(最终稿) IP电话通话质量问题的研究与解决方案

IP电话通话质量问题的研究与解决方案（王瑶 200910010012 09信科1班）摘要：近年来，VoIp(Voice over Ip)技术及其业务的迅速发展，对传统的电信业务造成了巨大的冲击。用IP网络代替昂贵的传统传输网络，从而大大的降低了通信成本，节省了通话费用。因此在IP网络上开展语音业务已成为大势所趋，具有不可限量的发展前途。但是作为一项新的系统工程，IP电话技术还有广阔的研究空间。因此，提高IP电话的通话质量是当前急需解决的问题。本文介绍了IP电话的发展及IP电话的基本理论，并就时延、抖动、丢包三方面对IP电话的语音质量问题进行分析以及提高的途径。最后提出了一种分级预留带宽接纳策略，以提高网络资源的利用率及接纳的公平性，并在其语音质量提出改进。关键词：IP电话；语音通话质量；时延；抖动；丢包引言随着Internet的不断发展壮大，我国通信业的实力进一步加强，网络技术层次也进一步提高，电信网络逐步向综合化、智能化、个人化发展，人们已不再满足于传输语音信息，因特网已可以提供各种高速数据、多媒体通信、图像通信、视频点播等业务。在市场需求和技术进步的推动下，新兴的IP电话技术应运而生。IP电话泛指在以IP为网络层协议的计算机网络中进行语音通信的系统，它采用的技术统称为VoIP(Voice over IP)，即IP网络上传送话音。IP电话是通过IP网络来实现话音业务传输的一种技术，自 1995 年以来得到了迅猛地发展，目前已成为数据语音通信中最有竞争力的技术之一。它是建立在IP技术基础上的分组化、数字化传输技术，其基本原理是通过语音压缩算法对语音进行压缩编码处理，然后把这些语音数据按照IP等相关协议打包，然后经IP网络把数据包传送到目的地，再经过一系列相反的操作还原出原始的语音数据，从而达到由IP网络传送语音的目的。IP电话的优势是提高了实时话音通信的带宽使用效率，在许多情况下甚至提高到了十倍。它能够建立新的服务，包括网络呼叫中心、 远程通信等。它还可以同现有的 PSTN 专线和拨号线路、 企业局域网 (LAN)以及 Internet 等连接使用。随着IP电话的不断发展，其所占有的市场越来越大。但是IP电话的语音质量仍然是一个重要的问题。正文IP电话的语音通话质量一直是人们非常关注的问题。由于在IP网络中采用的是尽力而为的传输机制，并不能保证数据的可靠传输，处于发展初期的口电话的通话质量是比不过传统电话的通话质量的。但是由于IP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，IP电话的质量问题必会日益凸显出来。后起之秀的IP电话要想在电话市场中赢得一席之地，甚至超过传统电话，它的通话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。因此，如何提高IP语音通信的质量就成为当前IP电话领域的一个研究热点和难点。1IP电话网关IP电话系统最重要的部分就是 IP电话网关(Gateway) ，它将普通电话机与 Internet 连接起来 ，起到了桥梁的作用。用户通过普通双音频电话机拨叫本地 IP电话网关 ，然后根据语音提示再拨叫被叫电话的号码 ，网关将通过被叫号码找到另一端网关的 IP地址。电话接通后 ， IP电话网关A即可将普通电话机送来的语音信号经编码、 压缩后 ，根据对方网关的 IP地址 ，通过 Internet 实时地传送到另一端的网关B 上 ，网关B 将网关A送出的数据再经解码、 解压后 ，通过电话线将声音送到电话机上 ，完成了一次 IP电话的呼叫。IP电话的基本工作原理是：在发送端，将输入的模拟语音信号经过采样、量化、编码转换成数字形式的脉冲编码调制 (PCM)信号，再经过数据压缩后进行分组、打包，然后在分组网上进行传输。在接收端，将到达的语音数据包进行拆包、重组，再经过解压、解码等步骤恢复成话音信号，送至受话者，如图1所示。语音数字信号压缩信号IP包语音数字信号压缩信号IP包IP网络AD编码压缩封包拆包解码解压DA图12IP电话的通话质量（1）影响话音质量的因素分析IP网络采用的机制是尽力方式传送IP数据包，数据分组在分组网络中传输时会由于网络的传输差错、语音处理、网络拥塞等原因造成分组丢失、传输时延和时延抖动，使得用户听到的话音会出现不连贯甚至中断的现象，无法为对服务质量要求很高的业务提供质量保证。下面就时延、抖动、丢包这三个因素对通话质量的影响进行讨论。时延：时延是指说话人开始说话到受话人听到所说内容的时间，时延对话音通信的影响主要在于引入回声和交互性的丧失。ITUU建议G114和G131描述了时延参数对普通电话呼叫的影响”：正常情况下端到端时延大于25ms时，或者虽然试验小于25ms，但回声水平非常大时，要加入回声抑制。当回声得到充分抑制时，150ms以下的时延，对于大多数应用来说是可以接受的；150ms到400ms之间的时延，在用户预知时延情况的前提下，是可以接受的：大于400ms的时延，即使完全没有回音，已有l0的人感觉到通话困难，它的语音质量基本上是不可接受的。时延对通话质量的影响在局域网测试时，时延比较小，通话质量比较高；在广域网测试时，时延比较大，通话质量稍低一些，如表1所示。表1时延对通话质量的影响平均时延（ms）MOS均值广域网230346局域网60368抖动：分组传输中的抖动也会严重影响实时语音业务的质量。话音分组以近似等间隔从源端发出，但在网络传输过程中的排队和服务处理时会存在差异，使其不再是等时间间隔到达目标端点，即有时延抖动。而话音解码器通常需要接近恒速率的输入码流，时延抖动的存在会影响其正常工作。有效改善分组传输抖动的方法是增加接收端的缓存，利用缓存来消除到达的数据分组之间时间间隔的差异；或者在终端进行去抖动操作。通常的方法为加入去抖动缓冲器，对分组进行延时缓冲平滑。这样做虽然可以减少时延抖动，但会增加接收端的处理时延。丢包：遵循尽力规则的IP层并不能保证将数据报正确递送到目的端，实时语音传输一般用不保证可靠传输的UDP协议来传送语音数据分组以提高传输的实时性。语音数据分组出现丢失情况时，如果是偶然一个数据丢失，上层应用可以根据定的机制恢复该数据分组，以保证语音质量。当出现连续分组丢失情况时，就会影响话音质量。一般来说在语音传输中分组丢失率35是允许的。由于IP电话是在因特网基础上发展起来的一种语音传输方案，因此它是一种面向无连接的应用，其数据传输遵循一种“尽力而为” (best effort)的原则。IP语音包从远端发出后，其所经路径并不确定，时延无法保证，丢包也不可预料。网络时延和时延抖动随着网络状况的好坏而变化，具有不可预测性和不确定性。同时，任何一个传输系统必将受到带宽的限制，网络传输也不例外，如果网络丢包数量达到某一极限，也将引起语音质量的下降。对于IP电话而言，保证其QoS即是保证语音传输的最低延迟及减少丢包率。IP电话与传统电话一样，系统延迟门限为400ms，只有将端到端的延迟降低到400ms以下，丢包率降低到5以下，此时才能保证IP电话具有与传统电话相当的语音质量。（2）解决这些问题的办法及相关技术如下所述：网关处理时延抖动消除延迟 相邻语音包到达接收端的间隔的变化称为时延抖动。抖动的产生来源于不同的语音包在网络传输过程中延迟长短不同， 即使在低延迟的网络中， 网络时延抖动也可能非常显著。如果一个语音包被过度延迟， 不能及时到达接收端， 它将被认为丢失。如果这种情况经常发生， 将严重影响话音的质量。有效改善包传输抖动的方法是在接收端 （如网关） 设立缓存区， 在第一个语音包被处理之前先缓存一段时间， 这样做的实际效果是增加了接收端的处理时延。因此， 合理选择缓冲区的大小对于IP电话系统非常关键， 一个优化的缓冲区将有助于消除抖动并将延迟限制在可忍受的范围内， 理想的抖动缓冲区应该能随着网络状态自动调整大小。我国的IP电话体制要求时延抖动必须在80ms以内。网络传输时延IP网络传输时延是IP电话技术中最不可预测的变量， 主要来自语音包所经过的各路由器的处理时延和包排队时间， 其时延最长可超过500ms， 因而对话音影响很大。在IP网中， 网络拥塞是造成传输延迟的最主要原因。语音数据包在IP网络上传输时， 每通过一个路由器一般都引入10ms左右的延迟， 总的时延与经过的路由器个数和路由器的忙闲程度有关 （在Internet中， 经过的路由器可以为230个甚至更多） ， 因而是可变的。这与IP电话的承载网络设计也有很大关系。要解决这些问题， 采用宽带核心交换构建骨干， 增加网络带宽， 减少IP电话呼叫通过的路由器的个数， 保证传输的绝对延迟， 是解决IP电话话音质量问题的最简单方法。静音检测技术静音检测又称为话音活动性检测(VAD Voice Activity Detection)，它是一种静音压缩技术。静音检测的目的是从声音信号流里识别和消除长时间的静音期，使得在不降低业务质量的情况下，能达到节省话路资源的作用，它是IP电话应用的重要组成部分。静音检测不仅可以节省宝贵的带宽资源，还可以有利于减少用户感觉到的端到端的时延，提高通话质量。噪声消除技术噪声消除的典型方法有谱减法、wiener滤波器法、多带通滤波器法、自适应滤波器法等。通过这些方法使噪声得到了减弱。但是绝大多数方法都会使语音可懂度受到了损伤。另外在消除噪声前必须了解一定的信号信息，如信号特征(语言或音乐)和噪声的波形和能量，这是单输入噪声消除方法的一个限制。回声消除技术声学回声消除器(Acoustic Echo canceller，AEC)利用扬声器信号与由其产生的多路径回声的相关性，建立回声路径的语音模型，对声学回声进行估计，然后将回声估计值从近端语音采样信号中减去，从而达到消除回声的目的。根据存储器大小的不同，AEC可用来消除各种延迟的回声。对自适应算法的要求是：收敛速度快、计算复杂度低、稳定性好和失调误差小。虽然许多自适应算法理论上用于实现回声消除都是可行的，但在大多数情况下，简单、稳健的算法比复杂的算法更可取，如LMS自适应算法，计算量低，稳定性和算术特性好，得到了广泛应用。基于一些特定的要求，变形出一些改进的LMS算法。RTCP反馈技术IP电话与传统电话相比语音质量较差，其中一个原因是因持网的带宽变化较大，当网络发生拥塞时，直接的结果就是导致丢包率较大，最终语音失真。而目前在IP电话系统中，采用的语音编码标准有很多，如G711，G722，G729，G729A和G7231等等。由于各种标准的编码速率不同，所需的带宽就不同，语音质量也就不一样。一般来说，高速率语音编码的语音质量要比低速率语音编码的语音质量效果要好。3.改进方案目前来讲，IP电话通信质量的解决方案已有一部分，而且各种新的方案还正在研究提出之中。一种方案是保证一个给定的会话能够得到资源并且为这个会话预留资源以使其能够优先建立会话，即资源预留方案。在这种情况下，在被呼叫方响应之前，一个呼叫所需的带宽是预置好了的。另一个方案是将业务分类为不同的等级或优先级，语音业务具有高优先级，非实时业务具有低优先级，这种称为区分服务。从某些方面来说，这种方法很容易实现。但是在一个支持话音和数据应用的网络上存在话音业务并不意味着数据业务没有获得合理的资源份额，因此，存在实现合理资源分配技术的需求。最后，解决通话质量问题最容易的方法是提供更多的带宽。毕竟，带宽不够经常是延迟或者丢失的原因。但是，带宽花费资金，所以必须有效的利用带宽。(1) 更多的带宽在网络的核心部分，我们现在用的是密集波分复用(DWDM)，这种技术目前可以支持每秒几十吉比特的速率，将来可以在一根光纤上支持百吉比特每秒的速率。相应的，由于这些新的传输技术的出现，带宽的价格正在下降而且将不断下降。另一方面，应用所需的带宽一直保持着增长的态势，而且，互联网的用户在连续增长，结果是带宽的需求正在不停的迅速增长。(2)资源预留(RSVP)资源预留协议(RSVP)，规定了IP网的资源保护技术。RSVP是IETF综合服务包的一种可以使得资源被预留给一个给定的会话(或多个给定的会话)且会话优先于任何试图在参与双方之间交换媒介的协议，在所有解决方案中，RSVP是最复杂的一种，同时也是最接近于在P网内的电路仿真的一种，RSVP提供了强大的QOS保证、重要的资源分配方法，以及对应用和用户的重要反馈。RSVP目前提供了两个层面的业务。第一个层面是保障层面，这个层面与电路仿真极为相似。第二个层面是控制装载层面，这个层面等同于一个尽最大可能的网络在无负载的情况下提供的服务。关于RSVP的一点是数据的接收端而不是发送端做出预留。执行这个任务是为了适应组播传输，在组播传输中存在大量的接收者而可能仅有一个发送者。RSVP是一个不携带用户数据的控制协议。用户数据(例如语音)使用RTP传送。这种传输只是预留过程执行之后发生。RSVP所做的预留过程具有柔软性，这意味着它们需要被接收端根据一定规律更新。(3)区分服务(Ditfserv)区分服务是一种区分不同种类业务优先级的相对简单的方法。RFC2475，“区分服务的体系结构”，描述了区分服务协议。主要来说，区分服务利用了Ipv4服务类型(TOS)领域和与其相当的Ipv6业务等级领域。区分服务所使用的服务类型业务等级领域部分是DS领域。当需要为320种特殊类型的流传送时，这个领域使用不同的方法标记这个给定的流。这种类型的传送就是所谓的每跳行为 (PHB)，从中区分服务定义为两类：快速传送(EF)和保证传送(AF)。RFC2598规定EF EF是一种服务，在这种服务中一个给定的业务流从一个给定的节点中分配了一个事先规定的最大值。这个过程消除了排队时延。由于排队时延是端到端的延迟和抖动的主要原因，这个过程保证了时延和抖动的最小化。实际上，EF能够提供等同于虚连接线路的服务。RFC2597规定AF AF是一种服务，假如从源端的流量没有超过一些事先约定的最大值，一个给定的源端发送的包在这种服务中被以一种高可靠性传送。AF定义了四种类型，每种类型在一个路由器中分配了特定数量的资源(缓冲区和带宽)。在每种类型中，一个给定的包的丢包率可能会是三个丢包率之一。在一个给定的路由器中，如果在分配给一个给定AF类型的资源中不存在阻塞的话，则拥有最高丢包率的包将首先被丢弃以使拥有较低丢包率的包得到保护。为了顺利实现该机制，入流量中拥有低丢包率的包所占的比例不能太大。毕竟，主要的目的是要在阻塞时保证高优先级的包能够顺利传送，而假如所有的包都具有最高的优先级则做不到这点。 结束语随着 IP