呂方舟

摘要：結(jié)合VoIP語音質(zhì)量問題，文章對VoIP語音時延展開了分析，發(fā)現(xiàn)傳輸時延、處理時延和打包時延的存在將影響語音質(zhì)量，還要采用QoS等技術(shù)進(jìn)行消除。

關(guān)鍵詞：VoIP；語音質(zhì)量；時延；QoS技術(shù)

在現(xiàn)代通信技術(shù)取得快速發(fā)展的同時，IP協(xié)議已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)通信的核心技術(shù)，能夠為語音、數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)的融合提供支持。而采用VoIP通信技術(shù)，只需要占用少量網(wǎng)絡(luò)資源就能完成語音信號傳輸。但就目前來看，VoIP語音存在時延，將給信號質(zhì)量帶來不良影響。因此，還應(yīng)加強(qiáng)對VoIP語音時延的分析，以便更好地進(jìn)行VoIP的推廣和應(yīng)用。

1 VoIP語音質(zhì)量問題分析

VoIP為基于網(wǎng)絡(luò)之間互聯(lián)協(xié)議的語音通信，可以利用語音壓縮設(shè)備將語音進(jìn)行壓縮編碼處理，然后按照相關(guān)協(xié)議完成語音數(shù)據(jù)打包，并利用IP網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)包傳送至目的地。將數(shù)據(jù)包串起來，然后進(jìn)行解壓解碼處理，則能得到原來的語音信號，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)語音傳輸。在互聯(lián)網(wǎng)時代，VoIP具有較強(qiáng)的成本優(yōu)勢和便利性，如MSN，Skype等常用軟件都采用VoIP進(jìn)行語音通信。但就目前來看，VoIP語音質(zhì)量成了約束VoIP技術(shù)發(fā)展的重要因素。從VoIP語音質(zhì)量檢測情況來看，時常出現(xiàn)時延、抖動和丟包問題。相較于其他因素，時延因素對VoIP語音傳輸?shù)挠绊懽顬閲?yán)重，不僅會導(dǎo)致語音掩蓋，還會造成語音回聲。在時延超出250 ms時，語音通話將受到嚴(yán)重的語音掩蓋影響。在時延超出50 ms時，語音回聲則會影響語音通話。

2 VoIP語音時延的分類研究

從VoIP語音時延分類上來看，主要包含3種，即傳輸時延、處理時延和打包時延。

2.1 傳輸時延

傳輸時延為VoIP語音信號傳輸過程中發(fā)生的時延，包含傳輸時間、鏈路排隊時間、接入時間、中繼轉(zhuǎn)發(fā)時間等等，與網(wǎng)絡(luò)擁堵情況相關(guān)，由傳播距離和速度決定。從網(wǎng)絡(luò)接入情況來看，可以采用的網(wǎng)絡(luò)接入方式有較多中，不同接入方式的速率不同，將產(chǎn)生不同的接入時延。在接入時延計算時，需要采用時延Taccess= LIP/RUP+LIP/Rdown）的式子，其中LIP指的是語音流的IP包長，RUP和Rdown分別為接入網(wǎng)上行和下行速率。例如，在打包得到的語音數(shù)據(jù)包為80字節(jié)的情況下，如果IP網(wǎng)絡(luò)接入速率為64 kbit/s，以8 kbit/s速率編碼的語音數(shù)據(jù)包將產(chǎn)生10 ms的接入時延，以1.544 Mbit/s速率編碼的數(shù)據(jù)包接入線路時延為0.415 ms。所以在網(wǎng)絡(luò)接入上，如果上下行都采用光纖接入方式，可以減少約20 ms的時延。

2.2 處理時延

處理時延由兩部分構(gòu)成，即編碼時延和解碼時延，分別利用T（code）和T（deco）表示。在語音信號發(fā)送的過程中，需要經(jīng)過抽樣、量化、編碼和解碼處理，采用不同編碼和解碼算法將產(chǎn)生不同的時延。在語言編碼階段，需要利用編碼器對采樣幀信號進(jìn)行處理，所以編碼時延將受到數(shù)據(jù)幀時延T（frag）、處理時延T（proc）和前視時延T（la）的影響。其中，數(shù)據(jù)幀時延為語音流量用的時間長度，幀為語音信號分解元素。在采樣點(diǎn)不同的情況下，幀將發(fā)生變化。在打包分組中，就包含每幀的信息，需要進(jìn)行傳輸。處理時延為利用編碼算法對語音幀進(jìn)行計算所花費(fèi)的時間，實際就是編碼器的處理時延。前視時延為下一幀長度檢查花費(fèi)的時間，用于確認(rèn)相鄰語音幀間相關(guān)性。幀長度為經(jīng)過編碼處理后的字節(jié)數(shù)，不包含幀頭。如果前幀編碼有助于后幀，長可以看成是前視時延[1]。利用幀的長，可以進(jìn)行編碼處理后字節(jié)的表示，但不包含幀頭。而T（code）=T（frag）+T（proc）+T（la）。在編碼過程中，利用不同協(xié)議，將產(chǎn)生不同時延。例如，采用G.729協(xié)議，在數(shù)據(jù)幀時延和處理時延均為10 ms、前視時延為5 ms的條件下，其將產(chǎn)生25 ms的時延，比特率為8 kbit/s。而解碼時延通常比編碼時延小，為編碼時延的一半左右。

2.3 打包時延

打包時延為IP包封裝所耗費(fèi)的時間。利用IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行語音數(shù)據(jù)傳輸，需要對得到編碼處理的語音數(shù)據(jù)幀進(jìn)行打包處理。IP包由UDP包頭、RTP包頭、IP包頭過程，分別占8Byte，12 Byte和20 Byte。RTP包中包含多少個語音數(shù)據(jù)幀，直接決定打包時延。如果其中存在的數(shù)據(jù)幀過多，將導(dǎo)致打包時延較大，在傳輸過程中容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失問題，從而導(dǎo)致語音質(zhì)量受到影響[2]。如果其中存在的數(shù)據(jù)幀過少，打包時延也將降低，但是包封裝效率較低，因此將導(dǎo)致VoIP語音通信效率較低。在編碼的過程中，編碼器采用以幀為單位的方式進(jìn)行編碼，通常幀長Tflong為10 ms，語音包即以10 ms為單位。而打包時延為Tpaeket=n×Tflong，n指的是語音包個數(shù)。在對封裝效率進(jìn)行估算時，可以按照封裝效率=（壓縮后語音包×n×Tflong/8）/[（壓縮后語音包×n×Tflong/8）+40]通常的情況下，打包處理產(chǎn)生的時延較小，可以忽略。例如，針對G.729編碼，其凈碼流速率為8 kbit/s，將一個RTP包打包成一個語音包，時延約10 ms，傳送碼流為40 kbit/s，封裝效率為20%。如果打包2個語音包，時延為20 ms，碼流速率為24 kbit/s，封裝效率為33.3%。打包成4個，時延為40 ms，碼流速率為16 kbit/s，封裝效率為50%。由此可見，在VoIP全程，打包時延僅占30 ms。通常的情況下，RTP中打包語音包不超出2個，因此時延可以忽略。

分析VoIP語音時延產(chǎn)生的原因可以發(fā)現(xiàn)，在對模擬聲音信號進(jìn)行采集時，通過采樣、量化得到PCM信號需要將過壓縮處理。在這一階段，設(shè)備側(cè)容易出現(xiàn)編碼處理時延。因為就目前來看，得到廣泛使用的編碼技術(shù)依然為高時延編碼技術(shù)。由于編碼方式固定，這部分時延較為固定，所以難以解決時延問題。在此基礎(chǔ)上，IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行情況也將對VoIP語音時延產(chǎn)生影響，想要改善這一情況，還要完成整個網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和結(jié)構(gòu)的改造。此外，VoIP語音采用的壓縮算法帶來的打包時延也為固定時延，與語音數(shù)據(jù)量相關(guān)，只有通過合理選擇壓縮算法才能減少打包數(shù)據(jù)量，實現(xiàn)DSP負(fù)荷的合理分配，繼而使打包時延得到改進(jìn)。

3 VoIP語音時延的解決方法探討

3.1 QoS技術(shù)核心思想

針對VoIP語音時延，可以引入QoS技術(shù)進(jìn)行解決。在IP電話網(wǎng)關(guān)中，語音編碼處理主要采用G.729等協(xié)議，協(xié)議傳輸速率較低，MOS值為4.0，占用寬帶較窄，語音質(zhì)量良好，編碼時延為10 ms。在編碼器進(jìn)行數(shù)字語音輸出時，可以將數(shù)字語音放到RTP/UDP/IP包中，通過包化實現(xiàn)運(yùn)算簡化。采取該種措施，可以在增加包頭的同時，進(jìn)行校驗碼的計算。相較于編碼，包化的時延較小。完成包化后，需要將語音數(shù)據(jù)傳輸至目的地[3]。為避免包在局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的路由接口處排隊，還要按照不同規(guī)則將流量進(jìn)行分類，并通過擁堵管理實現(xiàn)隊列調(diào)度，以便使可調(diào)配流量進(jìn)入空閑隊。最后，通過實現(xiàn)IP網(wǎng)絡(luò)帶寬合理調(diào)配，則能獲得最大的數(shù)據(jù)傳輸效率。

3.2 QoS技術(shù)具體運(yùn)用

在運(yùn)用QoS技術(shù)時，首先還要實現(xiàn)流量分類。具體來講，就是依據(jù)優(yōu)先級或服務(wù)級進(jìn)行流量劃分。在優(yōu)先級設(shè)置上，可以根據(jù)編碼字段進(jìn)行報文標(biāo)記，如果字段長度為〃，可將報文分為類。針對IP報頭字段Tos域前3位，可以分為2A3=8類。如果使用DSCP，Tos域前6位可以分為2A6=64類。采用該種分類方法，能夠完成對源IP地址、源端口號、協(xié)議ID、目的端口號等各種報文信息段的劃分。其次，加強(qiáng)擁堵管理，可以采用CBQ機(jī)制。按照機(jī)制規(guī)則，可以結(jié)合IP報文、優(yōu)先級、輸入接口等進(jìn)行報文分類，使不同報文進(jìn)入不同隊列。隊列主要有3種，一種為LLQ低時延隊列，擁有較高的優(yōu)先級，可以進(jìn)行報文優(yōu)先發(fā)送。隊列帶寬較小，可以進(jìn)行小流量數(shù)據(jù)包存放，如IP語音包。在接口堵塞的情況下，超出流量限制的數(shù)據(jù)包將被丟棄，以降低時延。帶寬保證列隊BQ可以為語音轉(zhuǎn)發(fā)類業(yè)務(wù)體用支持，對時延和帶寬進(jìn)行平衡。相比較而言，該種列隊帶寬更高，時延更大，如視頻信號、網(wǎng)頁數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)包對時延要求較低，所以可以利用該隊列進(jìn)行信號傳輸。此外，針對BE業(yè)務(wù)，可以利用WFQ列隊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，利用接口剩余帶寬進(jìn)行業(yè)務(wù)發(fā)送。而通過合理設(shè)置帶寬比例，可以使線路的利用率得到提高，繼而使各類報文在接口擁堵時依然能夠以最小帶寬傳送。語音信號擁有較高的優(yōu)先級，則能不經(jīng)過排隊直接傳送，繼而達(dá)到降低時延的目的。最后，在網(wǎng)絡(luò)傳輸方面，需要合理調(diào)配帶寬。針對ISP提供的廣域網(wǎng)鏈路，鏈路路由器和交換機(jī)會產(chǎn)生串行化、包化等時延。在用戶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同的情況下，產(chǎn)生的時延也不同[4]。針對這一情況，還要完成適合的ISP線路租用，以便使IP網(wǎng)絡(luò)物理帶寬得到最大效率的利用，采用該方法，能夠滿足用戶對原始IP網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求，也能為語音業(yè)務(wù)的傳送提供質(zhì)量保障。

4 結(jié)語

通過研究可以發(fā)現(xiàn)，在VoIP語音信號傳輸方面，時延的產(chǎn)生將給語音信號質(zhì)量帶來不良影響。針對VoIP語音的傳輸時延、處理時延和打包時延，還要采用QoS等技術(shù)進(jìn)行處理，以便通過降低時延提高語音質(zhì)量，繼而為業(yè)務(wù)的開展提供更多保障。

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