（计算机应用技术专业论文）ip电话服务质量研究及改进.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 本文首先对m 电话即v o i p 技术的定义进行说明，介绍了m 电话的工作原理和相 关的标准及协议；对p 电话迅猛发展的原因进行了全面的分析，其结果是驴电话迅猛 发展的最深层次的动力来自于人们将电信网、数据网和电视网融合成一体，实现“三网 合一”的设想，而绝非仅仪由于其低廉的费率所致。凭借口网络本身固有的开放式的 体系结构和其技术上的先进特性，在不久的将来极有可能用口阐络建立一个全球范围 内的统一的多媒体通信网，来同时传输语音、数据及图像。 第三部分是对球电话的服务质量q o s 的研究，它构成了本文的重点。在这里对礤 电话的服务质曩进行了深入的研究，强调了礤电话的服务质量关系着皿电话钓未来， 是不容忽视的，必须给以足够重视。在多方面评述了现有的一些的q o s 策略之后。本 文提出了一些新的或改进的q o s 方案，并对这些方案的长处及不足进行了细致探讨。 增值业务的开展是对电话应用的丰富和发展，同时也给人们带来了更多的便利。在 本文的第四部分设想了一个基于m 电话的为盲人服务的阿站“语音版”。 v o l p 与a t m 语音和帧中继的比较是在本文的第五部分完成的，同时在这部分还对 口电话的未来作了预测。 为了对第三部分提出的新的或改进q o s 的设想进行验证，在本文的第六部分设计了 一个简单的m 电话程序。它可在因特网上进行运行，以此来验证本文提出的改进q o s 的设想的可行性。 关键诃：口电话，v o l p 技术，语音压缩，服务质量q 瞩。增值业务 婆堕三些查堂堡主堂篁塑兰一一 r e s e a r c ha n di m p r o v eo fq o s o f wp h o n e n l e p a p e r f i r s td e f i n et h ev o i p ( 舻p h o n e ) ，i n t r o d u c e d i pp h o n e p r i n c i p l e a n dr e l a t e da g r e e - m e m a n d s t a n d a r d 。a n a l y z e d t h er e a s o n o f r a p i d d e v e l o p m e n t o f i p p h o n e ，a n d b e l i e v e t h e m a i n p o w e r i sn o t o n l y t h ec h e a p e rc h a l 倒b u ta l s ot h er e s p e c to f t h ef i l s i o f p s t n ，d a t an e t w o r k a n dc a b l et vn e t w o r k i nt h ef “ i l r e g l o b a lm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e d o ni p 、v i nb e p r o b a b l ya c c o m p l i s h e & w i n l t i l es y s t e m , v o i c e , d a t u aa n d i m a g e a l lc a nb et r a n s m i t t e d q o s o f l pp h o n ea r el u c u b r a t e di nt h et h i i dp a r t , i ta r et h ef o c u so f t h ep a p e r 1 1 幛q o so f m p h o n ei sr e l a t e dt oi pp h o n e sf u t u r ea n dn e e dm o r ea t t e n t i o n a f l e rc o m m e n t i n ge x i s t e n tq o s s t r a t e g y , t h e t h i r d p a n o f t h i sp a p e rp r e s e n t e ds o m ei m p r o v e d p l a n s , a n d d i s c u s s e dr e l e v a n t m e r i t sa n dd e f e c t s a c c r u e ds e r “c ee n r i c h e dt e l e p h o n e sa p p l i c a t i o n , a tt h es a m et i m ei to f f e r e dc o n v e n i e n c e n 皓f o u r t h p e n o f t h i s p a p e rp r 嘟n t e d a d e s i g n a b o u t v o i c eh o m e p a g e b a s e d o nl pp h o n e n 屺v o i c eh o m e p a g e c a no f f e r c o n v e n i e n c ef o rt h eb l i n dp e r s o n n 忙f i r h p a n o f t h ep a p e rc o m p 删v o i p t ov o a l l a n dv o f r ，a n d i x c s e n t e d a p c r s p c c - l i v eo f i pp h o n e i nt h el a s tp a r td e s i g n e da s i m p l ep r o g r a m o f l p p h o n e ，w h i c hi sf o re x p e r i m e n t t h ei m p r o v e p l a n s o f t h e t h i r d m r l n l e p r o g r a m c a n b e n m o n t h e i n t e r n e t k e y w o r d ：讲p h o n e , v o w ，c o m p r e s s i n g v o i c ed 囊t 曩，q i d s a c c r u e ds e r v i c 鹫 2 独创性说明 本人郑重声明：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的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：囝壹蜩口期：塑坐兰：竖 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许沦文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：雠蜩 导师签名：绉兰笼日期：塑生：立、卫 沈阳工业大学硕士学位论文 引言 电话的发展历史已有百余年，其成功运作尽人皆知。公共交换电话网p s t n 采用电 路交换、利用时分复用技术为语音选择物理信道。而i n t e r a c t 采用分组交换方式、为数 据业务建立逻辑通路。到今天为止，网络技术的历史也只有几十年而因特网的历史更 短，它的出现只是十几年前的事情。p s t n 和i n t e r n e 这二者有着很大的不同。 但是随着网络技术的发展和因特网应用的日益普及，一项引发传统电话p s t n 和 i n t e r n e 技术革命的新技术出现了，这就是v o l p 技术，即m 电话。m 电话的基本思想是 在适宜数据传输的分组交换网络中进行实时语音数据的传输。 本课题的研究目的是进一步改善皿电话的服务质量，为电话的服务质量最终能 赶上甚至超过传统电话的服务质量奠定基础。腰电话的服务质量q o s 的提高可通过改 善其服务质量参数，如减小坤电话韵时延、抖动及丢包率，提高m 电话的成功呼通比 率等来实现。 m 电话的英文是v o i c eo f i p ( v o w ) ，即m 网络的语音传输。它是一种用口网络 承载语音交互的技术，现存的最大的m 网络就是因特网，它的固有的特性是“尽力而 为”。这种特性就使得要改善i p 电话的服务质量就只能通过软件来实现了。 p 电话是在电话技术、网络技术以及i n t e r n c t 技术基础上发展起来的，这些技术的 结合使得它具有了深厚的理论基础。它们保证了i p 电话的高技术的含量。虽然球电话 的出现才仅仅几年，但相关的标准和协议已经逐步地建立起来，并且在不断的完善。这 些标准和协议保证了碑电话健康有序的发展。 本课题设想通过对i p 电话的服务质量的理论研究、全面分析影响p 电话服务质量 的各个l 习素，最终提出一些能够改善其服务质量的新的设想。并通过设计个简单的妒 电话来对所提出的部分新设想进行验证。 伊电话服务质量的高低至关重要，它直接关系着碑电话的未来。 沈阳工业大学硕士学位论文 l 绪论 从电话被发明到今天，历史的脚步已匆匆走过百余年。现在电话在人们的生活和工 作中起着越来越重要的作用，通过电话这种语音交互方式，人们可以迅速有效地进行交 谈，以此来交流思想、表达感情；它的应用极大地拓展了人们的活动空间，削弱了由于 空间间隔而造成的入与入之间的交流不便。因特网的出现蓟现在也有几十年了，伴随着 它的发展，现代社会的人们可以共享丰富的网络资源和巨大的信息量，人类社会已经跨 入了信息化的时代。 传统电话技术一直在发展：从人工交换到自动交换、模拟传输到数字传输、固定电 话到移动通信、电路交换到信元交换。而因特网技术的发展则呈由口速趋势：从最初的电 子邮件到聊天室、文字信息到图像与影音；1 9 9 3 年，w w w ( w o f l dw i d ew e b ) 技术 的兴起使网络的使用更加便利、内容更加丰富多彩和富有生命力w w w 技术使因特网 产生了一次革命性的发展。【l l ，【2 】 v o i p 技术，也就是一般所说的妒电话，它出现于1 9 9 6 年，这是一种在m 网络上 进行实时语音交互的技术。i n t e m e t 是目前最大的而且分布最广泛的p 网络。因此伴随 着坤电话这项新技术的出现就同时引发了电话技术和i n t e r n e t 技术的又一次革命性的发 展。在电信的角度来说，弹电话的发展甚至超过了前几年移动电话的发展，它是目前电 信业务中发展最迅速的部分之一。这种发展趋势的动力一方面来自予p 电话技术上的 先进性，其结果是坤电话的成本更低效率更高。另一方面是由于弹电话体系结构的开 放性，可以允许更多的企业参与和竞争。而从因特网的角度来说，m 电话的应用极大地 开发了因特网的潜能，它的应用使因特网的应用更加普及、与普通百姓的生活联系更加 密切。就电话的巨大市场规模来说，如果口电话能分流其总量的百分之几其数字也 是巨大的，也是因特网的一个巨大的成就。目前口电话的实现和初步的成功一方面证 明了i n t e r a c t 的实时传输信息的能力，另一方面也说明着在i n t e r n e t 上进行大规模视频传 输的可行性。 就目前m 电话的运行状况看。在不久的将来极有可能实现电信网、因特网和电视 网的“三网融合”的设想。 - 2 沈阳工业大学硕士学位论文 本文的研究对象是v o l p 技术，也就是m 电话，并着重语音服务质量的研究。 在本文的第二部分，主要介绍的是口电话的基本原理，同时列举了口电话的国际 标准。由于传统的电话技术采用的是适合于实时业务的电路交换，而电路交换的最主要 的特点是面向连接。当呼叫开始后，它首先建立一条从发送端到接收端的虚电路，并且 此次通话的语音就一直沿用此路径传输，因此传统电话就具有了时延小、语音流平稳等 优点以及因带宽固定而造成的利用率不高的缺点。m 电话采用了适合于非实时业务的分 组交换，分组交换的特点是没有固定的信道分配，也就没有固定的带宽占用，它是所有 的信息流共享整个链路的带宽。分组交换方式适用于突发性的数据传输，具有灵活、带 宽利用率高等优点，同时由于每个分组都要通过路由器的选路操作来进行路径选择，这 一方面引入了时延，另一方面各个分组的时延极有可能不同。这是碑电话应用上的不 利之处。由此看来虽然电话技术是一门成熟的技术，而p 网络技术也已经发展了很多 年，但由于二者的内部技术细节的诸多不同，它们的结合也并非易事。 p 电话的挑战性在于其目的是将实时性的语音交换通过i n t e r a c t ( 目前最大的疋网 络) 来传输，而 n t e m e t 原本是不适宜实时信息传输的，它更适合于非实时性的数据传 输。因此要实现妒电话的目的，还有很多的难题需要解决。在p 电话中已尽可能多地 采用了当代最为先进的新技术，如d s p 处理器、语音压缩、小分组、时延抖动缓冲 区、静音抑制等等。在这部分比较详细地介绍了p 电话的技术原理，同时对m 电话的 国际标准作了说明。 作为新生事务的i p 电话要想在电话市场中占有一廉之地、甚至超过传统电话并非 易事，这是因为传统电话已有百年的历史，其成功运作尽人皆知；p 电话要达到其目的 就必须拥有能赶上甚至超过传统电话的先进之处。其中，最为基本的一点是电话的 语音服务质量要达到甚至超过传统电话，满足使用者的要求。因为在口电话发展初 期，虽然其语音质量稍差一些，但是由于其费率较低以及人们对新事物的向往，人们还 是接受了它。但是p 电话的服务质量问题如果长期得不到很好的解决，其发展的前途 就不可想象了。m 电话的服务质量如何是口电话能否得以大面积推广的最为重要的一 点。在第三部分较为详细地对碑电话的服务质量问题进行了分析，在对已有的服务质 3 沈阳工业大学硕士学位论文 量作出评述后，还在延迟、丢包、抖动等方面给出了新的设想，以此来实现服务质量的 改善和提高。 增值业务是p 电话优于传统电话的一个重要方面。电话可以用计算机作为其智 能化的终端，并且其承载网又是拥有巨大发展潜力的l n l e m c t ，所以在m 电话上开展增 值业务也就更为方便，人们因此对i p 电话的增值业务寄与了更大的期望值。为盲人服 务的网站“语音版”，是本文提出的一个口电话的新的应用，它构成了本文的第四部 分。 在第五部分，在叙述了口电话的发展现状后，将i p 电话与a t m 语音和帧中继语 音进行了比较，并对坤电话的未来进行了展望。 为了对第三部分的改进服务质量的设想进行验证，本文设计了一个简单的i p 电话 程序。在这个i p 电话程序上进行试验，可以检验本文的改进服务质量的设想的可行 性，这就是本文的第六部分。 4 沈阳工业大学硕十学位论文 2 v o i p 原理与标准 2 1i 概念和发展的原因 在这一节首先介绍的是p 电话的摹本概念，并对本文使用的相关术语作总体说 明，然后着重分析p 电话快速发展的诸多因素，并指出了一些人们容易误解的问题。 2 1 1 概念 v o i p ( v o m e o f i p ) ，因特网上的语音传输，也被称为p 电话、i pp h o n e 等等。 电话的实质是以分组的形式传输语音1 3 3 j 。v o f r ( v m c eo f f r a m er e l m y ) 和v o a l m ( v o i c ) co fa 研v 1 ) 是与本题相关的两个概念，它们的分组语言是面向连接的。本文主要 关注的是v o i p 和口电话，并对二者之间的细微差别不予区分，均视为一种通过p 网 络进行的语音交互【1 】 【剐。其基本过程是： a d 编码封包 语音数字信号压缩信号 压缩 d a 解码拆包 语音一数字信号一压缩信号一 解压 图2 - 1i p 电话原理示意图 网 目前，i p 电话应用的主要领域是长途电话。随着技术的发展，今后本地电话或市话 也会采用此项技术，另外一个十分重要的应用领域是局域网、虚拟专用网。 2 1 2v o i p 迅速发展的原因 目前，i p 电话飞速发展的原因并非仅仅是由于成本和价格的优势，全面地考察可以 归结出以下几条因素呲t 3 1 ，t a l ： 5 分 扒 咆 驴 沈阳工业大学硕士学位论文 a 三网合一的趋势 从发展趋势看，数据| 】b 4 中的数据业务量必将大大超过电话网中的语音业务量，并且 二者有互补的高峰时间，凶而在一个统一的以传输数据业务为主的网络中传输语音、数 据、图像、视频等所有的信息是未来网络发展的总体方向。 b 商业考虑 p 电话设备综合造价低于传统电话，带宽利用率是电路交换的几倍，其结果是i p 电话的运营成本低廉；再者口电话的标准及架构是一种开发式的体系，更便于竞争者 介入：各国政府在政策上都予以扶持( 如1 1 7 电话可以回避网间结算) ，诸多因素促进 了此行业的快速发展。 c 技术的成熟 数字信号处理器( d s p ) 的人规模使用，使语音编码和高速调制解调器的实现成为 可能；因特网带宽的增加使得语音信号的传输质量得到保证。 d i p 的普遍存在 及其相关协议在用户和网络设备中已经大量存在，采用它来作为承载语音的载体 最为经济和方便，并且具有普遍意义。 e 世界经济的全球化 全球化的经济发展使得世界各国的经济依赖性愈来愈强，国家之间的经济联系日益 紧密，其结果是国与国之间的信息交流愈加频繁，由此就产生了对通信网技术的强烈需 求。跨匡i 公司就是一个很好的例证。一个大的跨国公司经常将其生产厂设在一个国家， 而将其销售网络置于另一个国家，更甚至它的设计部门等等又分布在其它国家。那么电 话的使用就成了这些部门问实现必要的频繁联系的手段。事实上，长途话费在每一个跨 l 国公司经营成本中所占的份额都是不菲的。现在的情况是一方面公司要租用昂贵的专线 以承载语音，另一方面是有些公司已经耗资在维持虚拟专用网以连接各部门的计算机。 i p 电话的出现则将这些公司的长途电话费大幅度降低，使其接个公司的运营成本更低。 f p 电话受到全社会的关注 人们关注电话，一方面由于它是高新科技与普通人社会生活相结合的典范，而 另一方面是人们对于视频交互的向往，这也是口电话受到关注的深层次的原因。 6 沈阳工业大学硕士学位论文 由于数据量巨大和实时性要求高，声音和影像都是不易处理的数据格式。语音交互 的实现是视频交互的前导。虽然传统电话发展已有多年，但是可视电话的进程却举步为 艰，其根本原因在于电路交换不易扩展的结构；即使出现了a t m ，发展仍十分缓慢。 但是因特网却不同，因特网的开放式的结构使得它很容易综合各种不同的应用，一旦语 音交互在因特网上成功地实现，那么图像的交互就会很容易实现。例如：现有一种r m 格式的文件( r e a l m e d i a f i l e ) ，利用这种格式可以将一个小时的视频数据压缩于八十余 兆比特，在用r e a l p l a y e r 播放器播放时，可以粗略估算出光驱内数据传输率为： 8 2 4 m 3 6 0 0 秒= 2 3 k s 。 如果对图像的质量要求不是太苛刻。实际上数据传输率还可以更低，这样的数据传 输率与p 电话的编码标准相近，由此可见若m 电话获得成功，则口可视电话也必将得 以普遍应用。事实上，用于可视电话的图像仅局限于人的脸部及表情的记录，类比于p 电话中语音压缩算法对人声音的分析，用同样的思路发展对人脸的图像压缩算法会进一 步使数据传输率减低，图像质量会更好。如今人们说到“计算机”就意味着“数字计算 机”，或许几十年后提到“电话”一词时必然是指“p 可视电话。” 2 2 基本原理 要实现p 电话，在现有条件下一般可有如下三种方式：即p c - - p c ，p c 一电话， 电话一电话。 图2 - 2i p 电话的三种实现方式 7 沈阳工业大学硕士学位论文 2 2 lp 电话网络的组件 在口电话的三种实现方式巾，关守在三种情况之下都是必须的，而涉及到电话的 情况一般都需要有网关的介入。f 面就说明一下这几个组件【4 】【5 1 , 1 6 。 嘲关( g a t e w a y ) ： 网关是用来桥接两个4 i 同网络的器件。它主要负责传输格式的转换和通信协议的转 换、也要负责语音编码转换、呼叫建立与拆除，同时还为电话用户提供交互式语音应答 ( i v r ) ，并配合关守进行计费p l ，【8 1 。在图2 2 中网关特指连接p s t n ( 公共交换电话 网) 和口网络。 网关的主要功能是： a 目标搜索：在i p 电话嘲络环境中，嘲关能够将被叫号码与适合于接通被叫网关 的i p 地址相关联，达到目标搜索的目的。 b 连接管理： c 信息的数字化与压缩：网关最基本的功能是将语音信号由模拟信号或p c m 数字 信号转换为低比特率的数据流。 d i p 分组的封装与传输：低比特率的数据流在网关处被封装入r t p 包并加上时戳 和标号后，在网络允许的范围内以最短时延发送至目的网关。 关守( g a t e k e e p e r ) ： 关守在m 电话网络中主要起着控制、管理的作用，是一个在原来的因特网中并不 存在的组件。根据h 3 2 3 协议的规定，关守是一种可选设备，没有它网关可以照常运作 ( 与关守不同，网关在因特网中本来就有对应物) ，引入它的目的是为了改进一下因特 网中的“尽力传送”、疏于管理的状态。由于电话业务的商业行为，必须有一种计费机 制，因而需要一个关守集中采集原始计费信息、行使相应的职能；再者这种业务需要一 定的话音质量保证，借鉴于传统电话的管理机制，也需要有一个管理中心【9 】。 关守的这种管理控制功能主要是通过对所管辖区域内的网关进行总体控制来实现 的。下面对关守的主要功能作以介绍。 a 呼叫控制功能：一般的原则是所有的呼叫都要经过关守，由关守来控制决定是 否允许完成呼叫。在图2 2 所示的三种方式中，当呼叫发起者为p c 时，呼叫请求首 8 沈阳工业大学硕士学位论文 先到达关守，关守对此呼叫业务的类型和呼叫发起者的权限进行验证，通过验证后方可 实施其他后续的呼n q 行为：当呼叫发起者是电话时，电话呼叫首先要进入本地网关，再 由本地网关将呼u q 请求送至关守，n j _ 关守验证后再迸行呼叫过程的完成工作。 b 地址翻译； c 拨号计划管理 d 数据库管理功能 f 络管理功能。 支持系统： 支持系统是协助网管人员完成i p 电话运营管理的一些服务器系统，主要包括网管 服务器、计费服务器，还包括业务管理、认证、储存各种信息的数据库。网管服务器对 全网的组件进行监控和配置管理，而计费服务器负责费用的计算，并形成清单。 2 2 2i p 电话关键技术 因特网出现已经有几十年了，形成世界范围的声势也有十几年了。然而从1 9 9 6 年 p 电话出现到现在，口电话的发展却仅仅才几年。这主要是由于与电话发展密切相 关的技术直到近几年才逐步成熟，才有可能在因特网上实现语音传输。这其中必不可少 的几种技术如下【1 】1 【1 0 1 ： a 语音编码技术 传统的脉码调制技术( p c m ) 对语音信号进行采样量化编码后，得到的是6 4 k b i t s 带 宽的数字信号，而现在因特网的运行状况难以承受这样的实时语音信号的传输要求，必 须将带宽压缩才可传输。目前，话音和图像压缩技术发展十分迅速，已经研究开发出许 多高效率的压缩编码技术。如先进的以码激励线性预测( c e l p ) 原理为基础的g 7 2 9 、 g 7 2 3 ( g ，7 2 3 1 ) 话音压缩编码技术。以g 7 2 9 为侧，它可以将经过采样的6 4 k b i t s 语 音以几乎不失真的质量压缩至8 k b i t s 。还有几种改进的码激励线形预测技术，如代数码 激励线性预测技术( a c e l p ) 可以将语音信号压缩至5 k b i t s 左右。话音压缩编码技术 是妒电话技术的一个重要组成部分。图像编码方面有毋网络会议系统采用的h ，2 6 1 t u l ( 活动图像编码) 和h 2 6 3 ( 低速率活动图像编码) 。 9 沈阳工业大学硕士学位论文 在分组交换网络中，服务质量是不能得到很好的保证的，因而需要话音和图像的编 码具有一定的灵活性，也就是说编码速率、编码尺度的可变可适应性。在图像编码方 而，h 2 6 3 采取了多种方式使得图像编码的尺度可变( 分层编码、多精度编码) ，即根 据不同的信道质量可以对码流进行调整，以保证所需的业务质量。在话音编码方面，近 年来的研究得出g 7 2 9 中的一种很好的算法。g 7 2 9 原来是8 k b i t s 的语音编码标准，现 在经过进一步的研究和实践将其工作范围扩展至6 4 1 1 8 k b i t s ，话音质量也在此范围 内有一定的变化。但即使是被压缩到6 4 k b i t s ，话音质量也还不错，因而很适合在 电话系统中使用。g 7 2 3 1 采用5 3 6 4 k b i t s 双速率话音编码，其话音质量好，但是处理 时延较大。它是目前己标准化的最低速率的语音编码算法。在目前接入阿速度普遍较低 的情况下，g 7 2 3 1 话音编码也大量运用于h 3 2 3 会议系统中。下表给出了g 7 2 3 1 ， g 7 2 9 和g 7 2 9 a 的部分性能比较。 表2 - 1 几种话音编码方法的性能对比 编码方法g 7 2 3 1g 7 2 9g 7 2 9 a 比特率 5 3 ，6 3 k b s8 k b s8 k b s 帧长度 3 0 m s1 0 m s1 0 m s 处理时延 3 0 m s1 0 m s1 0 m s 观看时延 7 5 m s5 m s5 m s 帧字节数 2 0 2 41 01 0 d s p m 1 62 01 0 5 】p 电话相关的语音技术还有静音检测技术和回声消除技术。有研究结果表明：人们 在打电话时约有5 0 为聆听对方讲话的静默时间，1 0 为讲话时短暂的静默时间。静音 检测技术可以有效剔除这些静默信号，从而使话音信号占有的带宽要求进一步降低到 3 5 k b i t s 左右；回音消除技术通过数字滤波器技术来消除对通话质量影响很大的回声干 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 扰，保证通话质量。回音消除技术在时延相对较大的分组网络环境中尤为重要的。 b d s p 技术的飞速发展 m 电话这种实时语音传输是无法忍受大时延的，而先进高效的语音编码技术，常常 意味着复杂的运算处理，这必然引入较大的编码时延；而语音分组在各个交换机内的处 理，在主机上发送接收，都会带来各种时延。这就对各处理器的运行速度提出了较高的 要求。通用计算机一般不能胜任这种工作，一种专用的数字信号处理器( d s p ) 因而应 运而生。 先进的数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 。d s p ) 执行语音和数据集成所要 求的复杂的计算任务，否则这些计算可能必须由通用c p u 执行。d s p 专门化的处理能 力与低成本的结合使它很好地适合了执行电话系统中的信号处理功能。 c q o s 技术 服务质量的保证是m 电话成功的关键。因特网带宽的增加、优先级、队列以及传 输整形的启用等等都对服务质量的提高大有益处。尤其为减小时延、抖动与丢包雨在毋 电话中特另q 研究的技术，如减小分组的长度、接收端缓存技术、冗余与重建等等，是妒 电话实现过程中不可或缺的要素。 2 2 1 3 p 电话呼叫实现过程 在现有条件下，口电话可以有如下三种实现方式：即p c 到p c 、p c 到电话、电话 一电话。 在p c 到p c 通话方式中，p c 机的呼叫请求首先到达关守，关守随之对呼叫进行类 型及权限验证。如通过验证，关守即在用户数据库中寻找被叫方的i n t e m e t 地址，并将 这个地址返回给主叫方。主叫方随即可以用这个地址与被叫方进行连接，通信过程开始 建立。 在p c 到电话的呼叫方式中，当呼叫到达关守并通过呼叫类型和权限验证后，关守 根据被叫方电话号码选择一个尽量靠近被叫的网关，并将此网关地址返回给主叫方；主 叫方据此与选定的网关建立连接。此网关接到主叫方传来的被叫方电话号码后，即将呼 叫传给被叫电话，通信过程由此建立。 沈阳j ：业大学硕士学位论文 电话到电话的情形是最为典型的，神i 这种情况下主叫电话首先连接到本地网关，本 地网关再将呼叫请求发送到关守，关守进行完相关验证后搜索合适的对端网关。选定好 对端嘲关之后，向本地网关返回对端网关地址，二网关由此建立连接，然后呼叫传至对 端网关，对端网关呼叫被叫电话，到此通信过程建立。 2 _ 3 相关标准 要使m 电话健康有序的发展，需要与之相关的标准作保证。这些标准的制定时机 必须掌握得恰到好处：过早建立会抑铝0 社会的创造力，不易得到最优方案；建立过晚又 图2 3d 电话网络协议 1 2 鲨塑三些奎堂堡主堂堡堡圣 会浪费社会资源，难以实现统一互通。 虽然口电话的发展才刚刚起步，但是与之相关的标准已经随之逐步地建立起来， 这些标准是架构于i s o 分层协议标准之上的，延续了i s o 体系固有的开放式特征。而 伊电话拥有一个开放式的标准也就意味着可以保证有众多的厂商共同协作、公平竞争， 以使它能够健康有序地发展。 前页的圈2 - 3 列出了主要的相关协议1 1 | 同时它也给出了各个协议在网络分层中的 位置。 从图中可以看到，电话网络协议中的大部分都是网络中已经存在的协议，只 有h ，3 2 3 协议和s i p 协议才是直接与口电话相关的协议，下面主要介绍这两个协议： 2 - 3 1h 3 2 3 协议 h 3 2 3 协议最初是i t u 玎( 国际电信联盟) 为基于局域网的视频会议系统而制定的 标准。在1 9 9 8 年第二个版本时将它推广n - t 分组交换网络，现在它已是第三版了【1 2 1 4 1 。 g 7 1 1 g 7 2 2 h 2 6 lt 1 2 0r a s g 7 2 3 h 2 6 3 h 2 4 5 h 2 2 5 g 7 2 8 g 7 2 9 r 刀 霄聊 u d p u d p 或t c p 嘲络层( 口) 数据链路层 物理层 图纠h 3 2 3 协议栈图 1 3 沈阳工业大学硕士学位论文 h3 2 3 标准主要涉及了在无服务质量q o s 保障的分组网络上进行多媒体通信所需的 技术要求。在这个协议r h 并没有限定分组网的具体形式，可以是局域网、广域网、因 特网等包交换网络。正是这个协议为基于口网络的多媒体通信定义了前面曾提及的网 关、关守，还定义了终端、多点控制单元m i c u ) 等。 上面的协议栈图是h 3 2 3 协议具体的实现方式，从中可以清楚地看出各协议之间的 配合情况。 h 3 2 3 协议包括了不同的标准，也引用了其他标准。从图中可以看出音频应用采用 了g 系列编码标准，视频应用采用了h 2 6 1 和h 2 6 3 标准进行编码。t 1 2 0 是用于数据 通信的，而各种控制、信令以及维护操作是由h 2 2 5 、h 2 4 5 以及关守规范来提供的。 在h 3 2 3 协议中h 2 4 5 控制信道、t 1 2 0 数据信道以及呼叫信令信道采用了可靠的 面向连接的t c p 传输控制协议，而时延较小的非连接的u d p 协议被用于视频和音频实 时信息的传输。为了传输实时的音频和视频信息，基于u d p 的不可靠传输利用了实时 传输协议r t p ! ”j 。 r t p 协议处于u d p 的上层，是在u d p 的基础上每个包内又添加了时标和序号部分 ( 即r t p 的报头部分) ，具体应用时在接收端需要设置一定的缓冲区。当接收端收到 一定数目的数据包后，便可以利用r z l _ i g 的时标和序号部分对数据包进行重排序，将分片 复原。一旦发现有丢包现象发生，可以通过一定的策略从缓存中现有的包中将之再生出 来，然后同步语音、图像和数据，以得到最佳的回放效果。 实时控制协议r t c p 被用来对r t p 进行监控。 2 3 2 s i p 协议 会话初始化协议，也被称为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，是由i n t e m e t 工 程任务组( i e i t ) 推出的一种基于文本的协议。s i p 系统是由用户代理、代理服务器、 定位服务器、注册服务器和重定向服务器组成【1 6 叫8 1 。 s i p 协议用文本的形式表示消息的语法、语义和编码。而i - 1 3 2 3 协议用的是a n s 1 抽象语法标记的语言，使得开发困难、不易进行功能扩充。s i p 类似于其他的i n t e m e t 协议，采用分布式的呼叫控制与管理模型，具有分布式组播功能。而1 t u t 的h 3 2 3 基 本上沿用了传统电信的电路交换的思路，在采纳p 协议的开放、分布和可扩展性方面 1 4 沈阳工业人学硕士学位论文 力度不够。与h3 2 3 不同，s i p 仪涉及呼叫的建立和管理，尽量利用现有的因特网的功 能来实现口电话。因而具有简单、灵活的特点。 虽然h 3 2 3 提供了窄带多媒体所需要的所有子协议，但h 3 2 3 的控制协议非常复 杂。此外，h 3 2 3 不支持多点发送( m u l t i c a s e ) 协议，只能采用多点控制单元( m c u ) 构成多点会议，因而同时只能支持有限的多点用户。h 3 2 3 也不易支持呼叫转移，且建 立呼叫的时间比较长。 s i p 可以应用于多媒体会议、远程教学及i n t e m e t 电话等领域。它不像h 3 2 3 那样 提供所有的通信协议，而只是提供会话的建立和控制功能。是一种比较简单的会话初始 化协议。s i p 协议既支持单点发送( u n i c a s t ) 也支持多点发送，会话参加者和媒体种类可 以随时加入一个已存在的会议。s i p 协议可以用来呼叫人或机器设备，如呼叫一个媒体 存储设备记录一个会议、或呼叫一个点播电视服务器向会议播放视频信号。 s i p 是一种应用层协议，可以用u d p 或t c p 协议作为传输协议。与h ，3 2 3 协议不 同的：s i p 协议是一种基于文本的协议，用s i p 规则定位语言表述( s i p u n i f o r m r e s o h u r c el o c a t o r s ) ，这样易于实现和调试，更重要的是灵活性和控制性好。由于s i p 协议 仅用于初始化呼叫，而不是传输媒体数据，因而造成的附加传输代价也不大。s i p 协议 的u r l 甚至可以嵌入到w e b 页或其他超文本链路中，用户只需轻点鼠标就可发出一个 呼叫。与h 3 2 3 相比，s i p 还具有呼叫快、支持传送电话号码的特点。 2 3 ，3 媒体网关控制协议( m g c p ) 媒体网关控制协议( m o c p ) 是由i e i f 建议的标准，它是在i - 1 3 2 3 和s i p 协议之后 推出的，其目的是为了进一步更好地处理p 网络与p s t n ( 尤其与8 s 7 ) 的信令接口。 它实现了在一个更高的层次上对电话网关进行控制【1 9 1 。 m g c p 对网关的功能结构在逻辑上可以划分为如图2 - 5 所示三层；媒体网关控制器 ( m g c ，m e d i a g a t e w a y c o n t r o l l e r ) 、信令网关( s o ，s i g n a l i n g g a t e w a y ) 和媒体网关 ( m g ，m e d i a g a t e w a y ) a 其中，媒体网关控制器用于对媒体网关和呼叫进行控制、并与关守接口；信令网关 用于负责连接s s 7 信令网，在p s t n 信令和分组信令之间提供中介；媒体网关用于提供 p s t n 与口网之间的媒体映射与编码转换功能。 1 5 婆塑三些盔堂堡主堂丝堡塞一一一 s s 7 m t r u n c k媒体网关i p r t c p 图2 - 5 媒体网关控制协议 2 3 4m 电话的互通性及标准化 p 电话发展中还存在着些急需解决的问鼷，其中一个不可忽视的问题就是m 电 话的互通性。口电话的互通性指的是不同厂商生产的m 电话产品所构成的系统间的互 相沟通的能力。包括产品的互通和业务的互通，这也是制约p 电话技术发展的一个障 碍【1 1 1 2 0 2 2 1 。 电话的标准化尚不够完善，也就是l p 电话的标准在某些方面还不够细致，导致 了各个厂商在实现这一部分时各行其是。当需要互相建立连接时，就会产生矛盾，这就 是m 电话互通陛问题的原因所在。例如：目前p 电话所依据的一项最主要标准是r r u i t 的h 3 2 3 协议，它是一系列标准的综合，涉及了比较广泛的内容和为数众多的协议， 在不少方面的规定还不够完善，反映到实现上就是不一致性的出现。当然，由于i p 电 1 6 沈阳工业大学硕士学位论文 话市场的开放性和不成熟，在初期出现多种标准并存和竞争的现象是正常的，这个标准 化进程很可能像局域网的标准一样，经过市场整合期后会形成一种事实上的标准。 目前，影响互通性问题的有关标准还处在不断的发展和完善之中，参与碑电话技 术标准开发和推广的组织超过2 0 家，其中最具影响力的几家如i t u - t 、i e i f 、e t s i ( 欧洲电信标准协会) 组织相互之间已建立了比较良好的协作关系。随着标准化工作的 不断进展，互通性问题最终将得到解决【2 m “。 1 7 鲨型! 些查堂堡主堂垡堡苎 3 q o s 问题研究 过去的几年里，在呼叫的成功呼通比率和时延、抖动、丢包等服务质量方面，处于 发展初期的i p 电话的通话质量是不敌传统电话的通话质量的。但是由于i p 电话的费率 远远低于传统电话，人们在目前这个阶段还可以接受这种服务质量。但是随着传统电信 公司为应对竞争而降低长途资费，m 电话的质量问题必会曰益凸显出来。后起之秀的 p 电话要想在电话市场中赢得一席之地，甚至超过传统电话，它的q o s ( q u a l i t y o f s e r v i c e ，服务质量) 水平必须提升到一个较高的水准，最起码要与传统长话质量相接 近，而其最终的目标应该是达到甚至超过传统长话质量。这是决定p 电话未来命运的 关键因素【l 】 2 3 “2 5 1 。 坤网络固有的尽力而为的特征，使口电话的语音数据包在网络传输时并没有得到 特别的保障。因此在现阶段要改善口电话的q o s 就只能由软件来完成。 本章首先讨论口网络一般性的q o s 问题，接着对口电话的特征进行了分析，在最 后提出一些新的q o s 处理方法，以此来实现q o s 的改善。 3 1q o s 的一般概念 q o s ( q u a l i t y o f s e r v i c e ) 即是指服务质量毋网络的服务质量反映了其能够提供给 表3 - 1 1 1 ) 电话的o o s 参数 q o s 参数值 带宽( 最小值) 6 4 k b i t s 、1 5 m b i t s 、4 5 m b i t s 时延( 最大值)5 0 m s 全程时延、1 5 0 m s 全程时延 抖动( 时延偏差)最大时延的1 0 偏差、5 m s 的偏差 信息丢失( 差错)1 0 0 0 个分组中丢失1 个分组 有效性( 可靠性)9 9 9 9 的网络可靠性 安全性语音流的加密与鉴权 1 8 沈阳工业大学硕士学位论文 用户的网络资源的多寡和对所承诺服务的保障程度。q o s 是针对用户的每一项应用来定 义的，而且每一项应用的准确的q o s 参数只能由用户来说明，因为只有用户能清楚每 一项的应用究竟需要什么样的q o s 值。可用以下几个q o s 参数来界定服务质量【1 1 【2 3 l ： 带宽：带宽是一个链路所能容纳最大信息流量的标志，是这个链路每秒可通过的字 节数的限度。一般以b i t s 、k b i t s 、m b i t s 为单位进行衡量。 应该指出的是带宽是指网上传输任何业务信息时每秒所能传输的字节数，作为一个 q o s 参数，它是某种应用能够正常工作的最基本的要求。 时延：时延是指一个处理过程的完成所延续的时间，一段网络的时延一般是指信息 从进入网络开始到离开此段网络所需要的时间。这个值与此段网络的长度、途经的路由 器的工作速度、网络拥塞情况等等有关。作为o o s 的两个参数，网络的带宽与时延有 着密切的关系的，一般的说如果增加带宽就可以减小时延。 碑网是分组交换网络，它能根据网络应用的活跃程度和突发程度为应用提供了不同 的带宽值。这种带宽的可变性意味着网络的时延也会发生变化，这就引入了另一个参数 抖动。 抖动：抖动意味着信息流的不同部分具有不同的时延，更确切的说是时延的变化。 它代表的是一个与时延参数相关的但又是相对独立的o o s 参数。对时延抖动最敏感的 应用是实时信息传输，如语音及视频。而对非实时应用时延抖动的影响则不大。i n t e m e t 最初的建立是为了非实时数据，所以没有对抖动做出限制：而现在的p 电话却受到抖 动的影响很大，要进行语音的传输就必须解决抖动的问题。 信息丢失( 丢包、差错) ：由于网络上协同工作的器件成千上万，出现偶然的错误 在所难免，所以必须对信息丢失给予妥善的处理。对于非实时信息，可以采用重发的办 法解决，以补偿数据的丢失。而对于语音通信这样的实时信息则不能采用这个办法，必 须采用其他的办法来解决其信息丢失的问题。 有效性( 可靠性) ：这也是网络上协同工作的器件极其众多的原因。一条链路甚至 接个网络发生故障是不可避免的。同时，为了控制这种局面的发生而进行的预防性检修 也会经常性使某条链路不可用，这