基于帶寬受限信道的IP話音傳輸

劉雪峰，呂先望，李志強(qiáng)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

VoIP通信技術(shù)實(shí)質(zhì)上是Voice語音編碼壓縮技術(shù)和IP網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)相結(jié)合的一門技術(shù)?；驹砑斑^程描述為：終端設(shè)備對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行模擬采樣、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和壓縮編碼處理、封包，同時(shí)添加控制信息及地址；通過IP網(wǎng)絡(luò)傳送到目的端；目的端語音數(shù)據(jù)包串起來，經(jīng)過解碼解壓處理后，恢復(fù)成原來的語音信號(hào)。與傳統(tǒng)語音服務(wù)相比，使用VoIP技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：能夠高效利用網(wǎng)絡(luò)資源，可以靈活提供增值服務(wù)，局域網(wǎng)絡(luò)用戶也可使用。

VoIP的信令控制協(xié)議主要包括 H.323 和 SIP，本文介紹的業(yè)務(wù)終端設(shè)備采用 SIP協(xié)議構(gòu)建。SIP協(xié)議是由IETF提出并主持研究的一個(gè)在IP網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行話音通信的應(yīng)用層控制協(xié)議，它被用來創(chuàng)建、修改和終止一個(gè)或多個(gè)會(huì)話進(jìn)程，通過代理功能和重定向請(qǐng)求到當(dāng)前用戶位置來實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶定位和用戶移動(dòng)性的支持。SIP協(xié)議有幾大優(yōu)點(diǎn)：采用文本編碼，使用請(qǐng)求/響應(yīng)模式；清晰地將會(huì)話建立和會(huì)話描述區(qū)分開，使得SIP存在本質(zhì)上的互操作性；具有互操作性和開放性，支持多種服務(wù)且具有多媒體協(xié)商能力，能夠在不同設(shè)備之間通過SIP服務(wù)器或其他網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進(jìn)行交互；由于SIP是基于文本的編碼方式，簡(jiǎn)單易懂，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。

傳統(tǒng)VoIP語音主要是基于IP網(wǎng)絡(luò)傳輸，單路話音傳輸網(wǎng)絡(luò)開銷多、占用帶寬大，不適用于帶寬受限的窄帶無線信道傳輸。為解決在帶寬受限的非IP信道傳輸多路VoIP 話音的需求，本文提出一種IP 話音在非IP信道傳輸?shù)腎P話音處理方法，可滿足在低速信道(帶寬128 kbps)同時(shí)傳輸16路IP話音，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一種基于SIP協(xié)議、雙網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的綜合業(yè)務(wù)終端。

1 話音處理原理

基于SIP協(xié)議的VoIP數(shù)據(jù)包分為信令數(shù)據(jù)包和話音數(shù)據(jù)包：信令數(shù)據(jù)包在會(huì)話建立和結(jié)束時(shí)才會(huì)使用，占用的帶寬??；話音數(shù)據(jù)包為基于RTP協(xié)議以UDP模式傳送的數(shù)據(jù)流，采用壓縮率較大的G.723標(biāo)準(zhǔn)，在發(fā)送間隔為30 ms時(shí)，話音包大約占用24 kbps的帶寬，在128 kbps的低速信道下，僅支持傳輸5路標(biāo)準(zhǔn)話音。為了提高傳輸效率，滿足16路話音的傳輸需求，采用僅傳送話音數(shù)據(jù)凈荷、話音信令分離、與信道傳輸幀結(jié)構(gòu)相結(jié)合的IP話音處理方法。具體工作原理如下：

將傳輸信道劃分為1個(gè)信令通道和16個(gè)話音通道，其中信令通道占用帶寬25.6 kbps，每路話音通道占用帶寬僅為6.4 kbps，此處話音編碼采用G.723-2標(biāo)準(zhǔn)，壓縮速率為5.4 kbps。需要對(duì)IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行兩次拆包/打包處理：一次是發(fā)送端對(duì)IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行拆包處理，去掉IP數(shù)據(jù)包頭和RTP數(shù)據(jù)包頭，僅留信令和話音數(shù)據(jù)凈荷。根據(jù)解析的SIP信令分配對(duì)應(yīng)話音時(shí)隙，不同目的IP地址的話音媒體包分別占用幀結(jié)構(gòu)中不同的話音時(shí)隙，同時(shí)插入自定義識(shí)別標(biāo)志頭重新打包在信道上傳輸；另一次是接收端利用信道幀結(jié)構(gòu)同步信息，從信道傳輸數(shù)據(jù)中分解SIP信令信息，對(duì)接收的SIP信令同樣解析，得到對(duì)應(yīng)的話音媒體時(shí)隙后根據(jù)識(shí)別標(biāo)志頭對(duì)話音媒體包進(jìn)行恢復(fù)，再對(duì)IP數(shù)據(jù)包頭和RTP數(shù)據(jù)包頭進(jìn)行還原處理，重新封裝IP協(xié)議數(shù)據(jù)包送SIP服務(wù)器進(jìn)行處理。

2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按時(shí)隙的概念對(duì)信道進(jìn)行劃分，采用信令與話音數(shù)據(jù)分離的方式，盡量減少信道開銷。幀頻選擇2.5 ms，總幀長(zhǎng)為320 bit。信道分配包括：幀同步信息8 bit，信令時(shí)隙長(zhǎng)32 bit，占用帶寬12.8 kbps；話音最大需求16路，占用16時(shí)隙，每路話音的長(zhǎng)度16 bit，占用帶寬6.4 kbps。而采用G723.2話音壓縮編碼，語音可壓縮到5.4 kbps，滿足幀結(jié)構(gòu)時(shí)隙帶寬要求。這樣的帶寬分配既可以保證語音有一定的質(zhì)量保證，又可以使信令有一定的接續(xù)速度。幀結(jié)構(gòu)具體設(shè)計(jì)如圖1所示。由圖中可以看出，使用這種幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳輸時(shí)，在128 kbps的信道上，可以傳輸16路基于G.723的IP話音。

幀同步161514131211109876543210幀同步(8bit)信令時(shí)隙(64bit)話音時(shí)隙0～15(每路16bit)

圖1 幀結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 RTP數(shù)據(jù)包去IP包頭/RTP包頭

RTP數(shù)據(jù)包的IP包頭格式如圖2所示，包含版本、頭長(zhǎng)度及區(qū)分服務(wù)等十多項(xiàng)內(nèi)容。需要復(fù)原的信息就只有源目的IP地址，源目的端口，其他信息可以默認(rèn)生成，其中源目的IP地址和源目的端口可以通過解析SIP信令中的相關(guān)SDP信息得到。

圖2 IP數(shù)據(jù)包的包頭格式

RTP數(shù)據(jù)包格式如圖3所示，包頭前12字節(jié)為固定字節(jié)，時(shí)間戳等本身是隨機(jī)數(shù)，可以在收端重新生成，編碼方式等為已知，同步源標(biāo)識(shí)符(SSRC)在本項(xiàng)目中意義不大，可以用信道號(hào)生成。

圖3 RTP數(shù)據(jù)包格式

通過以上分析可知，IP數(shù)據(jù)包頭和RTP數(shù)據(jù)包頭是為了在IP通道里標(biāo)記發(fā)出和目的地址的，但在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)姆荌P通道沒有用到，因此可以采用將2種數(shù)據(jù)包頭去掉收端再還原的方式，信道僅傳輸信令和話音數(shù)據(jù)凈荷，以提高信道業(yè)務(wù)的利用率，減少冗余開銷。去掉的數(shù)據(jù)為IP數(shù)據(jù)包頭和RTP數(shù)據(jù)包頭前32 Byte，其中IP數(shù)據(jù)包頭20 Byte，RTP數(shù)據(jù)包頭12 Byte。

2.3 數(shù)據(jù)凈荷的打包/拆包

為了接收端能夠正確在數(shù)據(jù)幀流里解出去掉IP數(shù)據(jù)包頭和RTP數(shù)據(jù)包頭的信令/話音凈荷，需要在一包完整的信令/話音凈荷的頭部添加一個(gè)識(shí)別標(biāo)志頭，識(shí)別標(biāo)志頭設(shè)為特殊字符，話音包里不會(huì)出現(xiàn)，并且插入多個(gè)以便于區(qū)分，同時(shí)根據(jù)信道帶寬限制，選取合適數(shù)量的識(shí)別標(biāo)志，設(shè)計(jì)插入4個(gè)字節(jié)。對(duì)方收到數(shù)據(jù)幀流后，通過檢索識(shí)別標(biāo)志頭，并按包長(zhǎng)度還原信令/話音數(shù)據(jù)包。具體實(shí)現(xiàn)過程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)凈荷的打包/拆包過程

2.4 RTP數(shù)據(jù)包恢復(fù)

RTP數(shù)據(jù)包恢復(fù)包括RTP包頭還原和IP包頭還原，其中RTP包頭中時(shí)間戳使用重新生成的隨機(jī)數(shù)填充，編碼方式填充固定的G.723編碼，其他默認(rèn)即可；IP包頭中源目的IP和源目的端口通過信令交互得到進(jìn)行填充，其他默認(rèn)生成。

3 分析對(duì)比

通過計(jì)算可得，傳輸相同路數(shù)IP話音，基于標(biāo)準(zhǔn)IP協(xié)議與經(jīng)過話音處理后所占傳輸帶寬的對(duì)比情況，如表1所示?？梢钥闯觯c標(biāo)準(zhǔn)VOIP傳輸方式相比，采用IP話音數(shù)據(jù)處理后占用傳輸帶寬明顯降低，傳輸16路話音時(shí)，傳輸信道帶寬僅需115.2 kbps，并且隨著傳輸話音路數(shù)的增加，所節(jié)約的帶寬比例也隨之變大，最多時(shí)可節(jié)約62.5%的帶寬。

表1 各種傳輸方式的傳輸帶寬

話音路數(shù)標(biāo)準(zhǔn)傳輸帶寬/kbps處理后傳輸帶寬/kbps節(jié)約帶寬比例/%119.219.20238.425.633.3357.63244.4476.838.45059644.853.36115.251.255.57134.457.657.18153.66458.39172.870.459.31019276.86011211.283.260.612230.489.661.113249.69661.514268.8102.461.915288108.862.216307.2115.262.5

4 結(jié)束語

針對(duì)帶寬受限信道，采用IP話音處理方法，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于SIP協(xié)議適用于窄帶非IP信道的綜合業(yè)務(wù)終端設(shè)備，并在工程實(shí)踐中進(jìn)行了話音傳輸容量的試驗(yàn)。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，在128 kbps的傳輸帶寬下，16路電話能夠同時(shí)進(jìn)行呼叫連接，并持續(xù)正常通話。采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方案所設(shè)計(jì)的綜合業(yè)務(wù)終端設(shè)備適應(yīng)電路交換和IP交換體制，有效改善了窄帶通信傳輸利用率的問題，適用于帶寬受限無線信道的綜合業(yè)務(wù)傳輸。