等) 先拨打到网关，再通过i p 网关将 语音分组化，局间采用分组传输，对端依然是时分数据方式落地，从而大大降低 了通信成本，节省了通话费用，其基本组网结构如图l l 所示。在我国，长途电话 市场有着广阔的发展空间，也为p 电话的发展提供了巨大的市场空间。 图1 - 1 电信级v o i p 示意图 第一章绪论 电信运营商已经开始打造本地i p 电话潮络，即利用已有h 3 2 3 协议i p 电话网 络的网守进行地址解析，程本地设置接入代理设备和用户接入设备，组成一个将 口电话她务延律到用户终端的本地网络。用户只霭要一个d 电话机，接入宽带网 络裁缝戳霞宝戆玲穆拨蠢黧肉岁 长途毫透，这襻藏挺v o i p 零| 入潮了家蹇。 3 众渡级v o i p v o i p 在企业中的应用较为广泛。对于企业用户而言，可利用众业本身的网络 来承栽通话和组建v o i p 网络。企业用户采用v o i p 系统的收益主要是节省通话成 本。如暴在企业内部通话，由于是直接通过众业蠹部网络连遴辩不经过传统的 p s t n 瞧话系绞，困蘧遴穰费震是零；魏巢拨露努逵毫话，粼廷甏透过垒鼗蠹韶 v p n 嘲络先打到当地，褥绦过当邀分公司打鄹髫的遗即可，只桶强子市话费。图 中为巢众业的v o i p 组网方案。企业级v o i p 邂可以广泛采用 n t e r n e t 来提供丰富 的增值服务，主要有语酱汇接业务、网络视频会议业务、局域网内电话等。 总公司 普通 癸替罐l 癸盛霉2 图1 - 2 企业级v o 坤示意图 目前在企业用户市场，各大国内外通信设备制造商纷纷推出自己独立开发的 v o i p 相兼设备，提出自已的整体解决方案，市场竞争目益激烈。 。3 零课题的主要王终及论文安瓣 本课题的背景是电子科大集中式智能消防监控系统工程，作者通过对v o i p 相关技术的研究掌握以及对原系统的分析，设计出了一套整体的v o i p 解决方案， 以此实现网络消防广播的众部功能。 馋磐懿主要工作蟊下： l 。对v o i p 穗关技术避萼亍学习研究，对电子搴晕大集中式智麓潜貉簸控系统工程中 的v o i p 进行需求分析，设计出整体解决方案。 电子科技大学硕士学位论文 2 深入学习研究了c c i t t 的( 2 7 2 6 语音压缩算法，并结合本课题的工程实际，对 该算法进行了一定的简化和优化。使用c + + 高级程序语言设计实现了( 3 7 2 6 语 音压缩算法，并将该算法同v o i c e a g e 公司发布的c t 7 2 9 语音压缩算法进行了时 域、频域性能以及主观听觉效果的比较。 3 学习掌握基于w i n c e 的嵌入式工控机p c i 0 4 的软件开发方法，分别使用 m i e r o s o rv i s u a lc + + 6 0 和m i c r o s o f te m b e d d e dv i s u a lc + + 4 0 编写服务器和终 端软件。本软件系统的开发跨越了两种操作系统，服务器软件基于w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统，终端软件基于w i n c e 嵌入式操作系统。 4 同联动控制子系统相融合，实现总控中心对分控中心的网络消防广播相关设备 的智能远程控制。 本论文的安排如下： 论文的第二章主要阐述了v o i p 的基本原理及关键技术，同时也介绍了v o i p 几种常见的实现方式。第二章是本课题的理论基础和依据。 论文的第三章对电子科大集中式智能消防监控系统中的v o i p 需求进行了分 析，并确定了本软件系统的主要性能指标要求，提出了本软件系统的总体设计方 案。 论文的第四章是本文的核心部分，本章详细论述了本软件系统的业务模块的 设计与实现。这其中包括通过底层函数实现软件系统的音频输入输出，c c i t t 的 g 7 2 6 语音压缩算法的基本原理，作者根据工程的实际情况对该标准算法进行了优 化简化并使用c + + 高级程序语言设计实现，并对优化前后的性能进行了比较。同 时，对本软件系统中的延时等性能指标进行了定量的分析计算，并根据这些性能 指标进行了相关缓冲区的设计，最后还论述了通信中收发线程的实现。 论文的第五章也是本文的重点部分，主要论述了本软件系统中的控制模块的 设计和实现。控制模块是本软件系统的不可缺少的组成部分，它实现了总控中心 对分控中心的消防广播相关设备的智能远程控制和状态监视。 论文的第六章为本软件系统调试、测试和性能分析部分，对调试过程中出现 的主要问题进行了分析及解决，并对最终研制出的软件系统性能进行了测试，得 出了相关的结论。 论文的第七章为全文的总结与展望部分。 4 蔓三童窆篓三堡墨堡塑薹壁鍪查熬整奎塞銎查茎 第= 章v 0 1p 工作原理和关键技术及基本实现方式 2 1l p 网络语音通信的基本原理 传统静p s t n 电话霹跫一耪蒺予电路交换的铸输阏络，语音信号叛p c m 编码 的形式传输，其传输宽带通常为6 4 k b i t s 。而v o i p 是基于i p 分组交换的，它需要 对模拟语静信号进行采样、聪缩、打包等一系列的特殊处理，使之萌丁以采用基于 i p 的相关传输协议进行传输。 v o i p 的基本实现愿理【5 3 可以篾单鲍趸下图慕袭示，该强为我们形缎鹣描述了 v o i p 最竣，的就是梅占罴大爨带宽鲍酶原始语襄数猎压缩成占曩较，l 、带宽懿銎 数据，从丽达到节省网络带宽的目的。 圈2 一l v o 口基本廉壤 v o i p 实瑗豹主要过程哥毅麓纯分秀下翻且个步骤： 1 。语音信号数字亿嘲 语音信号是频率为3 0 0 h z 3 4 0 0 h z 的模拟波形，v o i p 是通过i p 分组来传输语 音数据，由于i p 网络不能直接传输模拟信号，因此我们首先要对语音信号进行模 拟，数字转换，也就是对模拟谮潞信号进行采样量化，然后将数字化的语音数据送 入型缓挣移镤速中，缓冲区戆大小需要攫攥延迟秘诲考数撂压缭魄静黉浓透孬莰 定。数字健搿潋使属各i 牵语毒编码方案来实瑗，秘靛采用最多静语密数字佬编鹃 标准主要裔i t u tg 7 1 1 。发邀端和接收端的语音数字化编解码器必须采用相同的 编码标准，这样才能使接收端磁确的恢复出原始模拟语音信号。 2 数据压缩 经过模携。数字转换之詹，疆誊信号显然已经戮数字纯夔影式存德予缓肄嚣中， 僵该数禚掰占空闻较大，壹羧侮输需要占用很大涎传输带宽，失去对传统p s t n 电子科技大学硕士学位论文 的优势，因此，我们在传输前必须首先对该语音数据进行压缩。网络处理器为压 缩后的语音添加包头、时标和其它信息后通过网络传送到另一端点。i p 网络不像 电路交换网络，它不形成连接，它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 i p 网络传输 在这个通道中，压缩语音数据通常使用u d p 协议进行传输。由于语音通信不 同于一般的数据通信，它以实时性为前提，一般不使用t c p 协议进行网络传输。 4 数据解压缩 目的地v o i p 设备接收这些i p 语音数据并开始处理。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。解 码器将压缩语音包进行解压缩，恢复出原始的语音数据。 5 数字语音转换为模拟语音 系统将缓冲器中的语音数据取出送入声卡，通过扬声器按预定的采样频率( 例 如8 k h z ) 转换成模拟声音播出。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、数字语音压缩封装成口分组、口分组通过网络的 传送、i p 分组的解包解压缩和数字语音还原到模拟信号等过程。 2 2lp 网络语音通信的关键技术 2 2 1h 3 2 3 协议 h 3 2 3 t7 是一套在分组网上提供实时音频、视频和数据通信的标准，是i t u t 制定的在各种网络上提供多媒体通信的系列协议h 3 2 x 的一部分。h 3 2 3 协议被普 遍认为是目前在分组网上支持语音、图像和数据业务最成熟的协议。采用h 3 2 3 协议，各个不同厂商的多媒体产品和应用可以进行互相操作，用户不必考虑兼容 性问题。该协议为商业和个人用户基于l a n 、w a n 的多媒体产品协同开发奠定 了基础。 1 h 3 2 3 的简介 长期以来，在通信的方式中，人们一直在朝着宽带化、数字化、支持多媒体 业务方向而努力。h 3 2 3 正是一种基于口网络的多媒体通信标准。它能够支持实 时的语音、图象和数据通信。这里的“基于i p 的网络”主要指的是：以太网、快 速以太网以及令牌环网等。自一九九五年开始，国际电信联盟( i t u ) 就开始着手 第二章v o i p 工作原理和关键技术及基本实现方式 研究h 3 2 x 标准系列并做了大量的实验性工作。其中h 3 2 3 的设计和研究主要是 为了使各种多媒体网络和通信终端间以及不同厂家间的产品能够实现互连互通。 2 h 3 2 3 的发展情况 第一阶段：1 9 9 6 年1 0 月，h 3 2 3 由i t u t 第十六研究小组颁布并成为一种多 媒体通信的标准。在第一版本的h 3 2 3 建议书中，主要描述了包交换网中的基本 多媒体业务，即语音和数据业务。由于处于初期实验阶段，当时只为传统的电话 交换网和局域网的多媒体业务制定了内容，对于服务质量( q o s ) 应达到的水平没 有严格的定义。 第二阶段：随着近几年i p 网络的发展及v 0 i p 的应用，支持新业务尤其是多媒 体通信的需求加速了对h 3 2 3 的修改。1 9 9 8 年1 月，h 3 2 3 的第二个版本出现了， 它的改进之处在于，从功能定义上极大地支持计算机网上的电话业务，使我们利 用分组交换网实现高质量语音通信成为可能。 第三阶段：i t u t 继续进行h 3 2 3 的研究与发展，在这其中加入了很多基于分 组交换网的其他类业务，例如传真业务、快速连接等。它的采用，必将带领我们 进入多媒体通信的崭新纪元。 3 h 3 2 3 网络的基本组成部分 基于h 3 2 3 协议的网络中定义了四种设备，它们组合成的h 3 2 3 网，可以实 现点到点、点到多点的多媒体业务。这四类设备是：( 1 ) 基于h 3 2 3 标准的终端 设备。它可以是普通的p c 或局域网中的其他设备，能支持话音( 图象和数据可选) 类的多媒体业务。它是实现口电话业务的重要组成部分。h 3 2 3 的通信终端还应 能与电路交换网中的h 3 2 4 、h 3 2 0 、h 3 2 1 、h 3 2 2 终端及其他无线设备间进行通 信。( 2 ) h 3 2 3 的网关设备。网关设备通常用以连接不同的网络，h 3 2 3 网关设 备也不例外。它实现了h 3 2 3 网与其他非h 3 2 3 网的互连。例如使用h 3 2 3 终端 与p s t n 网络设备间进行通信。在通信建立和释放的过程中，通过网关设备来完 成协议的转换和其他网络功能。( 3 ) 核心信息处理单元。它是h 3 2 3 网络的重要 信息处理部分。它负责为局域网中的终端设备翻译i p 地址，以便能够完成多媒体 通信中的寻址、用户身份识别( 鉴权) 、带宽管理、计费与分帐以及呼叫转接业务。 ( 4 ) 多站控制单元( m c u ) 。m c u 用以处理三方及多方会议业务，所有参加会议 的终端均与m c u 相连。m c u 控制并管理着每个终端，协调终端间的编、解码器 使用及完成信息的流量控制。实际情况下，核心信息处理单元、网关设备与多站 控制单元可以合并为一个物理节点。 电子科技大学硕士学位论文 4 h ，3 2 3 标准协议支持的通信协议：语音编、解码器协议， 图象编、解码器协 议，h 2 2 5 的呼叫信令，h 2 4 5 的控制信令，实时信息传输协议，实时信息传输 控制协议等。 2 2 2ip 网络协议 i p 协议 8 1 已经成为世界上最重要的网际协议，但使其发挥作用，还必须和传输 协议( o s i 中第四层) 及数据链路层协议( o s i 参考模型中第二层) 一起工作，下面作 者将简单介绍两个依赖于i p 互连的传输协议：t c p 和u d p 。 2 2 2 1t c p 协议 t c p 协议 9 1 即传输控制协议，它是传输层协议( o s i 参考模型中第四层) ，它使 用i p ，提供可靠的应用数据传输。t c p 协议能够在两个或多个主机之间建立面向 链接的通信。t c p 协议支持多数据流操作，提供流控和差错控制，甚至完成对乱 序到达报文的重新排序。传输控制协议也是通过一系列公开出版的i e t f 文档进行 开发的。这个反复的开发过程在1 9 8 1 年9 月出版r f c 7 9 3 时到达顶点，同r f c 7 9 1 i p 一起，r f c 7 9 3t c p 在过去2 0 多年中不断得到扩充，但是这项工作一直没有全 部完成。 t c p 在通信会话中提供几个重要作用。可以认为它是多个应用和网络之间的 连络。其功能包括： 1 多路复用多种应用数据。t c p 是用户应用与许多网络通信协议之间的接口。 t c p 能同时接收多个应用数据，t c p 把它们打包到数据段中，之后传给i p 。 2 测试所接收数据的完整性。封装在t c p 段中的数据经过t c p 执行的数学计算， 并把结果放在t c p 头的校验和域中。一旦数据到达目的地，对接收数据执行相同 的数学计算，产生的结果应该和t c p 头中存储的结果相同。如果二者相同，则确 定数据没被改变过。否则，就要给源主机发请求，要求其重发一份数据拷贝。 3 顺序化乱序接收的数据。到达目的机的报文段有可能是乱序的。目的机器的 t c p 协议会缓冲接收到的数据段，直到能把它们正确地重新排序。通过查看t c p 头中的序列号域可以完成这个任务，重新排序就是基于这个域对接收数据段的数 学排序。 4 对成功收到数据作出应答。如果a c k 被设置，目的t c p 机器必须要对接收到 的特定数据作出应答。考虑到t c p 几乎总是用于可靠模式，因此a c k 不被设置 的情况很少见。没被应答的数据段被认为在传输过程中已丢失，并被重传。重传 第= 章v o i p 工作原理和关键技术及基本熨现方式 必须焱源和嚣戆极器之闻瓣合送行。 5 速率谴_ 陂的流控( 通过t c p 衡口大小) 。t c p 会话中的源和目的机器称为对 等实体。每一对等实体有对流向其物理缓冲中数据流的控制能力。流量控制使用 的是t c p 窗日大小。源帮匿的辊的鬻墨大小遽遗t c p 头进行通信。任何一念主辊 将被所收数据淹没时，会减小发送机的速率。这可以通过通知其新的窗口大小即 可，如果枧器的缓冲完全皴壤满，它藏会发送一个毒关激蓐牧到数据豹痘答缀文， 其中新的窗口大小为0 。这样会有效地使发送停止，直至拥塞的机器能清理摊其缓 冲。它所处理的每一段必须被应答，使用应答，可以通过重新设鼹大于0 的窗口 尺寸采瘗魂发送。虽然这个簿萃懿瓣镧裁有效遮谲整嚣台辊嚣之耀静数据滚，僵 是它只能保证通信的端系统不会被接收的数据所湮没。窗口尺寸自身不会考虑网 络上农在的拥塞 鸯况。网络翻塞意昧着擐文裂达曩的她熬时间比遁常情况长。因 诧捐爨管理一定楚网络上辩问的函数。t c p 邋避计时器的使用实现穗塞管毽。 6 计时机制与数据重传。t c p 为几个关键功能使用计时控制。每次传输一个数据 段对，浚墨一个诗瓣器。缓翔诗嚣嚣在接至# 应答之兹箨壹( 裁是滋，减至0 ) ，数据 段就被认为已丢失。因此，会重传该数据。计时器可以间接地管理网络拥戆，其 方法怒当超时出现时减慢健输率。 t c p 协议聪楚由于具肖以上的尼个重要特性，所以它是一个蕊向连接的、可 靠的倦输层协议，能够有效的保证数据传输的可靠性，在传输控制信令等对可靠 牲要求缀毫兹数攘霹，t c p 疆议吴蠢不可蛰 弋瓣逮霞。然瑟逸歪楚斑手t c p 臻谈 在数据传输时采取的诸多艇杂的保护机制，报容易造成数据传输的延迟等问题， 不适合传输对延迟十分敏感的音频和视频等数据，我们灞要一种简单而高效的协 议来传输这些音频耪视频数疆，u d p 谤议便满跫7 这一要求。 2 2 2 2u d p 协议 u d p 蛰议h 硼帮餍户数糖擐协议怒i 王| 翡另个传输鼷协议( 0 8 i 参考模黧孛第 四层) 。u d p 提供了一种基本的、低延时的称为数据报的传输，它j e 常适合于传输 不霈癸确认和重传豹数据，翔音频取援频等实瓣数据。 u d p 不提供任何t c p 支持的更先进的功能，即没有对乱序数据的重新排序、 对成功收到数据的应答、流控、重传受损的数搬等功能，因此u d p 是一种棚对不 可靠懿俦输秘议。u d p 傻鬻罨力方式传送数攥报，当由于菜释原瓣传输失效辩， 数据报被丢弃并胤不试图作重传，这样能够避免重传数据所带来的延迟，因此， 9 电予科技大学硬士学证论文 u d p 爨霄繇延迟瓣筑点。 u d p 和t c p 是不同的两种传输层协议，被设计为做不同的事情。= 者的共性 是都使用i p 作为网络层协议。u d p 和t c p 之悯的主要差别在于可敬性。t c p 是 裹塞霹纛懿，露u d p 是一个麓擎戆、尽力楚数撼缀转敷稔浚。这个基本瓣麓列凑 示t c p 受复杂，需要大量功能开铺，然而u d p 楚简单和高效的。 我嚣3 疲该对u d p 静不磷靠注秘u d p 豹糖杰皴窭掭褒h ”。u d p 楚，j 、豹、节约 资源的传输层协议，它的操作执行魄t c p 快褥多。因此，它比t c p 璺适含于连续 出现的、和时间相关的应用如基于i p 网络的音频_ 茅【】视频传输。因此对于本课题中 懿语蜜数撂砖稔鼯分采焉u d p 按议，戳缳涯溪密透菇豹实薅牲；鼷控裁蘩令砖赣 部分采用t c p 协议，以僳诞倍令健输的可靠往。 2 。2 。3 诿啬鹾缝技术 在i p 网络语音通信中，语音信号以口数据报的形忒在网络中传输，其通信质 量直接鼹理语潦数据报的大小及网络喾宽的影响。在最大可能保黧藏始语瓷信息 的翦撬下，糟谬音数据掇麓，、或弼络带宽越窕，遴僖餍爨越野。缀然我们一壹帮 在不断的通过备种新技术寐增加网络的带宽，然而榴对予以更快速发增长的球网 络语音遴髂需求来说，豢宽憨是鸯羧懿，西藏，袋稻只务考虑奁缳整藤始语音售 息的前提下，尽可能的压缩i p 语音数据报的的大小，语音压缩技术就成为了四网 络语音通信中的项最关镳的技术。 2 2 3 。 语音隧缩编码的分类 语蠢嚣缩编码p2 通常分为三类：波形编码、参数缡残与混合缡璐。波形编鹞 与参数编码的酲剐在于熏薅的语音时域信号怒磷在波形上尽量与原始波形倍号一 致。波形编码力图使重建厥的语音时域信号的波形与原语音信号波形保持致， 它具有邋应能力强、话音鼷蹩好、嚣尊延小等优点。这类编码兹主袋 弋表就憝自适 应差分稼潆编码调制( a d a p t i v ed e l t a p u l s ec o d em o d u l a t i o n ：篱称凳a d p c m ) ； 参数编碱般称侔“声码嚣技术”。宅根据对声脊形成规理的分辑，通过建藏语音 信号的产生模黧，提取代袋语音偿鼍特征懿参数采编码。参数编鞴的优熹楚编磷 速率低，其主爱问题是合成语音质嫩差，特别鼹自然度低，另外对说话环境的噪 声比较敏感，辩要较安静嬲环境才缝给出较离的可懂殿；混合编戳魑上述两类方 法靛裔鞔结合窀蒺是基于谬酱产垒模鳌静缓宠袋震了分褥合或接零，瓣辩又瘸震 了语音的时域波形信息，增强了重建语音的自然度，懊编码速率棚威上升，算法 i o 第二章v o i p 王痒愿理彝关键技术获蒸率实瑗方式 更加复杂。下表给出了几种常用编码标准。 袭2 - 1 几种常用的语胬编码 编码速举k b p s 编码铱法 编码标准编码类型 6 4刖律p c mg 7 1 l 波形编码 1 6 趁彩3 2 ，4 0a d p c m& 7 2 6 波形镳疆 8c s 穗e 嚣”g 7 2 9 混合编码 2 4l p c 。1 0 n s a f s l 0 1 5 参数编码 2 。2 3 2 谬啬压缩的基本依据 对谱密傣号进雩亍压缀缓羁熬鏊零壤据”3 【1 铂是港港信号豹冗余度弱人鹣褥觉惑 螽辊毽。禳臻统诗努辑，语赘僚学存在着时竣耜颓壤鲍冗余度。 语音储母在时域上的冗余度生要表现为以下几点： 1 幅度j 均匀分布。语音波形中小幅度样本出现的概率高，大幅度样本出现的概 率低，我们w 以在对小幅度样本进行量化时使用受精细的量化尺度，惭对大幅度 撰本进行爨化时使雳更趣隆戆蘩纯尺度。 2 。语音信蟹祥本两的耱关注缀强。语音信号的最大稽关注存在予稻邻静祥零闻， 因此，我们在表示某一语音信鼍采样点时可以参照与之相邻的采样点，刹用它们 之间的相关性，而不是孤立的瓣待它。 3 语音间隙。据统计在一次通话中，一个人有近一半的时间是在昕对方说话而自 己著不滋溪，这些语音阉骧电怒谮考售号在时域上瓣秘冗余。 语音傣芍在频域上的冗余魔主要表现为非均匀鹃长对功率谱密度。语音信号 的功率谱密度呈现强烈的非平煅性，功率谱的高频能量较低，这正好对应于时域 上相邻样零间的相关性。 在关波谶音信号本身特性的同对，我们还应该关注人类听觉的以下特点： l ，入耳瞬爨蹙毒楚菠效应。蘩一个摹啻魏声级越麓，瓣其周围蒙搴声案的楚菠效 应越强。芾j 髑这一性质可良抑剃与信号同时存在的爨仡噪声。 2 人耳对不同频率声音的敏感程度不同。人的听觉对低频声音比较敏感，而对 1 6 k h z 的澍频声音不太敏感，强的低频音能妨碍同时存在的高频音，因此我们可以 过滤掉这热入耳不太敏感的高频费。 3 。大写对磐窘熬穗整交毯不敏感。入霉对声啻的蠢调缀敏感毽霹声蠹貔鞠经帮不 电子科技大学硕士学位论文 敏感，我们完全可以过滤掉那些人耳听不到或很不敏感的声音分量。 综上所述，语音压缩编码的基本原理就是通过各种方法来去掉语音信号在时 域和频域的冗余，以及利用人耳的听觉感知机理来滤掉一些对人耳不敏感的声音 分量。 2 2 3 3 选择语音压缩编码标准的主要依据 l _ 编码位速率。语音压缩编码器输出的位速率是编解码器性能的关键指标。在网 络带宽非常紧张的情况下，编码位速率将会成为选择语音压缩编码标准的关键依 据，此时编码位速率越低，越能在恶劣的网络环境下保证通信的畅通。 2 算法复杂度及延迟。算法的复杂度将直接影响编解码器的实现成本，复杂度越 高，对处理器和内存的要求也就越高，从而会大大增加实现的成本，同时，复杂 的算法会带来更多的处理延迟，降低通信质量。 3 语音质量。语音质量是一项难于量化的指标，因为它有很大的主观性，同一段 语音由不同的人来评价会得出不同的结果。但语音质量在一定程度上也是可以进 行评价的，一般分为主观评价和客观评价【l ”。主观评价是不同的人对同一段语音 的主观听觉评价，具有很大的主观性。客观评价对不同的编码类型有不同的评价 方法，对于波形编码，我们一般通过比较被测系统的输入输出语音信号在时域波 形上的失真度来衡量，计算信噪比( s n r ) 就是一种最简单的失真度评价方法： 对于参数编码，我们一般通过测量语音信号在频域上的谱失真度来衡量，谱失真 度越小，则恢复语音与原语音越接近，语音质量越好。 以上就是衡量编解码器性能的几个主要依据，也是我们在实际系统中决定选 择哪种压缩标准的主要依据。如果只是一味的追求很高的语音质量，通常会带来 很高的编码位速率，从而消耗更多的带宽资源，降低了系统的实现意义；如果一 味的追求很低的编码位速率，通常会带来很大的延迟，降低语音质量，同时，复 杂的算法也会增加系统实现的难度，增加系统实现的成本，减少了网络语音通信 比传统语音通信的优势。因此，我们在决定选择哪种压缩标准来实现系统时，不 能只片面的关注某一项性能指标，而应该首先对所要实现系统的需求进行分析， 再来综合折中选择一种最适合的算法。 2 3lp 网络语音通信的三种实现方式 i p 网络语音通信虽然都是基于分组交换的i p 网络实现，但由于这项技术的应 第二章v o i d 工作原理和关键技术及基本实现方式 用是在传统基于电路交换的p s t n 网络十分普及的现状下出现的，因此，在一些 情况下我们必须考虑同传统p s t n 网络的兼容性，并且随着语音语音通信终端的 不同，i p 网络语音通信有以下三种基本方式： 1p c t o p c 方式 当通信双方都使用p c 终端时，双方的语音信号通过p c 机进行数字化编码， 弗直接以i p 数据包的形式在理网络上传输，由此实现臻嘲络语音通信。这种实 现方式所需、搜备最少，实现成本最低，现在互连网上流行的语音通信软件就是以 这种方式时r 。p ct op c 方式的实现框图如下。 圈2 - 2 p c t o p c 方式的v o i p 2 p c t op h o n e 方式 当通信双方一方使用p c 终端，一方使用p s t n 电话终端时，后者需要使用语 音嘲关设各将语音信号编码转换成p 数据包。由于引入了语音网关，使得这种方 式的实现成本大为增加，且实璜更复杂，企业级的v o i p 的一部分就是以这种方式 实现的。p ct op h o n e 方式的实现框图如下。 图2 3p c t o p h o n e