（电子科学与技术专业论文）基于voip技术的无线语音通信系统设计.pdf

a d e s i g no f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mf o rv o i c e b a s e do nv o i p b y z h a ox i n g b e ( i - i u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g e l e c t r o n i cs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r a p r i l ，2 0 1 1 03眦5 叭6川0m 9iii- 帅y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：互芷芒 日期：驯j 年罗月z 卵 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 睛在以。e 相应方框内打“ ) 作者签名：赵最 聊签名：移 日期：劲f j 年箩月巧日 日期：知l7 年岁月巧e l 基于v o i p 技术的无线语音通信系统设计 摘要 v o i p 是利用i p 分组数据进行语音传输的技术，在下一代网络中处于研究的热 点。随着因特网的不断普及和发展，v o i p 借助于低廉的价格、灵活的技术和开放 的平台，已经在通信领域中占据了重要的地位，成为未来通信技术发展的一个方 向。 本文在研究相关文献和设计开发的基础上，针对企业的调度通信需求，利用 v o i p 技术和无线接入技术，对基于v o i p 的无线语音通信系统进行了设计，实现了 相关功能。 基于v o i p 的无线语音通信系统是企业生产活动的重要组成部分，采用无线接 入技术，具有个呼、组呼、会议和强拆等多项调度呼叫功能，可以有效安排利用 资源。本文详细阐述了基于v o i p 的无线语音通信系统的设计及其实现过程，包括 系统需求分析和硬件平台设计、s i p 信令分析、软件设计实现和测试分析。文章在 关键技术中介绍了v o i p 的相关技术以及无线接入技术：s i p 、r t p 、q o s 、w i f i 和w m n ；在需求分析中根据企业的需求和生产特点，提出了合理的系统设计方案； 在平台设计中，主要介绍了a s t e r i s k 服务器的构架、终端平台和无线接入点的技 术指标及其组网策略，并给出了终端模块的硬件设计电路图；s i p 信令分析主要给 出了调度呼叫功能的信令流程，提出了p 2 p 呼叫技术和动态优先级方案，以满足 系统运行的稳定性和有效性；在软件设计实现中，详细分析了服务器和终端的软 件实现流程；最后对系统的调度呼叫功能和网络传输性能进行了测试。 整个系统的设计充分考虑到企业的需求和现状，合理解决了生产现场的调度 作业。该系统已经实现了相关功能的开发和现场安装调试，在湖南华菱涟钢试运 行过程中效果良好。 关键词：v o i p ；s i p ；调度呼叫；无线接入 一 硕士学位论文 a b s t r a c t v o l p ( v o i c eo v e ri n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) i sat e c h n o l o g yu s i n gp a c k e td a t ab a s e do ni p f o rv o i c et r a n s m i s s i o n ，w h i c hi st h eh o ts p o to fr e s e a r c hi nt h en e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ( n g n ) w i t ht h ep o p u l a r i t ya n di m p r o v e m e n to fi n t e r n e t ，d e p e n d i n go nt h el o wc o s t ， e f f e c t i v et e c h n o l o g ya n do p e np l a t f o r m ，v o l ph a sb e e nt h ei m p o r t a n tr o l ea n dd i r e c t i o n o ft h ec o m m u n i c a t i o ni nt h ef u t u r e c o n s u l tal o to fr e l a t e dl i t e r a t u r e sa n dd e s i g n s ，t h et h e s i sp r o p o s e dad e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no ft h ew i r e l e s sv o i c ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do nv o l p , t om e e t t h en e e d so ff a c t o r i e sd i s p a t c h v o l p b a s e dw i r e l e s sv o i c ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r to ft h e p r o d u c t i o na c t i v i t i e s ，w h i c ha d o p t sw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g y , a n dh a st h ef u n c t i o n so f v o i c ed i s p a t c hs u c ha s g e n e r a lc a l l ，g r o u pc a l l ，c o n f e r e n c ec a l la n df o r c e dr e l e a s et o m a k eu s eo ft h er e s o u r c ee f f i c i e n t l y t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mf o rv o i c eb a s e do nv o l p , i n c l u d i n gt h e a n a l y s i so fn e e d s ，t h ed e s i g no fh a r d w a r ep l a t f o r m ，t h es i g n a l l i n ga n a l y s i so fs i p , t h e d e s i g no fs o f t w a r ea n dt h es y s t e mt e s t i n g t h ek e yt e c h n o l o g i e sa b o u tv o l pa n d w i r e l e s sa c c e s si n c l u d es i p , r t p , q o s ，w i f ia n dw m n i nt h ea n a l y s i so fn e e d sp r o p o s e das c h e m ea c c o r d i n gt ot h en e e d sa n df e a t u r e so ft h ep r o d u c t i o n t h eh a r d w a r e p l a t f o r md e s i g ni n t r o d u c e dt h e s r t u c t u r eo fa s t e r i s k ，t h et e r m i n a l p l a t f c l t i n w i t h h a r d w a r es c h e m a t i cd e s i g n ，q u a l i f i c a t i o n so ft h ew i r e l e s sa c c e s sp o i n ta n dt h ew i r e l e s s n e t w o r k i n g t h ea n a l y s i so fs i pg a v et h es i g n a l l i n gf l o w sf o rv o i c ed i s p a t c h ，a n da l s o p r o p o s e dt h ep 2 pa n dd y n a m i cp r i o r i t yt ok e e pt h es y s t e ms t a b l ea n de f f e c t i v e i nt h e s o f t w a r ed e s i g n ，t h es o f t w a r ef l o w so ft h ea s t e r i s ks e r v e ra n dt h et e r m i n a lw a s a n a l y z e d f i n a l l y , t h es y s t e mw a st e s t e da b o u tt h ef u n c t i o n so fv o i c ed i s p a t c ha n dt h e t r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c eo ft h ew i r e l e s sn e t w o r k i n g t h ed e s i g no ft h es y s t e mc o n s i d e r e dt h ea c t u a lc o n d i t i o n si nt h ef a c t o r y , a n d s o l v e dt h ed i s p a t c ht a s ko fp r o d u c t i o n t h es y s t e mh a sa c h i e v e dt h ed e v e l o p m e n to ft h e r e l a t e df u n c t i o n sa n dt h ei n s t a l l a t i o ni nt h ew o r k s i t e ，a n dt h ep o r f o r m a n c eo ft h e r u n n i n gp r o c e s si nv a l l n l ys t e e li sr e s p o n d e dw e l l k e yw o r d s ：v o l p ；s i p ；v o i c ed i s p a t c h ；w i r e l e s sa c c e s s 基于v o i p 技术的无线语音通信系统设计 目录 学位论文原创性声明和版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论1 1 1v o i p 语音通信系统1 1 2v o i p 技术在国内外的发展2 1 3 本课题研究背景及意义3 1 4 本论文的主要内容一4 第2 章v o i p 及无线接入技术基础5 2 1v o i p 基本原理5 2 2v o i p 关键技术6 2 3 2 4 第3 章 3 1 3 2 3 3 3 4 第4 章 4 1 4 2 2 2 1 语音编码技术6 2 2 2s i p 信令协议7 2 2 3 实时传输协议8 2 2 4q o s 技术9 无线i p 接入技术1 1 2 3 1w i f i 1 1 2 3 2 无线网状网络1 2 本章小结1 3 语音通信系统需求分析和硬件平台设计1 4 功能概述1 4 总体构架1 5 系统平台设计1 6 3 3 1 服务器平台1 6 3 3 2s i p 终端硬件设计1 8 3 3 3 系统无线组网一2 2 本章小结2 5 基于s i p 的调度功能分析与实现2 6 s i p 呼叫功能分析2 6 4 1 1s i p 消息格式2 6 4 1 2s i p 呼叫过程2 8 调度呼叫过程2 9 i v 硕士学位论文 4 2 1 注册流程一2 9 4 2 2 个呼信令流程3 0 4 2 3 组呼信令流程3 0 4 2 4 会议信令流程3 2 4 2 5 强插强拆3 3 4 3p 2 p 技术的应用3 3 4 4 动态调度优先级3 4 4 5 本章小结一3 5 第5 章语音通信系统软件设计3 6 5 1 状态机设计3 6 5 2a s t e r i s k 服务器功能实现3 6 5 2 1 程序流程3 7 5 2 2 配置实现 5 3s i p 终端软件设计 5 3 1 软件总体设计 5 3 2 初始化操作 5 3 3 事件触发 3 8 4 2 4 2 4 2 4 4 5 3 4u a c 处理4 5 5 3 。5u a s 处理一4 6 5 4 本章小结：4 7 第6 章语音通信系统测试分析4 8 6 1 测试环境和方案4 8 6 2 测试结果和分析4 8 6 2 1 调度功能测试4 8 6 2 2 网络性能测试5 3 6 3 本章小结5 4 总结与展望5 5 参考文献一5 7 致谢6 0 附录a ( 攻读学位期间所发表的学术论文) 一6 l 附录b ( s i p 指令调度终端) 6 2 v 硕士学位论文 1 1v oip 语音通信系统 第1 章绪论 在过去2 0 年里，电信固定和移动网络经历了巨大的变化。在移动通信领域中， 第一代( 1 g ) 系统在2 0 世纪8 0 年代中期引入，这些网络为用户提供基本的业务， 重点是语音以及与语音相关的业务，2 0 世纪9 0 年代的第二代( 2 g ) 系统为用户 带来了一些数据业务和更复杂的辅助业务，现在的第三代( 3 g ) 系统使得为用户 提供更快的数据传输率和丰富多彩的多媒体业务成为可能；在固定网络，传统的 公共交换电话网( p s t n ) 和综合业务数字网( i s d n ) 已经主宰了传统的语音和视 频通信。最近几年中，i n t e r n e t 网络的使用量呈爆炸态势，越来越多的用户使用更 快、更便宜的i n t e m e t 连接，这使得基于i p 通信的应用得到前所未有的发展，如 v o l p ( v o i c eo v e ri n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 。i p 电话利用分组技术，依托于现有的i n t e r n e t ， 构建容易，成本低，占用带宽小，已经渗入到传统的语音通信领域，两者的融合 已经有了实质的进展【l 】。无线接入技术的飞速发展，使得v o l p 电话具备了移动性， 甚至在未来可能取代传统的语音通信系统。 v o l p 原意是在i p 网络上传输语音，是一种利用i p 网络进行语音通信的新业 务。与传统语音通信系统相比，由于利用了i p 网络的技术优势与价格优势，v o l p 通信系统具有丰富的扩展功能、低廉的价格优势，可以传输语音、视频等多媒体 信息。借助于语音i p 化技术的成熟和i n t e r n e t 的普及，v o l p 电话已经可以和p s t n 电话相媲美。同时无线接入技术的发展，如w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ) 、w i m a x ( w o r l d i n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ) ，使得v o l p 的发展趋向于移动化，对传统移 动通信产生了极大的挑战。 在电信行业，由于运营商原有基础设施的广泛部署，v o l p 与传统语音通信系 统的互补性大于竞争，例如电信运营商推出的长途i p 电话，借助于i p 网络，节省 了费用。同时i p 网络的部署不是针对语音通话进行设计的，而无线接入技术的移 动性还不十分成熟，也在一定程度上限制了v o l p 通信系统的大规模部署和服务质 量( q o s ，q u a l i t yo fs e r v i c e ) 。在企业级的语音通信应用领域，v o i p 系统的优势则 得到了充分的发挥。一方面由于通话费用的低廉，节省了企业的开销，降低了企 业的运营成本；另一方面中小级v o l p 语音通信系统技术优势，使得企业可以实现 丰富的应用业务，如呼叫队列、振铃组等。 目前，通信技术向两个方向发展：一是带宽移动化，二是移动带宽化。带宽 移动化的演进路线是从w i f i i e e e8 0 2 1 1 x 到w i m a x - i e e e8 0 2 1 6 x 再到l t e 基于v o 口技术的无线语音通信系统设计 ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) ；而移动带宽化的演进路线是从1 g ，2 g ，3 g ，3 9 g 到l t e 如。 在带宽移动化的进展中，v o i p 通信系统将得到进一步的发展和完善，成为未来通 信领域的重要组成部分。 1 2v oip 技术在国内外的发展 1 9 9 5 年以色列v o c a l t e c 公司推出的i n t e m e tp h o n e 通常被看作是v o i p 电话的 开端。迄今为止，v o l p 已经经历了1 0 多年的发展，其发展过程大致可以分为三个 阶段：第一个阶段主要是p c 和p c 之间的通信，在p c 上安装语音通信软件，利 用p c 的计算能力实现语音数据的处理和传送；第二个阶段主要实现了p c 和电信 电话之间的通话，使得i p 通话可以与传统电信运营商的业务相链接，通话质量也 得到了一定改善；第三个阶段开发了专用i p 电话，摆脱了i p 通话对于p c 的依赖， 由于专用i p 电话采用嵌入式实时设备，运算速度可以保证语音的及时处理，在语 音质量上得到了进一步的提高。 1 v o l p 在国外的发展 国外自7 0 年代起就开始基于a r p a n e t 网络平台进行计算机网络上语音通信 的研究和实验。1 9 7 4 年8 月首次分组语音通信实验，在美国西海岸南加州大学的 信息科学研究所( i s i ) 和东海岸的林肯实验室( l l ) 之间进行，语音编码为9 6 k b i v s 的连续可变斜率增量调制( c v s d ) ，并采用静音检测技术降低比特率。1 9 7 4 年1 2 月线性预测编码( l p c ) 声码器首次用于分组语音通信实验，比特率为3 5 k b i t s ， 通话范围也是从美国东海岸到西海岸。1 9 7 5 年1 月又首次在美国实现使用l p c 声 码器的分组语音电话会议1 3 j 。 进入9 0 年代后，随着i n t e r a c t 在全球范围内的兴起和语音编码技术的发展， i p 分组语音通信技术获得了突破性的进展。同时在相关组织的努力下，i p 分组语 音通信的技术规范相继推出，为v o i p 的实际应用奠定了良好的基础。1 9 9 6 年，经 过各国专家的努力，i t u t ( 国际电信联盟) 通过了局域网上支持可视电话通信的 网络协议h 3 2 3 协议。这一协议的推出，成为i p 网络电话系统的公共规范， 极大的推动了i p 电话的发展，使之进入公用电话网服务【4 1 。与此同时，i e t f ( i n t e r n e t 任务工程组) 也在1 9 9 9 年推出了s i p ( s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c 0 1 ) 协议，到2 0 0 2 年，新的r f c 规范取代了老版本，标志着s i p 的基础已经确立，之后陆续通过一 些r f c 增补版本，s i p 逐渐完善并被不少厂商推出的v o i p 设备所采用。最近几年 中，n g n ( 下一代网络) 吸引了大量的学者进行研究，目标是充分利用i p 技术的 优越性，结合通信网络的管理经验技术，走出一条通信发展的新方向。3 g p p 和 3 g p p 2 组织提出了i m s ( i p 多媒体子系统) 来逐步实现n g n ，实际上是v o i p 技 术的扩展和应用，并采用s i p 标准作为统一接口。 在国际上，v o i p 通信的技术研究和标准化工作仍在继续深入进行，其主要目 2 硕士学位论文 标是进一步确保语音质量、完善网络管理、解决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变，其研究主要围绕改善v o i p 终端质量来进行， 包括控制信令、实时传输技术和低速率语音编码技术等【3 】。 2 v o i p 在国内的发展 在国内由于技术因素和政策限制，v o i p 的发展比较落后，主要依赖于电信行 业推出的i p 电话业务。在长途电话市场方面，2 0 0 5 年i p 通话时长占据4 5 4 ， 远远超过于p s t n 和移动电话长途业务；2 0 0 6 年以4 3 2 的份额继续保持第一位； 2 0 0 7 年该比例下降，到2 0 0 9 年降至2 7 ，可统计i p 通话时长为1 1 8 5 6 亿分钟， 同期移动电话长途业务升至5 4 2 ，而p s t n 长途业务降至1 8 8 垆j 。电信i p 通 话份额的下降主要是政策的限制，移动长途资费的降低，以及i p 通话对于p s t n 和移动终端的依赖。而在第三方的i p 通话平台，如s k y p e ，应用越来越广。可见， 国内在v o i p 方面的发展还显得不足，但随着政策的开放，未来的发展具有很大的 前景。 1 3 本课题研究背景及意义 v o i p 的技术优点和应用前景，引起了许多学者的广泛研究，这些研究对于v o i p 技术的成熟和应用推广提供了很大的帮助。文献 6 】提出了一种紧急呼叫组呼方案， 将i p 电话( 固定和移动) 与传统语音通信系统进行对接，对不同通信系统的互通 性进行了测试。文献 7 】考虑了v o i p 在移动自组织网络上的传输，给出了有效解决 移动自组织网络上地址变更的方案。文献 8 9 】针对v o i p 会议提出了分布式、p 2 p ( 点对点) 方案，并给出了会议发言权的控制机制。 在工业企业、交通运输、公安消防和军事机构等部门中，由于生产业务活动， 需要迅速传递命令和通知，一般采用调度系统，及时指挥和调度人力、物资和车 辆等。调度系统是指工业生产和业务活动中指挥调度的专用通信系统【l 们。不同的 企业和部门，对于调度系统的要求也不尽相同。本课题来源于湖南德海通信设备 制造有限公司的校企合作项目“无线调度通信系统”及国家科技型中小企业技术 创新基金项目“基于a dh o e 网络技术的企业无线v o i p 调度通信设备”，主要针对 湖南涟源钢铁公司的生产线调度通信要求，设计一款无线v o i p 通信设备，满足调 度要求，保证生产活动的顺利进行。 本课题以该项目为背景，目的是利用v o i p 技术和无线技术的融合，覆盖生产 区域的工作点，满足生产的调度呼叫需求，使得生产、调度部门能够及时通信， 合理安排作业和资源调度。该课题的研究和开展有很大的实用价值，可以满足生 产性企业的调度通信需求，同时也对其他应用场合的指挥调度系统开发和建设提 供了一定的指导意义。 3 基于v 0 口技术的无线语音通信系统设计 1 4 本论文的主要内容 本论文针对具有调度性需求的生产企业，提出了基于v o i p 技术的无线语音通 信系统的开发和实现方案，重点介绍了系统的调度呼叫功能的实现、软交换服务 器的实现、终端软硬件的设计、系统无线组网部署及系统测试。完成的主要工作 包括：无线语音通信系统总体设计、系统硬件平台设计、软件设计实现、系统部 署方案及测试结果分析。 本论文主要内容包括： 第1 章：绪论。概述了v o i p 语音通信系统的概念、相关背景和国内外的发展 现状，介绍了本文的主要工作内容和课题开展意义。 第2 章：v o i p 及无线接入技术基础。介绍了v o i p 的基本原理和关键技术，主 要包括语音编码技术、s i p 信令协议、实时传输协议以及q o s 保障；同时介绍了 无线i p 接入技术。 第3 章：语音通信系统需求分析和硬件平台设计。分析了应用环境和功能需 求，提出了无线语音通信系统总体设计构架，给出了系统的平台选用和硬件设计， 包括服务器端a s t e r i s k 软交换构架、s i p 调度终端的开发平台和硬件电路设计、无 线接入点的选用和组网策略。 第4 章：基于s i p 的调度功能分析与实现。介绍了s i p 的消息格式和呼叫流 程，分别针对调度功能中的个呼、组呼、会议和强插强拆给出了s i p 的实现方案， 为了保证系统呼叫的可靠性和调度需求，提出了p 2 p ( p e e rt op e e r ) 呼叫的实现方 法和动态优先级处理方案。 第5 章：语音通信系统软件设计。详细介绍了系统状态机的设计方案，给出 了a s t e r i s k 服务器的功能实现和s i p 终端软件设计流程。 第6 章：语音通信系统测试。搭建了测试环境，根据测试方案，给出并分析 了测试结果。 总结和展望中，对本课题取得的成果和存在的问题进行了分析总结，并对下 一步的工作和系统未来的完善进行了展望。 4 硕士学位论文 第2 章v o ip 及无线接入技术基础 v o l p 技术是v o l p 语音通信系统中的理论基础，本章重点介绍v o l p 的基本原 理以及几种关键技术，包括语音编码技术、s i p 信令协议、实时传输协议及q o s 技术。同时针对应用需要，介绍了无线i p 接入技术。 2 1v olp 基本原理 v o l p 电话的基本原理是通过语音压缩算法对语音信号进行压缩编码处理，然 后把这些语音数据按i p 标准进行打包，经过网络把数据包发送到接收端；接收端 把这些语音数据包串起来，经过解码、解压缩处理将其恢复成原来的语音信号， 从而达到利用i p 网络传送语音的目的【l 。 可以简单地将v o l p 的传输过程分为下列5 个阶段【l ，整个过程可以通过图 2 1 表示【l2 1 。 用 户 a 用 户 b 塑】l 数字话音例压黼压缩h 坌里鍪塑降 分 组路 交也 堡变 模拟话音i i 数字话音h 压缩解压缩障陌碲 星换 图2 1v o l p 的基本传输流程 ( 1 )模数转换 通过受话器产生的模拟语音信号，首先需要进行信号数字化，以适应i p 传输 的需要。源地址和目的地址必须采用相同的算法，否则会导致语音信号无法复原。 常见的语音编码标准主要有g 7 1 1 ，g 7 2 9 ，g 7 2 3 1 等。 ( 2 ) 数据到i p 包的转换 语音信号数字化后，接着进行压缩编码和i p 打包处理。一般的编码器都有特 定的帧长，若一个编码器使用1 5 m s 的帧，则把一个6 0 m s 的包分成4 帧，并按顺 序进行编码。每个帧含1 2 0 个语音点( 抽样频率为8 k h z ) 。然后将4 个压缩的帧 合成一个压缩的语音包进入网络处理器。网络处理器为语音包添加i p 包头和其他 信息后通过i p 网络传送到另一个端点。 ( 3 )数据传送 数据传送是在i p 网络中进行，此时并不关心中间网络的拓扑结构。但是由于 i p 网络不是专门针对语音传输进行设计的，存在抖动、丢包、延时的等因素，会 在一定程度上影响语音质量。 5 基于v o p 技术的无线语音通信系统设计 ( 4 ) i p 包到数据的转换 i p 语音包到达目的地址后，设备在网络层提供一个可变长度的缓冲器，减少 抖动的影响。之后进行包的拆分，去掉i p 包头，保留语音信息，然后解码器进行 解压，分帧后送入解码缓冲器。 ( 5 )数模转换 语音解码器将输入的p c m 数据转换成模拟信号，接上扬声器或者电话机就可 以听到声音。 2 2v olp 关键技术 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，因此存在分组丢失、失序到达和时延抖动等情况。而语音属于实时业务，对 时序、时延等有严格要求，必须采用特殊措施来保障一定的业务质量。v o i p 的关 键技术包括语音编码技术、信令技术、实时传输技术、q o s 保证技术等。 2 2 1 语音编码技术 语音编码技术是v o i p 中一个重要组成部分，从最早的标准化语音编码系统一 一速率为6 4 k b s 的p c m 波形编码器，到2 0 世纪9 0 年代中期，速率为4 k b s 8 k b s 的波形与参数混合编码器在语音质量上已逼近前者的水平且已达到实用化阶段。 根据语音编码的发展过程，该技术归纳为以下三类【1 3 】： ( 1 ) 波形编码 波形编码是能够忠实地表现波形的编码方式。语音信号的波形编码图使重建 的语音波形保持原语音信号的波形状态。这类编码器通常是将语音信号作为一般 的波形信号来处理。 ( 2 )参数编码 参数编码是根据声音的形成模型，把声音变成参数的编码方式。其基本方法 是通过对语音信号特征参数的提取和编码图使重建语音信号具有尽可能的可懂 性，即保持语音的语义。而重建的信号的波形同原语音信号的波形可能会有相当 大的差别。 参数编码的优点是：编码速率低，通常小于4 8 k b s ，可以低至6 0 0 b s 至2 4 k b s 。 缺点是：合成语音质量差，特别是自然度较低；另外，这类编码器对讲话环境噪 声较敏感，需要安静的讲话环境才能给出较高的可懂度，且延时大。 ( 3 )混合编码 混合编码是将波形编码与参数编码结合而产生的一种编码方式，使语音编码 技术有了突破性的进展。混合编码结合了以上两种编码方式的优点，采用线性技 术构成声道模型，不只传输预测参数和清浊音信息，而是将预测误差信息和预测 6 硕士学位论文 参数同时传输，在接收端构成新的激励激去激励预测参数构成的合成滤波器，使 得合成滤波器输出的信号波形与原始语声信号的波形最大程序的拟合，从而获得 自然度较高的语音。 目前，i p 电话使用的主要编码有g 7 2 9 、( 3 7 2 3 1 等。它们采用的都是线性预 测分析一一合成编码和码本激励矢量量化技术，即混合编码的方法。其中g 7 2 9 可将经过采样的6 4 k b s 话音以几乎不失真的质量压缩到8 k b s 。由于在分组交换网 络中，需要话音编码具有一定的灵活性，以保证业务质量。g 7 2 9 原来是8 k b s 的 语音编码标准，现在工作范围扩展至6 。4 1 1 8 k b s ，话音质量也在此范围内一定的 变化，但即使6 4 k b s 下话音质量也是还不错的。( 3 7 2 3 1 采用5 3 6 3 k b s 双速率 语音编码，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【l 引。 2 2 2slp 信令协议 目前被广泛接受的v o l p 信令体系包括i t u t 的h 3 2 3 系列建议和i e t f 的s i p ( 会话初始协议) 这两套完整而独立的信令标准。尽管h 3 2 3 系列建议提供了窄 带多媒体通信所需要的所有子协议，但是它的控制协议非常复杂，此外，h 3 2 3 不支持多播技术，只能依靠m c u ( 多点控制单元) 来实现，也不支持呼叫转移， 且建立呼叫时间比较长。而s i p 更简单，也易于扩展，适应i n t e r n e t 的发展需要。 所以根据技术特点以及应用环境，本论文选用s i p 作为v o l p 的信令协议作为研究。 s i p 称为会话初始化协议，是由i e t f 组织于1 9 9 9 年提出的一个基于i p 网络， 实现实时通信应用的一种信令协议。2 0 0 2 年6 月i e t f 的s i p 工作组发表了 r f c 3 2 6 1 1 4 1 ，以取代老版本r f c 2 5 4 3 ”】，标志着s i p 的基础已经确立。 s i p 是一个应用层的控制协议，它能用来建立、修改和终止多媒体会话。所谓 ，会话( s e s s i o n ) 是指用户之间的数据交换，在基于s i p 的应用中，每个会话可以 是各种不同类型的内容，可以是普通的文本数据，也可以是经过处理的音频、视 频数据，还可以是诸如游戏等应用的数据。针对多媒体的需要，s i p 为建立和终止 多媒体会话，应具有以下能力l l 6 j ： ( 1 ) 用户位置：确定多媒体通信时，用户终端所在的位置；( 2 ) 用户的可用 性：确定被呼叫者是否愿意进行通信，是否正忙；( 3 ) 用户的能力：确定用户可 采用的媒体，以及与媒体有关的参数；( 4 ) 会话的建立：“振铃”，在呼叫和被叫 用户之间建立会话参数；( 5 ) 会话的管理：包括会话的传送和终止，修改会话参 数和请求有关的业务。 s i p 并不是一个综合的通信系统，它只是信令的控制协议，必须和i e t f 其他 协议一起，才能建立一个完整的多媒体通信协议，例如，和r t p ( i 疆c 1 8 8 9 ) 、r t s p ( r f c 2 3 2 6 ) 、m e g a c o ( r f c 3 0 1 5 ) 以及s d p ( r f c 2 3 2 7 ) 等协同工作，才能向 7 基于v o i p 技术的无线语音通信系统设计 用户提供完整的业务【1 6 】。 s i p 使用统一资源标示符( u r i ，u n i t yr e s o u r c ei d e n t i f i e r ) 识别用户，它类似 e m a i l 地址，由一个用户名和用户所在的域名组成，例如：s i p ：l i m i n g d o m a i n c o m 。 在s i p 的信令交换过程中，定义了一些实体单元，主要是用户代理( u s e r a g e n t ) 、注册服务器( r e g i s t r a t i o ns e r v e r ) 、代理服务器( p r o x ys e r v e r ) 和重定向 服务器( r e d i r e c ts e r v e r ) 。其中用户代理( u a ) 是s i p 的终端，分为用户代理客 户端( u a c ) 和用户代理服务器( u a s ) ，前者用于发起请求，后者用于接收、重 定向或拒绝请求，代表用户给到来的请求发出响应；注册服务器执行的是一种查 找服务，在注册超时之前或者位置变更时，用户需要向注册服务器刷新注册信息； 代理服务器会把自己收到的请求转发到相应的地方；重定向服务器告诉用户代理， 尝试传送到一个新的位置，但是并不转发信息。注册服务器、代理服务器和重定 向服务器是逻辑功能划分，可以在存在于同一台物理主机。 2 2 3 实时传输协议 v o l p 系统中采用r t p ( r e a lt i m et r a n s p o r tp r o t o c o l ，实时传输协议) 来传输语 音。r t p 是用于音频、视频等实时信号端到端传送服务的协议，通常利用u d p ( u s e r d a t ap r o t o c o l ，用户数据报协议) 分组来承载。由i e t f 定义的r t p r 7 】包括两个协议， 一个是r t p 协议本身，用来封装实时数据：另一个协议是r t c p ( r e a lt i m e t r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o l ，实时传输控制协议) ，用来传送实时信号的传输质量参 数，提供q o s 监督机制。 1 r t p 由于在i p 通信网路中传送实时信号会出现抖动、丢包等现象，为了在接收端 尽可能的恢复正确的原始信号，对于r t p 数据包应提供数据类型和编码方法，即 提供静荷类型的指示、数据包( 分组) 符号、数据包发送时间戳和数据流的标识。 v p x c cmp t序号 时戳 同步源( s s r c ) 标识 分信源( c s r c ) 标识( 0 1 5 个) 图2 2r t p 分组的头部格式 r t p 分组由r t p 头部和净荷( 传送的数据) 组成，下面介绍r t p 分组的头部 格式，如图2 2 【1 6 1 。 前1 2 个字节为r t p 的固定头部，其后的分信源为任选部分。其头部各字段的 含义为【1 6 】： ( 1 ) v ：版本号，2 b i t ，应取值2 。 ( 2 ) p ：填充指示位，l b i t 。若置1 ，表示该分组的结尾会有1 个或多个填充 硕士学位论文 字节，这些字节不属于分组净荷，它是填充进去的。最后一个填充字节指示共有 多少个填充字节。在采用某些加密算法时，要求数据块的大小固定，于是需要加 一些填充字节。 ( 3 ) x ：扩展指示，l b i t 。若置1 ，则表示字固定头后还有一个扩展头部，其 含义由应用文档定义。 ( 4 ) c c ：c s r c 计数，4 b i t 。表示有多少个分信源标识。 ( 5 ) m ：标记位，l b i t 。其含义由应用文档解释。 ( 6 ) p t ：净荷类型，7 b i t 。它表示净荷类型，由应用文档规定，它规定了净 荷的编码方案。 ( 7 ) 序号：1