關(guān)于Vol P語(yǔ)音時(shí)延的分析和研究

呂方舟

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

關(guān)鍵詞：VoIP；語(yǔ)音質(zhì)量；時(shí)延；QoS技術(shù)

在現(xiàn)代通信技術(shù)取得快速發(fā)展的同時(shí)，IP協(xié)議已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)通信的核心技術(shù)，能夠?yàn)檎Z(yǔ)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(yǔ)音信號(hào)傳輸。但就目前來(lái)看，VoIP語(yǔ)音存在時(shí)延，將給信號(hào)質(zhì)量帶來(lái)不良影響。因此，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)VoIP語(yǔ)音時(shí)延的分析，以便更好地進(jìn)行VoIP的推廣和應(yīng)用。

1 VoIP語(yǔ)音質(zhì)量問(wèn)題分析

VoIP為基于網(wǎng)絡(luò)之間互聯(lián)協(xié)議的語(yǔ)音通信，可以利用語(yǔ)音壓縮設(shè)備將語(yǔ)音進(jìn)行壓縮編碼處理，然后按照相關(guān)協(xié)議完成語(yǔ)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(lái)，然后進(jìn)行解壓解碼處理，則能得到原來(lái)的語(yǔ)音信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音傳輸。在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，VoIP具有較強(qiáng)的成本優(yōu)勢(shì)和便利性，如MSN，Skype等常用軟件都采用VoIP進(jìn)行語(yǔ)音通信。但就目前來(lái)看，VoIP語(yǔ)音質(zhì)量成了約束VoIP技術(shù)發(fā)展的重要因素。從VoIP語(yǔ)音質(zhì)量檢測(cè)情況來(lái)看，時(shí)常出現(xiàn)時(shí)延、抖動(dòng)和丟包問(wèn)題。相較于其他因素，時(shí)延因素對(duì)VoIP語(yǔ)音傳輸?shù)挠绊懽顬閲?yán)重，不僅會(huì)導(dǎo)致語(yǔ)音掩蓋，還會(huì)造成語(yǔ)音回聲。在時(shí)延超出250 ms時(shí)，語(yǔ)音通話將受到嚴(yán)重的語(yǔ)音掩蓋影響。在時(shí)延超出50 ms時(shí)，語(yǔ)音回聲則會(huì)影響語(yǔ)音通話。

2 VoIP語(yǔ)音時(shí)延的分類研究

從VoIP語(yǔ)音時(shí)延分類上來(lái)看，主要包含3種，即傳輸時(shí)延、處理時(shí)延和打包時(shí)延。

2.1 傳輸時(shí)延

傳輸時(shí)延為VoIP語(yǔ)音信號(hào)傳輸過(guò)程中發(fā)生的時(shí)延，包含傳輸時(shí)間、鏈路排隊(duì)時(shí)間、接入時(shí)間、中繼轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)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(lái)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(shí)延。在接入時(shí)延計(jì)算時(shí)，需要采用時(shí)延Taccess= LIP/RUP+LIP/Rdown）的式子，其中LIP指的是語(yǔ)音流的IP包長(zhǎng)，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(yǔ)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(yǔ)音數(shù)據(jù)包將產(chǎn)生10 ms的接入時(shí)延，以1.544 Mbit/s速率編碼的數(shù)據(jù)包接入線路時(shí)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(shí)延。

2.2 處理時(shí)延

處理時(shí)延由兩部分構(gòu)成，即編碼時(shí)延和解碼時(shí)延，分別利用T（code）和T（deco）表示。在語(yǔ)音信號(hào)發(fā)送的過(guò)程中，需要經(jīng)過(guò)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(shí)延。在語(yǔ)言編碼階段，需要利用編碼器對(duì)采樣幀信號(hào)進(jìn)行處理，所以編碼時(shí)延將受到數(shù)據(jù)幀時(shí)延T（frag）、處理時(shí)延T（proc）和前視時(shí)延T（la）的影響。其中，數(shù)據(jù)幀時(shí)延為語(yǔ)音流量用的時(shí)間長(zhǎng)度，幀為語(yǔ)音信號(hào)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(shí)延為利用編碼算法對(duì)語(yǔ)音幀進(jìn)行計(jì)算所花費(fèi)的時(shí)間，實(shí)際就是編碼器的處理時(shí)延。前視時(shí)延為下一幀長(zhǎng)度檢查花費(fèi)的時(shí)間，用于確認(rèn)相鄰語(yǔ)音幀間相關(guān)性。幀長(zhǎng)度為經(jīng)過(guò)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(zhǎng)可以看成是前視時(shí)延[1]。利用幀的長(zhǎng)，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(guò)程中，利用不同協(xié)議，將產(chǎn)生不同時(shí)延。例如，采用G.729協(xié)議，在數(shù)據(jù)幀時(shí)延和處理時(shí)延均為10 ms、前視時(shí)延為5 ms的條件下，其將產(chǎn)生25 ms的時(shí)延，比特率為8 kbit/s。而解碼時(shí)延通常比編碼時(shí)延小，為編碼時(shí)延的一半左右。

2.3 打包時(shí)延

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

分析VoIP語(yǔ)音時(shí)延產(chǎn)生的原因可以發(fā)現(xiàn)，在對(duì)模擬聲音信號(hào)進(jìn)行采集時(shí)，通過(guò)采樣、量化得到PCM信號(hào)需要將過(guò)壓縮處理。在這一階段，設(shè)備側(cè)容易出現(xiàn)編碼處理時(shí)延。因?yàn)榫湍壳皝?lái)看，得到廣泛使用的編碼技術(shù)依然為高時(shí)延編碼技術(shù)。由于編碼方式固定，這部分時(shí)延較為固定，所以難以解決時(shí)延問(wèn)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(duì)VoIP語(yǔ)音時(shí)延產(chǎn)生影響，想要改善這一情況，還要完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和結(jié)構(gòu)的改造。此外，VoIP語(yǔ)音采用的壓縮算法帶來(lái)的打包時(shí)延也為固定時(shí)延，與語(yǔ)音數(shù)據(jù)量相關(guān)，只有通過(guò)合理選擇壓縮算法才能減少打包數(shù)據(jù)量，實(shí)現(xiàn)DSP負(fù)荷的合理分配，繼而使打包時(shí)延得到改進(jìn)。

3 VoIP語(yǔ)音時(shí)延的解決方法探討

3.1 QoS技術(shù)核心思想

針對(duì)VoIP語(yǔ)音時(shí)延，可以引入QoS技術(shù)進(jìn)行解決。在IP電話網(wǎng)關(guān)中，語(yǔ)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(yǔ)音質(zhì)量良好，編碼時(shí)延為10 ms。在編碼器進(jìn)行數(shù)字語(yǔ)音輸出時(shí)，可以將數(shù)字語(yǔ)音放到RTP/UDP/IP包中，通過(guò)包化實(shí)現(xiàn)運(yùn)算簡(jiǎn)化。采取該種措施，可以在增加包頭的同時(shí)，進(jìn)行校驗(yàn)碼的計(jì)算。相較于編碼，包化的時(shí)延較小。完成包化后，需要將語(yǔ)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(duì)，還要按照不同規(guī)則將流量進(jìn)行分類，并通過(guò)擁堵管理實(shí)現(xiàn)隊(duì)列調(diào)度，以便使可調(diào)配流量進(jìn)入空閑隊(duì)。最后，通過(guò)實(shí)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(shí)，首先還要實(shí)現(xiàn)流量分類。具體來(lái)講，就是依據(jù)優(yōu)先級(jí)或服務(wù)級(jí)進(jìn)行流量劃分。在優(yōu)先級(jí)設(shè)置上，可以根據(jù)編碼字段進(jìn)行報(bào)文標(biāo)記，如果字段長(zhǎng)度為〃，可將報(bào)文分為類。針對(duì)IP報(bào)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(duì)源IP地址、源端口號(hào)、協(xié)議ID、目的端口號(hào)等各種報(bào)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(bào)文、優(yōu)先級(jí)、輸入接口等進(jìn)行報(bào)文分類，使不同報(bào)文進(jìn)入不同隊(duì)列。隊(duì)列主要有3種，一種為L(zhǎng)LQ低時(shí)延隊(duì)列，擁有較高的優(yōu)先級(jí)，可以進(jìn)行報(bào)文優(yōu)先發(fā)送。隊(duì)列帶寬較小，可以進(jìn)行小流量數(shù)據(jù)包存放，如IP語(yǔ)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(shí)延。帶寬保證列隊(duì)BQ可以為語(yǔ)音轉(zhuǎn)發(fā)類業(yè)務(wù)體用支持，對(duì)時(shí)延和帶寬進(jìn)行平衡。相比較而言，該種列隊(duì)帶寬更高，時(shí)延更大，如視頻信號(hào)、網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)包對(duì)時(shí)延要求較低，所以可以利用該隊(duì)列進(jìn)行信號(hào)傳輸。此外，針對(duì)BE業(yè)務(wù)，可以利用WFQ列隊(duì)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(guò)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(bào)文在接口擁堵時(shí)依然能夠以最小帶寬傳送。語(yǔ)音信號(hào)擁有較高的優(yōu)先級(jí)，則能不經(jīng)過(guò)排隊(duì)直接傳送，繼而達(dá)到降低時(shí)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(duì)ISP提供的廣域網(wǎng)鏈路，鏈路路由器和交換機(jī)會(huì)產(chǎn)生串行化、包化等時(shí)延。在用戶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同的情況下，產(chǎn)生的時(shí)延也不同[4]。針對(duì)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(duì)原始IP網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求，也能為語(yǔ)音業(yè)務(wù)的傳送提供質(zhì)量保障。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究可以發(fā)現(xiàn)，在VoIP語(yǔ)音信號(hào)傳輸方面，時(shí)延的產(chǎn)生將給語(yǔ)音信號(hào)質(zhì)量帶來(lái)不良影響。針對(duì)VoIP語(yǔ)音的傳輸時(shí)延、處理時(shí)延和打包時(shí)延，還要采用QoS等技術(shù)進(jìn)行處理，以便通過(guò)降低時(shí)延提高語(yǔ)音質(zhì)量，繼而為業(yè)務(wù)的開(kāi)展提供更多保障。

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