基于NS-2的VoIP模擬與仿真*

胡 斌，黃 冰，王小兵，伍健輝

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004)

隨著Internet的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)多媒體的數(shù)據(jù)傳輸越來越成為研究熱點，其中IP電話系統(tǒng)(VoIP)就是其中一個重要分支[1]。但是由于VoIP要求會話雙方要實時傳輸語音數(shù)據(jù)，對語音的實時性要求條件較高，而VoIP又是建立在沒有QoS保障的UDP/IP協(xié)議之上，所采用的語音編碼方案一般都是單速率的語音編碼方案，如G.729，這就使得傳統(tǒng)的VoIP很難適應(yīng)不斷變化的網(wǎng)絡(luò)資源環(huán)境。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)資源比較充足時，重構(gòu)后的語音質(zhì)量還能有一定的保障。但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量很大或者當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時，連續(xù)的語音包丟失現(xiàn)象就會很嚴(yán)重，從而導(dǎo)致重構(gòu)后的語音質(zhì)量出現(xiàn)急劇下降的現(xiàn)象。雖然國內(nèi)外學(xué)者對此也提出了若干應(yīng)對策略，如在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方面的呼叫允許控制、資源預(yù)留機制(RSVP)協(xié)議、差分服務(wù)等，但是這些策略在對實時語音起到保障作用的同時，又導(dǎo)致了核心路由器的嚴(yán)重開銷，最終使得整個VoIP系統(tǒng)的可擴展性變差。本文提出了一種基于AMR語音編解碼算法的新VoIP系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)信道質(zhì)量的好壞來自適應(yīng)地選擇一種最佳的傳輸速率，從而使得合成后的語音質(zhì)量有了更加良好的QoS保障。通過NS-2平臺下的仿真，實驗結(jié)果表明：新VoIP系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)延時和數(shù)據(jù)包丟失率方面均要明顯優(yōu)于采用G.729算法的傳統(tǒng)VoIP系統(tǒng)。

1 NS-2和AMR相關(guān)技術(shù)

1.1 NS-2網(wǎng)絡(luò)模擬器

NS-2(Network Simulator，version 2)是 由 加 州 大 學(xué) 伯克利分校開發(fā)的面向?qū)ο蟮?、離散事件驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)模擬器，主要用于解決網(wǎng)絡(luò)研究方面的問題，目前NS-2可以用于模擬各種不同的通信網(wǎng)絡(luò)。它功能強大，模塊豐富，已經(jīng)實現(xiàn)的主要模塊有：網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議(如TCP和UDP)，業(yè) 務(wù) 源 流 量 產(chǎn) 生 器 (如 FTP、Telnet、Web、CBR 和VBR)，路由隊列管理機制(如 Droptail、FQ、RED 和 CBQ)，路由算法(如 Dijkstra)，無線網(wǎng)絡(luò) WLAN、移動 IP、衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)模塊、多播協(xié)議以及一些MAC子層協(xié)議等。

NS-2使用了被稱為分裂對象模型的開發(fā)機制，采用C++和OTcl兩種開發(fā)語言進(jìn)行開發(fā)，它們之間采用TclCL進(jìn)行自動連接和映射。NS-2的模擬可分為2個層次，其中第一個層次是基于OTcl的模擬，主要利用NS-2現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)元素來實現(xiàn)模擬，因此無需對NS-2本身做任何修改，只需要編寫一個完整的OTcl腳本程序即可；另外一個層次是基于C++和OTcl的模擬，該層次中沒有所需的網(wǎng)絡(luò)元素，因此需要對NS-2進(jìn)行擴展，添加所需要的網(wǎng)絡(luò)元素。一般來說，NS-2的模擬需要與Nam﹙Network animater﹚配合使用。Nam是基于Tcl/Tk的動畫演示工具，以把模擬的過程用可視化的方式呈現(xiàn)出來[2]。

1.2 AMR自適應(yīng)技術(shù)的介紹

自適應(yīng)多速率語音編碼(AMR)有8種信源編碼模式,2種信道模式(即全速率信道模式和半速率信道模式)以及不同信道模式下所對應(yīng)的不同信道編碼模式。其中，全速率信道模式下所對應(yīng)的信道編碼模式為8種，半速率信道模式下所對應(yīng)的信道編碼模式為6種，每種信道編碼模式都有一種信源編碼模式與之相對應(yīng)。此外為了降低算法的復(fù)雜度，8種信源編碼模式均采用ACELP(Algebraic Code Excited Linear Prediction)模型，不同的只是參量的量化碼本和量化比特數(shù)。在移動通信中，當(dāng)信道模式固定后，通過測量歸一化的載(載波信號)干(干擾信號)比來估計當(dāng)前信道的質(zhì)量，度量級別為4個級別，分別為很差、差、好、很好。如果當(dāng)前信道質(zhì)量估計為較好或者好，則降低信道編碼速率、提高信源編碼速率，以此來提高重構(gòu)后的語音質(zhì)量；如果當(dāng)前信道質(zhì)量估計為差或者較差，則提高信道編碼速率、降低信源編碼速率，以此來保障通話質(zhì)量。所以高模式下的信源編碼(如MR122)，雖然可以提供優(yōu)良的語音可懂度和自然度，但是抗噪能力差；而低模式下的信源編碼(如MR475)，由于多數(shù)比特被用作信道編碼，因此具有很強的糾錯能力，但是重構(gòu)后的語音質(zhì)量不佳[3]。

2 AMR算法下的VoIP系統(tǒng)

VoIP傳輸?shù)幕具^程可分為4種：PC-PC模型、PC-Phone模型、Phone-PC模型和 Phone-Phone模型[4]。本文中仿真的是Phone-Phone模型，具體過程如圖1所示。在該模型中，語音的傳輸過程可以拆分為2個階段。第一個階段，語音數(shù)據(jù)通過UDP協(xié)議打包從源點pc0-T開始發(fā)送，通過網(wǎng)關(guān)gk0、gk1轉(zhuǎn)發(fā)，將語音數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到目的地點pc0-R，從而實現(xiàn)節(jié)點0～5之間的語音數(shù)據(jù)通信；第二個階段，語音數(shù)據(jù)通過UDP協(xié)議打包從源點pc1-T開始發(fā)送，通過網(wǎng)關(guān)gk1和gk0轉(zhuǎn)發(fā)，將語音數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到目的地點pc1-R，從而實現(xiàn)節(jié)點6～1之間的語音數(shù)據(jù)通信。2個階段連續(xù)的傳輸過程構(gòu)成了VoIP中語音數(shù)據(jù)的基本傳輸過程。此外，為了更加真實地模擬網(wǎng)絡(luò)資源的變化，設(shè)置了一個pc到pc的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量的傳輸過程。該過程為：網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通過TCP協(xié)議打包從源點pc2-T開始發(fā)送，通過網(wǎng)關(guān)gk0和gk1轉(zhuǎn)發(fā)，將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到目的地點pc2-R，從而實現(xiàn)節(jié)點2～7之間的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸。通過設(shè)置不同的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量可以來模擬當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)信道質(zhì)量的好壞，從而為選擇不同的AMR信源編碼模式做準(zhǔn)備。

圖1 Phone-Phone的VoIP模型

為了檢測網(wǎng)絡(luò)擁塞下新VoIP系統(tǒng)的性能，需要對上述語音模型的一些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整：(1)公共交換網(wǎng)(PSTN)傳輸帶寬的設(shè)定。節(jié)點0～3之間的鏈路是用來模擬PSTN的，而PSTN中最大的語音傳輸速率(無損語音編碼方案G.711)為64 Kb/s，因此為了體現(xiàn)帶寬資源的寶貴性，設(shè)置此鏈路的傳輸帶寬為64 Kb，同理節(jié)點1～3之間、節(jié)點5～4之間、節(jié)點6～4之間的傳輸帶寬也設(shè)為64 Kb；(2)Internet網(wǎng)傳輸帶寬的設(shè)定。節(jié)點 3～4之間的鏈路是用來模擬Internet網(wǎng)的，由于Internet網(wǎng)中傳輸數(shù)據(jù)量往往很大，而分配給每個用戶之間的傳輸帶寬是有限的，因此為了體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)帶寬的有限性，設(shè)置此鏈路的傳輸帶寬為 1 Mb。同理節(jié)點 2～3之間、節(jié)點 4～7之間的傳輸帶寬也設(shè)為1 Mb；(3)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)信道質(zhì)量的度量。為了度量當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)信道質(zhì)量，選取衡量VoIP系統(tǒng)性能的參數(shù)如時延、抖動、數(shù)據(jù)包丟失率等來作為衡量當(dāng)前信道質(zhì)量的參數(shù)。在本實驗中，選取的是在一定時間內(nèi)的語音數(shù)據(jù)丟包率，其計算公式為：λ=Sd/SRTT，式中 Sd為固定時間內(nèi)丟失的語音包數(shù)目，SRTT為固定時間內(nèi)發(fā)送的語音包數(shù)目[4]；(4)AMR信源編碼模式的選擇。由于AMR有8種信源編碼模式，且8種信源編碼模式均是基于ACELP模型，各個模式下重構(gòu)后的語音MOS值相差也不大，但是AMR總的代碼量卻很大，所以綜合衡量起來，可以根據(jù)不同的語音數(shù)據(jù)包丟失率來自適應(yīng)地選取其中的3種，即：MR122、MR74、MR475[3]。 選擇標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng) λ≤1%時，選取 MR122模式；當(dāng) 1%<λ≤3%時，選取 MR74模式；當(dāng)λ>3%時，選取MR475模式；初始信源編碼模式為MR122。

3 實驗結(jié)果與分析

新VoIP系統(tǒng)在NS-2平臺下的運行情況如圖2所示。在該運行模型中，節(jié)點2～7之間流量的大小代表了網(wǎng)關(guān)節(jié)點 3～4之間鏈路的狀況。即當(dāng)節(jié)點 2～7之間傳送的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)很大時(>1 Mb)，則認(rèn)為節(jié)點3～4之間的鏈路發(fā)生了擁塞狀況；當(dāng)節(jié)點2～7之間傳送的數(shù)據(jù)量較小時(<1 Mb)，則認(rèn)為不會發(fā)生擁塞狀況。節(jié)點0～6是語音數(shù)據(jù)包的發(fā)送節(jié)點，且具有根據(jù)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量來自適應(yīng)地調(diào)整語音發(fā)送速率的功能，其中初始發(fā)送速率為12.2 Kb/s；數(shù)據(jù)包的發(fā)送用NS-2自帶的Pareto分布流量產(chǎn)生器，這主要是考慮到話音激活檢測技術(shù)(VAD)對IP話音的影響[2]。

此外，為了更加方便和有效地分析實驗數(shù)據(jù)，需要對上述VoIP模型進(jìn)行簡化處理，簡化后的VoIP傳輸模型如圖3所示。其中節(jié)點2為網(wǎng)關(guān)，節(jié)點3既是網(wǎng)關(guān)也是所有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收節(jié)點；節(jié)點0為語音數(shù)據(jù)包的發(fā)送節(jié)點，節(jié)點1為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量的發(fā)送節(jié)點。

圖4為采用不同語音算法的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的時延圖和丟包率圖。

通過實驗結(jié)果可知，網(wǎng)絡(luò)擁塞下的新VoIP系統(tǒng)在時延和丟包率方面均要比基于G.729的VoIP系統(tǒng)優(yōu)越，因而在重構(gòu)后的IP語音MOS值上，新VoIP系統(tǒng)要比原系統(tǒng)更加具備QoS保障性能。

其中在網(wǎng)絡(luò)時延方面，兩者基本上都處于上升階段，但是其最大值均沒有超過250 ms(實時語音傳輸?shù)淖畲髸r延要求)。此外由于新VoIP系統(tǒng)采用了自適應(yīng)機制，故而在上升的趨勢上，前者沒有后者的上升趨勢快，時延時間在整體上要小于后者，如圖4(a)和圖4(b)所示。

在丟包率方面，兩者均隨著數(shù)據(jù)包的增加而呈現(xiàn)出波浪形的發(fā)展趨勢，其中基于G.729算法的VoIP系統(tǒng)的包丟失率在整體上將穩(wěn)定于4%左右，如圖4(d)所示。而基于AMR算法的新VoIP系統(tǒng)由于采用了自適應(yīng)機制，其可以隨著信道質(zhì)量的變化而自適應(yīng)地調(diào)節(jié)發(fā)送速率，但是由于初始速率為MR122模式，這就使得第一次出現(xiàn)的數(shù)據(jù)包丟失率比較大，而后由于采用了自適應(yīng)機制，減小了信源發(fā)送速率，在一定程度上緩解了網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況，從而降低了數(shù)據(jù)包丟失率。但是當(dāng)數(shù)據(jù)包丟失率小于3%時，由于用到了MR74模式，之后數(shù)據(jù)包丟失率又有了一個上升趨勢，但是很快就又降了下來，最后將基本保持在3%左右，如圖4(c)所示。

本文介紹了一種基于AMR算法的新VoIP系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以隨著網(wǎng)絡(luò)信道質(zhì)量的好壞來自適應(yīng)地調(diào)整發(fā)送端的發(fā)送速率。實驗結(jié)果證明，新系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)時延和包丟失率上均要優(yōu)于傳統(tǒng)VoIP系統(tǒng)。因而新系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況下可以更好地保障重構(gòu)后的語音質(zhì)量，具有良好的應(yīng)用前景。

[1]張磊.VoIP語音技術(shù)與應(yīng)用[M].北京∶機械工業(yè)出版社，2000.

[2]方路平，劉世華，陳盼，等.NS-2網(wǎng)絡(luò)模擬基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京∶國防工業(yè)出版社，2008.

[3]王炳錫，王洪.變速率語音編碼[M].西安∶西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

[4]舒華英，李勇.VoIP技術(shù)與應(yīng)用[M].北京∶人民郵電出版社，2003.

[5]3GPP TS 26.090 V8.1.0 Adaptive multi-rate(AMR)speech codec，2009.

[6]于斌.NS2與網(wǎng)絡(luò)模擬[M].北京∶人民郵電出版社，2007.

[7]http∶//www.isi.edu/nsnam/repository/topics.html.2009.

[8]李艷，來智勇，朱峰.NS-2與網(wǎng)絡(luò)模擬器的應(yīng)用研究[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)學(xué)報，2008(9)∶152-154.

[9]賈龍濤，鮑長春.基于NS的自適應(yīng)多速率網(wǎng)絡(luò)語音通信的性能分析[J].通信學(xué)報，2006(2)∶121-125.