基于报文分析的软交换语音质量监控方法的研究

科 研 项 目 成 果 报 告 成果名称 基于报文分析的软交换语音质量监控方法的研究 完成单位 中国移动通信集团上海有限公司运行维护中心 中国移动通信集团上海有限公司摘要摘要随着软交换网络向IP化演进，现网IP承载语音的比重越来越大，IP化维护作为一种全新的维护方式摆在每个维护人员面前，如何维护好IP承载的软交换网络，提高对IP化软交换维护的掌控力是一个值得深入研究的课题。比较TDM与IP承载的方式，我们认为控制层维护可以借鉴传统的维护方法，承载层维护完全异于传统方式，需不断创新与积累经验。本科题是对IP承载层维护方法研究的一种尝试，希望通过研究能够提出监控IP网络的语音质量的方法，建立监测手段，为处理网络故障、用户投诉、维护好软交换打下好的基础。本课题主要研究监控软交换承载层IP语音质量的方法，研究内容分为三个部分：首先是软交换承载层的IP承载原理、方法；其次是IP语音质量监控方法研究，包括RTP数据报文分析法、信令协助分析法、IP Qos辅助分析法,最后综合各种分析方法优点，提出IP承载语音的监控分析方法和流程。关键词：软交换语音、IP QOS、BICC、H.248、IP语音监控53目录目录摘要I第一章 绪论41.1研究背景41.2 研究目的与内容41.3 研究对象与范围51.4 章节结构安排5第二章 软交换语音IP承载原理62.1 IP承载软交换语音的要求（IP QoS）62.1.1 抖动62.1.2 时延72.1.3 丢包率92.2软交换IP宽带信令（BICC、H.248、Nb接口协议）102.2.1 BICC协议102.2.2 H.248协议142.2.3 Nb接口协议162.3 软交换语音IP承载方法(RTP、封装)172.3.1 NGN网络中语音数据的传输流程172.3.2 NGN网络中语音质量测量方法19第三章 基于RTP报文分析的IP语音质量监控方法253.1基于RTP报文分析的主动监控模式253.1.1主动式语音质量监控的结构图253.1.2主动式语音质量监控过程253.1.3主动式语音质量监控结果263.1.4主动式语音质量监控案例273.2基于RTP报文分析的被动监控模式293.2.1.基于RTP报文的被动模式实现的原理303.2.2基于RTP报文的被动模式的实现353.2.3基于RTP报文的被动模式的扩展和设想42第四章 IP QoS辅助分析监控方法444.1 IP承载网QoS部署444.2 多层次的性能监控44第五章 信令协助分析监控方法46第六章 软交换IP语音质量综合监控方法486.1IP语音质量综合监控结构图48第七章 软交换IP语音监控方法在现网的应用497.1 日常维护指导497.2 IP语音质量故障处理流程49第八章 总结与展望50致谢51参考文献52第一章 绪论第一章 绪论1.1 研究背景随着软交换网络向IP化演进，现网IP承载语音的比重越来越大，IP化维护作为一种全新的维护方式摆在每个维护人员面前，如何维护好IP承载的软交换网络，提高对IP化软交换维护的掌控力是一个值得深入研究的课题。比较TDM与IP承载的方式，我们认为控制层维护可以借鉴传统的维护方法，承载层维护完全异于传统方式，需不断创新与积累经验。本科题是对IP承载层维护方法研究的一种尝试，希望通过研究能够提出监控IP网络的语音质量的方法，建立监测手段，为处理网络故障、用户投诉、维护好软交换打下好的基础。1.2 研究目的与内容目标：提出监控软交换IP语音质量的方法。成果：提出IP语音质量的监控方法和流程，用于实际维护中，提高软交换维护的掌控力，提高生产力。创新点：目前没有监控软交换IP语音质量的方法，本课题正好弥补这一空缺，研究内容有助于维护好软交换。先进性：研究监控软交换IP语音质量的方法是全新的课题，目前仍没有成熟的方法，本课题研究软交换IP语音质量的监控方法，具有一定的先进性，很容易转换为生产力，为日后的软交换维护打下坚实的基础。1.3 研究对象与范围研究对象：软交换IP语音质量监控方法；研究范围：本课题主要研究监控软交换承载层IP语音质量的方法，研究内容分为三个部分：首先是软交换承载层的IP承载原理、方法；其次是IP语音质量监控方法研究，包括RTP数据报文分析法、信令协助分析法、IP Qos辅助分析法,最后综合各种分析方法优点，提出IP承载语音的监控分析方法和流程。1.4 章节结构安排本论文分为主要八章。第一章是绪论，阐述研究背景、目的、内容、对象与范围；第二章是原理，研究IP承载软交换语音的要求、软交换宽带信令、软交换语音IP承载方法；第三章五章是软交换IP语音质量监控方法的研究，分别是IP QoS辅助监控方法、信令协助监控方法、IP语音跟踪监控方法。第六章是软交换IP语音监控方法在现网的应用。第七章是总结与展望。构第二章 软交换语音IP承载原理2.1 IP承载软交换语音的要求（IP QoS）随着VoIP领域不断发展，满足网络QoS检测需求的应用也成为引人注目的焦点。IP QoS是指IP的服务质量，也是指IP数据流通过网络时的性能，目的就是向用户提供端到端的服务质量保证，度量指标包括业务可用性、延迟、可变延迟、吞吐量和丢包率等，现就基于RTP和RTCP包进行分析，主要研究其中3个因素，从而达到对实时流媒体数据进行监控的目的。2.1.1 抖动抖动会引起端到端时延的增加，引起语音质量的降低。在音频数据的传输过程中，由于传输延迟的不稳定而造成相邻数据包接收时刻间隔不稳定，从而产生抖动。消除抖动的主要依据就是RTP包的首部中包含的时间戳字段。时间戳标志着该段音频数据中第一个采样点的采样时间。每两个RTP包的抖动可以用其RTP包中的RTP时戳和接收的时刻进行计算。关于包的传送时间，接收者最先了解到的是它的时间戳和接收者当前时间之间的差值。该差值是：Di=Ri-Si，表示从包被盖上戳开始，到它在信源的输出链路上被实际发送为止，其中的传送时间和某个机器时间。RFC 1889建议使用NTP来完成端点的端到端同步，但是也有非同步端点实现存在。包i和包j之间增加的延迟差(二阶效应)计算公式如下：设Rj代表第j个包的接受时刻，Sj代表第j个包的RTP时戳值，则第i个RTP报文与第j个RTP报文间的抖动为D(i，j) 在生成RTCP报文时，其应当传送的时延抖动的值可用以下公式进行递推计算 其中：J为要传送的时延抖动值。对后一项除以16是为了消除连带噪声。抖动是分组交换的必然结果，影响抖动的因素一般和网络的拥塞程度有关。由于语音同数据在同一条物理线上传输，语音数据通常会由于数据报文占用了物理线路而导致阻塞。解决抖动通常采用缓冲队列来解决，每收到一个数据包，先将其放人缓冲区，应用程序在缓冲区另一端取数据，只要缓冲区足够大，抖动一定能被平滑掉。而错序是由于网络拥挤而使某些后发的数据包先到达收端而引起的，只要设置足够大的缓冲区来对数据包重新排序，就能解决这个问题。或者需要IP承载网采用QoS策略，保证语音数据的最高优先级，得到最先发送和获得高带宽也是解决抖动问题的主要手段。2.1.2 时延时延是处理和传输导致数据不能按时到达的延迟，是影响流媒体数据传输的一个主要因素。话音信号在端到端传输过程中受到的时延迟滞通常包括：编解码器引入的时延、打包时延、去抖动时延、承载网上的传输节点中排队、服务处理时延。这些时延累计的总和将影响话质，导致回声干扰和交互性的劣化。对于VoIP系统，规定时延一般控制在150 ms内。分组语音网络中的延迟可分为固定延迟和可变延迟。在计算丢包率时，主要考虑可变延迟。丢包判定等待时限Twait设定的大小在很大程度上影响丢包率计算的准确性，也就是可变延迟的影响，它与语音包的传输延迟Ttrf有关，Twait越大等待时限就越长。但不能超过保证语音流连续播放的时间上限Tmax(Tmax一般取250 ms)，即：Twait=min(Twait，Tmax)。Ttrf可根据RTCP协议的SR控制包中的NTP(Network Time Protoco1)时间戳计算得到，见图2。 图2 网络传输迟延图 使用RTCP包计算网络时延要求在两个端点之间传送发送方报告(RTCP SR)。RTCP包中的报文类型以二进制表示，其中十进制的200代表此包的报文类型为SR(发送报文)。收到200的包类型，表明可以提供足够的信息，计算与这个SSRC有关的发送方的延迟。那么就计算发送方流(SSRC)和源流(SSRC_n)之间的双向延迟。每次在收到RTCP SR包时，必须保存上一个时间戳(Last SR Timestamp，LSR)和DLSR(Delay SinceLast SR)值。SSRC的LSR域是从该SSRC接收到的NTP时间戳的中间32 bit，只要接收到一个NTP时间戳就可以了。如果没有接收到NTP时间戳，那么这个域应该设置为0。信源可能无法获得时钟，或者其他可接受的消逝的时间。因此，在会话持续期间，特定SSRC的这个域可能保持为0。DLSR域是端点从发送者那里接收到一个SR以后过去的时问。这个计数器的每一步代表1/65536 s。一般来说，在NTP时戳，LSR或DLSR等于零时，不应该计算双向延迟。网络传输时延Ttrf即为双向延迟的一半。具体计算方法如下：设目的网关接收源网关发送的控制包SRi，经过一段时延DLSR后，向源网关发送相应的响应SR控制包SRj，并从控制包SRj中的NTP时间戳域中提取中间的32 bit作为控制包SRi的LSR。如果没有收到源网关发出的SR控制包，则L5R和DLSR都置为0。最后，将DLSR和LSR的值填入到控制包SRj的相应域中。设源网关接收到控制包SRj时刻为A，则当前网络传输延时为Ttrf=(A-LSR-DLSR)/2 由于Ttrf是使用32 bit归一化NTP时戳计算的，所以要把延迟转换成毫秒单位，结果中前16 bit将与延迟秒数对应，后16 bit与1/65 536 s的数字对应。因此，上面16 bit必须乘以1 000，把秒转换成毫秒。下面16 bit必须除以65 536，然后再乘以1 000。两个因数之和可以得到最终结果。实时语音传输要求端对端时延不能太大，端到端的时延要求分成4个等级：150ms(最好)、150250ms(较好)、250450ms(一般)和450ms以上(差)。可以通过设定IP优先级、路由选择、RED(随机早期检查)等技术来缩短IP网络时延。优先级是指对每个数据包的级别进行分类，不同级别的数据包在网络进行预留带宽分配、通过顺序、时延抖动、丢包等方面处理时，所受到的待遇不同，这样可以确保语音、图像等对实时性要求比较高的数据包优先传输，以提高传输质量。选择合适的路由绕过那些负载过重的路由器，直接连到主干网进行传输。当网络拥挤发生拥塞时，RED就优先丢弃一些对话音影响较小的数据包，并让终点站降低传输速率，避免路由器或交换设备缓冲区溢出。此外，采用流量控制、队列管理、数据包保护技术也可以提高网络的管理性能，从而缩小网络时延。2.1.3 丢包率丢包率定义为在网络中传输数据包时丢弃数据包的最高比率。数据包丢失一般是由网络拥塞引起的。丢包对VoIP语音质量的影响较大，曾经有人做过实验，采用G.711时，当丢包率大于10%时，已不能接受，而在丢包率为5%时，基本还可以接受，因此，要求IP承载网的丢包率小于5%。丢包率为单位时间内丢失的语音包的数目。检测的具体方法是统计语音流中的连续2个SR(发送端报告控制包)的时间间隔Tint内实际接收语音包的数目Nreal，然后按下面公式来计算丢包率Rlost Rlost=(Nexp-Nreal)/Nexp 其中：Nexp为期望的语音包数目，它等于在Tint内接收到语音包的最小序号Ni和最大序号Nj之差，用下面公式来表示：Nexp=Nj-Ni，实际接收到的语音包Nreal可能包括在Tint之前的迟到包(由于语音数据采用UDP协议传输，不存在重复包)，所以计算所得的丢包率会出现负数。此时丢包率定义为0。丢包率的计算可在每个丢包判定等待时限内计算，也可按照一定的时间间隔来计算一次，而这个时间间隔要根据网络的负载、网络的稳定情况来确定。为了减少网络的负载，不是每次计算的丢包率都要反馈给源网关的，而是事先根据网络用户期望的语音质量来确定两个丢包率状态的阈值R1和R2。对于音频而言，取R1=3%，R2=8%。当RlostR2时，将丢包率信息的标志位，置为“overload”(拥塞)，表示网络处于拥塞状态；当RlostR1时，置为“abnormality”(异常)，表示网络处于失载状态；其余均置为“normality”(正常)，表示网络处于正常状态。将这些信息封装在RTCP的SR，RR控制包中，并反馈给源网关。 根据RTP头中的sequence number域，可以在接收端很轻易地发现包丢失，为丢包修复奠定基础。在实际使用中发现，绝大多数丢包是单个丢包，两个或两个以上包丢失的比例较小。针对单个包的丢失，传统的丢包处理方法有两种：一种方法是重发，但在传输语音数据时，重发将引起播放质量下降，出现无法识别的话音或回音现象;另一种方法是忽略，这同样会影响播放质量。更好的方案是使用拆分法优化丢包损失。拆分法的基本思想是：在发送端把原来要打入一个RTP包的话音数据按照采样间隔分成两块，然后采用相同的压缩算法分别压缩、打入RTP包，并标记相同的时印进行传输。在接收方执行相反的过程，把解压缩后的数据采样、合并、回放。如果某个RTP包在传输过程中丢失，那么丢失的只是原数据包按采样间隔的一半信息，接收端可以用接受到的另一半信息，利用插值等方法恢复出原话音包的大部分信息，从而使话音质量不至于下降太多。拆分法的主要思想如图4所示。 图4 拆分法的主要思想2.2软交换IP宽带信令（BICC、H.248、Nb接口协议） 软交换基于IP的宽带信令主要有BICC、H.248、Nb接口协议。2.2.1 BICC协议2.2.1.1 BICC概述BICC协议由ITU-T SG11研究组完成标准化，由ISUP协议演进而来，是一种在骨干网中实现使用与业务承载无关的呼叫的控制协议。BICC定义了信令传送转换器（STC）、应用传送机制（APM）、承载控制隧道协议（BCTP）和IP承载控制协议（IPBCP）。通过点编码建立信令联系，信令链路通过静态SCTP连接，BICC节点中采用正常呼叫的选路原则选定路由，为呼叫的信令建立通路。信令信息利用信令传送转换器转换之后，采用APM传送BICC特定的控制信息。 BICC协议把支持BICC信令的节点分为服务节点（SN）和呼叫协调节点（CMN），SN具有承载控制功能（BCF），CMN不具有承载控制功能。对于SN，呼叫功能和承载控制功能在物理上既可以分开，也可以不分开。如果分开，那么呼叫功能和承载控制功能实体需要用呼叫承载控制（CBC）信令来发送消息。SN和CMN都使用“半呼叫”模型，每个完整的呼叫分为“入局”和“出局”呼叫，所允许的连接类型有3.1kHz音频、64 kbit/s、264 kbit/s、384 kbit/s、1536 kbit/s、1920 kbit/s、N64 kbit/s?N230等。BICC信令消息包括初始地址消息（IAM）、地址全消息（ACM）、应答消息（ANM）、CIC系列消息。 BICC从真正意义上解决了呼叫控制和承载控制相分离的问题，可以用于任何承载网络，如ATM、IP、STM。2.2.1.2 BICC体系结构模型 BICC体系结构服务节点模型如图2.1所示：图2.1 BICC体系结构服务节点模型在BICC模型中，服务节点（SN）将划分为以下类型：1、ISN：Interface Serving Nodes，接口服务节点，提供与电路交换网络的接口；2、TSN：Transit Serving Node，转接服务节点，提供传输功能，在BICC网络内部使用TSN互联；3、GSN：Gateway Serving Node，网关服务节点，提供BICC网络之间的呼叫控制或承载控制的互通功能；4、CMN：Call Mediation Node，呼叫协调节点，提供呼叫服务功能（不包括承载功能）；5、SWN：Switching Node，交换节点，提供承载交换功能（不包含信令控制功能）。在BICC模型中，服务节点中的呼叫服务（CSF）功能将进一步被划分为以下几类：1、 CSF-G：Call Service Gateway Function，网关功能，异质网络互通，控制协议不同；2、 CSF-N：Call Service Nodal Function，节点功能，异构网络互通，控制协议相同；3、 CSF-T：Call Service Transit Function，传送功能，同质同构网络内部传送；4、 CSF-C：Call Service Coordination Function，协调功能。在BICC模型中，服务节点中的承载控制（BCF）功能将进一步被划分为以下几类：1、 BCF-G：Bearer Control Gateway Function，网关功能，异质网络互通，控制协议不同；2、 BCF-N：Bearer Control Nodal Function，节点功能，异构网络互通，控制协议相同；3、 BCF-T：Bearer Control Transit Function，传送功能，同质同构网络内部传送；4、 BCF-R：Bearer Control Relay Function，接力功能；5、 BCF-J：Bearer Control Joint Function，联合功能。BICC网络的体系结构模型如图2.2所示。图2.2 BICC网络的体系结构在BICC网络体系结构中讲话分为两个层面：呼叫控制层面和承载控制层面。呼叫控制层面通过呼叫服务功能（CSF）呼叫控制协议（CCP）完成会话的建立与管理。承载控制层面通过承载控制功能（BCF）承载控制协议（BCP）完成承载连接的建立与管理。 在这两个层面之间是呼叫承载控制，通过呼叫承载控制协议（CBC）完成协调呼叫控制与承载控制。 3GPP R4网络中的MSCServer + MGW - GSN2.2.1.3 BICC体系架构中用到的各个协议图2.3 3GPP R4网络的BICC模型结构Nc接口使用CCP：Call Control Protocol；Mc接口使用CBC：Call Bearer Control Protocol；Nb接口使用BCP：Bearer Control Protocol。在IP结构下，承载控制协议使用承载控制面来传递，定义了一系列协议：BCP：Bearer Control Protocol，使用IPBCP；Bearer Control Protocol Tunnelling Mechanism，使用BCTP：BICC Bearer Control Tunneling Protocol Q.1990，同时在Nc接口和Mc接口的呼叫控制协议和呼叫承载协议中进行了扩展，使用BICC APM Mechanism Q.765.5和H.248 tunnelling package。IP承载控制信令使用Q1970在用户面传送；IP会话控制同样由IPBCP提供并在承载用户面传送。2.2.2 H.248协议2.2.2.1 H.248协议概述H.248协议是用于连接Server与MGW的网关控制协议，应用于媒体网关与软交换之间及软交换与 H.248终端之间。H.248协议定义的连接模型包括终端(termination)和上下文(context)两个主要概念。终端是 MG中的逻辑实体，能发送和接收一种或多种媒体，在任何时候，一个终端属于且只能属于一个上下文，可以表示时隙、模拟线和RTP(real time protocol)流等。终端类型主要有半永久性终端(TDM信道或模拟线等)和临时性终端(如RTP流，用于承载语音、数据和视频信号或各种混合信号)。用属性、事件、信号、统计表示终端特性，为了解决屏蔽终端多样性问题，在协议中引入了包(package)概念，将终端的各种特性参数组合成包。一个上下文是一些终端间的联系，它描述终端之间的拓扑关系及媒体混合/交换的参数。2.2.2.2 H.248协议控制模型 H.248连接控制模型包括Connection Model连接模型、Termination终结点和Context关联。连接模型描述的是能够被媒体网关控制器（MGC）控制的媒体网关（MG）中的逻辑实体或对象，连接模型的主要逻辑实体是Terminations（终结点）and Context（关联）；Termination是MG中的一种逻辑实体，用于发起（sources）或终结（sinks）媒体流或控制流；Context是一组Termination的集合（association），描述归属于本关联的所有端点之间的关系，这种关系包括Terminations之间的拓扑（topology）和媒体混合参数（media mixing and/or switching parameters）。图2.4 连接控制模型的应用 如图2.4所示为连接控制模型的应用。2.2.2.3 H.248协议操作H.248协议的消息划分为三类：Termination管理、Termination操作和事件通知。a) Termination管理ServiceChange请求，双向命令，代表一个/一组Termination加入/退出服务。 MGC-MG：指定网关或一组Termination加入或退出服务，指示网关的切换（handoff）。 MG-MGC：网关注册/倒换（failover），指示终结点能力改变。AuditValue请求，MGC-MG，获取网关（RootTermination）/Termination当前设置的特性、事件、信号、统计信息。b)Termination操作Add请求，MGC-MG，向一个Context添加一个Termination。Modify请求，MGC-MG，修改一个Termination的特性、事件和信号。Subtract请求，MGC-MG，解除一个Termination与Context之间的联系。Move请求，MGC-MG，Termination在Context之间的移动。c)事件通知Notify请求，MG-MGC，上报MG 中发生的事情。2.2.3 Nb接口协议2.2.3.1 Nb接口协议概述Nb接口位于MGW之间，是MGW之间媒体流的传输接口。Nb接口的协议主要是TS 29.414和TS 29.415，分别定义了Nb接口的控制面和用户面。a) TS 29.414定义- Core network Nb data transport and transport signaling- 定义承载控制平面，承载协商- 有IP与ATM承载两种方式b) TS 29.415定义- Core network Nb interface user plane protocols- 定义承载用户平面，媒体流传输- 基本与Iu用户平面一致- 一般使用ATM承载或IP承载2.3.3.2 Nb接口的承载用户面承载用户面主要完成媒体流的传输。a) TFO与 TrFO的区别TFO通过带内信令建立免编解码器的连接，仍需要编解码器单元继续工作；TrFO通过带外信令建立免编解码器的连接，建立后完全不需要编解码器。b) TFO和TrFO的优势改善语音质量，话音编码器对话音编码是有损压缩，每经过一次编解码会降低语音质量，能减少话音的传输时延；节省网络设备功率，采用TFO/TrFO时，编解码功能被旁路，节省网络设备功率；减少设备投资，节省话音带宽占用、减少昂贵TC资源投入的优势。2.3.3.3 Nb接口的承载控制面承载控制面主要完成媒体连接的建立，控制面传输的是媒体连接控制信令。在ATM结构下，控制面信令是Q.2630.2（ALCAP）。在IP结构下，控制面信令是IPBCP。同时，在不同的结构下，信令传递的方式也是不一样的。在ATM结构下，Q.2630.2（ALCAP）将直接承载在Nb接口的宽带SS7上（AAL5）。在IP结构下，控制信令将使用隧道方式传输。如图 2.5所示。图2.5 Nb接口控制信令的隧道传送方式2.3 软交换语音IP承载方法(RTP、封装)2.3.1 NGN网络中语音数据的传输流程 VoIP（Voice over IP）业务是NGN网络中最普遍的应用，它是以IP分组交换网络为传输平台，对模拟的语音信号进行压缩、打包等一系列的特殊处理。在NGN网络中VoIP业务是以RTP数据流的方式进行传输的，因此NGN网络的语音服务质量测试主要是针对RTP业务流进行端到端的QoS性能测试的。RTP由两个紧密链接部分组成。 （1）实时传输协议（RTP，Real-time Transport Protocol）。RTP传送具有实时属性的数据，本身不提供任何保证实时传送数据和服务质量的能力，而是通过提供净荷类型指示、序列号、时间戳、同步源标识符等信息，在接收端根据这些信息来重新恢复正确的数据。RTP本身只保证实时数据的传输，并不能为按顺序传送数据包提供可靠的传送机制，也不提供流量控制或拥塞控制，它依靠RTCP提供这些服务。 （2）实施传输控制协议（RTCP，Real-time Control Protocol）。RTCP协议是RTP协议的控制部分，用于实时监控数据传输质量，为系统提供拥塞控制和流控制，同时可以在会议业务中传送与会者的信息。在RTP会话期间，各参与者周期性地传送RTCP包，包中含有已发送的数据包的数量、丢失的数据包的数量等统计资料，因此，服务器可以利用这些信息动态地改变传输速率，甚至改变有效载荷类型。 RTCP报文的类型主要有以下几种：(1)SR：发送报告，当前活动发送者发送、接收统计;(2)RR：接收报告，非活动发送者接收统计;(3)SDES：源描述项，包括CNAME;(4)BYB：表示结束;(5)APP：应用特定函数。其中最主要的RTCP报文是SR和RR。通常SR报文占总RTCP包数量的25%，RR报文占75%。RTP包头格式如图1所示。 图1RTP包头格式 上面每个域的意义及作用如下： 版本号（V）：2bit，这个域代表RTP的版本号，目前RTP采用的版本号是2。 间隙（P）：1bit，该位置1，则数据包包含一个或多个附加间隙位组，其中这部分不属于有效载荷。 扩展位（X）：1bit，该位置1，则在固定头后面根据指定格式设置一个扩展头。 CSRC计数器（CC）：4bit，这个域表示固定头后面的CSRC（Contributing Source）的数目。 标记位（M）：1bit，标记由Profile文件定义。允许重要事件如帧边界在数据包流中进行标记。 净荷类型（PT）：7bit，该域标识了RTP净荷的格式，它决定了应用程序如何对净荷解码。 序列号（Sequence Number）：16bit，发送方在每发送完一个RTP包后就将该域的值加一，接收方可以由该域检测包的丢失并恢复数据包序列。 时间戳（Timestamp）：32bit，该域记录了该包中数据的第一个字节的采样时刻。时间戳在媒体同步和抖动计算中是不可缺少的。 同步源（SSRC）：32bit，该标识符随机选择，旨在确保在同一个RTP会话中不存在两个同步源具有相同的SSRC标识符。 贡献源标志符（CSRC）：015项，每项32bit，用于识别该RTP数据包中的有效载荷的贡献源。典型RTP包的传输流程如图2所示。 图2RTP包传输流程 RTP是利用混合器和翻译器完成实时数据的传输的。 （1）混合器（Mixers）。接收来自一个或多个发送方的RTP包，并把它们组合成一个新的RTP包继续转发。这种组合数据块将有一个新的SSRC标识，具有新标识的特别发送方被作为特别信源加入到RTP数据块中。因为来自不同特别发送方的数据块可能非同步到达，所以混合器就对这些输入源进行时间判断，然后形成混合流自己的时间。 （2）翻译器。翻译器只改变数据块内容，而并不把媒体流组合在一起。翻译器只是对单个媒体流进行操作，可能进行编码转换或者协议翻译。典型的例子是多媒体会议中不同端系统之间的视频编解码转换器，以及在多媒体应用跨越内部网防火墙时的过滤器。翻译器是形成RTP包完整同步源定义符的中间系统。 一个RTP会话包括传给指定目的地的所有通信量，发送方可能包括多个。从同一个同步源发出的RTP分组序列称为流，一个RTP会话可能包含多个RTP流。一个RTP分组在服务器端发送出去的时候总是要指定属于哪个会话和流，在接收时也需要进行两级分用，即会话分用和流分用。只有当RTP使用同步源标识和分组类型把同一个流中的分组组合起来，才能够使用序列号和时间戳对分组进行排序和正确回放。2.3.2 NGN网络中语音质量测量方法 根据中国移动通信集团公司出台的软交换测试仪表测试规范中要求语音质量测量的方法主要包括如下。 2.3.2.1 主动式语音质量测试 主要是通过测试仪表模拟两个NGN网络的终端用户，首先通过同NGN网络的信令交互建立起这两个用户之间的呼叫连接，然后在该连接上模拟发送和接收测试语音流，通过对收发语音信号的比较，来测试出端到端的语音质量，并且能提供PESQ值和时延值，图3为主动式语音质量测试的结构图。 图3主动式语音质量测试结构2.3.2.2被动式语音质量测试 通过仪表对NGN网络中实际运行的RTCP/RTP业务流进行捕获、解码和统计分析，来计算VoIP业务流的关键指标：时延、抖动、丢包率、R系数和MOS值等统计参数，图4为被动式语音质量测试的结构图。 图4被动式语音质量测试结构被动式语音质量测试的主要参数包括。 （1）时延（Delay），当一个数据包发送时，发送端在RTP报文头上增加一个时间戳；当在另一端被接收时，接收端同样记下接收包的时间戳；计算这两个时间戳之差可以得到这个数据包在网络中的通路时间，即时延。 （2）抖动（Jitter），语音信号在发送端经过压缩打包后在网络中传输时，由于数据包传送的路径可能不同，因此不同的数据包到达接收端的时间也可能不同，计算连续语音包端到端时延的差值，即抖动值。 （3）丢包（Packet Loss），是影响语音质量的又一个关键因素。数据包发送端和接收端之间的数据包数目的差值即为网络传输丢失包数目。当少量的丢包且是随机地分布时，人耳并不容易感觉到较差的语音质量，当丢包数量变大时，语音质量也就相应的变差。 （4）R系数，ITU-T的G.107标准提出了E-Model的模型，这种模型考虑了时延、抖动、丢包、回音、编码器性能等网络损伤因素对有噪语音质量的影响。根据RTP包提供的信息，在计算出时延、抖动、丢包等参数后，根据E模型提供的算法就可以求出相应的R值。R值的范围是0100，0是最差的，100是最好的。 （5）MOS值，MOS模型是主观评价方法，根据E模型MOS值是通过R值计算得到的。MOS值是15之间的数，1是最差的，5是最好的。R和MOS值的关系式如下所示： 图5给出了用户满意等级与R系数和MOS值的范围对应关系。 图5用户满意度等级与R值和MOS值的范围对应表对实时的语音和视频业务来说，业务数据端到端的时延最为关键，从仿真结果图6和图7可以看出时延对R系数和MOS值的影响：随着时延的增加，R系数和MOS值都降低，即语音质量变差。当时延大于150ms时，语音质量下降的比较厉害。 图6时延对R值的影响 图7时延对MOS值的影响 从仿真结果中同时可以看出R系数和MOS值的最大值分别是94和4.4左右，并且R系数和MOS值的对应关系和图5所列出的内容基本是一致的。 第三章 基于RTP报文分析的IP语音质量监控方法第三章 基于RTP报文分析的IP语音质量监控方法3.1 基于RTP报文分析的主动监控模式3.1.1 主动式语音质量监控的结构图主动式语音质量监控方式主要有两种:端到端监控：在这种方式中，监控设备挂在两个被测端局的CE上。譬如监控上海浦东到钦州的IP承载网质量时，可将监控设备一台挂在浦东，一台挂在钦州，这种方式的优点是，IP承载网侧可以预留端口，不需要添加数据配置，缺点是仪表必须挂在两端，在上海本地基本上没有问题，但是，如果是省际故障，这种方式比较麻烦。 本地监控：在这种方式中，监控设备只需要挂在本地端局的CE上就可以对IP承载网的质量进行监控。譬如同样监控上海浦东到钦州的IP承载网质量时，可将监控设备就挂在钦州的CE上，这种方式的优点是，只需要将监控设备挂在本地就可以测试，非常方便，缺点是，IP承载网上需要增加数据，在浦东的路由器上需要添加到钦州监控设备的路由。 这两种方式各有优缺点，如果将第一种端到端的方式修改成Server/Client方式就可以避免这个问题，在部署过程中，需要部署一台Server，如果需要监控浦东到钦州的IP承载网质量，就在浦东和钦州分别下载一个客户端软件，由Server控制发起监控浦东到钦州语音质量的指令，如果需要监控钦州到横浜的IP承载网质量，就在钦州和横浜分别下载一个客户端软件，由Server控制发起监控钦州和横浜语音质量的指令。 3.1.2 主动式语音质量监控过程主动式语音质量监控过程主要由两部分组成： 首先用仪表或者软件模拟现实世界中的主、被叫用户，由主叫端建立呼叫并发出话音样本，在经过被测的IP承载网后，由被叫端接收话音。由于话音有多种不同的编码方式，如G.711、G.726、G.729、AMR2等，所以需要测试设备根据主叫端发出话音的不同编码格式进行相应的解码。其次需要模拟必要的信令来控制这些呼叫。3.1.3 主动式语音质量监控结果 主动式语音质量监控结果主要分为三个部分： 第一部分主要是能够实时地统计出和当前IP承载网络质量有关的几个重要指标：延迟、抖动和丢包。任何的网络损伤都会导致RTP 包的丢包、错序、重复包等错误，通过详细的语音质量监控和实时统计结果，可以客观的反应出当前承载网的损伤情况，对IP承载网络状况进行整体把握。将监控结果和软交换对IP承载网的技术要求进行比较，如果符合要求则可以判断IP承载网络没有问题，反之，则需要IP承载网工程师对承载网进行检查和处理。 第二部分主要是将主叫端发出话音的原始样本与被叫端进行解码后的样本进行波形比对。根据ITU-T提出的PESQ(感知评估通话质量测量Perceived Evaluation Speech Quality)测试标准获得PESQ分值，最后将PESQ分值映射成MOS分值。通过对语音质量分数与质量评定情况，可以大致掌握媒体承载网的状况。监控损伤条件PESQ MinPESQ MaxPESQ Average无损伤 4.064.064.06100ms 延迟+20ms 抖动2.474.063.33200ms 延迟+80ms 抖动0.681.571.141%丢包2.994.063.95%丢包1.834.062.82100ms 延迟+20ms 抖动，1%丢包2.214.063.38 第三部分是针对所仿真的每个用户所发出或接收的语音的监听，通过监控设备可以直观的看到从主叫端发出语音的波形图，和被叫端收到的波形图，可以清楚的看出两种是存在区别的。这个变化说明了经过媒体承载网后被叫所听到的语音质量是有所下降的。我们甚至可以通过回放用耳朵直接感受语音质量的下降，体会客户的主观感受。 无网络损伤条件下的波形图a 波形没有失真 100ms 延迟+20ms 抖动条件下的波形图b波形有所失真 200ms 延迟+80ms 抖动条件下的波形图c波形严重失真3.1.4 主动式语音质量监控案例 案例一：在某省的VOIP性能监控中，发现C市几乎所有的链路的MOS值都比正常值小，问题明显是上行链路问题！A市B市C市D市E市 A市 4.44.44.064.44.4B市4.44.43.394.44.4C市4.44.44.024.44.4D市4.44.44.024.44.4E市4.44.44.034.44.4 某省VOIP性能监控图上图是MOS值和链路时延的对比图，可以看到MOS值的降低时延之间没有明显的对应关系。 上图是MOS值和链路丢包的对比图，可以看到MOS值的降低和丢包之间有非常明显的对应关系。经过测试，认为C市的上行链路各个方向存在丢包的现象。这个丢包现象是轻微的，就其性能而言，足以提供比较好的语音质量（4.0以上），但是低于其他省内链路，这个性能大体上相当于跨省链路的语音质量性能。问题定位：由于丢包存在多个方向上，通过跟踪路由，最后定位是C市AR和CE之间的链路存在问题。案例二：A市和D市之间的链路在早晨4点10分左右出现了短时间的大量丢包？ MOS延迟丢包抖动msecpercentmsecAD4.46.6500.9CA4.46.5400.91AD1.37.072.60.39DA17.464.40.88 将当天4点10分时间段内VOIP性能测试中A到D的记录，和A到C的记录进行了一个对比。A市和D市之间的VOIP性能下降只是发生在某个时间段，没有重复出现，因此，整个方向的MOS值仍然保持正常，对比前面的C市上行链路问题，C市方向的MOS值下降是连续性的，因此造成整体语音质量下降。VOIP性能测试说明，对于网络性能，连续的，覆盖比较密集的抽样测试是非常必要的。对这种突发性事件造成语音性能下降的问题进行研究，能够为中秋和春节这种节日的突发性大话务量造成的语音质量影响提供有力地监控和保障。 第二部分和第三部分是对第一部分的补充，如果是在投诉集中的时间段内，监控评测的IP承载网的指标和语音质量也较低，这时应该考虑是否是承载网存在问题，如果两者有较大的出入，那可能是由其它的问题造成语音质量问题。3.2 基于RTP报文分析的被动监控模式从上面的一些监测方法当中我们可以看到，基于主动式的软交换语音质量监控方法，是通过在IP承载网的入口，即通过在软交换设备信令和业务数据进入IP承载网传输的入口侧的CE设备上外接监控设备来实现。虽然可以通过监控设备实现对呼叫信令的模拟从而主动发起RTP报文来测试IP承载网是否达到了所要求的语音质量，但是该方法所针对的监控范围主要还是集中在针对网络上游之承载层即由各级路由器组成的承载网自身对语音质量受否有影响，达到其要求的指标值。由于不涉及到软交换设备本身以及由设备至CE设备的通路，因此主动方式对于网络下游之设备接入层的对于语音质量的影响是无法监控的。而在实际的生产过程中，网络作为一个整体，各个环节都是紧密相关，各部分设备都必须确保得到有手段对其实施定期监控，实时排障。鉴于这样的特点，我们提出了基于RTP报文分析的软交换语音质量监控的被动模式，这种监控方式主要研究网络下游之设备接入层对语音质量的影响，被动模式对于现场排障，实时故障处理具有更好的指导意义。如下图所示，为被动模式和主动模式在网络中所起的作用以及其所监控的范围，以及可能对其产生影响的故障范围。3.2.1被动式语音质量监控的结构图软交换的基本含义就是将呼叫控制功能从媒体网关（传输层）中分离出来，通过软件实现基本呼叫控制功能，包括呼叫选路、管理控制、连接控制（建立/拆除会话）和信令互通，实现呼叫传输与呼叫控制的分离，为控制、交换和软件可编程功能建立分离的平面。软交换主要提供连接控制、翻译和选路、网关管理、呼叫控制、带宽管理、信令、安全性和呼叫详细记录等功能。与此同时，软交换还将网络资源、网络能力封装起来，通过标准开放的业务接口和业务应用层相连，从而可方便地在网络上快速提供新业务。我们可以看到，软交换最大的特点就是实现了信令和承载的分离，然后对于两个呼叫局之间的信令是通过IP承载网传递的，而个呼叫局之间的承载也是通过IP承载网传递的。因为是基于IP承载的，因此其各接口的定义以及协议都是和传统的TDM中继网络不同的。软交换位于整个网络的控制层，