（计算机应用技术专业论文）基于无线局域网络voip的qos机制研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 随着无线通信技术和移动终端技术的快速发展，以i e e e8 0 2 1 1 为基础的无线局域网 ( w l a n ) 得到了越来越广泛的应用。与此同时，v o l p 以其价格低廉、资源利用率高等优 点成为当今发展最快的网络应用之一。在这两种技术的推动下，v o w l a n ( v o i c eo v e r w l a n ) 逐渐兴起。现在i e e e8 0 2 1 l 已成为w l a n 的事实标准，而w l a n 又有传输语 音业务的需求，但是i e e e8 0 2 1 1 使用竞争信道，主要支持非实时的数据业务，不能满足 对延时和抖动敏感的语音业务的q o s 保证。因此，研究i e e e8 0 2 11w l a n 接入环境下的 语音传输质量保证方案，具有重要的意义。 本文描述了v o p 相关技术，重点介绍了语音编码、信令接入等关键技术，以及语音 质量评价标准；介绍了i e e e8 0 2 1 1 系列标准及其无线局域网技术，着重讨论了i e e e8 0 2 1 1 d c f 及i e e e8 0 2 1 l ee d c a 机制；在分析v o w l a n 的体系结构与服务质量影响因素的基 础上，指出了i e e e8 0 2 1 1d c f 及i e e e8 0 2 11 ee d c a 在v o l pq o s 方面的不足；针对白 适应e d c a 方法进行改进，提出了一种基于访问类别传输流的改进方案叫e d c a 方案， 并通过仿真工具对e d c a 、自适应e d c a 和t e d c a 三种方案进行了仿真模拟，对吞吐量、 延时、抖动等方面的性能做了比较测试，验证了t e d c a 改进方案的优越性。 关键字：无线局域网，服务质量，v o 口，分布协调方式，增强分布协调方式 南京邮f u 人学硕i ：研究生学位论义 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dm o b i l et e r m i n a l t e c h n o l o g y , t h ew i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( w l a n ) b a s e do ni e e e8 0 2 11 i sw i d e l yu t i l i z e d a t t h es a m et i m e ，w i t ht h el o wp r i c ea n dt h eh i g hr e s o u r c eu t i l i z a t i o n ，v o l pb e c o m e so n eo ft h e n e t w o r ka p p l i c a t i o n se x p e r i e n c i n gt r e m e n d o u sg r o w t h d r i v e nb yb o t ht e c h n o l o g i e s ，v o w l a n ( v o i c eo v e rw l a n ) i st h e h o tp o i n tw h i c hi sw e l ld i s c u s s e d n o wi e e e8 0 2 11h a sb e c o m et h e d e f a c t os t a n d a r df o rt h em a co fw l a n ，a n dt h e r ei sad e m a n do fs u p p o r t i n gv o i c es e r v i c e so n w l a n h o w e v e r , i e e e8 0 2 11u s e ss h a r e dc o m p e t i t i v ec h a n n e ls u i t a b l ef o rn o n r e a l t i m ed a t a t r a f f i c ，a n di ti sd i f f i c u l tt om e e tq o sr e q u i r e m e n t so fv o i c e ，w h i c hi ss e n s i t i v et ot h ed e l a ya n d j i t t e r t h u s ，i ti si m p o r t a n tt os t u d yv o i c et r a n s m i s s i o nw i t hq u a l i t yp r o v i s i o n i n gi ni e e e8 0 2 i1 w l a n a tf i r s t ，t e c h n o l o g i e sr e l a t e dt ov o l pa r ep r e s e n t e d ，w i t hd e t a i l so nt h ek e yt e c h n o l o g i e s ， s u c ha sv o i c ec o d i n ga n ds i g n a l i n ga c c e s st e c h n o l o g i e s ，a n dab r i e fi n t r o d u c t i o no nt h es p e e c h q u a l i t ye v a l u a t i o ni nt h i st h e s i s t h e n ，t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ei e e e8 0 2 11 s t a n d a r d sa n d w i r e l e s sl a nt e c h n o l o g i e s ，w i t hf o c u s e so nt h ei e e e8 0 2 11d c fa n di e e e8 0 2 11ee d c a m e c h a n i s m s u c c e s s i v e l y ，t h i st h e s i si n t r o d u c e st h es y s t e ms t r u c t r u eo fv o w l a na n dt h em a i n f a c t o r s ，w h i c ha f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fv o l pa sw e l la st h ei m p l e m e n t a t i o nt e c h n o l o g yo fe a c h l a y e r t h i st h e s i sp o i n t so u tt h ef a u l to ft h ei e e e8 0 2 11 d c fa n di e e e8 0 2 11ee d c a m e c h a n i s mi n v o l pq o s i nf i n a l ，t h i st h e s i si n t r o d u c e sas c h e m eo fa na d a p t i v ee d c a ，b a s e do n t h et h e o r yr e s e a r c h t h i st h e s i sa l s od e s c r i b e sa ni m p r o v e ds c h e m e - 一t e d c ab a s e do na c c e s s c a t e g o r y ( a c ) st r a f f i cf l o w , a n ds i m u l a t e st h ee d c a ，a e d c aa n dt e d c ab yn s 一2t 0 0 1 t h e t e s tm a k e st h ec o m p a r i s i o no fp e r f o r m a n c ei nt h r o u g h p u t ，t i m ed e l a y i n ga n d ji t t e r i n ga s p e c t t h e t e s tr e s u l tv a l i d a t e st h es u p e r v i s o ro ft h ei m p r o v e ds c h e m e k e y w o r d s ：w l a n ，q o s ，v b i p ，d c ee d c a 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得南京邮电大学或其它 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了谢意。 研究生签名：日期： 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究工- 签t , 名：也破导师签名： 日期：逝：! 、装 乏 、寸 南京邮l 乜大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 传统的电信网络即公用电话网 ( 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 ，p s t n ) 是为传 送话音而设计的电路交换系统。每次呼叫都完全占用条固定带宽的6 4 k b i t s s 的专用话音 线路，以及时分复用的面向连接方式，使p s t n 网适用于实时媒体信息的传送，并提供端 到端的电信级服务质量。然而正是固定带宽和时分复用方式导致了p s t n 的先天缺陷：带 宽利用率低和网络的n 平方问题。此外，由于通过传统电路交换网络进行语音通信的计费 方式与距离的远近有关，因此长途电话的通话费用比较昂贵。 在这种情况下，v o l p 应运而生。v o l p 全称v o i c eo v e ri n t e m e tp r o t o c o l ，是指通过i n t e m e t 实时传递语音信号，即i p 电话。但随着传统电话业务网的不断发展，v o l p 的含义已经超 越了其字面意思，它不仅指提供双方会话的传统电话技术，而是一种以i p 电话为主，并推 出相应的增值业务技术。v o l p 是利用基于路由器分组交换的i p 数据网实现话音通信的一 项数字传输技术。由于i n t e m e t 中采用“存储一转发”的方式传递数据包，并不独占电路， 并且对语音信号进行了很大的压缩处理，因此v o i p 占用带宽仅为8 k b i t s s 1 0 k b i t s s ，再加 上分组交换的计费方式与距离的远近无关，自然大大节省了长途通话费用。 v o l p 是目前互联网应用领域的一个热门话题，它实现了语音在互联网上的实时传送。 其最大的优势是能广泛地采用i n t e m e t 和全球i p 互连的环境，提供比传统业务更多、更好 的服务，即可以在口网络上便宜的传送语音、传真、视频和数据等业务。与有线网络相比， w l a n 具有高移动性、保密性强、低成本和架设与维护容易等优点，其中支持移动计算机 是无线局域网与有线网络的最大区别。如果在现有无线局域网的基础上扩展语音通信，使 图像、语音、数据三合为一，无疑将提高效率，节约成本，更适合于实际应用。因此，将 i e e e8 0 2 1 1 无线局域网和网络话音v o l p 两种技术结合起来一直是人们关注的热点，特别 是在线缆无法铺设的地区和移动性较强的工作地点，要使话音和数据共享统一的接口和平 台，充分提高无线局域网的性价比，无线的v o l p 技术则是很好的选择。随着计算机技术、 网络技术及通信技术的蓬勃发展，基于i e e e8 0 2 1 1 的无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k s ，w l a n ) 技术得到了广泛地应用，而且将在下一代的无线通信网络中占主导地位。 由于i p 技术是一种面向无连接的技术，i p 网络不同于电信级通信网，它的初衷只是 提供一种称之为“尽力而为”( b e s t e f f o r t ) 的服务，这对于只要求准确率而对延时没有严 1 塑室塑皇盔堂堡主婴塞生兰垡笙茎翌二至笙笙 格要求的数据业来说是合适的，但v o l p 应用是一种对时问延时非常敏感的实时业务，因 此要达到一定的平均意见得分( m e a no p i n i o ns c o r e ，m o s ) 分值，必须设法满足语音的传 输要求，提供一定的服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 。并且无线介质因为一些特殊的现 象，如衰减、失真和时变等，具有高度不可靠性。因此，在无线网络中实现语音的传输， q o s 保证是一个非常值得研究的问题。 1 2 研究现状 传统的w l a n 以及i p 网络是以数据应用为中心的，因此在w l a n 网络环境下进行 v o i p 语音传送存在着一些亟待解决的问题。其中一个重要问题是在v o w l a n ( v o i c eo v e r w l a n ) 中如何为实时性业务( 如v o i c e 、v i d e o 等业务) 提供q o s 保证。另一个重要的 问题是，现有w l a n 接入环境下，v o i p 业务的接入容量严重受限，这大大限制了无线v o i p 的发展。 在w l a n 中，由于早期的标准没有考虑开展实时业务的需要，不能提供q o s 保障机 制。i e e e8 0 2 1 1 e 1 1 通过细化i e e e8 0 2 1 1 【2 j 的m a c 层，以改善q o s ，i e e e8 0 2 1l e 任务组 定义了一个新的信道接入方法混合协调功能h c f ，h c f 把分布式协调功能d c f 和点 协调功能p c f 的功能结合起来并有所增加，来保证实时业务的服务质量。其中h c f 采用 基于竞争的信道访问方式称为增强d c f 。e d c a 是传统有限局域网排队机制的扩展，为数 据包加上标记并利用区分优先次序的信道访问功能来传输。h c c a 是一种查询访问机制， 在使用时，不同的传输流被分配给专用的通信时隙。这两种机制结合起来可以使那些优先 权级别较高的服务对象的通信质量得到很大的改善。 i e e e8 0 2 1 1 中的d c f 机制是为了适应各方面性能要求而设定的m a c 层接入标准， 它兼顾了吞吐量性能，公平性，效率，隐藏站点解决等方面的要求，现实生活中的应用也 证明了它的实用性。但有实验结果表明，当w l a n 系统中的总负载较低的情况下，c s m a c a 机制体现较好的性能，当系统总负载提高甚至使信道达到饱和状态时，c s m a c a 机 制的性能将急剧下降。因为此时信道内传送帧的碰撞情况恶化，而c s m a c a 又不能快速 的解决碰撞冲突的过程，从而引起整个w l a n 接入系统的性能下降【3 】o 在网络分析模型方面gb i a n c h i 提出了二维马尔可夫链模型【3 】较好的描述d c f 接入机 制的运行状态和饱和吞吐量。d a n n yh kt s a n g 和y a n gx i a o 等在gb i a n c h i 工作的基础上 扩展了二维马尔可夫链模型至三维【4 击1 ，准确地描述了i e e e8 0 2 1 l ee d c a 接入机制在饱和 时的吞吐量和运行状态，为分析无线局域网的q o s 提供了基础。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一牵绪论 文献 7 】采用s t d m a 方法，能在i e e e8 0 2 1 l b 单信道上支持超过5 0 个双向的g 。7 2 9 语音 会话；文献 8 提出了u p c f ( u n i f i e dp o i n t c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 协议，它为无线局域网多媒 体业务提供q o s 保障和电源保护；文献 9 】把i e e e8 0 2 1 1 e 和d i f t s e r v 结合起来，以提升 v o w l a nq o s 的性能。 e d c a 是建立在d c f 基础上的增强接入机制，可以为网络提供较为理想的q o s 保证。 e d c a 对于d c f 明显的改进之一是引入了q o s 参数，如c w m i n 、c w m a x 、a i f s n 和 t x o p l i m i t ，也称为e d c a 参数。对于这些e d c a 参数，i e e e8 0 2 1 l e 标准中给出了一组 建议值，适合于大部分情况下的网络应用。但当网络规模较大或网络拓扑变化频繁的情况 下，标准中的建议值往往不足以满足业务需求。人们首先想到的是可以根据当前的网络负 载及业务分布情况来合理设置或者动态调整e d c a 参数，让其自适应网络，以实现网络性 能的最优化。 当前，已有一些关于e d c a 的研究。文献 1 0 提出一种自适应e d c a ，它通过冲突率计 算出乘法因子，然后缓慢地调整窗口大小，大大提高了信道利用率；文献 1 1 】提出了 g e d c a ，用来解决e d c a 所带来的站点私有传输问题，着重强调站点问的协同意识，每 个站点根据其它站点历史状态来评估当前形势，通过调整窗口大小来调节平衡策略；文献 【1 2 提出了一个高性能e d c a 方法( h e d c a ) ，它抑制不必要的同类传输碰撞及不同类的 传输碰撞；文献 1 3 】提出一种新的e d c a 优化策略，它在e d c a 机制的基础上运用了预约竞 争窗口维护技术，当网络处于低负载时，性能与原接入机制一样，随着负荷的增加，在稳 定条件下可以大大减少碰撞率，从而既保证高优先级业务的q o s ，又能提高整个网络的吞 吐量；文献 1 4 】提出了超时隙e d c a ，它将几个时隙组合起来构成一个超时隙，每个超时隙 的开始分配给不同的业务来进行发包。时隙的分配是根据各种业务的不同优先级来实现 的。这种方法可以保证高优先级业务具有较大的吞吐量，较少的m a c 延时和较低的丢包率； 文献 1 5 提出了n e w - m a cq o s ，通过改变a i f s 和传输时间t s ( 包传输时间 + 6 + s i f s + 6 + a c k ) 及t c ( 包传输时间+ 6 + s i f s ) 时间来改变c w 的值，主要是从公平性来提升 q o s 的性能。纵观这几种改进的e d c a ，可以看出它们在不同方面和不同程度上增强了v o l p q o s 性能。但是，它们也各自存在一些问题，注重某一方面就会忽略另一面，最重要的是 它们在退避时对窗口的调整都是基于站点的，而不是基于队列传输流的。充分考虑每个传 输队列对信道的影响将极大提高信道利用率。 文献 1 6 提出了r t s c t s 自适应接人机制：文献 1 7 】提出了v o l p 业务容错机制，在 w l a n 的m a c 协议中，一旦数据帧出现校验错误，就将被丢弃，这对于准确性要求比较 高的数据传输是需要和必要的，但对于语音传输来讲，往往没有必要。因为对于语音传输 3 堕塞塑皇查兰堡圭堕窒生兰篁堡塞 望二童笪丝 来讲，一些突发错误只会引起一点噪音，而并不会产生太大影响，所以这时严格的帧校验 只会造成不必要的数据重传和由此而引起的延时、延时抖动和网络资源浪费。 以上这些研究成果都对无线局域网服务质量的提高和新协议标准的制定做出了重大 贡献。目前，i e e e8 0 2 1 1 无线局域网的重要性日益为人们所重视。随着w l a n 技术的快 速发展以及广泛应用，在w l a n 上进行语音传输己经成为可能。使语音、图像、数据统 一在w l a n 上进行传输，实现网络融合，能够节约成本，提高效率，且语音通话费用低 廉，具有较高的性价比，尤其对于大部分通话都集中在内部的企业和校园，以及线缆无法 铺设的地方更具有特殊的意义。但i p 技术只提供“尽力而为”的服务，不能很好地支持像 语音这样对延时非常敏感的实时应用，另外，由于无线信道带宽资源有限、干扰因素多、 误码率较大以及多媒体应用的实时性要求高，数据传输量大等特点，这些都将影响无线局 域网上实现多媒体服务的话音质量。因此，本课题旨在通过对基于无线局域网的v o l pq o s 的研究，达到改善语音性能的目的。 1 3 本文的主要工作与组织结构 本文的主要工作有： 1 描述了v o l p 相关技术，重点介绍了语音编码、信令接入等关键技术，以及语音质 量评价标准。 2 介绍了i e e e8 0 2 1 1 系列标准及其无线局域网技术进行，着重讨论了i e e e8 0 2 1 1 d c f 及i e e e8 0 2 1l ee d c a 机制。 3 在分析v o w l a n 的体系结构与服务质量影响因素的基础上，指出了i e e e8 0 2 1 1 d c f 及i e e e8 0 2 1 l ee d c a 在v o l pq o s 方面的不足。针对自适应e d c a 方法进行改进， 提出了一种基于访问类别传输流的改进方案- t e d c a 方案，并对相关的实现机制与性 能做出了详细说明。 4 通过仿真工具对e d c a 、自适应e d c a 和t e d c a 三种方案进行了仿真模拟，对吞 吐量、延时、抖动等方面的性能做了比较测试，验证了t e d c a 改进方案的优越性。 本论文的具体结构安排如下： 第一章说明课题的研究背景、研究现状，以及论文的主要工作和组织结构。 第二章介绍了对v o l p 的基本原理，论述了v o l p 的相关关键技术，讨论了语音质量评 价的两种方式。 第三章介绍了i e e e8 0 2 1 1 协议的基本知识，分析了物理层结构及特性，着重研究了 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 i e e e8 0 2 1 1 的m a c 层介质访问方式d c f 和i e e e8 0 2 1 l e 的e d c a 方式及其对v o i pq o s 的支持。 第四章针对v o w l a n 的系统结构，分析和指出了影响v o l pq o s 的主要因素，阐述了 i e e e8 0 2 1 1 和i e e e8 0 2 1 1 e 在v o l pq o s 方面存在的问题。 第五章对已有的改进方案进行分析与研究，提出了一种基于访问类别传输流的改进方 案叫e d c a 方案，并给出了相关实现的技术方法。通过仿真实验，进行了对比测试， 验证了t e d c a 方案的正确性和有效性。 第六章总结了本文的研究工作，对下一步工作做出展望。 南京邮电大学硕- t z ：i i ) f 究生学位论文 第二章v o l p 技术 2 1v o l p 基本原理 第二章v o l p 技术 v o l p 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 算法对语音数据进行压缩编码处理，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接收地，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。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、数字语音封装成i p 分组、p 分组通过网络的传送、i p 分组的解包和数字语音还原到模拟信号等过程。v o i p 传输过程如图2 1 所示。 分 组 网 络 图2 - 1v o i p 传输过程 v o l p 最大的优势是能广泛地采用i n t e m e t 和全球i p 互连的环境，提供比传统i p 分组网络 业务更多、更好的服务。它可以在i p 网络上便宜地传送语音、传真、视频和数据等业务， 如统一消息、虚拟电话、虚拟语音传真邮箱、查号业务、i n t e m e t 呼叫中心、i n t e r n e t 呼叫 管理、电视会议、电子商务、传真存储转发和各种信息的存储转发等。 v o l p 可以使电话物理网络和i n t e m e t 或口物理数据网络合二为一，有效地简化通信系 统，降低系统成本和管理成本：还可以使语音应用和原有的数据业务应用有机地融合在一 起，开创新一代的业务应用。但是先前由于通话质量等各方面存在缺陷，因此端到端的v o l p 电话并没有真正大范围地发展起来。近年来，随着全球宽带接入用户的迅猛增长，又有来 自政策、投入上的推动，加上v o l p 技术本身在不断完善，它已成为人们关注的热点之一。 2 2v o l p 的关键技术 2 2 1 信令技术 信令部分负责信道的建立、拆卸和通话，目前采用的信令协议主要包括国际电信联盟 6 堕室塑皇查兰堡主堕塞竺堂垡笙苎里三童塑! ! 垫查 制定的h 3 2 3 标准及i e t f 锘i 定的s i p ( s e s s i o ni n i t i a l i z a t i o np r o t o c 0 1 ) 1 8 10 两种信令标准各有 其优缺点，h 3 2 3 标准从电信行业的角度出发，考虑到与传统的基于电路交换电话的交互， 功能比较齐全、强大，但实现比较复杂、扩展性差等特点，最近几年h 3 2 3 在市场上占主导 地位。但s i p 标准是从i n t e m e t 计算机网络的角度制定的，简单、灵活和容易定制等特色。 ( 1 ) h 3 2 3 系列 1 9 9 6 年国际电联( i t u t ) 公布了h 3 2 3 建议标准第一版，这个协议集规范了终端、网 关、网守和多点控制单元四个组成部分的功能。由于h 3 2 3 标准留下很大的释义余地，所以 不能确保不同系统间互操作能力。为了改进操作效率，1 9 9 8 年初公布了h 3 2 3 第二版本，该 版本改用的名称是“基于分组的多媒体通信系统”。它把寻址能力推广到非h 3 2 3 的域名查 号和域名访问协议以及验证授权功能；此后于1 9 9 9 年公布了面向大范围应用的h 3 2 3 第三版 本，包括带宽管t - 骄1 q o s 等功能。i t u 的h 3 2 3 系列建议定义了在无业务质量保证的因特网 或其它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 因特网上的多媒体提供技术基础保障。它是i t u t 有关多媒体通信的一个协议集，包括用 于i s d n 的h 3 2 0 、用于b i s d n 的h 3 2 1 和用于p s t n 终端的h 3 2 4 等建议。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 ；与电路交换业务互操作的h 2 4 6 等。h 3 2 3 的协议体 系结构如图2 2 所示。 砺而圃 、磊面r 圈圜 日圜圈圈 二二二二三二二 二口 图2 2h 3 2 3 的协议体系结构 h 3 2 3 呼叫建立过程涉及到三种信令：m s ( r e g i s t r a t i oa d m i s s i o ns t a t u s ) 信令。它 用来完成终端与网守之间的登记注册、授权许可、带宽改变、状态和脱离解除等过程； h 2 2 5 n 乎, q 信令。它用来建立两个终端之间的连接，并使用q 9 3 1 消息来控制呼叫的建立 和拆除。当系统中没有网守时，呼叫信令信道在呼叫涉及的两个终端之间打开。当系统中 包括一个网守时，由网守决定在终端与网守之间或是在两个终端之间开辟呼叫信令信道。 h 2 4 5 控制信令。它用来传送终端到终端的控制消息，包括主从判别、能力交换、打开和 关闭逻辑信道、模式参数请求、流控消息和通用命令与指令等。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章v o l p 技术 ( 2 ) s i p 协议 v o l p 技术的另一个发展趋势是遵循i n t e r n e t t _ 程任务组( i e t f ) 倡导的s i p 协议。s i p 协 议在美国十分热门，近年来发展很快，这是因为：首先，美国的互联网技术发展很快。其 次，s i p 技术发展初期的实现条件比较简单。一个s i p 系统主要由两部分组成：用户代理和 网络服务器。用户代理包括用户代理客户和用户代理服务器，前者用来发起呼叫，而后者 用来接受呼叫。网络服务器分为代理服务器和重定向服务器。代理服务器接受来自主叫用 户的呼叫请求，并将其转发给下一跳代理服务器，最后将呼叫请求转发给被叫用户。重定 向服务器不接受呼叫，它通过响应告诉客户下一跳代理服务器的地址，由客户按此地址向 下一跳代理服务器重新发送呼叫请求。 s i p 技术基本上是基于动态i n t e r n e t 模式来建网的，它的网络不是一个多层次的网络， 而是一个扁平的单层次网络，呼叫流程与p s t n 网有所不同。它的优点是与i n t e m e t 紧密结 合，适于开发新的、与互联网结合的语音应用。s i p 是一个分层结构的协议，它的最底层是 语法和编码。编码使用增强b a c k u s - n a y r 形式语法( b n f ) 来规定。第二层是传输层。它定 义了网络上一个客户机如何发送请求和接收响应以及一个服务器如何接收请求和发送响 应。所有的s i p 元素包含传输层。第三层是事务层。事务是s i p 的基本元素。一个事务是由 客户机事务发送给服务器事务的请求( 使用传输层) ，以及对应该请求的从服务器事务发 送回客户机的所有响应组成。事务层处理应用层重传，匹配响应到请求，以及应用层超时。 任何用户代理客户机( u a c ) 完成的任务使用一组事务产生。用户代理包含一个事务层， 有状态的代理也有。无状态的代理不包含事务层。事务层具有客户机组成部分( 称为客户 机事务) 和服务器组成部分( 称为服务器事务) ，每个代表有限的状态机，它被构造来处 理特定的请求。事务层之上的层称为事务用户( t u ) 。每个s i p 实体，除了无状态代理， 都是事务用户。当一个t u 希望发送请求，它生成个客户机事务实例并且向它传递请求和 i p 地址、端口和用来发送请求的传输机制。 s i p 协议最大的特点是充分利用已定义的头域，对其进行简单必要的扩充，就能很方便 地支持各项新业务和智能业务，有利于与i n t e m e t 的各项应用集成和开发增值业务。其缺点 是在组网、运营、计费方面的考虑还有待成熟，在与传统p s t n 网的互联互通方面对一些非 正常情况的处理还有待完善，在组建v o l p 大网的实践方面，还有待积累经验。 2 2 2 编码技术 语音压缩编码技术是i p 电话技术的一个重要组成部分。c o d e c 编解码器的主要功能是在 堕塞坚皇盔堂堡主堕窒生兰垡鲨壅翌三翌塑! 呈丝查 发送端把语音等模拟信号转换并压缩成数据包，而在接收端还原成语音信号。评价一个 c o d e c 的好坏主要包括比特率、延时、复杂度和语音质量等因素，表2 1 是几种常用的c o d e c 标准。在基于电路交换的电话目前采用p c m 调制方式的g 7 1 1 标准【l9 1 ，语音质量最好，但 比特率编码为6 4 k b i t s s ，占用较多的网络资源。在i p 网络特别是带宽比较宝贵的无线i p 网络， 宜选用比特率编码较低的g 7 2 3 1 或g 7 2 9 编码标准【2 0 之。相关的几种编码器的主要参数如 表2 1 所示。 表2 1 几种编码器的主要参数 编码器编码算法比特率帧时长帧字节数m o s ( k b i t s s )( m s ) ( b y t e s ) q 7 1 lp c m6 42 01 6 0 4 - 3 g 7 2 3 1 m p - m l q 6 33 02 43 9 a c e l p5 33 02 0 3 6 5 g 7 2 9c s a c e l p81 01 0 4 o g 7 11 通常也被称为脉冲编码调制( p c m ) ，它是在电路交换电话网中普遍使用的一 种波形编解码算法。g 7 11 以8 k h z 作为抽样频率，数据速率为6 4 k b s 。它有a 律和“律两个 变型，两者之间的区别主要在于不统一量化的使用方式，但都是关于0 对称。a 律和p 律都 提供了良好的语音质量，并且m o s 值都在4 3 左右。其主要的缺点是需要6 4 k b s 的带宽。 g 7 2 3 1 是一个双速率语音编码协议，提供6 3 k b s 和5 3 k b s 的速率。6 3 k b s 的输出是 基于多脉冲最大似然量化算法( m p m l q ) ，5 3 k b s 的输出是基于代数码激励线性预测算 法( a c e l p ) 。这两种速率的编解码基本原理是一样的，只是激励信号的量化方法有差别。 g 7 2 3 1 协议适用于低速率多媒体服务中语音或音频信号的压缩算法，在i p 电话网关中，被 用来实现实时语音编码解码处理。它的优点是仅需要很窄的语音带宽便可具有较高的语音 质量，缺点是在编码器一端至少有3 7 5 m s 的延时。 g 7 2 9 协议采用的是共轭结构算术码激励线性预测( c s a c e l p ) 的算法，它能在8 k b s 速率上实现高质量语音编码的协议。g 7 2 9 a 是g 7 2 9 的简化方案，它进一步降低了计算的 复杂度，并可以提供良好稳健的通话质量。在i p 电话网关中，g 7 2 9 协议被用来实现实时语 音编码处理。上面的编码方式也称为固定比特率( c b r ) 编码方式，即在整个会话期采用 恒定的编码速度。而根据统计，在会话期问，有6 5 的时问是无声的，其通话特点符合两 状态o n o f f l 拘m a r k o v 模型 2 2 1 ，o n 对应有声期，o f f 对应无声期。有声期采用c b r 编码， 无声期则传送低比特率编码或无编码，则整个期间的编码方式称为可变比特率编码 ( v b r ) 。因此在w l a n 无线i p 网络中为了充分利用网络资源，增加语音通话个数，宜采 9 用v b r 编码方式。而有声检测技术( v a d ) 是实现v b r 编码的手段之一。m a r k o v 语音模型 如图2 3 所示。 图2 3m a r k o v 语音模型 此外，静音检测技术和回声消除技术也是v o l p q u 十分关键的技术。静音检测技术可有 效剔除静默信号，从而使话音信号的占用带宽进一步降低到3 5 k b s 左右。回声消除技术主 要利用数字滤波器技术来消除对通话质量影响很大回声干扰，保证通话质量。这点在延时 相对较大的m 分组网络中尤为重要。 2 2 3 实时传输技术 实时传输技术主要是采用实时传输协议r t p 。i 汀p 是提供端到端的包括音频在内的实 时数据传送的协议。r t p 包括数据和控制两部分，后者叫r t c p 。r t c p 协议是用来监视和 控制实时数据的传输。r t p 协议是由i e t f 的多媒体传输工作小组在1 9 9 6 年公布的。现在它 已经被接受为实时多媒体传送的通用标准。i t u t 足e i e t f 都在各自的系统中将这一协议标 准化。由于t c p 在通信前需要三次握手，不能支持像交互视频，会议等的实时服务，因而 在i p 层上u d p 是一个l p , t c p 更好的选择。但是u d p 是本质上是一个不可靠协议，不支持在 丢包情况下的重传机制。为了消除u d p 的缺点，r t p 是作为应用层而被提出来的。r t p 提 供端到端的服务，主要针对需要实时传输的应用，如单播或组播分组网络上的音频或视频 传送服务。r t pj l e 务包括：净荷类型标识、序号、时间戳和传送监控。r t p 通常运行在u d p 之上，但它也可以运行在其他合适的网络或传输协议之上。r t p 并不能提供保证信息的及 时传输或是服务质量的手段，而是提供处理定时恢复和介质问同步以及如抖动、丢失等问 题的机制。而r t c p 是个辅助协议，它监视接收端观察到的服务质量，并将参与者的这 种或那种信息递交给发送端r t p 瓜t c p 能支持音频、视频流应用3 1 1 i n t e m e t 网电话及其他实 时应用。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章v o l p 技术 2 2 4 网络传输技术 v o l p 中网络传输技术主要是t c p 和u d p ，此外还包括网关互联技术、路由选择技术、 网络管理技术以及安全认证和计费技术等。由于实时传输协议r t p 提供具有实时特征的端 到端的数据传输业务，因此v o l p 可用r t p 来传送话音数据。在r t p 报头中包含装载数据的 标识符、序列号、时间戳以及传送监视等。通常r t p 协议数据单元是用u d p 分组来承载， 而且为了尽量减少延时，话音净荷通常都很短。i p 、u d p 和r t 时艮头都按最小长度计算。 v o l p 话音分组开销很大，采用r t p 协议的v o l p 格式，在这种方式中将多路话音插入话音数 据段中，这样提高了传输效率。 2 3v o l p 的语音质量评价 端到端的语音质量评价方法主要有两种：客观评价和主观评价。 2 3 1 主观评价 主观评价【2 3 - 2 4 】方法是利用本身的主观感觉给听到( 对话) 的语音的满意度打分，打分 的基本原则是可懂度。依此分数来评价端到端的语音质量。 i t u t 建议p 8 3 0 描述了一种对语音的主观评定方法m o s ( m e a no p i n i o ns c o r e ) 方 法。这也是本小节要重点介绍的。主观评价的实验是需要设计的。设计的内容主要包括物 理条件，例如空间大小，噪声环境等；试验人员的选择，如是否有听力问题，是否第一次 参加试验等；语音样本的选择以及测试数据的收集与整理方法等。p 8 3 0 对测试的要求非常 严格，所有的操作都要严格地服从操作流程，对录音系统、语音采样、语音输入级别、听 者级别、不同发话者、多发话者、差错处理、不同语音编码方式的兼容性、过失、环境噪 音、音乐等等，都作出了详细严格的规定。主观评价的结果是一个统计的结果，是对众多 评价数据进行收集、统计，最后得到一个“平均意见得分”，也就是前面提到的m o s 分。 m o s 得分采用五级评分标准。特别需要说明的是，每一次主观评价试验的结果可能是不同 的。试听者对语音质量的主观感觉往往是和其注意力集中程度相联系的，因而，对应于主 观评定等级，还有一个收听注意力等级。表2 2 给出主观评定等级的质量等级、分数和相应 的收听注意力等级。 南京邮电大学硕二匕研究生学位论文第二章v o l p 技术 从用 表2 2 主观评定等级表 质量等级m o s 值 收听注意力等级 优 5 可完全放松，不需要注意力 良 4 需要注意，但不需明显集中注意力 正常 3中等程度的注意力 差 2 需要集中注意力 劣 1即使努力去听，也很难听懂 话网的质 量要求。m o s 分为3 5 分左右，这时听者能感觉到语音质量有所下降，但不影响正常的通话， 可以满足多数通信系统使用要求。m o s 分低于3 0 分常称为合成语音质量，这种语音一般只 有足够高的可懂度，但是自然度较差，不容易识别讲话者。一个正常的模拟或者数字话机 的m o s 值是4 2 4 4 。一个典型的蜂窝话机的m o s 值范围是3 0 3 7 。虽然主观评价测试准确 有效，但是存在一个问题，在现实生活中让一组人接听语音并进行语音的质量评价是非常 困难和昂贵的。因此，人们在不断探索能进行客观测量的方法。 2 3 2 客观评价 客观评价方法用客观测量的手段来评价语音编码的质量，常用的方法有信噪比、加权 信噪比、平均分段信噪比等。它们都是建立在度量均方误差的基础上，其特点是计算简单， 但不能完全反映人对语音质量的感觉。现在许多客观的测量方法已经出现并被应用，诸如， p s q m p s q m + 感知通话质量测量，p e s q 感知评估通话质量测量，p a m s ( 英国电信) 感知 分析测量等。但是这些测量方法不适用于在数据网络上分析语音质量，是基于传统的电话 网络。为了克服这个缺点，国际电联的g 1 0 7 标准提出了e m o d e l ，它关注数据全面的网络 损伤因素，很好地适应在数据网络中语音质量的评估。但是无论采用何种方法，所有测量 方法都必须把它们的结果对应到最终的平均主观值m o s ，所以以上各种方法均可以最终以 m o s 值表示。 e m o d e l 用来作为算法最终结果的是r 值，被称为全面的网络传输等级要素，取值范围 从0 至l j l 0 0 。r 值的计算从没有网络和设备的损