提高VoIP語音通信質量方法的研究

劉冰

摘 要： 探討了VoIP的關鍵技術，分析了影響VoIP語音通信質量的因素，提出了提高VoIP語言通信質量的方法，即：優(yōu)化網(wǎng)絡環(huán)境、選擇合適的編解碼、服務質量保障（QoS）、使用顫音緩存。該方法對提高VoIP語音通信質量，推動VoIP業(yè)務的普及具有實際意義。

關鍵詞： VoIP； QoS； 編解碼； 顫音緩存； 語音通信質量

中圖分類號：TP39 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2013）07-17-02

0 引言

隨著網(wǎng)絡技術的迅猛發(fā)展和WiFi入網(wǎng)限制的解除，VoIP技術得到廣泛的應用。通過無線移動通訊網(wǎng)絡的VoIP業(yè)務，用戶手機可利用WiFi接入互聯(lián)網(wǎng)，然后利用互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送和接收語音數(shù)據(jù)。近兩年，隨著智能手機的迅速崛起，這種方式漸漸得到了人們的青睞，越來越多的人選擇以這種方式代替原有的通話模式。但是，由于網(wǎng)絡無法提供嚴格的QoS保障，以及時延和時延抖動等原因，使得無線通訊網(wǎng)絡中VoIP的傳輸質量不夠理想。因此，研究如何提高VoIP語音的通信質量有重要意義。

1 VoIP的關鍵技術

VoIP即Voice Over IP的縮寫，它是將模擬音頻信號進行采樣、壓縮、打包等一系列處理后，以IP數(shù)據(jù)報的形式在IP分組交換網(wǎng)絡上進行傳輸。簡單地說，它是將模擬話音轉換成可以在網(wǎng)絡中傳輸?shù)臄?shù)字信號。

在建立VoIP通話之前，先要進行呼叫，完成這一任務的信令系統(tǒng)。建立呼叫之后要對數(shù)據(jù)流進行實時傳輸，這就需要一種實時傳輸技術。要使音頻信號在分組交換網(wǎng)絡傳輸，還需要把模擬音頻信號轉成數(shù)字信號，并進行適當?shù)膲嚎s、編碼以適應這種傳輸環(huán)境，這就需要在傳輸之前對音頻進行編碼。在傳輸過程中，還需要對通話服務質量進行實時監(jiān)控，因此還需要一種 QoS質量保障技術來完成這個工作。VoIP中的關鍵技術總結起來就是：信令技術、語音編碼技術、實時傳輸技術、QoS質量保障技術[1]。

1.1 信令技術

所謂信令技術，可以理解為是一種控制機制。在VoIP系統(tǒng)中常用的信令技術有兩個：一個是由國際電信標準（ITU一T）制定的H.323；另一個是由因特網(wǎng)工作組（IETF）制定的會話初始協(xié)議SIP。這兩種技術相比，H.323是一個完整的體系，提供了完成VoIP通信的所有子協(xié)議，但是由于H.323更龐大與復雜，不易于管理與維護，并且它不是一個開放性的協(xié)議。與此相比，SIP則顯得更靈活，擴展性強。SIP協(xié)議只提供會話建立、呼叫控制的功能，因而建立呼叫的時間相對較短，SIP還需要與其他協(xié)議協(xié)同合作完成VoIP的具體通話任務。SIP協(xié)議目前已被廣泛應用到IMS網(wǎng)絡中，負責VoIP業(yè)務的實現(xiàn)。

1.2 語音編碼技術

由于傳輸用到的帶寬有限，因此需要將數(shù)據(jù)壓縮得盡可能小，來降低傳輸比特率。目前主流的編碼技術有波形編碼、參量編碼和混合編碼。VoIP應用中主流的波形編碼有 G.711、G.721、G.723、G.726和G.727，而G.728、G.729、Speex等則是主流的參數(shù)和混合編碼。這些編碼各有自己獨特的算法，速率、復雜度也不盡相同。

1.3 實時傳輸技術

實時傳輸技術用來保障壓縮數(shù)據(jù)可以有序，同步地到達接收方，便于接收方對數(shù)據(jù)進行解碼。目前VoIP系統(tǒng)中的實時傳輸技術主要是通過RTP協(xié)議實現(xiàn)的[2]。

1.4 QoS質量保障技術

為了保障服務質量，VoIP采用了資源預留協(xié)議RSVP以及實時傳輸控制協(xié)議RTCP。

RSVP信令協(xié)議，可以為網(wǎng)絡上的任何終端、主機之間建立的路徑保留帶寬，為數(shù)據(jù)傳輸預定、保證 QoS。RTCP在進程之間交換控制信息，對傳輸質量進行管理。在 RTP會話期間，參加會話的成員會間隔的傳送包含了已發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)量、丟包數(shù)量等統(tǒng)計數(shù)據(jù)的RTCP包。利用這些信息，服務器就可以動態(tài)調整傳輸速率乃至改變載荷類型。RTCP和RTP一般捆綁使用，可以有效地反饋，優(yōu)化傳輸效率[1]。

2 影響VoIP語音質量的因素

由于VoIP業(yè)務是通過因特網(wǎng)來傳輸封包，因此會產(chǎn)生封包延遲、掉包等。影響VoIP語音質量的因素主要有：時延、時延抖動、丟包率。

2.1 時延

數(shù)據(jù)從發(fā)話端傳輸?shù)浇邮斩怂枰臅r間即形成了時延。語音通信系統(tǒng)中，時延的增加會讓通話雙方感覺話音傳輸?shù)耐ｎD感，同時也會造成回音。對于公用電話網(wǎng)，延時一般只有50～70ms，而IP電話的延時較大、通常為150～250ms，因此，VoIP系統(tǒng)的時延一般控制在100ms～150ms內，否則語音質量難以保證。VoIP系統(tǒng)中，時延由存儲轉發(fā)時延，傳播時延及處理時延組成。

2.2 時延抖動

在一個VoIP呼叫過程中，所有發(fā)送的數(shù)據(jù)包經(jīng)不同路徑到達目的地的時間差異即形成了時延抖動。VoIP不同于傳統(tǒng)PSTN網(wǎng)絡，以固定速率進行傳輸，由于它在IP網(wǎng)絡上存在不同路由，而導致同一數(shù)據(jù)包之間也會有不同的時延，存在傳輸時間差，因此產(chǎn)生抖動 [3]。

2.3 丟包率

IP數(shù)據(jù)包傳輸?shù)倪^程中，丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)量占所發(fā)送數(shù)據(jù)包總量的比率即形成了丟包率指。不僅數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡中間傳輸過程中可能產(chǎn)生丟包，當話音網(wǎng)絡中超出抖動緩沖區(qū)所能承受的最大時延時也會產(chǎn)生丟包。丟包會造成話音信息的缺失，嚴重時會導致話音的不連貫，甚至無法準確收聽到對方的話音。丟包率主要與網(wǎng)絡的流量有關，它是影響話音質量的重要因素。通常情況下，語音業(yè)務的丟包率須要控制在1%以內。

3 改善VoIP語音通信質量的方法

為了保證VoIP通話的要求，可以從以下幾個方面進行改善。

3.1 優(yōu)化網(wǎng)絡環(huán)境

通過增加DSL或其他設備的頻寬，使得語音質量得到改善。需要注意編解碼所占頻寬的大小，還應該考慮封包成本。例如，G.711雖然只占64kbps，但是把封包成本計算在內，所需的實際頻寬超過100kbps。改善網(wǎng)絡環(huán)境就會增加投資成本，包括更換設備和增加頻寬。而且，由于網(wǎng)絡跨越范圍很廣，眾多設備當中可能有部分會發(fā)生故障，這時就會使得丟包率瞬間提高，這對于需要即時傳輸?shù)恼Z音封包來說有致命的影響。

3.2 選擇合適的編解碼

選擇合適的編解碼可以對抗瞬間爆發(fā)的丟包率。在窄頻環(huán)境中可使用iLBC，寬帶環(huán)境中可使用ISAC或G.711，這些編解碼可以在丟包率超過20%的情況下，MOS值仍然超過3.0的優(yōu)異效果。在選擇合適的編解碼的同時，還要保證當前頻寬能夠滿足編解碼的需求。如：iLBC至少在30kbps以上，G.711至少在80kbps以上。

3.3 服務質量保障（QoS）

QoS是將不同的封包（協(xié)議）進行標簽化處理，使得帶有特定標簽的封包（協(xié)議）能夠被優(yōu)先處理并傳送。QoS的算法多達數(shù)十種，有的機制可以通過結合其他的規(guī)則使得效果加以優(yōu)化。有的機制將不同的封包（協(xié)議）通過優(yōu)先等級隊列的方式，來保證優(yōu)先級別高的封包（協(xié)議）可以“插隊”處理與傳送。有的機制是將可用的帶寬進行分割、編制等級，讓不同的封包（協(xié)議）以不同的帶寬傳輸。更復雜的算法設計，還能使用“借用頻寬”的方式來加速封包的傳送。設備端能判斷鄰近的頻寬是否使用中，如果發(fā)現(xiàn)“隔壁”頻寬并未使用，就可以允許特定封包（協(xié)議）借用隔離的頻寬。有些算法甚至于針對優(yōu)先等級來決定頻寬借用問題，高優(yōu)先等級的封包（協(xié)議）可以借用低優(yōu)先等級的頻寬。反之，低優(yōu)先等級的封包或協(xié)議無法借用高優(yōu)先等級的頻寬[4]。

在VoIP系統(tǒng)中，通過QoS的技術雖然能確保語音封包優(yōu)先處理與傳送，但是如果此時網(wǎng)絡環(huán)境不良，優(yōu)先傳送的封包發(fā)生丟包情形，語音質量依舊會發(fā)生不穩(wěn)定或不良的情形。

3.4 使用顫音緩存

顫音是由于封包遲延產(chǎn)生的，可以在設備接受端使用部分內存作為緩沖區(qū)，將沒有到達的封包緩存，并對其進行排序，再按序播放，這樣可以改善顫音的現(xiàn)象。從理論上來講，緩存區(qū)越大效果越好，但是這樣會占用寶貴的內存資源。而且，由于聲音是實時的，顫音的處理要在有限時間內完成，因此，太大的緩存空間不但浪費內存，而且還可能使封包延遲更嚴重。

4 結束語

經(jīng)過上述分析可知，要想提高VoIP語音的通信質量，需要綜合多方面的因素考慮、權衡。要想徹底改變語音質量應該通過改善網(wǎng)絡環(huán)境，增加頻寬來實現(xiàn)。但是當網(wǎng)絡環(huán)境無法在短期內得到改善時，選擇合適的編解碼將優(yōu)于傳統(tǒng)的QoS的效果。本文提出的方法，將對VoIP系統(tǒng)語音通信質量的提高，推動VoIP業(yè)務的普及具有實際意義。

參考文獻：

[1] 林輝.基于SIP的嵌入式AndroidVoIP語音終端的研究與實現(xiàn)[D].華南理工大學碩士學位論文，2012.

[2] 徐韜.基于Android終端的小型VoIP系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].大連理工大學碩士學位論文，2011.

[3] 巴剛，羅衛(wèi)兵，遲曉剛.基于SIP的VoIP系統(tǒng)語音質量研究[J].機械管理開發(fā)，2011.6：45-48

[4] 楊正任，康仁財.改善網(wǎng)絡電話聲音質量的新技術[J].福建信息技術教育，2008.4：6-10