（通信与信息系统专业论文）基于vxworks系统的vofr语音网关的设计与实现.pdf

中文摘要 分组语音技术是近几年来在世界范围内发展非常迅猛的一项新兴技术。它突 破了传统电话的电路交换模式，有效的利用现有的分组网络资源实现了语音信号 的网络传输，从而扩大了语音通信的范围，降低了语音通信的成本。分组语音技 术综合了声音、图像和数据等多种传输媒体，充分满足人的各种感官，实现最有 效、最生动、最直接的信息交流。对分组语音技术的研究和发展，是我国信息产 业发展过程中的重要课题之一，对我国的国民经济建设有着很大的实际意义。 v o f r ( v o i c eo v e rf r a m er e l a y ) 语音技术是分组语音技术中的一种语音传输 方式，它利用帧中继网络来传输语音及语音类数据。帧中继论坛在1 9 9 7 年发布 的f r e l l 协议为帧中继网络传输语音提供了标准。目前，c i s e o 、摩托罗拉等各 大厂商已经将v o f r 语音技术集成到路由器中，提供了具有v o f r 功能的语音网 关。具有v o f r 功能的语音网关的出现使v o f r 这种语音技术在实际中得到广泛 的应用。 本课题以f r f 1 1 协议为准则，提出了v o f r 语音网关的设计方案并加以实 现i 作者在本课题中主要完成了以下几个方面的工作： 1 ) 独立分析了v o f r 的两种呼叫方式- s w i t c h 呼叫方式和t r u n k 呼叫方式。 2 ) 作者根据这两种呼叫方式的特点以及现有语音平台的工作方式，设计了 全新的呼叫流程并加以实现。 开发的v o f r 语音网关经过大量单元测试、系统测试、压力测试等。最终测 试结果表明，整个v o f r 语音网关设计合理，性能稳定、可靠，符合整个路由器 语音网关软硬件平台的需求。通过对v o f r 的研究与实现，使路由器增加了v o f r 语音网关功能，丰富了原有路由器的功能，完善了语音网关中包交换域的语音协 议。 本文首先简要介绍了v o f r 语音技术的应用现状以及v o f r 的关键技术，重点 介绍了v o f r 的两种呼叫方式。其次介绍了v o f r 语音网关的开发环境 v x w o r k s 操作系统。再次阐述了v o f r 协议模块所处的软件环境，并详细阐述了 v o f r 模块的设计思想和实现方案。最后介绍了v o f r 语音网关的测试过程及测 试结果。 关键词：分组语音，帧中继，v o f r ，公用电话网络，v x w o r k s 操作系统 a b s t r a c t r e c e n t l yp a c k e tv o i c ei san e wt e c h n o l o g yt h a td e v e l o p e dq u i c k l yi nw o r l d w i d e r a n g e i tc h a n g e sc i r c u i ts w i t c h i n gt h a tt r a d i t i o n a lp h o n er e l i e so i li n t op a c k a g e s w i t c h i n ga n dm a k e st h er a n g eo fv o c a lc o m m u n i c a t i o nl a r g e ra n dt h ec o s tl e s s s o m e k i n d so fm e d i a ss u c h 鼬d a t a , v o i c e ，v i d e ow i l lb ei n t e g r a t e di n t oaw h o l en a m e d m u l t i m e d i a a n dm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o nw i l lp r o v i d em o s te f f i c i e n t ，v i v i da n d d i r e c ti n f o r m a t i o nt oh u m a nb e i n g r e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n go fp a c k e tv o i c e t e c h n o l o g yi so n eo ft h ei m p o r t a n tt a s k sd u r i n gt h ed e v e l o p m e n to fo u rc o u n t l y t s i n f o r m a t i o ni n d u s t r y i ti sm e a n i n g f u lt ot h ee c o n o m i cc o n s t r u c t i o no fo u rc o u n l l y v o f ri so n eo ft h ep a c k e tv o i c et e c h n o l o g i e s ，w h i c hi sat e c h n o l o g yo f t r a n s f e r i n gv o i c ea n dd a t ai nf r a m er e l a y f i m 1 1t h a ti sp u b l i s h e db yf r a m er e l a y f o r u mi n19 9 7i st h es t a n d a r df o rt r a n s f e r r i n gv o i c ei nf r a m er e l a y n o w , al o to f p r o d u c e r s ，s u c ha sc i s c o ，m o t o r o l aa n ds oo n ，h a v ea p p l i e dt h ev o f rv o i c eg a t e w a y , w h i c hm a k e sv o f rt e c h n o l o g y 谢d e l yu s i n g am e t h o do fd e s i g n i n gv o f rv o i c eg a t e w a yi sp r o v i d e da c c o r d i n gt of i 江1 1 a u t h o rh a sd o n es o m ew o r k s ： 1 1a n a l y s et h ec a l lm o d e so f v b f r _ s w i t c hc a l lm o d ea n dt h i n k c a l lm o d e 2 ) a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec a l lm o d e sa n dt h ev o i c es y s t e m , t h e n e wc a l lf l o w sa red e s i g n e d ag r e a td e a lo fu n i tt e s t , t h es y s t e mt e s t , t h ep r e s s u r et e s th a v ep r o c e s s e da n dt h e t e s tr e s u l te x p r e s st h a tt h ew h o l ev o f rm o d u l ed e s i g ni sr e a s o n a b l e ，f u n c t i o ns t a b i l i t y , c r e d i b i l i t y , m e e tt h en e e dt h a tt h ew h o l es p e e c hn e tc l o s e st h es o r w a r ea n dh a r d w a r e i nt h ep a p e r , f i r s t l y , t h ea p p l i c a t i o no fv o f ra n dt h ek e yt e c h n o l o g yo fv o f ra r e i n t r o d u c e d s e c o n d l y , v x w o r k ss y s t e mi sd e s c r i b e d ，o nw h i c hv o f rv o i c eg a t e w a yi s b a s e d t h i r d l y , t h es o f t w a r et h a tv o f rr e l a y e do na n dt h em e t h o do fd e s i g n i n gv o f r a r ei n t r o d u c e d i nt h ee n d ，t h ep r o c e s so ft e s t i n gv o f rv o i c eg a t e w a ya n dt h er e s u l to f s y s t e mt e s t i n ga r ep r o v i d e d k e yw o r d s ：p a c k e tv o i c e ，f r a m er e l a y , v o f r ，p s t n ，v x w o r k s 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫盗盘鲎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了谢意。 学位论文作者签名： 转j 签字同期：2 秒护7 年2 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 辅j 。 签字日期：2 缈7 年2 月f 日 导师躲黝影敛 签字同期：仉刀年砂月砂同 第一章绪论 1 1 分组语音概述 第一章绪论 语言，一直是人类最自然和便利的一种交流方式。语言是人类特有的、具有 多种功能进行沟通、交流的工具，是人类区别于其他动物的一个根本特征。在人 们日常生活的每一天中。都需要使用语言进行大量的信息交流和传递。其中，身 处异地的两个人如何利用语言进行沟通，则从一个方面反映了社会发展进步的程 度；在贝尔发明电话之前，往往采用传令兵传递口头信息或书信，而在电话发明 之后，才真正实现了身处异地的人们之间直接语音交流，电话的发明标志着通讯 史上一次革命性的突破【l 】。 在此后的时间里，电话经历了从模拟到数字、从有线到无线的变更，技术越 来越先进，并已几乎覆盖了全球每个角落，形成了有史以来最大的一个通讯网 络，但电话的基本原理一直遵循贝尔集中电路交换的模式，在体系结构上也没有 什么改进。在二十世纪最后的二十年内，爆发了信息为核心内容的全球大革命。 计算机技术、网络技术等铺天盖地而来。逐步渗入了人们日常生活的每一个角落， 人们的生活观念正在经历着一场深刻的变革。作为人类最常使用的通讯方式 话音，自然也发生了变化，分组语音便是这场变革代表产物【2 】。 分组语音技术是指将语音信号转化为一定长度的数字化语音包，采用存储转 发的方法，以包的形式进行交换和传输，是当前最新的一种语音传输技术，它将 有可能替代传统的公共电话和租用线路传输方案，最终实现语音数据网的一体化 集成。 与传统电路交换技术相比，分组语音网络技术具有以下显著特点： 分组语音所需带宽低于传统语音，从而在传统连接线上可以传输更多的 信息。电话技术通常的带宽是6 4 k b p s 以上，分组语音的带宽可低于 1 0 k b p s 。对预留了足够容量的国内和国际数据网而言，分组语音传输是 非常便宜的。 对已有网络的企业，可以简单地通过提高现有网络的容量来支持分组语 音，这样做会比传统公共电话网( 6 4k b p s ) 的带宽效率提高2 0 多倍。 分组语音有q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 的保证，这对于在i n t e r a c t 等公共数 据网络上传输语音的场合尤为重要，而传统语音技术是难以确保其端到 第一章绪论 端的服务质量的。 由于分组语音是在分组交换网络基础上发展起来的，因此分组语音技术的发 展需要有其自身的支撑子网。目前支撑分组语音目前支撑分组语音传输的技术主 要包括i p 、帧中继f r ( f r a m e r a l e y ) 和异步传输模式( a t m ，a s y e h r o n o u s et r a n s f e r m o d e ) ，它们是分组语音系统通信子网的核心技术。分组语音在其上的实现分别 称为，l p 、v o f r 、v o a t m t 引。 1 ) v 0 口简介 v o 口( v o i c eo v e r 口) 是指在以i p 为网络层协议的计算机网络中进行话音通 信的技术，虽然从字面意义来看，它研究的内容是口网络承载话音的技术，但实 际上泛指p 网络承载多媒体业务的所有相关技术。v o i p 技术可应用于许多领域， 包括：电信i n t e m e t 电话系统、i n t e m e t 传真业务、i n t e r n e t 可视电话会议系统、i n t e r n e t 呼叫中心、p b x 互联、内部网和企业网i p 电话等。 目前v o l p 技术己基本成熟，在它的相关协议中占主导地位的是h 3 2 3 协议和 s i p 协议。h 3 2 3 是i m t 在1 9 9 6 年制定的标准，它定义了在无服务质量保证的 i n t e m e t 或其他分组网络上多媒体通信的协议及其规程。 h 3 2 3 标准为局域网、广域网、i n t r 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，同时又发展成为满足i n t e m e t 电话技术复杂要求的协议系列。h 3 2 3 很大程度 上建筑在u 以前的有关多媒体协议上，作为先前协议的衍生，h 3 2 3 借鉴h 3 2 0 的结构、模块和音频视频标准。h 3 2 3 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 。 s i p 协议是由i e t f 推出的会话初始化协议，是一种基于文本的协议，采用s i p 规则资源定位语言描述。它不像h 3 2 3 提供所有的通信协议，而是提供呼叫的建 立控制功能相关的协议。s i p 采用的是客户服务器控制方式，s i p 端系统包含一 个客户协议程序和一个服务器协议程序，分别成为用户代理客户( u a c ) 和用户 代理服务器( u a s ) 。在s i p 网络中，服务器分为代理服务器、重定向服务器和注 册服务器。 2 ) v o f r 简介 v o f r ( v o i c eo v e rf r a m er e l a y ) 是在帧中继网络上传输语音及语音类数据的 一种话音技术。帧中继是在x 2 5 分组交换技术的基础上发展起来的一种快速分组 交换技术，是改进了的x 2 5 分组协议。帧中继网络仅完成o s i 物理层和链路层核 心层的功能，将流量控制、差错控制、确认重传等功能留给智能终端完成，具有 动态分配带宽、复用链路资源、提高网络吞吐量、降低通信时延等特点。 帧中继网络适用于以下两种情况： 第一章绪论 当用户需要数据通信，其带宽要求为6 4 k b i t s 一2 m b i t s ，而参与通信的各 方多于两个的时候，使用帧中继是一种较好的解决方案。 当数据业务量为突发性时，由于帧中继具有动态分配带宽的功能，选用 帧中继可以有效的处理突发性数据。 正是由于帧中继网络具有以上的特点和应用范围，使语音在帧中继网络中传 输成为可能。帧中继论坛在1 9 9 8 年发布了语音在帧中继网络上传输的协议标准， 既v o f r 语音标准。从此，v o f r 便开始蓬勃发展。 由于帧中继网络协议是一种广域网协议，因此，v o f r 语音技术经常被应用于 在广域网传输中，同时由于帧中继网络组网简单，使用费用较低，v o f r 语音技 术也经常应用在企业网中。 v o f r 语音技术之所以能受到广泛关注，除了帧中继网络自身的特点外，v o f r 技术本身也具有许多优点。其中，最令商家感兴趣的就是v o f r 语音技术提供的 g s 互转功能。g s 互转是v o f r 语音技术中的一种特殊语音业务，它提供了v o l p 分 组语音技术与v o f r 分组语音技术之间的互通操作，使两种不同类型的分组网络 很好的融合在一起，增加了网络之间的互通性。目前，一些实现v o f r 话音业务 与v o i p 话音业务互联互通的产品已经问世，这些产品的问世减少了人们对这两种 分组语音协议优劣的争论和对v o f r 应用前景的担忧。 3 ) v 0 删简介。 a t m 技术出现于8 0 年代末，是i t u 定义用于b i s d n 的传输技术和平台，它本 身就是用于传输包含语音视频在内的多媒体业务的工具。根据带宽利用程度和传 输的定时机制采用方案等因素。a t m 论坛和i t u 将a t m 分为5 种传输类型：固定 彼特率( c b r ) 、实时可变比特率( r t - v b r ) 、非实时可变比特率( n r t - v b r ) 、 非指定比特率( u b r ) 、可用比特率( a b r ) 。并相应地定义了a a l l 、a a l 2 、 a a l 3 a a l 4 和a 札5 几种业务类型。由于语音对时延抖动敏感程度，一般采用 c b r 和r t - v b r 方式来传输语音，其业务类型分别为a a l l 和a a l 2 。a t m 论坛为 此专门制定了一套用于v o a l m 的协议。 a t m 采用q o s 保障机制、v c 链路排队机制和定长信元传输机制，有效地降低 了时延和时延抖动对分组语音传输性能的影响，成为传输分组语音的最佳方法。 但由于a t m 设备造价高，尤其是对桌面用户而言，而且目前在a t m 系统中传输 的语音速率均为6 4 k b p s ，对带宽的利用率不高，因此v o a t m 的应用并不十分广泛。 1 2 分组语音的发展现状 分组语音与传统语音相比所具有的优势，以及i n t e m e t 网络、f r 网络和a t m 第一章绪论 网络在全世界的蓬勃发展，使分组语音技术在世界范围内有很好地发展前景。从 目前的发展情况来看，分组语音的发展已经具备了比较好的基础，主要体现在以 下四点： ， 1 ) i t u t 联盟推出了多个语音压缩标准，如g 7 2 3 1 、g 7 2 9 a 和g 7 2 8 等，在保证 语音质量的前提下，大幅度降低了传输语音所需的带宽，满足了不同环境下 对于语音的需求。 2 ) 网络技术迅猛发展。各种新材料、新技术层出不穷，网络带宽越来越宽。这 为确保分组语音的传输质量提供了可靠的保证。 3 ) 分组交换技术已经由单一的数据应用向网络核心转移，开始取代传统电路交 换设备所具有的地位。这为分组语音的使用确立了基石。 4 ) 计算机软件和硬件技术发展迅速。c p u 的主频越来越快，内存越来越大，各 种专用芯片的运算速度也是与日俱增，从而降低甚至消除了由于算法计算或 通讯负载过重所带来的延迟和抖动。 综上所述，可以看出分组语音技术已经具备了投入实用的基础。正是由于分 组语音具有以上的优点和实用基础，使分组语音技术受到广泛的关注，其巨大的 市场潜力吸引了许多数通产品的制造商。许多产品制造商生产出的具有分组语音 网关功能的路由器。目前市场上具有分组语音网关功能的路由器主要有c i s c o 公 司的7 2 0 0 系列路由器、m o t o r o l a 公司的v a n g u a r d 6 4 0 0 系列路由器、华为三康有限 公司的8 0 4 8 系列综合路由器等。 c i s c o 公司的7 2 0 0 v x r 路由器是一种能够在企业或服务供应商网络边缘对i p 语音( v 0 口) 或帧中继语音( v o f r ) 进行汇聚的多服务路由器。随着具有时分 复用( t d m ) 功能的语音端口适配器p a v x c - 2 t e i + 和p a - v x b - 2 t e l + 的出现， c i s c o7 2 0 0 v ) 浓现在可以将v o i p 或v o f r 端接到公共交换电话网( p s t n ) 或专用 分组交换机( p b x ) 上，实现分组网络与传统电话网的互通。 m o t o r o l a 公司的v a n g u a r d6 4 0 0 系列是降低分支机构网络成本的行业产品，提 供集成的帧中断分组语音( v o f r ) 、i p 分组语音( v o i p ) 、传真、r e m o t e v u t m 视 频监控、局域网路由和传统数据支持。 华为三康公司的8 0 4 8 综合路由器( 具有语音功能的综合路由器，当用于语音 时，可认为是一个语音网关) 集成了h 3 2 3 协议、s i p 协议、v o f r 协议等分组语音 协议，同时还集成了r 2 、l g s 、e & m 等p s t n 便i j 语音协议，可以支持传统的p s t n 电话、i p 网络电话以及各种语音协议下的传真业务，在市场上受到了很大的欢迎。 4 第一章绪论 1 3 本课题的研究工作及论文安排 本课题是在分组语音蓬勃发展的时期提出的，主要针对分组语音中的v o f r 语音技术进行研究，在原有路由器中增加v o f r 语音网关功能，丰富原有的语音 网关，增加综合路由器在市场上的竞争力。 本课题的主要目的是提出v o f r 语音网关的软件设计方案，并完成v o f r 协议 模块的开发，实现语音数据在帧中继链路上的传输。本课题在硬件方面使用华为 三康有限公司的8 0 4 8 路由器，该路由器采用了高性能低功耗p o w e r p c 芯片为主控 制处理器来处理各种语音信令，并以t i 公司的t m s 3 2 0 - - 5 x 系列高性能数字信号 处理芯片( d s p ) 处理语音数据和传真业务；软件方面采用v x w o r k s 嵌入式操作 系统进行v o f r 协议模块的开发和编译。 作者在本课题中主要完成的工作： 1 ) 在项目中，本文作者参与了v o f r 协议模块的设计和实现，熟悉v o f r 语音协 议的呼叫流程。 2 ) 完成了v o f r 协议模块的需求分析、概要设计、详细设计及编码工作，并根据 v o f r 协议中存在的缺陷，对呼叫方式进行了改进和优化。 3 ) 对设计完成的v o f r 协议模块进行单元测试、集成测试、系统测试，并对测试 得出的软件缺陷进行修改。 4 ) 对v o f r 协议模块进行维护，解决设计及编码中遗留的问题。 本论文的主要目的是对v 0 f r 协议模块的整体设计思想及实现方案进行描述。 论文内容安排如下： 在第二章中主要介绍v o f r 的原理和发展历史，并对v o f r 的两种呼叫方式、 v o f r 的关键技术以及v o f r 帧的封装格式进行描述。 在第三章中对本课题所采用的开发及编译系统v x w o r k s 进行介绍。本章的重 点是v x w o r k s 系统中的任务调度方式和任务通信机制。 在第四章中介绍了v o f r 协议模块所处的软件环境语音网关系统和帧中 继协议模块。 在第五章中详细描述v o f r 协议模块的设计和实现方案，实现的重点在于呼叫 控制块设计和呼叫流程的设计。 在第六章中将对所开发的v o f r 协议的测试过程及测试结果进行介绍。 最后对所做的工作进行了总结，并对今后的研究工作进行了展望。 第二章v o f r 概述 2 1v o f r 的含义及特点 第二章v o f r 概述 v o f r ( v o i c eo v e rf r a m er e l a y ) 技术实现了在帧中继( f r a m er e l a y ) 网络中 传输语音及语音类数据的功能，是分组语音技术的一种。使用v o f r 技术时，语 音信号被封装成帧的格式并存储在分组包中进行传输。 v o f r 主要是一种软件解决方案，和v o i p 技术方案类似，都需要在路由器上增 加语音接口模块来支持。 v o f r 技术满足了不同目的人员的多种需求，使得终端用户能够在一条租赁线 上同时使用数据、语音和传真等不同业务，大大提高了带宽利用率，并有效地降 低了处于公司不同位置的终端用户之间的通信成本。 v o f r 技术支持永久虚电路的统计复用。一条虚电路上可以承载多个用户同时 进行通话或传输数据，提高了中继线路的利用率，并且当语音和数据同时传输时， 数据将被分片，并降低数据传输的优先级，以此来保证语音以较低的延迟在帧中 继网络中传输。 v o f r 还可以通过设置语音带宽来限制同时通话的用户数。另外，网络管理人 员还可采用预留带宽的方式，让语音独占一定的带宽，从而保证语音质量。 2 2v o f r 语音技术的发展及应用现状 由于v o f r 技术是在帧中继网络上传输语音及语音类数据，因此v o f r 的发 展与帧中继的发展密不可分。 从2 0 世纪末开始，全球范围内l a n 数量猛增，局域网在广域网环境中互连的 需求越来越多。而且随着高质量光纤传输及智能化终端的普及，使网络技术得以 简化，从而出现了帧中继这种快速分组交换的网络传输技术。帧中继网络是为适 应局域网互联、图象传送以及其适应突发性强、业务量较大和高速宽带通信而建 设的通信网络。可广泛用于会议电视、虚拟专用网( v p n ) 和远程医疗、教学等应 用领域。 近几年在国际上，尤其在北美地区，帧中继业务出乎人们意料地快速增长。 在美国，帧中继在局域网互联中的应用已超过9 0 的市场份额。在欧洲，帧中继 6 第二章v o f r 概述 业务也继续迅速增长。目前欧洲已有2 8 种帧中继业务，而且这些帧中继业务正在 变成生机勃勃的国内和国际业务。 帧中继业务的快速增长，使很多公司转向这种有效而经济的业务来满足数据 通信的需求。最初，网络规划者并未考虑到帧中继在语音方面的要求与趋势。然 而，随着电信与信息业的迅猛发展，国际与其他电信业务的需求日益增长给很多 相关应用提供了舞台。为了进一步构建其企业网络，并获得更多的经济利益，很 多公司开始希望能在帧中继网络上有效地传送语音、传真和数据业务，并据此向 完全多媒体网方向发展。通过将帧中继的统合，公司可以进一步构建其企业网络， 获得比广域网链路更好的经济效益，使网络有效地传送语音及语音类数据。 虽然在帧中继上支持普通应用和语音应用的综合接入解决方案很令人感兴 趣，帧中继协议中定义的虚电路也可以使帧按适当的顺序经由广域网传送，而且 差错校验还会避免传送出错的帧，然而当时的帧中继业务没有为更高级的业务提 供任何内在的有效机制。换句话说，就是帧中继并没有语音所需建立帧的性能优 先级的明确方式。 。 1 9 9 7 年，帧中继论坛为帧中继网上可互操作的语音批准了称为f l 强1 1 的标 准。这是一个提供帧中继上语音通信的实现协议。f r f 1 1 被命名为“帧中继上的 语音，特别提供了帧中继上语音和三类传真通信带宽的高效组网。图2 1 描述了 v o f r 语音业务与f r f 11 协议的关系【4 j 。 图2 1支持电话的帧中继业务协议的结构 第二章v o f r 概述 f r f 1 1 协议中规定了被复用的虚连接( v c ) ，这一功能允许在帧中继网络中 的一条虚连接上最多可承载2 5 5 条语音和数据子通道。在协议中通过传真协议来 提供三类传真通信的透明中继，而且按低比特速率数字流来传送传真业务流。为 了得到最大的灵活性和在世界范围通用，它支持两类语音依从性。第一类依从性 一般为3 2 k b i t s ( 2 ：l 压缩) ，需要使用g 7 2 7e a d p c m 。第二类依从性为8 k b i t s ( 8 ：1 压缩) ，指定为g 7 2 9 g 7 2 9 a c s - a c e l p 。为了最大程度地利用带宽，也有可能在 单个帧中承载多重语音抽样，进一步减少头开销。 f r f 1l 协议为语音和传真在帧中继网络上传输提供了标准，也为广域网数据 应用的互操作性提供了一种可兼容的方式，是对帧中继业务的全面补充。 f r f 11 协议制定后，v o f r 技术开始了得到广泛的应用和快速地发展。并且 随着光纤通信的发展，以及帧中继q o s 机制的不断完善，在帧中继网络上传输 的语音质量也不断提高，目前v o f r 的通话质量已可达到话音级的质量水平，比 一般模拟业务提供的质量更好。图2 - 2 是利用v o f r 技术的帧中继网络与传统电 话网的联合组网图，其中帧中继网络两侧是具有v o f r 语音网关的路由器。 图2 - 2v o f r 与传统电话网的联合组网图 目前许多国家已经建立了以v o f r 技术为核心的电话交换网，大幅度地降低了 话费地开销。 美n l m o r g a nk e e g a n 经纪公司一直是v o f r 的先驱者。该公司习惯用单独的网 络传输话音和数据，现在它将这两种业务结合到一个帧中继网络上。在转变之前， 它使用租用线路为其用户提供“热线”。使用v o f r 业务后，该公司以较低的成本 实现了同样的任务。 许多欧洲国家也在开辟v o f r 业务。英国电信公司在西班牙正使用多媒体外围 路由器和相关的压缩技术在其公共的帧中继网范围内提供话音传输和传真功能。 这项业务建立在永久虚拟电路( p v c ) 的基础上，收费的计算与其数据业务相同。 提供v o f r 话音通信的其它欧洲公司还有g l o b a lo n e 公司和t e l e f o n i c a 公司。 第二章v o f r 概述 在我国v o f r 语音技术也有广泛的应用。在黑龙江省牡丹江市公安三级网建 设中，市级到省级的电话网就采用了v o f r ，在保证语音通话质量的前提下，大 幅度降低了电话费用。 v o f r 语音技术在当今国内外的广泛应用标志着v o f r 技术逐渐步入成熟期。 2 3v o f r 的关键技术 支持传统数据和l a n 数据的帧中继要有效地支持语音业务，就要解决语音 压缩、延时、带宽管理、拥塞控制、优先级和其他一些问题。语音应用要求帧中 继应解决不同于传统串行和l a n 数据的业务分级，从而保证高质量的音频传送。 1 ) 语音压缩 v o f r 语音技术的关键技术之一就是语音的编码及压缩技术，采取的编解码 算法和压缩技术直接影响到v o f r 业务的语音质量。语音的编码及压缩过程在网 关中完成，这个过程需要先进行数字编码，转换为p c m 码，然后经过专门的d s p 芯片进行数据压缩，最后再形成帧的形式，以适合帧中继网络上的传输带宽。 语音信号是随时间而变的一维信号。语音编码技术伴随着语音的数字化而产 生，主要应用在数字语音通信和数字语音存储两个领域。语音压缩是语音编码技 术的一项主要内容，即是研究如何在尽量减少失真的情况下，采用各种信源编码 技术减小语音信号的冗余度，并充分利用人耳的听觉掩蔽效应，高效率对模拟语 音信号进行数字表达，而仍能恢复出可懂度甚至自然度很好的语音。 语音编码技术的研究开始于2 0 世纪3 0 年代d u d d l e y 发明声码器( v o c o d e r ) ， 但直到7 0 年代中期，除了p c m ( 脉冲编码调制) 和a d p c m ( 自适应差分脉冲 编码调制) 取得较好进展之外，中低比特率语音编码一直没有大的突破。1 9 8 0 年美国公布了一种2 4 k b i t s 的线性预测编码标准算法l p c 1 0 以后，在普通电话 带宽信道中传输数字电话终于成为了现实。除了p c m 、a d p c m 、增量调制、l p c ( 线性预测编码) 、m e - l p c ( 多脉冲激励线性预测编码) 声码器之外，美国于 1 9 8 8 年又公布了4 8 k b i t s 的c e l p ( 码激励线性预测编码) 语音编码标准算法， 欧洲则推出了1 6 k b i t s 的k e l p ( 规则脉冲线性预测编码) 算法，其语音质量都 能达到高音质。这些算法都可以用单片数字信号处理器实时实现，从而在移动通 信中得到广泛应用，对通信事业的发展起了重要的推动作用。 近十年来，语音编码技术的理论研究取得了突飞猛进的发展，在国际标准化 工作中堪称为最活跃的研究领域。就语音编码的现状而言，码率达1 6 k b i f f s 和 8 k b i t s 的技术已经标准化和产品化，具备比较完善的理论和技术体系，并已经进 入了实用阶段。而码率达到4 8 k b i t s 已有区域性标准，但这一码率区间的语音 第二章v o f r 概述 编码仍是国际标准制定和使用产品竞争的热点。今后的研究焦点则将逐步转向更 低的码率。 国际电信联盟i t u 在制定全球通信标准的过程中承担了重要责任。针对近些 年来由于语音编码技术的突破性发展而出现的众多使用的高质量语音编码算法 及应用，i t u 和一些地区标准协会已制定了一系列语音编码标准，为应用在通信 网中的各种语音编码的兼容性提供了有力的保证。 表2 1 语音编码标准压缩编码方法 编号，带宽 ，描述 p c mg 7 1 1 0 4 k b p s g 7 11 编码的语音格式应 用于通过公共电话网络 或p b x 传输数字语音。 a d p c mg 7 2 6 1 6 - - 4 0 k b p s 以下 g 7 2 6 编码的语音格式可 以在分组语音和公共电 户中互换，使后者拥有 a c p c m 功能。 g 7 2 8 1 6 k b p sg 7 2 8 语音编码格式必须 转换为公共电话格式，才 能在电话网中传输。 g 7 2 9 8 k b p s g 7 2 9 有两种，他们都拥 有等价于3 2 k p b s a d p c m 的语音质量。 2 ) 优先级设定 支持v o f r 语音技术的设备具有优先级机制，它可以根据不同业务对延时的 敏感度，对于语音业务和某些对延时敏感的数据业务加上标签，分配给这些实时 业务更高的优先级，这样在传送时就可以首先传送较高优先级的业务，而让普通 的数据分组进行等候。由于语音传送相对要短并且已被压缩，故要求带宽很小。 即使优先传送，也不会对数据业务产生影响。语音及其信令信息被压缩和打包后， 与其他数据通过帧中继进行传送。 支持v o f r 技术的网络设备可以提供与帧中继网络的接口，用来传送数据和 语音。由于这些电路的性能和要求有很大差异，该网络设备要实现对两种类型业 务的优先处理。语音通信是实时进行的，而对分组延时和传送的不确定性方面的 要求比数据通信更为严格。广域网通信系统采用队列方式来提供链路带宽的缓冲 存储。若链路被某一通路上的帧占据，则另一等待进入同一通路的帧就将进入队 列，直到链路可用才进入链路进行传输。 支持v o f r 技术的网络设备采用队列管理来提供广域网链路带宽对语音通路 1 0 第二章v o f r 概述 的更高的优先级。当语音帧重组后，将转发到数据帧之前。数据通道可以在语音 通路帧之间接入链路。 3 ) 数据通路分段 由于数据帧长度通常超过语音帧，支持v o f r 技术的网络设备可以将语音帧 分成小一些的分组。分段机制是为了提高数据分组的性能，而将其分成较小的分 段。通过数据分段机制，在语音与数据同时传送时，可以暂停数据流中的数据分 组，及时传送具有高优先级的语音分组，降低语音的延时。 但简单的分段会增加数据帧的数量，因此会增加标记和分组头的数量，这就 导致开销增加并减少了带宽的效率。通常可以在数据传送时只在语音分组到达的 交换机处对数据帧进行分段。 4 ) 回声消除 与传统电话相比，在帧中继网络上进行语音的实时传输，语音质量较差。影 响v o f r 语音质量的因素是多方面的，而回声是影响v o f r 语音质量最关键的因 素之一。回声是由远端电话设备将讲话者语音的信号反射回来产生的。电话网中 的回声是由4 线和2 线电路间转换的混合电路所产生的信号反射。回声在传统的 电话网中也会出现，但由于在传统网络中的往返延时小于5 0 m s ，因此传统电话 网中的回声可以被用户接受。而v o f r 中的语音传输采用分组交换技术实现，是 一种全新的电信业务，传送的语音信号要经过编码、压缩、打包等一系列处理， 因而回声路径的延迟会大于5 0 m s ，且延迟抖动也较大。与传统电话相比，在v o f r 电话系统中的回声具有如下特点： 回声较复杂 回声路径的延迟大 回声路径的延迟抖动大 在i t u t 相关建议中规定了非常严格的性能要求，分组语音设备可通过回声 消除器( a e c ：a c o u s t i ce c h oc h a n c e l l o ) 来抵消回声。回声消除器( a e c ) 是对 扬声器信号与由它产生的多路径回声的相关性为基础，建立远端信号的语音模 型，利用它对回声进行估计，并不断地修改滤波器的系数，使得估计值更加逼近 真实的回声。然后，将回声估计值从话筒的输入信号中减去，从而达到消除回声 的目的，a e c 还将话筒的输入与扬声器过去的值相比较，从而消除延长延迟的 多次反射的声学回声。根据存储器存放的过去的扬声器的输出值的多少，a e c 可以消除各种延迟的回声。 根据回声抵消器的功能要求，一个完整的回声抵消器需要有以下两个模块： 自适应算法滤波器：用于建立回声路径的模型以估计远端信号可能产生 的回声，并从本地输入信号中减去该估计的回声。 第二章v o f r 概述 工作模式检测器：包括双端通话状态( d o u b l e t a k d t ) 检测和自适应 算法滤波器控制。通过判断d t 模式还是单端通话状态( s i n g l et a l k - s t ) 模式，以使回声估计器工作于正确的模式。 5 ) 静音压缩 在语音通信中，在给定的时间内只有全双工连接的5 0 用于对话。这是因为 通常只有一个用户在说，而另一个用户在听。如果在静音时间内，暂停数据流的 产生和发送，则可以减少对链路带宽的使用。 静音检测是根据人说话有间断性的特点，检测和分离出有效的语音片段，对 有效语音片段和静音片段分别进行处理，在不降低话音质量的前提下，能达到节 省话路资源的作用。 在进行静音检测时有两个问题需要注意：一是背景噪声问题，即如何在较大 的背景噪声中检测静音；二是前后沿剪切问题。所谓前后沿剪切就是还原语音时， 由于从实际讲话开始到检测到语音之间，有一定的判断门限和时延，有时语音波 形的开始和结束部分会作为静音被丢掉，还原的语音会出现变化，因此需要在突 发语音分组前面或后面增加一个语音分组进行平滑以解决这一问题。在实际使用 中，如果出现长时间的静默，会使用户感到很不自然。因此实际上接收端常常会 在静音期间发送一些分组，从而生成使用户感觉舒服一些的背景噪声，即所谓的 舒适噪声。 静音检测技术经过很多年的发展，已经有很多成熟的静音检测算法收入到实 际应用中，这些算法一般是利用语音和噪音在信号特性上的不同，通过软件计算 方法提取这些特性值并与一定的阀值进行比较，从而得到判决结果。以前常用的 算法有短时能量检测，过零率检测和高斯检测等算法，而近几年又发展出一些静 音检测方法，有自适应能量检测，线性预测模型检测，相关性检测，基音周期检 测和概率检测等方法。 6 ) 拥塞控制 帧中继网的拥塞控制是实时机制，它对防止拥塞或从拥塞状况下恢复是很重 要的。当网络到达峰值负荷而超出帧中继通路的约定信息速率( c i r ) ，通常会 产生拥塞。帧中继交换机将b e c n ( 后向明确拥塞通知) 比特加在被拥塞的帧上。 当帧中继网络接入设备从网络上收到b e c n 比特时，应该能够侦测到拥塞的状 态。它应该降低传送速率，直到网络中的拥塞情况得以改善，恢复正常的传输。 如果没有这一机制，用户就会由于延时而丢弃帧。 第二章v o f r 概述 2 4v o f r 帧的封装格式 f r e l l 专门为硬件供应商提供了在虚电路上传输v o f r 分组的标准方法【l 】，而 且能在同一虚电路上传送数据帧。为了在帧中继网络中有效地传输语音和数据， f r f 1 1 协议规定在帧中继网络的单条虚电路上可以承载2 5 5 条语音和数据的子 通道。在实际应用中，系统会分配2 51 条子通道供v o f i 晤音网关使用( 子通道 号从4 到2 5 5 ) ，剩余的子通道被帧中继协议占用。 在f r f 1 1 协议还规定了语音帧的封装格式和数据在虚电路中的传输格式。 图2 3 显示了使用f r f 1 1 封装v o f r 帧的格式【5 1 。 b i t 位 87 6 5 4 321 标志( 0 ) 【7 e ) d l c i ( 高6 位) c 瓜o d l c i ( 低4 位)fbd el e il i 子信道i d ( c i d ) ( 低6 位) c m ( 高2 位) 00 负载类型 f 有效负载长度 。 ” “有效负载 。一”“+ 帧检验序列( 2 字节) 图2 - 3使用f r f 11 子帧封装的v o f r 帧结构 从图中可以看