（通信与信息系统专业论文）voip移动终端关键技术研究及实现.pdf

摘要 服务质量的限制是目前v o l p ( v o i c eo v c i 口) 应用最主要的挑战和障碍，v o l p 服 务质量技术的研究与实现已成为当前的一个研究热点。 论文分析了影响砺珀服务质量的几个主要因素：端到端总时延、语音编码方 式以及时延抖动。论文针对这些问题提出了具体的解决方案：通过采用p 2 p ( p e e r t o p c e n 技术来解决端到端总时延问题，并结合f r e e p p 移动终端项目的需要，给出了 u d e ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) 穿越n a t ( n e t w o r ka d d r e s st r a n s l a t i o n ) 建立p 2 p 连接 的方案；在语音编码方面，基于带宽需求、平均观点分值、失真损害值、复杂性 等指标，对各种编解码方式的性能和特点进行了评估；分析了当前主流的固定缓 冲算法和静音区动态调整算法的各自实现机制和性能优劣，提出了综合性能更优 的基于时间尺度的缓冲播放调度算法来解决时延抖动问题。 本论文的研究成果已经集成到普罗公司v o w 系统的移动终端部分，此移动终 端已投放市场，反映良好。 关键词：v o l p 时延抖动p 2 p 移动终端 a b s t r a c t q u a l i t y - o f - s e r v i c e ( q u s ) l i m i t a t i o ni s am a j o rc h a l l e n g ef o rr e a l - t i m ev o i c e c o m m u n i c a t i o no v e r1 pn e t w o r k s ( v o w ) t h et e c h n o l o g yt oi m p r o v et h eq o so fv o i pi s b e e n i n gah o ts t u d yf i e l d t h i sp a p e ra n a l y z e st h em a i nf a c t o r st h a ta f f e c tt h eq o so fv o i p ：e n d - t o - e n dd e l a y , v o i c ec o d e ca n dd e l a yv a r i a t i o n ( a l s ok n o w na sj i t t e r ) t h i sp a p e ra l s og i v e st h ed e f i n i t e s o l u t i o nt ot h ea b o v et h r e ep r o b l e m se a c h i tt a k e sp 2 p ( p e e rt op e e r ) t c c l m o l o g yt o d e c r e a s et h ee n d - t o - e n dd e l a ya n dg i v e st h ed e t a i l so nh o wt ou s et h eu d pt op e n e t r a t e t h en a tt os e tu pp 2 pc o n n e c t i o ni nt h ef r e e p pm o b i l et e r m i n a lp r o j e c t w h e n d e s c r i b et h ev o i c ec o d e c ，t h ep a p e ra p p r a i s e st h ec h a r a c t e ra n dp e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n t v o i c ec o d e ct h r o u g hb a n d w i d t hr e q u i r e m e n t ，m e a no p i n i o ns c o r e ，d i s t o r t i o nv a l u ea n d c o m p l e x i t y a tl a s t , t h ep a p e ri n t r o d u c e ss o m ep o p u l a ra r i t h m e t i cw h i c hc a na b s o r bt h e j i t t e rj u s tl i k es t a t i ca d j u s t m e n ta r i t h m e t i ca n dd y n a m i ca d j u s t m e n tb e t w e e nt a l k s p u n b e s i d e s t h i sp a p e rp r o p o s e san e wr e c e i v e r - b a s e dp l a y o u ts c h e d u l i n gs c h e m ea r i t h m e t i c c a l l e dv o i c ep a c k e tp l a y o u tb a s e do nt h et i m e s c a l em o d i f i c a t i o nt e c h n i q u ew h i c h p e r f o r m sw e l lo na b o r b i n gj i t t e rt h a nt h ep r e v i o u sa f i t h m a i e s b yn o w , t h ec o m m e r c i a lp r o d u c to ff r e e p pm o b i l et e r m i n a lh a sb e e na c c e p t e db y m a r k e t k e y w o r d ：v o l pj i t t e r p 2 pm o b i l et e r m i n a l 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容阻外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学或 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 的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： l 虱鱼日期：! 旦亟 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使甩论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定1 本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 盈垫日期：塑! 釜! 塑皇安 逸主! 三日期：型 签! 目! 璺 第一章绪论 第一章绪论 1 1v o l p 概述 在计算机网络上进行语音通信的实验，早在7 0 年代就在因特网的前身a r p a ( a d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c ta g e n c y ) 网上实验过，当时的通话质量差，不能用于 通信，其主要原因有两方面，一是当时的网络速度慢，不能传输高比特率的编码 语音信号，二是当时还没有有效的数字信号压缩技术。随着分组交换技术、编码 技术和传输技术的发展，在技术推动和市场驱动下，自1 9 9 5 年以色列v o c a l t e c 研 制出通过i n t e m e t 可以打长途电话的软件产品i n t e m e tp h o n e 以来，v o w ( v o i c eo v e r ，1 的应用得到了迅速的发展【1 1 。 v o l p 是建立在l p 网络技术之上的分组化、数字化的传输技术，其基本原理是： 采用数字化处理技术对语音信息进行压缩处理，然后将语音分组经过口网络传送 到接收端，再次进行数字处理后，通过终端播放出来，从而实现端到端的双向通 信。其模型结构如下图所示： 模数分17 分数模 拟 字组 弋爱( 电子光子) 、j f ：= 组字拟 语语语 语语语 音音音 jj 音音音 图1 1 v o l p 的模型结构 v o l p 技术节约了初始投资成本，降低了网络管理的复杂度，为用户提供了更 为低廉的话音服务以及会议电视等多媒体通讯服务，正是基于上述的种种优点， 目前电信网中的业务除了传统电话业务外都是口业务，而电话业务中的长途电话 7 0 已是口电话。可以看出，网络的宽带化、口化成为整个电信网发展的必然趋 势。在可见的未来，口电话将逐步取代传统电话并最终完全心化。发展和完善口 技术以全面取代p s t n ( p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ) 贝l j 成为当前的一个研究 2 v o l p 移动终端关键技术研究及实现 和开发热点1 2 1 。 随着v o l p 的发展，各种商业模式和产品都已推出。例如有s k y p e 、m s n 、y a h o o m e s s e n g e r 等桌面平台应用软件，这些产品都得到了广泛的应用。但是桌面软件具 有自身的弱点，例如移动性比较差，不灵活，系统资源要求较高等。而嵌入式v o m 产品就可以弥补桌面软件的这些弱点。嵌入式产品具有以下优点： 1 移动性强，嵌入式产品体积小，功率消耗低，不需要有大功率电源供电。 可以随身携带。 2 对资源要求较少，嵌入式v o w 产品不需要具有类p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 的 高频率处理器和超大的内存和磁盘空间。 基于上述优点，近年来涌现出了不少的v o 口嵌入式产品，随着企业及政府持 续增加对w l a n 的投资，越来越多的公共场所都有热点( 无线接入点) 可以接入， 使得目前已经有不少的手机生产商投入v 0 碑手机研发，其中包括专门用于拨打 v o w 电话的w i f i 手机，也包括在各种手持设备( 包括p d a 和s m a r tp h o n e 等) 上 开发嵌入式的v o l p 软件。图1 2 为一v o l p 移动终端应用方案。 路由器 葚 路由器 葚 骺鼽点鼯蛐自回 国国 图1 2 移动终端应用方案 然而，目前的v o 口应用还面临着不少的技术难题。因为i n t e r a c t 经过多年发展 依然只能提供不可靠、不稳定的尽力而为的服务，没有服务质量( q u a l i t y o f s e r v i c e ， q o s ) 保障，口电话的语音质量已成为v o l p 业务进一步发展的主要障碍。此外， 在嵌入式平台上实现v o m 还具有较大的技术困难，比如说嵌入式系统资源问题， 嵌入式开发环境的系统资源非常有限，而、白i p 应用的数据处理流量非常大，所需 的系统资源较多，因此如何能够较为合理的利用有限的资源成为嵌入式开发的一 第一章绪论 3 大技术难题【3 】。 综上所述，虽然嵌入式v o l p 的产品是未来的发展趋势，但是其语音服务质量 问题一直是其发展的一块绊脚石，为此，v o m 的o o s 己成为了人们研究的热点问 题。 1 2v o l pq o s 的研究现状 q o s 即服务质量，是指为保证所提供业务的质量达到相应标准而采取的一系列 措施的技术总称。目前的i n t e r a c t 服务不能满足多媒体应用的需求，对于多媒体网 络或同时传送数据、语音和视频的网络，尽管网络的带宽可能很高，但这并不会 明显地降低拥塞或减少路由器和交换机缓存紧张的现象。如果想要很好地控制数 据传输，就必须采用有效的q o s 方案。目前m 中主要采用两类方法【4 】来保证 o o s ，一是在口网络层上的控制；二是在终端上的控制。 1 i p 网络层上的控制1 5 j 网络层控制q o s 机制包括资源预备、流量工程，接入控制、资源预留和连接 管理等。这些机制一般从两个方面入手：( 1 ) 通过预测网络流量来管理网络，把 违反q o s 设置的情况出现几率降到最低，资源预备和流量工程属于此种机制；( 2 ) 通过限制争用同一网络资源的业务总流量来保证o o s ，资源预留和接入控制等就 属于此类。 同时i e t f ( i n t e r n e t e n g i n e e r i n g t a s k f o r c e ) 提出了几种口网络层上的服务模 型：综合服务模型( i n t s e r v ) 以及与之配合使用的r s v p ( 资源预留协议) 协议、区 分服务模型( d i f f s e r v ) 以及利用多协议标签交换m p i s ( m u l t i p r o t o c o ll a b e l s w i t c h i n g ) 技术等等。在第二章中将会有详细的介绍。 2 v o 口终端上的o o s 控制 到目前为止，虽然网络层面的o o s 研究和应用取得了不少成果，然而h t c m e t 毕竟只提供一种无连接的服务，所以v o 口的服务质量在网络层得不到有效保证。 这样，这个任务就必须通过终端控制o o s 来完成了。 较大的语音延时会影响会话的交互理解，不恰当的语音编码方式会造成语音质 量的下降，此外，网络延迟的不均匀造成了时延抖动，因时延抖动而迟到的语音 包会被丢弃，降低了语音质量。 在端到端的语音延迟中，语音包在网络传输中的延迟所占的比重是最大的。而 网络传输延迟主要是语音包在网络上经过大量路由器转发后最后到达接收端所需 要的时间。所以，如何缩短网络传输时间是我们一直所关注的问题。针对口技 术，实现终端之间建立p 2 p 连接是一种有效的解决方案，如此一来，客户端之间 可以选择更优的路由来发送和接收语音包，随着网络传输路径减少，传输时间相 4 v o l p 移动终端关键技术研究及实现 应减少，最后端到端的延时自然也就降下来了【6 j 。 此外，时延抖动作为v 0 m 系统中一项重要的q o s 参数，对语音通信质量有着 直接的影响，关系到话音能否在接收端真实再现。为了消除时延抖动，通常采用 抖动缓冲技术，即在接收方设定一个缓冲区，根据某种缓冲调度算法将话音包首 先进入缓冲池暂存，随后系统再以稳定平滑的速率将话音包从缓冲池中取出，经 解压后播放给受话者1 7 。而缓冲调度算法则是解决时延抖动的关键所在，目前的缓 冲算法研究基本上可以分成三大类：固定缓冲算法，基于静音区修正技术的会话 峰整体缓冲算法和基于单包调整的会话峰内缓冲算法嘲。 1 3 论文所做的主要工作 论文的研究背景是上海普罗科技的f k e p p 项目。论文的研究基于v b i p 电话终 端系统项目，在网络条件受限制的情况下，从终端解决问题的思路出发，开发v o i p 终端设备，通过选择合适的语音编码方式、提高终端之间的p 2 p 连接成功率和提 出优化的自适应抖动缓存算法等方面入手，降低端到端总延迟，消除网络时延抖 动，提高语音质量。 本文将详细介绍和讲解建立p 2 p 连接的方法，并针对不同的网络类型和应用环 境给出相应的解决方案，尤其是最为普遍的n a t 防火墙( c o n en a tf i r e w a l l ) 。为 了提供更优质的语音质量，必须选择合适的语音编码方式，在介绍语音编码技术 时，详细介绍几种主要的语音编解码方式，然后针对这几种编码方式，在带宽需 求、平均观点分值、失真损害值( i e ) 、复杂性等指标下进行了相应的分析，评估了 各种编解码方式的性能和特点。 对时延抖动概念的介绍以及相应消除时延抖动所用到算法的介绍将是本文的 重点。在介绍抖动缓冲技术原理时，结合图例与公式，详细阐述消除时延抖动的 方法并且演算出要达到消除时延抖动所要符合的条件；在介绍当前主流的抖动缓 冲控制算法时，分析了固定缓冲算法和静音区动态调整算法的各自实现机制和性 能优劣，提出了综合性能上取得了比以前的算法更好效果的基于时间尺度的缓冲 播放调度算法，并详细分析了此算法的原理以及相应的实现要领。 实现一个基于上述技术和算法的v o l p 移动终端，给出了详细的硬件和软件架 构，并运用此终端进行相应的实验，以验证方案的可行性和有效性。 论文的研究成果应用于普罗通信的口移动设备，该产品现已投放市场，得 到实际验证和广泛应用。 第一章绪论 5 1 4 论文的内容安排 论文共包括六章内容。 第一章介绍了v o i po o s 国内外发展的最新动态和研究背景，提出了本论文的 研究思路，最后给出了本论文的组织安排。 第二章介绍了影响v o l p 语音质量的几种因素及o o s 的基本原理和技术。详细 介绍了影响口语音质量的几种因素，阐述了v 0 口o o s 所遇到的技术问题及基 本的解决方法。 第三章分析了v o 口穿越防火墙技术以及如何选择适当语音编码技术的问题。 给出了具体穿越防火墙建立p 2 p 连接的方案，同时详细分析了各种编解码方式的 性能和特点。 第四章研究了一种自适应缓冲调度算法。在比较了现有的几种缓冲延迟算法的 基础上提出了自己的自适应缓冲调度算法。 第五章设计了移动终端方案和算法实现。给出了用于实验的v o l p 终端系统的 构架及详细实现，同时对算法的有效性进行了验证。 第六章对全文进行总结，概括文中介绍的关键技术应用特点及实现要点，并指 出了不足与下一步工作的改进方向。 第二章v o i p0 0 s 的原理和实现 7 第二章v o i po o s 的原理和实现 2 1 影响语音质量的几个因素 由于早期的i n t e m e t 只能提供基于f i f o ( 先进先出) 的“尽力而为”服务，无 法控制口分组的吞吐量、丢包率、延迟和抖动等q o s 参数，因此不适宜传输语音、 视频等对延迟敏感而要求一定q o s 保证的新业务。对于v o 口，影响其语音质量的 主要有以下几个因素【5 l ： 时延 时延抖动 包丢失 包乱序 语音压缩编码技术 2 1 1 时延 端到端的时延是影响i p 通话质量的重要参数，经验表明，端到端的通话时延 如果超过4 0 0 m s ，通话质量就让人无法忍受。端到端的语音延迟是发送端一个语音 样本在通过话筒采样后，到达接受端被播放出来之前的这一时间间隔。降低系统 延迟可以通过减少数据分组传输距离、降低时延抖动的缓存时间以及提高语音压 缩技术等方法加以解决。 端到端的时延是指一个口包在网络上传输所需要的时问，它包括网络传输时 延、算法时延、处理时延以及抖动缓存时延。 1 网络传输时延( n e t w o r kd e l a y ) ：这是由传输语音数据的物理媒体和协议所 引起的。一个端到端语音传输的单向时延包括：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、分组语音的排队、初始化网络链路上的传输 和串行化时延、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) 上的排队时延、分组在目的地的接收和排队、语音数据流的解压和数字信 号到模拟语音信号的转换等等。 同时，系统的整个延迟主要是由网络传输时延所引起的。所以，如何缩短网络 传输时间是我们一直所关注的问题。针对v o l p 技术，实现终端之间建立p 2 p 连接 是一种有效的解决方案，如此一来，客户端之间可以选择更优的路由来发送接收 语音包，而不需要绕一个大圈通过服务器来转发语音包，随着网络传输路径减少， 传输时间相应减少，最后端到端的延时自然也就降下来了。 8 v o l p 移动终端关键技术研究及实现 2 算法时延( a l g o r i t h m i cd e l a y ) ：这是由语音编码器需要采集一帧语音采样 进行处理而引起的。语音处理以语音分组为单位。当音频数据采样量达到一定数 量后才能进行编码。它取决于所使用的语音编码器，从单个采样时间( o 1 2 5 m s ) 到几个毫秒不等。 3 处理时延( p r o c e s s i n gd e l a y ) ：这是由实际的语音编码过程以及采集已编码 的语音采样进行打包发往整个分组网络传送的过程所引起的。编码时延是由处理 器的执行时间和所使用的算法类型共同决定的。通常，多个语音帧将集成为一个 包在网络上传输，以减少包头对网络增加的负荷。例如，3 帧g 7 2 9 ( 相当于3 0 m s 语音) 将会放在一个包中传输。 4 抖动缓存时延( j i t t e rd e l a y ) ：语音分组进入接收端后，直到被抖动缓冲控 制算法决定交给解码器播放之前的延迟。这也是抖动缓冲控制算法所要尽量减少 的延迟 2 1 2 时延抖动 时延抖动( j i t t e r ) 是指由于各种延时的变化导致网络中的数据分组到达速率的 变化。如果对存在着严重时延抖动的网络不进行处理，就会使人感觉话音是忽快 忽慢的，很显然这是用户所不能接受的。为了消除时延抖动，通常采用抖动缓冲 技术，即在接收方设定一个缓冲区，话音包到达时首先进入缓冲池暂存，随后系 统再以稳定平滑的速率将话音包从缓冲池中取出，经解压后播放给受话者。这种 缓冲技术可以在一定限度内有效消除话音抖动，并提高音质。 2 1 3 包丢失 包丢失是指语音包没有及时到达接收端。造成包丢失的原因主要有以下两个方 面： 1 语音包在网络传输过程被破坏，由于网络拥塞、传输损伤、超过生存周期 而被丢弃等等。由于语音包主要是依靠面向无连接的u d p 包来传输，没有相应的 重发机制，所以语音信号在传输过程不可避免会受到损害。 2 语音分组到达受话端，然而由于延迟过大，超出抖动缓冲处理能力而被丢 弃。 很显然，语音包的丢失会使声音断断续续，影响正常通话。一般说来，如果在 客户端不作任何处理，当丢包率超过1 0 时，话音质量就会因为断续而无法让用 户忍受。解决方法之一是采用插值法技术，由于低比特率声码器都是基于线性预 测编码原理，其当前值是通过以前历史值线性组合而得，因此通过内插的方法不 第二章v o wq o s 的原理和实现 9 难得到丢失分组的近似估计值。这个技术能帮助掩盖一个分组自g 丢失，但不能用 于多个丢失分组，在多个连续丢失分组的情况下，c o d e c 会简单插入静音段。 姗- t 定义的标准编码的编码器都已包含分组丢失补偿这一功能。另一种分组丢失 补偿方法是发送冗余语音帧，即在发送第n + 1 个分组时，一并发送第n 个分组的 语音帧。这种方法能准确的恢复一个丢失分组的语音帧信息，但要求更多的带宽， 并增加了时延。 2 1 4 包乱序 当网络较差的时候，语音包在传输过程中很容易出现失序现象，从而影响接收 端播放。但是根据每个语音包的时间戳( t i m es t a m p ) ，可以方便的判断出语音包 的发送顺序，通常采用的解决方法同样是在接收端使用抖动缓存，对失序包进行 调整，从而忠实的重现发端的顺序。 2 1 5 语音压缩编码技术 语音压缩编码技术是口电话关键技术的一个重要组成部分。一种好的语音编 码技术可以通过占用较小的带宽来传输优质的语音，特别是在网络带宽受限的情 况下，这种优势尤其明显。目前，语音编码技术使用比较多的是i t u _ t ( i n t e m a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o nu m o n ) 定义的g x x x 系列语音编码标准。此外g l o b a l 口s o u n d 公司的i l b c 算法也有着不错的市场占有率。 2 2v o l pq o s 原理概述 在早期计算机网络和分组转发网中，网络只提供尽力而为的业务。对进入网络 的业务流，都以先来先服务的方式对业务流分组进行服务。随着i n t e r n c t 和各种业 务的迅猛发展，尤其是视频、话音等多媒体业务的迅猛增长，m 网络也由以前单 一的数据网变成了多业务的综合数字网。此时，传统的m 网络没有服务质量保证 的弱点已经显示出来。为此，业界提出了i pq o s 的概念1 1 0 l ，就是希望在职网络上 能对不同业务提供相应的q o s 保证。 2 2 1 网络层q o s 控制 互联网工程任务组( i e t f ) 在口网络的q o s 方面建议了一些服务模型和机制， 其中最基本的是综合业务资源预留协议( i n t e r s e r v r s v p ) 模型和区分业务模型 ( d i f l s e r v ) 下面简单介绍各种机制的工作原理及其利弊： 1 0 v o l p 移动终端关键技术研究及实现 1 i n t e r s e 茹 i n t s e r v ( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ) 模型又称为集成服务模型，其基本思想是在传送 数据之前，根据业务的q o s 需求进行网络资源预留，从而为该数据流提供端到端 的q o s 保证。为此，集成服务通常采用面向流的资源预留协议( r s v p ) ，在流传 输路径上的每个节点为流预留并维护资源。主机利用r s v p 向网络为应用流提出 q o s 的请求；路由器利用r s v p 将q o s 请求信息传给流的路径中的其他路由器， 并建立和保存该服务的信息；r s v p 请求将会使得沿着数据路径的资源在路由器处 预留。这种模型的优点是能提供端到端的绝对的q o s 保证，但是这种模型在实现 上是非常困难的，主要体现在： 由于预留是基于每个流而进行的，因此使得节点中要保留每个流的状态信 息，导致核心路由器负担太重，因此可扩展性很差。 网络中每个节点都要维护各类数据库，并实现复杂的功能模块( 如资源预 留、路由、接纳控制等) ，造成了极大的复杂性。 2 d i f f s e r v d i f f s e r v ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) 模型，又称为区分服务模型。区分服务模型 的基本思想是在网络的入口处为每个数据包分类，并在数据包中标记相应的区分 服务代码点( d s c p ，d i f f s e r vc o d ep o i m ) ，用于指示数据包在网络转发路径的中 间节点上被处理的方式。在网络内部的核心路由器中只保存简单的d s c p 与p h b ( 每跳行为) 的对应机制，根据数据包头部中的d s c p 值对数据包进行相应的优 先级转发，而业务流状态信息的保存与流量控制机制的实现等都在网络边晁节点 进行，内部节点是与状态无关的。 区分服务具有实现简单，扩展性好的特点。目前在口网中区分服务得到了绝 大部分厂家的支持，其具体实现技术包括分类、重标记、速率限制、流量整形、 拥塞避免、队列调度等。但区分服务也有自己的局限性，主要体现在： 区分服务只承诺相对的服务质量，因而不能对用户提供绝对的服务质量保 证。 在拥塞发生时，区分服务模型只能采取丢弃报文的方式，而不能采用例如 旁路的方式使部分流量通过其他路径到达终点。 对相同优先级的业务而言，设备在拥塞时对报文的丢弃是非智能化的，也 就是说，设备只能随机地丢弃报文，其结果是所有业务的服务质量都受到 影响。而此时希望的结果是只丢弃少部分业务流的报文，从而避免剩下的 大多数的业务流的服务质量受到影响。 3 i n t s e r v 与d i f f s e r v 结合 目前业界还提出了把i n t s e r v 与d i f f s e r v 结合的方式，其思路为：在用户网络 仍使用r s v p ，在运营商的d i f f s e r v 网络边界将i n t s e r v 的业务类型映射为d i f f s e r v 第二章v o l po o s 的原理和实现 的业务类型，这样利用i n t s c i v 的架构来解决端到端的o o s ，同时也利用d i f f s e r v 来提供好的扩展性。 但这种方法仍然存在i n t s e n , 的信令复杂、参与管理等问题，而且由于在运营 商的网络采用d i f f s e r v ，因此在这一段网络也只能提供相对的q o s ，从而使端到端 的服务质量得不到硬性的带宽保证。该方法目前仍处于一种理论的研究阶段。 4 m p l s c k , s 利用多协议标签交换m p l s ( m u i t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) 技术，可以协助 解决o o s 问题。m p l s 是一种结合第二层和第三层的交换技术，引入了基于标签 的机制，把路由选择和数据转发分开，由标签来规定一个分组通过网络的路径。 m p l s 网络由核心部分的标签交换路由器( l s r ) 、边缘部分的标签边缘路由器 ( l e r ) 组成。 由于m p l s 采用标签交换来进行m p l s 转发，因此其转发效率高于传统砰通 过路由器的转发，从而通过减少转发时间来提高o o s 。此外，m p l s 的报文头中包 含一个3 b i t 的e x p 字段，通过该字段可以标记该m p l s 报文的优先级，从而使设 备在转发该m p l s 报文时能根据优先级标志进行区别对待。 这种方式的局限性在于：首先它必须基于m p l s 网络实现，而当前许多网络上 并没有实施m p l s ；另外髓着近几年芯片技术的不断发展，路由转发与交换转发之 间的性能差异也越来越小；而且通过e x p 进行优先级区分实际上也是d i f f s e r v 的 实现方式，因而这种方式也不可避免地具有d i f f s e r v 所具有的一些局限性。 5 m p l s - t e & o o s 流量工程( t e ，t r a f f i ce n g i n e e r ) 是指为业务流选择路径的处理过程，以在网 络中不同的链路、路由器和交换机之间平衡业务流负载。其目标是在为一定节点 与另一节点之间计算一条路径( 源路由) ，该路径不违反它的约束( 例如带宽管理 要求) ，并且从一些数量指标看来是最优的。 m p l s 由于自身路由与转发分离的特点，适合与t e 的结合，形成m p l s - t e 技术。应用m p l s t e ，可以提高网络的o o s ，主要体现在： 利用m p l s - t e ，可以在多条可能的转发路径中进行负载平衡，从而避免拥 塞，提高o o s 。 应用m p l s t e ，通过r s v p - t e 信令创建一条具有严格的o o s 带宽保证的 隧道，从而支持绝对的o o s 。 可以通过备份l s p 、f r r ( 快速重路由) 等方式对隧道进行额外保护，从 而提高网络的o o s 。 但m p l s - t e 也存在一些局限性，包括：首先它必须应用在m p l s 网络中，因 此目前部分非m p l s 现有网络无法支持该技术的应用；其次目前对m p l s - t e 跨域 的应用仍然在研究阶段，这意味着当前m p l s t e 主要的应用只能在单个域中；另 v o l p 移动终端关键技术研究及实现 外，m p l s - t e 虽然可为用户创建具有带宽保证的隧道，但如果在隧道中同时传送 多种业务时，如何对这些不同优先级的业务进行区别处理也是需要研究的问题。 2 2 2 口终端q o s 控制 到目前为止，虽然网络层面的q o s 研究和应用取得了不少成果，然而i n t e m e t 毕竟只提供一种无连接的的服务，所以v o l p 的服务质量在网络层得不到有效保证。 因此，通过终端控制0 0 s 就显得尤其重要了。 在2 1 小节的概述部分，我们清楚的看到影响v o l p 语音质量的几个因素：端 到端时延、时延抖动、包丢失、包乱序以及语音编码技术。并相应的提到了通过 p 2 p 技术、语音编码技术以及抖动缓存技术实现对v o i p 在客户端的q o s 控制。下 面依次就上述3 种技术对q o s 的影响作一简要介绍。 1 p 2 p 技术i l 较大的语音延时会影响会话的交互，n u 推荐标准g 1 1 4 中对语音通信的参数 进行了规定，可接受的语音分组延时上限为4 0 0 m $ 。端到端的时延包括语音编码时 延、排队时延、网络传输时延以及抖动缓冲时延，其中最主要的时延是网络传输 时延，我们知道一个语音分组在网络上的传输时间和很多因素有关，其中一个很 关键的因素就是它经过的跳数( h o p ) 多少以及它的传输路径长短。我们也不难理 解一个语音分组从一个终端发送经过s e r v e rr e l a y ( 服务器中转) 后再到达另外一 个终端所需要的网络跳数( h o p ) ，必然要大于两个终端之间建立连接后相互之间 直接发送语音分组的跳数，所以，可以通过在终端间建立直连( p 2 p ) 来达到降低 网络传输时延的效果，进而降低语音分组端到端的总时延，达到提高通话质量的 效果。 2 语音编码技术【1 l i 语音编码属于信源编码，它在数字语音通信网络中是必不可少的。而不同种类 的数字通信网络特点不同，所能提供的带宽、数据速率、时延等性能参数大有不 同。好的语音编码技术可以仅用5 - 8 k b i t s 来传输话音，目前语音编码标准主要有 g 7 2 9 、g 7 2 3 、g 7 1 1 等，采用g 7 2 9 算法，可以仅用8 k b i t s 传输话音，话音质量 与3 2 k b i t s a d p c m ( g 7 2 4 ) 相同。可见，在网络带宽受限的情况下，适当语音编 码技术会极大提高语音质量。 3 抖动缓冲技术1 8 】 网络延迟的不均匀造成了时延抖动，因抖动而迟到的语音包会被丢弃，从而降 低了语音质量。接收端的解决方法是对语音包进行平滑缓冲，接收到的语音包并 不立即播放，而是放入缓存队列，根据某种缓冲调度算法延迟一段时间再播放， 这样就可以吸收网络抖动，降低丢包率，然而代价却是人为地增加了一个缓冲时 第二章v o 口q o s 的原理和实现 问，从而增加了端到端的总延迟。所以就必须在消除网络时延抖动和总延迟之间 做一个折中，目前的缓冲算法基本上可以分为三大类：固定缓冲算法，基于静音 区修正的会话峰缓冲算法和基于单包调整的会话峰内缓冲算法调整。 1 ) 固定缓冲时间算法 固定缓冲时间算法在会话持续期间内为每个语音包都设定了固定的缓冲时间， 并不会随着网络的变化作调整，对于抖动超出缓冲区大小的数据分组将会被丢弃。 该算法的优点是：模型简单，易于实现，可靠性高；缺点是：网络抖动较大时， 丢包率高，而网络延迟及抖动小时，语音延迟较大，而且初始状态对其后语音质 量影响较大。这种算法在工程应用中被广泛采用。 2 ) 基于静音区修正的自适应缓冲算法 此算法是以语音会话峰为调整单位的，我们知道，一个典型会话的语音流可以 由静音区分为许多个单独的会话峰，会话峰的缓冲播放时间可以通过对静音区的 压缩或延展进行调整设定。所以，此算法就比固定缓冲算法灵活了很多，可以在 会话过程中动态的调整每个语音会话峰的缓冲播放时间。 由于此算法只能对会话峰之间的静音区进行延长或则缩短，所以此算法对于在 一个会话峰内出现的时延抖动情况并不能很好的解决，这样就出现了基于语音包 修正的自适应缓冲算法。 3 ) 基于语音包修正的自适应缓冲算法 该算法以单个语音包为单位进行调整，每个语音包的缓冲时间随着实际网络抖 动情况而变化。接收端将当前收到的数据分组的延迟与算法保存的延迟信息相比 较，得到当前网络的最大抖动，从而选择恰当的缓冲区大小。该算法的优点是： 网络抖动较大时丢包率相对较低，而网络延迟及抖动小时，语音延迟相对较小； 缺点是：模型复杂，难于实现，可靠性低。总的说来，该算法在综合性能上取得 了比以前更好的结果。也是目前v o l p 终端比较热衷的一种自适应抖动缓存算法。 2 3 本章小结 本章详细阐述了影响v o l p 语音质量的几个方面，对于影响口q o s 的若干因 素进行了分析和说明。首先介绍了网络层面的o o s 保障方面的研究成果，它们可 以有效地提高口网络的各方面服务质量，使v o 口基本功能的大规模实际应用成为 可能。然而i n t e r a c t 毕竟只提供一种无连接的服务，所以v o l p 的服务质量在网络 层得不到有效保证。因此，通过终端控制o o s 就显得尤其重要了。接下来，探讨 了通过客户端之间建立p 2 p 连接、语音编码以及语音包缓冲调度技术来保障终端 o d s 的实现。 通过p 2 p 技术的简要介绍，我们得知让客户端之间能够直接建立联系，可以有 1 4 v o l p 移动终端关键技术研究及实现 效的减少由网络传输所带来的总时延。所以，在各种网络状况下尽可能让终端可 以建立起p 2 p 连接以减少传输时延，对提高v o i p 的o o s 控制是大有益处的。本文 将在第三章中重点介绍其原理。 通过对终端缓冲技术的原理分析，得知缓冲技术能有效的平滑和吸收网络时延 抖动。从而降低丢包率，提高语音质量，但是它引入了缓冲时延，势必会增加端 到端的总时延，这是我们所不希望的。可以看出，总时延和抖动缓冲对提高语音 质量来说是相互矛盾的，我们必须权衡各方面因素，设计好缓冲调度算法来提高 延迟丢包的综合性能。 第三章p 2 p 技术原理以及语音编码方式 第三章p 2 p 技术原理以及语音编码方式 3 。1p 2 p 技术原理 i 2 p 网络是一种具有较高扩展性的分布式系统结构，其对等概念是指网络中的 物理节点在逻辑上具有相同的地位，而并非处理能力的对等。p 2 p 技术其实质在于 将互联网的集中管理模式引向分散管理模式，将内容从中央单一节点引向网络的 边缘，从而充分利用互联网中众多终端节点所蕴涵的处理能力和潜在资源。相对 于传统的集中式客户月艮务器( c 播) 模型，1 2 1 弱化了服务器的概念，系统中的各 个节点不再区分服务器和客户端的角色关系，每个节点既可请求服务，也可提供 服务，节点之间可以直接交换资源和服务而不必通过服务器。 对于v o 口业务，随着p 2 p 技术1 2 1 】的成熟，运营商可以将很多工作下放给网络 节点( 客户端) 去完成，大大地降低了中心服务器的负担，进而减少了维护和管 理的成本。同时，由于客户端之间建立p 2 p 连接，可以缩短网络传输距离以及时 间，进而有效的提高客户端的语音质量。 但是p 2 p 应用比其他应用要更多考虑那些低端p c 的互联，它们不具备服务器 那样强的联网能力，同时对于以往的p 2 p 应用技术，现在的硬件环境已经更为复 杂，这样在通信基础方面，p 2 p 必须提供在现有硬件逻辑和底层通信协议上的端到 端定位( 寻址) 和握手技术，建立稳定的连接。涉及的技术有口地址解析、n a t 路由及防火墙。下面我们就如何穿越n a t 防火墙做一详细分析。 3 1 1n a t 类型分析【柳 在现代互联网中口地址短缺的问题非常严重，短时期内需要一个有效的快速 修补方案来解决这个问题，在此要求下，传统的每个网络节点拥有一个全球唯一 i p 地址的互联网架构被一种新的架构取代，这种新的架构是由一个公网口地址域 和由n a t 连接的若干个私网地址域( 私网地址域为n a t 的内部网络，公网地址域 为n a t 的外部网络) 组成。n a t 可以使多台计 算机共享i n t e r n e t 连接，这一结构很好地解决了 公共m 地址紧缺的问题。通过这种结构，只需申 请一个合法公网口地址，即把n a t 下整个私网 地址域中的所有客户端主机接入外部l m e m e t 中 ( 如图3 1 ) 。 i p 、p o r t 图3 1 n a t 架构 1 6 v o i p 移动终端关键技术研究及实现 公网地址域中的二个节点可以很容易的访问另一个节点。私网地址域的节点可 以访问同一私网内部的其它节点，也可以利用u d p 或是t c p 连接访问该节点已知 的公网地址域节点。n a t 连接公网域和私网域，将公网可见的m 她址与私网所用 的地址相映射，这样每一受保护的私网可以重用特定范围的私网地址( 例如 1 9 2 1 6 8 x x ) ，这些地址不用于公网。从私网来的含公网地址信息的数据包先到达 n a t ，n a t 使用预设好的规则( 其组元包含源地址、源端口、目的地址、目的端 口、协议) 来修改数据包，然后再转发给公网接收点。一般情况下，n a t 会阻止 公网数据包的流入，除非对n a t 作特殊设置。 这种新的i n t e m e t 架构非常适合客户端服务器模式，客户端是位于私网内的 一个节点，而服务器位于公网域。但是这种架构给点对点通信的应用带来了困难。 由于n a t 的作用，使得通信的双方无法获得任何有效的公网m 地址，不能够有效 的建立正常点到点模式。随着点对点通信的迅速发展，如何穿越n a t 的问题也必 须解决。为使解决办法能适用于大多数n a t ，应先了解n a t 的几种类型。当前 i n t e r n e t 上使用的n a t 可分为以下4 类。 1 f u l lc o n e ( 完全模式) ：来自同一私网节点( i p l ，p o r t l ) 的所有请求都通 过同一公网地址和端口n a t ( i p 2 ，p o r t 2 ) 发送出去，即私网地址和端口与它对公 网表现的地址和端口是一一对应的，公网节点( 1 1 3 ，p o r t 3 ) 如要发送数据包给私 网节点( i p l ，p o r t l ) ，则需先发给n 灯( 1 1 2 ，p o r t 2 ) ，再由n m 根据地址映射池 转发给私网节点o p l ，p o r t l ) 。 2 r e s t r i c t e dc o n e ( 限制模式) ：与f u l lc o n e 相似，私网地址和端口与它对公 网表现的地址和端口是一一对应的，不同的是只有当私网先向某一公网m 地址发