袁 健，徐 凌，劉 瀟

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041；2.解放軍駐西安郵電大學(xué)選陪辦，陜西 西安 710061）

0 引 言

語音通信是人們生活中不可缺少的實(shí)時(shí)交流溝通方式。隨著Internet的發(fā)展，VoIP越來越多地取代了傳統(tǒng)電話。同時(shí)，隨著對無處不在的通信的需求增長，衛(wèi)星通信以其無縫覆蓋的優(yōu)勢開始在全球通信系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。但是，由于衛(wèi)星通信固有的低帶寬和高資費(fèi)等問題，供應(yīng)商多提供的是共享帶寬方式（區(qū)別于專享帶寬方式），并采用語音壓縮技術(shù)以減少流量消耗、降低花費(fèi)和帶寬占用。即便如此，一些突發(fā)的通信激增仍時(shí)常會導(dǎo)致衛(wèi)星信道擁塞[1]，沿海發(fā)達(dá)地區(qū)更為突出。實(shí)際工程應(yīng)用中，當(dāng)在衛(wèi)星共享帶寬環(huán)境下進(jìn)行VoIP通話時(shí)，一旦突發(fā)業(yè)務(wù)激增導(dǎo)致信道嚴(yán)重?fù)砣?，用戶語音將出現(xiàn)中斷。待擁塞消除后，通話雖能夠持續(xù)、無聲音失真或者斷續(xù)[2]的情況，但時(shí)延顯著，最大可達(dá)10 s，且遲滯現(xiàn)象不會消失，給使用者帶來極其不好的使用體驗(yàn)，嚴(yán)重影響了VoIP通信的實(shí)時(shí)性。

1 測試及分析

1.1 通信模型

工程實(shí)施中，為了滿足多路通信和語音壓縮的處理，選用AudioCodes公司的AC50系列的SoC媒體芯片。它可以實(shí)現(xiàn)30路PCM語音的G.729壓縮、VoIP封裝以及回聲抵消，并支持RTP/RTCP協(xié)議處理，能夠有效降低VoIP通信中的時(shí)延、抖動等，提升語音質(zhì)量[3]。該芯片的高度集成處理能力，使得只需搭配一片CPU進(jìn)行配置和網(wǎng)絡(luò)交互處理，即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)小型媒體網(wǎng)關(guān)的功能，設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 VoIP處理模塊

通話時(shí)，用戶電話機(jī)終端的模擬語音信號[4]通過用戶接口處理轉(zhuǎn)換成PCM信號，在FPGA內(nèi)部進(jìn)行時(shí)隙、端口的交換后送至媒體芯片。該芯片根據(jù)配置對PCM數(shù)據(jù)流進(jìn)行G.729壓縮處理和RTP包封裝，最后由CPU完成IP封裝發(fā)送至衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，完成IP交互。

1.2 數(shù)據(jù)分析

在正常網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，媒體芯片對網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、抖動等的處理可以通過調(diào)整相關(guān)寄存器設(shè)置來進(jìn)行優(yōu)化，提升其網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性和通話質(zhì)量。為此，需要首先對衛(wèi)星環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包狀態(tài)進(jìn)行分析。

1.2.1 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)正常情況下的數(shù)據(jù)分析

受衛(wèi)星終端無線傳輸機(jī)制的影響，即使在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)接入波束點(diǎn)區(qū)域內(nèi)正常情況下，數(shù)據(jù)包之間也存在較大抖動。使用wireshark工具分別獲取兩個(gè)衛(wèi)星終端收、發(fā)的數(shù)據(jù)包，并對數(shù)據(jù)包間的時(shí)延進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對比分析。以50個(gè)數(shù)據(jù)包為例，相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2、圖3、圖4以及圖5所示。

例中，采用的VoIP封裝為20 Byte，因?qū)ζ溥M(jìn)行G.729壓縮處理會產(chǎn)生20 ms的固定時(shí)延，所以如圖3所示，發(fā)送端包間時(shí)延基本穩(wěn)定在20 ms左右，平均值為19.43 ms。但從圖5中收端的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)包間時(shí)延差異非常大，從0.1 ms到80 ms不等。進(jìn)一步對接收數(shù)據(jù)包間的時(shí)延差值全部累加求平均值，得到的平均值為21.05 ms，依然在20 ms附近，與數(shù)據(jù)發(fā)送端的時(shí)延間隔相差1.62 ms，不會對用戶的語音通信產(chǎn)生明顯的影響。

1.2.2 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)擁塞下數(shù)據(jù)分析

采用同樣的方法，對衛(wèi)星信道擁塞時(shí)接收端的的VoIP包進(jìn)行抓取和包時(shí)延統(tǒng)計(jì)分析，如圖6和圖7所示。

由圖6、圖7可知，衛(wèi)星信道擁塞時(shí)的數(shù)據(jù)包的時(shí)延差異更大，最大時(shí)延可達(dá)832 ms，且有數(shù)據(jù)包亂序的情況出現(xiàn)。根據(jù)計(jì)算所得，擁塞態(tài)下的數(shù)據(jù)包間時(shí)延平均值為56.31 ms，與發(fā)送端的20 ms有顯著差異。

1.3 原因分析

在擁塞環(huán)境下，因時(shí)延較大和亂序情況的出現(xiàn)，媒體芯片需要對VoIP數(shù)據(jù)包進(jìn)行排序、去抖等處理。媒體芯片在進(jìn)行處理時(shí)，語音數(shù)據(jù)包首先被緩存于去抖緩存中[5]，芯片會根據(jù)RTP包的協(xié)議對數(shù)據(jù)包的時(shí)延抖動和包序采用算法進(jìn)行自適應(yīng)處理。其中一種處理機(jī)制是在抖動時(shí)延較大而后續(xù)數(shù)據(jù)包無法滿足彌補(bǔ)空缺的時(shí)候插入靜音數(shù)據(jù)。

圖2 發(fā)端VoIP數(shù)據(jù)包

圖3 發(fā)端VoIP數(shù)據(jù)包時(shí)延統(tǒng)計(jì)

圖4 收端VoIP數(shù)據(jù)包（衛(wèi)星信道空閑態(tài)）

圖5 收端VoIP數(shù)據(jù)包時(shí)延統(tǒng)計(jì)（衛(wèi)星信道空閑態(tài)）

圖6 收端VoIP數(shù)據(jù)包（衛(wèi)星信道擁塞狀態(tài)）

圖7 收端VoIP數(shù)據(jù)包時(shí)延統(tǒng)計(jì)（衛(wèi)星信道擁塞狀態(tài)）

小量的靜音插入在話音中時(shí)，人耳難以感知，不會產(chǎn)生明顯影響。但是，在衛(wèi)星信道長時(shí)間擁塞后，因話音數(shù)據(jù)傳輸中斷，VoIP芯片會填充大量的靜音。同時(shí)，由于話音數(shù)據(jù)的速率是固定不變的，且整個(gè)處理過程中也不會丟棄靜音數(shù)據(jù)包，即插入的靜音所占用的時(shí)間沒有扣除，被延遲的話音數(shù)據(jù)包依然在大量填充的靜音數(shù)據(jù)包之后排隊(duì)，導(dǎo)致?lián)砣笳Z音遲滯不會減輕和消除。

待通話結(jié)束后，媒體芯片將關(guān)閉當(dāng)前的通道，并同步清除通道對應(yīng)的緩存，因而再次進(jìn)行通話時(shí)，一開始不會出現(xiàn)語音遲滯的現(xiàn)象。

2 處理方法

根據(jù)上述分析，要消除語音遲滯現(xiàn)象，關(guān)鍵是要及時(shí)檢出衛(wèi)星信道的擁塞狀態(tài)，并清理緩存中的累積，快速恢復(fù)語音數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，且不影響當(dāng)前通話的保持。

2.1 基本思路

首先，準(zhǔn)確檢出當(dāng)前通道是否擁塞；其次，在維持當(dāng)前通道工作狀態(tài)的前提下，清除緩存中的數(shù)據(jù)。

2.2 實(shí)施方法

對當(dāng)前通道擁塞狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確的判斷，是消除語音遲滯的基礎(chǔ)。常用的擁塞檢測機(jī)制往往需要在收端發(fā)端之間來回傳遞探測信息，同樣會受到網(wǎng)絡(luò)擁塞的影響，其及時(shí)性不滿足要求。

本方法利用FPGA硬件的并行和高效處理特性，通過增加對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)下行接收方向的RTP數(shù)據(jù)包執(zhí)行監(jiān)控的邏輯功能，實(shí)現(xiàn)對多個(gè)通道擁塞狀態(tài)的同時(shí)檢測，且不會對數(shù)據(jù)流本身產(chǎn)生影響。同時(shí)，利用媒體芯片對發(fā)生擁塞的通道進(jìn)行快速關(guān)閉、開啟控制，既清空了緩存，又維持了通話。處理流程如圖8所示。

圖8 RTP檢測流程

（1）根據(jù)RTP包的協(xié)議格式進(jìn)行解析，提取IP語音數(shù)據(jù)包；

（2）按照CPU軟件配置的在用端口信息，對RTP包中的端口進(jìn)行進(jìn)一步區(qū)分，劃分成不同的通道數(shù)據(jù)流；

（3）采用兩種方式檢測通道數(shù)據(jù)流：一種是單位時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)包的數(shù)量，另一種是包之間的時(shí)延分布；

（4）單位時(shí)間包計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)，需要適配G729編碼20 ms封包的模式，故而計(jì)數(shù)單位時(shí)間設(shè)置為1 s，結(jié)合正常線路的抖動、時(shí)延等情況，包計(jì)數(shù)上門限為60，下門限為40；

（5）數(shù)據(jù)包時(shí)延統(tǒng)計(jì)，結(jié)合前面的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可以看出，正常的VoIP數(shù)據(jù)包抖動最大為80 ms；擁塞時(shí)，時(shí)延普遍在100 ms左右，而該情況下語音不會產(chǎn)生明顯的遲滯現(xiàn)象。只有在大量的大時(shí)延（150 ms以上）或個(gè)別超大時(shí)延（如圖7中的800 ms以上）出現(xiàn)后，才會因靜音數(shù)據(jù)包累積導(dǎo)致明顯的語音遲滯。因此，本方法中設(shè)置時(shí)延門限為150 ms，且在其計(jì)數(shù)達(dá)到5次后才判為擁塞；

（6）綜合兩種檢測的結(jié)果進(jìn)行判斷，當(dāng)均出現(xiàn)超門限的信號時(shí)，說明當(dāng)前通道發(fā)生了擁塞；

（7）對發(fā)生擁塞的通道進(jìn)行快速關(guān)閉和開啟處理。

2.3 實(shí)施效果

經(jīng)過模擬和實(shí)際環(huán)境測試后，衛(wèi)星擁塞環(huán)境下VoIP遲滯問題得以消除。雖然在清除緩存中的數(shù)據(jù)時(shí)會導(dǎo)致部分語音數(shù)據(jù)丟失，但擁塞時(shí)有效的語音包數(shù)量較少，故而當(dāng)擁塞狀態(tài)消除時(shí)，通話將及時(shí)恢復(fù)正常，對實(shí)際通信時(shí)的語音質(zhì)量影響較小。

3 結(jié) 語

本文通過分析當(dāng)前衛(wèi)星通信系統(tǒng)中數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)的時(shí)延抖動分布和媒體芯片對QoS處理的措施，提出了基于數(shù)據(jù)和時(shí)延分布的擁塞檢測方法，以及針對該媒體芯片數(shù)據(jù)大量緩存的處理方法。其中，信道檢測方法采用探針式分析，不影響正常通信，且僅需在收端進(jìn)行處理，不會增加設(shè)備間的協(xié)議過程。該方法具有簡便、實(shí)時(shí)性高的特點(diǎn)，可用于同類型信道狀態(tài)探測的應(yīng)用需求，為有類似設(shè)計(jì)需求提供了一種新思路。