（计算机系统结构专业论文）因特网媒体网关的关键技术研究.pdf

1 华中理工大学博士学位论文 摘要 旧前，基丁冈特网的语音实时传输已成为计算机和通信领域研究的热点，而其中研究的 一个主要焦点是因特网媒体网关。欧洲电信标准化组织的电信和因特网协议协调工作组基于 功能分离的概念，将因特网电斫网关分为媒体网关、信令网关和媒体网关控制器，并规定媒 体网夫的主要功能是提供媒体介质流的映象或转换。广可 本文是以媒体网关为研究对象，从理论分析和实践开发两个方面对网关的体系结构、语 音实时处理子系统中的主机通信及多任务调度、语音编码和回声消除等关键技术问题进行了 深入的研究。 f 首先，提山了媒体网关的三种实现策略，采用目前最先进的d s pi m s 3 2 0 c 6 2 0 1 设计了由 i 9 6 0 r d 处理器坌r 成、基丁p c 机的媒体网关的硬t l ： l l 软什结构，建立了媒体网关的体系结构模型。 同时研制了一种基于p c i c 6 2 0 0d s p 的集成式媒体网关，建立了该网关的随机p e t r i 模型， 导山了处理器平均利川率的函数关系。提山了基r 改进媒体网关的结构来提高语音质量的多种 措施，建立了媒体网关缓冲区设置人小的计算模型。 其次分析了t m s 3 2 0 c 6 2 0 l 与主机间的数据平消息通信机制提出井实现了 t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 与主机间的多路语音数据以及主机命令的传输算法，通过计算带宽来证明 t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 的h p i 接口完全能满足多路语音数据传输的实时要求。同时，提出了在多路语 音实时处理系统中实现基于优先级、抢i j 式的任务凋度算法，建立了在两路语音输入条件下 的o n o f f 信源模型，导山了系统平均队氏、时延及分组丢失率的解析式。 以t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 为平台，实现了g 7 2 3 1 利g 7 2 9 a 两种语音编码器。创造性地提出了 许多基于t m s 3 2 0 c 6 2 0 l 特点的编程技i j 以及基丁算法本身的优化方法。测试表明，所研制的 g 7 2 3 i 和g 7 2 9 a 编码器的性能已接近目前国际先进水平。此外捉山了变速率自适应编码 器的新概念，探讨了实现白适应编码器的具体方法。 晟后。在分析比较f i r 萃f i r 删白适应滤波器以及各种声学回声消除器特点的基础上，提 山采用横向f i r 型滤波器和n l m s 算法、以t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 为平台来实现媒体网关中的声学 同声消除器。建立了刚1 6 何d s p 来实现同声消除器的误差计算模型，证明了基于1 6 位定点 d s p 的同声消除器完全能满足g 1 6 5 g 1 6 8 标准规定的精度要求h 一 关键词：安! i l 体网芙，语音编码，p e t r i 网，亓| 声消除，t m $ 3 2 0 c 6 2 0 1 因特网 华中理工大学博士学位论文 a b s t r a c t t o d a y ，h o wt ot r a n s m i tv o i c ei nr e a l t i m eo ni n t e r n e th a sb e c o m eah i g h l i g h to f r e s e a r c ho n c o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o n ，a n dt i l em o s ti m p o r t a n tr e s e a r c hi s t os t u d yi n t e m e tm e d i ag a t e w a y a c c o r d i n gt ot h em o d e lo f i pg a t e w a ys u g g e s t e db ye u r o p et e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r di n s t i t u t e ， i n t e r n e tm e d i ag a t e w a yi su s e dt ot r a n s f o r mt h em e d i a 。s t r e a m i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，i n t e r n e tm e d i ag a t e w a yh a sb e e ns t u d i e di nd e t a i lf r o mi t sa r c h i t e c t u r e ，h o s t c o m m u n i c a t i o na n dm u l t i - t a s ks c h e d u l i n go nr e a l - t i m es u b s y s t e mo f v o i c ep r o c e s s i n g ，s p e e c hc o d e e a n de c h oc a n c e l l a t i o n t h em a i nc o n t e n ti n c l u d e st h et h e o r e t i cr e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no f i n t e r n e tm e d i a g a t e w a y f i r s t l y , t h r e es t r a t e g i e so f c o n s t r u c t i n gi n t e r n e tm e d i ag a t e w a y a r ei n t r o d u c e d t h ea r c h i t e c t u r e o fm e d i ag a t e w a yb a s e do np e n t l u mp ci ss t u d i e d ，t i l eh a r d w a r eo ft h em e d i ag a t e w a yc o n s i s t so f t h em o s ta d v a n c ed s p - t m s 3 2 0 c 6 2 0 1a n di 9 6 0 r dw h i c hi su s e da sac o n t r o l l i n gp r o c e s s o r i n a d d i t i o n ，a ni n t e g r a t e dm e d i ag a t e w a yb a s e do np c i c 6 2 0 0d s p c a r dh a sb e e ni m p l e m e n t e d ，a n di t s s t o c h a s t i cp e t r in e tm o d e lh a sb e e nb u i l t s o m es t r a t e g i e st oi m p r o v ei t sq o so fv o i c et h r o u g h i m p r o v i n go nt h ea r c h i t e c t u r eo ft h em e d i ag a t e w a yh a v eb e e np r o p o s e d ，a n dt h em o s ti m p o r t a n t t e c h n o l o g i e sa m o n gt h e mf i r ep r e s t o r a g e a n db u f f e r s ot h em o d e lo fc o m p u t i n gt h en u m b e ro f b u f f e r sh a sb e e ns e tu d s e c o n d l y , t h e m e c h a n i s mo fe x c h a n g i n g m e s s a g ea n d d a t ab e t w e e nt m s 3 2 0 c 6 2 0 1a n d p e n t i u mp ci s a n a l y z e di nd e t a i l ，t h ea l g o r i t h mo ft r a n s m i t t i n gd a t aa n dh o s tc o m m a n db e t w e e n t h e mh a sb e e np r o p o s e d t h eb a n d w i d t ho f t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 sh p ii sc o m p u t e d ，a n di ti sp r o v e dt h a t h p i sb a n d w i d t hi s e n o u g h t o e x c h a n g e t h em u l t i - c h a n n e ld a t ai nr e a l t i m e t h em u l t i - t a s k s c h e d u l i n gc h a r a c t e r i z e dp r e - e m p t i o na n dp r e c e d e n c ec o n s t r a i n t sa m o n g t a s k si sp r o p o s e d ，b a s e do n t h ef l u i df l o wm e t h o d s ，ao n o f fs o u r c em o d e lo fv o i c ep r o c e s s i n gs u b - s y s t e mi sb u i l t ，a n dh a v e a c h i e v e dam a t h e m a t i c a lr e l a t l o n s h i pt oa n a l y z et h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa n dt h e i rp r i o r i t yp o l i c y s u c ha sa v e r a g ed e l a y , a v e r a g eq u e u el e n g t ha n dp a c k e tl o s sr a t e t h i r d l y , t w os p e e c hc o d e c sb a s e do ni t u - t g 7 2 3la n di t u tg 7 2 9 ar e c o m m e n d a t i o na r e i m p l e m e n t e d i no r d e rt oi m p r o v et h ee x e c u t i o ns p e e d ，m a n yp r o g r a mt e c h n i q u e sa n do p t i m i z a t i o n m e t h o d sb a s e dt m s 3 2 0 c 6 2 01a r e p r e s e n t e d d u ei o a d o p t t h e s e o p t i m i z a t i o nm e t h o d s ，t h e p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fi t u - 丁g 7 2 3 1s p e e c hc o d e ca n d1 t u - tg 7 2 9 as p e e c hc o d e ch a v e 华中理工大学博士学位论文 a p p r o a c h e dt i r e m o s ta d v a n c el e v e li nt h ew o r l dc u r r e n t l yan e w c o n c e p to fa d a p t i v es p e e c hc o d e c i sp r e s e n t e d ，a n dt h ea p p r o a c ho fi t si m p l e m e n t a t i o ni ss t u d i e d l a s t ，t h ea e c ( a c o u s t i ce c h oc h a n c e l l o r s ) b a s e d o l lt m s 3 2 0 c 6 2 0ii s i m p l e m e n t e d ，a n di t c o n s i s t so fa na d a p t i v et r a n s v e l s a lf i rf i l t e ra n da nn l m s a l g o r i t h m am a t h e m a t i c sm o d e lt o a n a l y z et h ep r e c i s i o no fa e cb a s e do n1 6b i tf i x e dd s pi sb u i l t ，t h es t u d yi sc o n d u c t e dt h r o u i g h t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，a n dt h er e s u l t s i n d i c a t e dt h e16b i t p r e c i s i o n i s a d e q u a t ef o rm e e t i n g t h ee c h oc a n c e l l a t i o ns p e c i f i c a t i o n s ( g 1 6 5 1 g 1 6 8 ) k e y w o r d s ：m e d i ag a t e w a y , s p e e c hc o d e ，e c h oc a n c e l l a t i o n ，s t o c h a s t i cp e t r i n e t ， t m $ 3 2 0 c 6 2 01 i n t e r n e t i i i 华中理工大学博士学位论文 第一章：因特网语音实时传输技术概况 1 1 因特网业务的发展趋势3 5 1 6 ”m 1 经济学家康道拉恰夫的景气波动沦认为：人类进入i 。业社会以来，便经历着景气波动，并 把这种标志着经济发展情况的景气波动称之为“康道拉恰夫浪潮”，人类至今已经历过四次这 种浪潮。第一次浪潮是由产业革命引起的，第二次浪潮是铁路和钢铁业的发展而引起的，第三 次是电力和化工的发展而引起的第四次是汽车和电子的发展而引起的。这四次浪潮经历的时 间是1 7 8 9 1 9 9 5 年，前后大约经历了2 0 0 年。从现在起推动经济回升的是第五次浪潮，它的原 动力主要是因特网技术和多媒体技术的发展。其对庸的时间是1 9 9 5 2 0 5 5 年，2 0 5 5 年将达到 高峰”3 。由r 通信技术与计算机技术的结合，尤其是闪特网技术和多媒体技术的结合形成了 一种新兴产业，即信息产业。信息产业将成为2 li f f = 纪的带头产业干支柱产业。 甲期的因特网主要是川于电子邮1 ，| ：、l 也子布告、远程登陆、全球浏览、数据通信和文什传 输，但是随着计算机网络技术的b 速发展和多媒体技术麻川的日茄深入羽l 普及，基于因特网的 多媒体通信已成为当前因特网发展的趋势之一”“。随着因特网的多媒体通信技术的发展。已 经或将会产生许多类裂的冈特网多媒体通信业务，如：多媒体会议型业务( m mc o n f e r e n c e s e r v ic e ) 、多媒体会话刑业务( m mc o n v e r s a t i o ns e r v i c a ) 、多媒体分配型业务( 删 d is t r i b u t i o ns e r v i c e ) 、多媒体检索型业务( m mr e t r i e v a ls e r v i c e ) 、多媒体消息型业务 ( m mm e s s a g es e r v i c e ) 和多媒体采集型业务( m mc o l l e c t i o ns e r v i c e ) ”1 。实现上述业务 的核心技术是采用因特网进行声、文、图等多媒体信息的传输技术，其中最关键的是音频和视 频信号的实时传输。 冈特网电话是冈特网多媒体通信的一个典型业务它也是利用因特网进行语音实时传输的 一个最典型应f j 。当前，冈特网电话发展非常迅速，并引起人们极大的关注成为当i ；了计算机 网络技术和通信技术研究的热点。据国际数据公司统计，因特网电话的市场业务量已从1 9 9 5 的3 5 0 万元上升到1 9 9 9 年的5 6 0 0 0 万元。人们之所以对l j i | 特网电话抱着如此大的兴趣和保持 如此乐观的态度，有三个主要原闪”l ：1 、因特网【乜活在很大程度上减少了| 丈途( 国际，国内) 电话费用。2 、因特网电话的使用标志着一种全新的功能更强的通讯方式的产生，从而可以打 破电话的垄断市场。因为与传统的传输媒体相比较，冈特网屯话不仅具有传统媒体所具有的一 切表现形式和特点，而且传 i f 信息容量人、不受时空限制，突破了传统地缘政治、地缘经济的 概念形成以传输信息为中心的跨国界、跨文化、跨语言的全新的传媒方式。因此，因特网电 华中理工大学博士学位论文 酯作为现有 u 话的竞争对手在将来的发展中会形成很人的市场。3 、符合来来= = 网合一( 电话 网、有线电视网、数据网) 的发展方向。据报道，全球电信业巨子a t & t 的首席执行官m i c h a e l a m s t r o n g 最近说“我们要在全球把电话变成毋普通的i p 设备”，这话或多或少地代表了对今 后网络发展的一种观点。同时，很多专家也都指出，i pi 乜t 舌目前所砸临的问题是如何保证因特 网语音传输的实时性“。 电话会议系统、语音信箱、基丁w e b 网的吁叫r h 0 、基丁双音多频( d t m f ) 的安全机制、 文档共享、计算机电话集成技术等都是利用冈特网来进行语音实时传输的典型应用。 1 2 因特网语音实时传输的关键技术 1 2 1 因特网语音传输的特点【7 。2 1 1 9 q l m u l 3 不久前因特网还是运行在t b 话网络系统上，但是现在电话系统却运行在冈特网上了。语 音币数据的综合可人最订省通信的开销，如果在冈特网上的语音应用技术实现得好，节省的开 销晟高可达9 0 ”。语音在因特网上的实时传输与在屯话网络上传输相比，具有如下特点： 1 语音传输是采用t c p i p 协议的分组交换，而非电路交换。 t c p ( d d p ) i p 协议是因特网上采用的传输层与网络层协议t c p 是传输控制协议而i p 是网际互连协议它对用户屏蔽了各子网的差别，也就是说，在i p 协议的支持下，用户可将 冈特网看作一个统一的计算机网络。然而，i p 是非连接型的网络协议，该协议非常简单，主 要是考虑其高效性，但不能保证传输的可靠性。系统依靠i p 地址识别各主机。提供i p 层通信 能力。i p 传输方式有；单目传输、多目传输及r 播传输。单目传输是点对点的传输方式；多 目传输是利用组播业务进行的细内传输方式：广橘传输是不限于组内的一对多的传输方式。 t c p 和u d p 是传输层协议，能提供进程通信能力，井依靠端口来识别进程。其中t c p 是面 向连接的，采用超时重发及滑动信贷窗口流精控制协议等措施来保证传输的可靠性但它不能 保证实时要求；u d p 是面向非连接的，不提供传输的可靠性保证，但效率很高“”“”。 2 传输的语音必须进行压缩编码。 语青通信的数据量较人，并有实时性要求。而闪特网不能满足实时语音通信要求，在源 点到目的点之间没有一条带宽能得到保证的多媒体传输通道”。目前解决这一问题的主要 途径便是采用高效的压缩编码，将大数据景的语音信息压缩到较小的带宽内传输，并因此提高 资源的利用率。传统电话网络的资源利用率很低连接建立后要占用6 4 k b p s 的带宽，而采 用丹；：缩技术的冈特网语音传输，只r 8 k b p s 的带宽，效率有很大的提高。 3 语音信号的延迟较大，延迟抖动也较大。 2 华中理工大学博士学位论文 对1 冈特网语音传输来说，传输盘正迟是一个比带宽更难解决的问题。产生延迟的原因是 多方而的”i 。例如语音数据f i , jj e 缩平扣包延迟、传输延迟、排队利同步延迟、解压缩和解 包延迟、播放延迟等。冈特网中的语音传输延迟比电活网络传输延迟要大得多，这是因为在因 特网中，语言信息的传输是采用包交换技术而包交换传输采用的是一种存储转发机制。并 且，从源点到目的点传输路由也是1 | 确定的，由此带来了语音信号传输延迟波动较大。实验证 明，超过o 6 s 的延迟就会使两个人之问的正常对请很难维持。冈此i t u 标准建议对于交互语 音应刚晟大的端到端的总延迟为2 5 0 m s “。 另外，随着因特网负载的不同，网络产生的延迟也会随着变化。在很高的业务负载的情 况f ，如果又有数据用户发送超长数据帧，那么h i j 延抖动会加剧。 1 2 2 因特网语音传输的关键技术1 9 i i ”1 u 2 1 1 5 2 1 【s 3 1 1 1 1 2 j u 3 0 l 】 因特网语音传输技术的发展进稗及其业务的实川化土要取决予国际标准的实施、先进的语 音压缩技术、冈特网的细网技术、川户接入技术等。 1 国际标准的制定及实施 制定冈特网语音传输标准或相关标准的组织主要有欧洲电信标准协会( e t s i ：e u r o o e t e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d i z a t i o n i n s t i t u t e ) 、国际i b 信联盟标准化部j ( i t u ：i n t e r n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o n u n i o n ) 、冈特网l ：科任务t h ( i e t f ：i n t e r n e te n g i n e e r i n g t a s kf o r c e ) 和国际 多媒体远程会议集团( i m t c ：i n t e r n a t i o n a lm e d i at e l e c o n f e r e n c ec o n s o r t i u m ) 。 欧洲电信标准协会 e t s i 始创于1 9 8 8 年，涉足移动网的g s m 、d e c t 以及同定网的i s d n 、b - i s d n a t m 、s d h 等标准化领域。随着数据业务的发展i p 语音( v o i p ：v o i c eo v e ri p ) 技术逐渐成为人们 关注的焦点。1 9 9 7 午3 月1 4u ，e t s i 丌始研究v o i p 与现有电信网的互操作性问题，并下1 9 9 7 印4 月1 7u 的e t s i 第6 次公告会议上创建了t i p i i o n ei 科。 e t s it i p h o n e r 稃的士要宗旨是综合电信和冈特网技术实现v o l p 网与电路网互连。 它着眼丁业务和规范方面的问题，并致力r 获得全球范闹的认可。t i p h o n el ：程希望向各类网 络运营者都能提供面向业务的解决方案，其所有l ：作都越基丁h 3 2 3 系列建议和现有的电路交 换网标准。 在技术层方面，e t s lt 1 p h o n e 肼￥的主要目标是规范业务的互操作性，制定接口和功能 方面的体系结构，井对呼叫控制程序、信息流和协议进行规定，研究端到端的服务质量( q o s ) 参数，e 1 6 4 地址与i p 地l f l ：l e 的转换。其f 设六个i 作组( ：w o r kg r o u p ) 和一个专家任务 组( s p e c i a l is tt a s kf o r c e ) ，即：总体要求组( w g l ) ，体系结构组( w g 2 ) ，协议组( w g 3 ) ，命名、 编号和寻址绸( w g 4 ) ，端到端的服务质景组( w g 5 ) ，证实和展示组( w g 6 ) 以及专穷任务组 3 华中理工大学博士学位论文 ( s t f l 4 ) 。 国际电信联盟标准化部门 国际电信联盟标准化部门的s g l 6 研究矧主要从事多媒体终端和安全问题的研究。1 9 9 6 年5j 2 8 日，该组织发布了i t u t1 1 3 2 3 建议，该建议规定了终端和设备如何在局域网、 i n t r a n e t 、因特网上传输实时语音、数据和视频信号的任意组合，包括可视电话业务。t 1 3 2 3 将u d ph j 丁音频视频信号，将7 i c p 用于数据，这是闲为对语音信号、视频信号而言，较少的 等待时间比纠错更重要。i t 3 2 3 建议是依靠位于u d ) 之上的实时协议r t p 来保持音频0 视频的 同步。它包含人晕的其它协议作为关联参考，包括：f i2 2 50 、t 3 8 、1 t g c p 、h 2 4 5 、i t 4 5 0 x 、 1 t ，2 3 5 、g 系列( g 7 “、g 7 2 3 1 、g 7 2 9 、g ，7 2 8 笛) 。符标准内容如f ： i2 2 50 定义注册、入场、状态( r s ) 信令控制羽q9 3 1 媒体流打包与同步： t 3 8 定义实时传真协议： t 1 g c p 定义媒体网关控制协议( 也就是m 6 c p ) ： h 2 4 5 定义媒体通道打开、关闭以及其他命令、请求与指示： t 1 4 5 0 定义补充服务： h 2 3 5 定义系统认证、加密与完捂性安全框架： g 系列定义语音压缩羽i 解压标准。 这些建议定义了大罱新的网络组什( h3 2 3 终端、1 1 3 2 3 多点控制单元、h 3 2 3 网闸和h 3 2 3 网关) 。 因特网t 程任务组 i e t f 规定新的信令协议、会话初始协议( s 【p ) 、w e b 业务与p s t n i s d n 的互操作性问题。 i e t f 中的i p t e l1 ：作组的目标是制定相关协议利框架文什，包括呼叫处理语法等。该j f ：作组 还制定了一些p 务模型文仆，_ l j 来描述呼叫处理语法实现的业务，介绑语法的使用方法和网关 属性分配( g a t e w a ya t t r i b u t ed is t r i b u t i o n ) 卧议。另外，l e t f 还开发了资源保留协议 ( r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o l ，r s v p ) 协议，它是一种与现有的t c p i p 网络兼容的端到 端的协议，能为多媒体麻刚和其他一些廊川提供一种特殊的o o s 方法，同时能保持当前的因特 网方式。r s v p 是僦丁传输层、l ：作在i p 协议之上的协议。它主要由如下部分组成“： 发送者：负责让接收者知道有数据要发送和需要什么样的业务质晟。 接收者：负责分发通告到土机或路由器以便它们能够为传来的数据做好准备。 主机或路由器：负责预留所有适当的资源。 r s v p 协议具有如下特征： r s v p 为单捅和组播的接收者进行资源预留，接收者用软状态的方法来保留或更新预留资 源。 r s v p 是单方向的。 4 华中理工大学博士学位论文 r s v p 中的接收者对流进行资源预朗的初始化和保持。 r s v p 不是一种路由选择帅议但它依靠蹄f l j 选择协议来传送流。 r s v p 支持i p v 6 平i p v 4 。 如果完全实现了r s v p ，它就能够在任何介质上提供业务质罱保证，即使是在介质层没有 提供任何业务质詹的情况r 也是如此。 国际多媒体远释会议集团 国际多媒体远程会议集团是一个非盈利性的纲纵，由来自北美，欧洲和皿太地区的1 5 0 多 个成员组成，其宗旨是建立开放的国际标准，推进、鼓励干促进交互式多媒体远程会议的应用和 实现。国际多媒体远 ! 会议集团的“i pj j 的话音论坛”( v o i c eo v o fi pf o r u n ) 是其活动组之 一。它的职责是建立开放的、一致性原则，井将该原则廊h j 丁i p 网络的通信设备之中，以保 证无缝产品的互操作性和较高的服务质鼍。“i pl f i , j 瞒音论坛”不定期举行一些活动来制定标 准，发展i p 电话业务。 2 语音压缩技术 语音编码压缩技术一卣是冈特网语音传输中的关键技术之一，它涉及信息的压缩、特征 提取和合成等问题。并且，与语音的播放音质、网络骷宽，j j 户接入方式都有密切的关系。压 缩编码器有软件和硬件_ 种实现方式。软件编码器只有价格便宜、使瑁方便等优点，但在编码 质量、处理速度等方面不如硬件编码器。按照h3 2 3 协议，在因特网的语音传输中所采用的语 音编码标准主要有g 7 1 1 、g 7 2 9 、g 7 2 9 a 利g 7 2 31 等。其中g7 2 3 1 是f l3 2 3 首推的编 码标准，这是冈为g 7 2 3 1 具有语音质最好，编码速率低等优点。表卜1 给出了h 3 2 3 中常用 编码算法的性能参数“。 表1 一l 儿种语音编码解 i f 5 并法的性能列比 编峭算法g 7 2 3 1( ；7 2 9g ，7 2 9 比特牢( k b p s ) 5 3 6388 帧长度( m s ) 3 0i o1 0 处理时延( t n s )3 0i ( )1 0 算法时延( i l l s )7 555 帧宁节数2 0 2 4l ( 11 0 r a m2 2 0 03 0 0 0 2 0 0 0 3 因特网的组网技术 实时语音传输对现有的因特网提出了挑战，主要体现在如f j l 个方面。 带宽 随着冈特网业务及其接入h j 户数的b 速增加，带宽一甑是限制因特网多媒体通信发展的主 要冈素a 尽管儿乎所有的系统都采川爪缩方式来处理语音数据，但仍然无法保证语音实时传输 所必需的带宽( 8 6 4 k h p s ) 。闻此，提升冈特网的卅宽煺从根本上改进冈特网语音传输质量的 华中理x - 大学博士学位论文 有效方法之。 i p v 6 替代i p v 4 目前，闭特网运行的1 p v 4m 议是建立在点刈点通信的基础之上，因此一个应用在分发信 息给许多用户之前，必须在服务器和每个用户之问建立一个独立的网络连接。新兴的技术需要 一个发送者可与一组接收者同时通信，如：实时多媒休培训、新闻广播和电视实况转播等。然 而，随着这些虑用的业务景的增加，经常会在网络上产生瓶颈。i p v 6 的组= l 功能就是针对这 一问题提出的解决方案，它可将消息传递给所有己登l 己r 并欲接收该消息的主机。此功能可同 时传递数据给大景的用户，传递过程j l 占用一些公共或专用 宽而1 i 会浪费粘个网络的带宽。 i p v 6 还包含了一些限制组插消息传递范的特性，这样可使组 | i 消息被局限在一个特定的位 置、区域、公司或其他约定范内，从而减少了带宽f 门使用井可提供安全性。另外，i p v 6 还 提供了带宽预留、分组优先级、巨报( j u m b o g r a m s ) 等功能”。 4 因特网语音传输的接入技术 目前，闲特网语音接入终端主要 有两种：电话和多媒体p c 机，相麻 地存在p c 机联网接入方式和网关接 入方式。p c 机联网接入方式是在用 户联网的p c 机上配置一个声异、诵 筒、扬声器和语音处理软件( 如 路由器 图1 1p c 机联网接入方式 n e t m e e t i n g ) 。就可在冈特恻上进行语音的通信、接收和发送。如图l 一1 所示。i b m 、微软、网 景等公刊都相继推出这种语音处理软 什产品。 网荚接入方式是在用，o 局端没立 所谓因特网网关，用户端j 需使用普 通电话机就可通过冈特网进行语音 的发送、接收和传输。连接方式如图 卜2 所示。 电诵1 回 电圃 蝴n 回阳。l 锻 图卜2 因特网网关接入方式 1 3 因特网媒体网关的定义及性能指标 以上分析了因特网语音传输的两种接入方式。随芾计算机网络技术和通信技术的飞速发 展，其中网关接入方式是当前冈特网语音传输的主要连接方式。冈此，因特网电话网关已成为 当前计算帆和通信领域研究的热点之一。 6 华中理工大学博士学位论文 1 3 1e t s i 的网关模型及媒体网关的定义”3 7 1 冈特网电话网关是连接p s t n 和冈特网的网络阱议转换器，它转换两个网络信令和媒体格 式，实现p s t n 网与冈特网的互通。日前还没有一个全球公认的标准来定义这个网关设备的功 能和接i ：7 1 特性，而且对丁连接p s t n 和冈特网的网天设备的描述也是h 3 2 3 的一个薄弱环节。 这不仅使得语音在经过这些网芙时质最受到限制平损害，而上圭使网络运营商选择平配置这些设 备的r 作变得更复杂。 但是值得庆幸的是随着人们对冈特网电话网芙重要性的认识加深，国际上已有些组织 在着手制定有戈冈特网电话网关的标准神f 协议如：i t u t s g l 6 正在制定的h g c p ( g a t e w a y c o n t r o l p r o t o c o l ，g c p ) 标准、1 e t f 制定的媒体网关控制协议( m e d i a g a t e w a y c o n t r o lp r o t o c o l 。 m g c p ) 协议等。其中e t s i t i p h o n e ( 欧洲电信标准化组织的电信和冈特嘲协议协调工作 组) 止在制定的网关模型m g c p 则从一个比较全而的角度描述了冈特网电话网关功能和系统 构成。该网关模型是基丁网关分解( d e c o m p o s i t i o n ) 或网关功能分离( f u n c t i o ns e p a r a t i o n ) 的概 念，将网关的功能分离为吁叫控制( 高层) 干资源管理介质处理( 低层) 两部分。高层对呼 叫作智能管理，并指示低层操作， 需要时还完成信令转换的功能。 低层主要完成媒体消息的转换和 桥接”7 i 。e t s it i p h o n e 制定的 网关模型如图1 3 所示。 上陛i 中包含以f 没备：连接到 冈特网的h 3 2 3 终端、网荚( 媒体 网关控制器、媒体网关、倍令网 关) 、网闸( g a t e k e e p e r ) 连接 到p s t n 上的终端( 如电话机) 、 附属业务设备( b a c k e n ds e r v i c e ) 因特网电话网关 图1 3e t s it i p h o n e 的网关模型 b 等。其中因特网电i 舌网关按其功能可分为3 部份。 信令网关( s i g n a l i n gg a t e w a y ) 提供1 p 域与p s t n 域之间的信令交换。如支持l p 域 上的h 3 2 3 信令，支持p s t n 域上的随路信令或诈随路信令，如n o 7 。其功能包括：p s t n 信令接口、信令保密、使刚情况记录干报告等。 媒体网关( m e d i a g a t e w a y ) 提供媒体介质流的映象或转换。如将i p 域上的r t p u d p i p 流转换成p s t n 域上的模拟话音、p c m 语音、g s m 语音等。其功能包括：信道地址分解、信 道编码转换、同声消除、冈特网接口、p s t n 接1 4 、服务电路功能( 如d t m f ) 等。 7 华中理工大学博士学位论文 媒体网关控制器( m e d i ag a t e w a yc o n t r o l l e = ) 位r 媒体网关、信令网关和网闸之间。 它提供网关的呼叫控制命令，升从信令网关接收p s t n 的信令，从网闸接收i p 域的信令，以 此控制媒体网关的运行。其功能包括：接收和发送h 2 2 5 h 2 4 5 消息、鉴权、允许或释放呼叫、 l p 信令接口、p s t n 信令接口、资源管理、使肿情况记录录l 于r 告等。 在实现e t s i t i p h o n e 的网关模刑n f j ，可以使川单一设备来完成上述网关模型的所有功 能，当然，也可以分解实现，即一个特定的嘲荚可以选择其中一个或儿个功能单元组成一个物 理设备0 13 7 冈此，该模型同时定义。j - a 、b 、c 、d 、e 、f 锋各种接1 2 1 标准，在各网关单元间 或设备间的接1 2 1 中，连接媒体网关和媒体网关控制器的n 接e 1 对网关的分解实现最为重要。 本论文就是采用功能分解实现方式来研究冈特网媒体网关。 1 3 2 媒体网关发展概况州 媒体网关是因特网语音传输中一个非常关键的设备，随着语音传输业务的发展，特别是 i p 电话在全球的广泛应川，急需人晕的、功能更加强人的媒体网关产品。各国都在投入大量 的人力和物力进行媒体网关的研究和开发，特别是美国，从事该领域的研究和开发单位和组织 非常之多t 某些关键技术的研究已处丁世界前列，如语音乐缩编码技术，同声处理技术等，而 且已经有不同类型媒体网荚产晶上市。目前，在市场上影响比较大的媒体网关产品有3 c o m 公 司的e d g e s e r v i c ev o | p 总控系统、n a t u r a lm i c r o s y s t e m 公司的f u s i o n 、s o u n dd e s i g n 公司 的s o u n d w a r e 、o i a l o g i c 公司的d m 3 、以及n u e r a 公司的a c c e s s + 系列产品等。下面介绍其中 的2 个典型产品。 1 3 c o m 公司的e d g e s e r v i c ev o l p 总控系统” 该系统能在同条线路上同时提供语音和冈特网接入服务。该系统可以控制l3 块h i p e r d s pr ，每个h i p e r d s p 膏上有1 2 个德克萨斯9 ，i l 仪器公司的t m s 3 2 0 c 5 4 8d s p ，每个d s p 都 以1 0 0 m h z 的速度进行计算型数据预处理，由丁各个信道是并行处理的，这种预处理使得总 控系统可以迅速地发送分组数据。当一台全配置的e d g e s e w i c e 总控系统上的所有c p u 都集中 在一起时t 处理速度可以达到每秒3 4 0 亿条指令( 3 4 0 0 0 m 1 p s ) ，i j ；| 此个h i p e rd s p 卡可 以处理2 4 路电话( 在欧洲制式f 3 0 路) 。总控系统的主要优点之就是允许客户在h i p e r d s p 中设定自己所需要的功能。 2 n a t u r a lm i c r o s y s t e m 公司的f u s i o n 5 1 f u s i o n 是业界最高性能的p c 开发平台，可以川米开发标准的媒体网关。f u s i o n 与国际电 联( i t u ) 的h 3 2 3 标准和国际多媒体电信协会( i m t c ) 的v o l p 实时协议都兼容。f u s i o n 使 开发商可以制造出具有8 个或8 个以上的t i e i 端il 的网关，而且不会增加时延或陴低性能。 f u s i o n 使_ i 智能化的软硬什结构，将公共交换i b 话网( p s t n ) 接口、电话协议、语音编 r 华中理工大学博士学位论文 码、局域网接口平数据协议集成往一个聚合、灵活的划装里。利刚一系列高度可操作的应用程 序接u ( a p i ) 利一纲标准的多供麻商集成协议( m v i p ) 通信专川板r ，f u s i o n 使主机的c p u 和内存从主要的处理中摆脱山来。f u s i o n 的t 要特点有： 支持任何h3 2 3 标准开发平台的最高容犀的需要。 - 士机的c p u 和山存无须进行关键的处理，使时延最小化，使可扩展性和执行高层应 j l j 所需资源最人化。 支持i t u 的h3 2 3 和i m t c 的v o l p 协议凡有与其他h 3 2 3 兼容客户端设备和网关 的h ：操作性。 提供g a t e k e e p e r 的地十翻泽、控制接入和带宽管理功能。 支持r 泛的语音编码算法的选择，包括：g7 2 31 、g 7 2 9 a 、g s m 等。 在一块专用 内嵌入了标准的冈特网协议，包括：t c p i p 、u d p 、r t p r t c p 等。 从上述产品介纲可以看山，国外在此领域的研究已取得了很大的进展，技术也日益成熟。 然而，我国在从事该领域的研究是近几年才开始的，研究和开发的单位也不多，市场上还没有 我国自主版权的媒体网关产品。目前国内正在运营i pi b 话业务的三家公司( 中国电信、联通 和吉通) 所使用的网关设备和技术主要还是从国外引进。为了抢1 这一巨大市场，开发我国自 主版权的媒体网关产晶我们和一家人型通信合资公司合作，共同从事因特网电话网关( 包括 媒体网关) 的研究羽开发。 1 3 3