摘  要： 提出了一種基于自適應(yīng)多速率算法的新VoIP系統(tǒng)方案，該方案可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)信道質(zhì)量的好壞來自適應(yīng)地選擇一種最佳的語音傳輸模式,，從而在一定程度上保障了重構(gòu)后的語音質(zhì)量,。在NS-2仿真平臺(tái)下，通過與傳統(tǒng)VoIP體系比較發(fā)現(xiàn),，所提出的新VoIP系統(tǒng)方案在語音QoS保障方面明要顯優(yōu)于傳統(tǒng)VoIP系統(tǒng),。
關(guān)鍵詞： VoIP；自適應(yīng)多速率算法,；自適應(yīng),；NS-2

    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(diǎn),，其中IP電話系統(tǒng)(VoIP)就是其中一個(gè)重要分支[1],。但是由于VoIP要求會(huì)話雙方要實(shí)時(shí)傳輸語音數(shù)據(jù)，對(duì)語音的實(shí)時(shí)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(shí),，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(shí),，連續(xù)的語音包丟失現(xiàn)象就會(huì)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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此也提出了若干應(yīng)對(duì)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(jī)制(RSVP)協(xié)議、差分服務(wù)等,，但是這些策略在對(duì)實(shí)時(shí)語音起到保障作用的同時(shí)，又導(dǎo)致了核心路由器的嚴(yán)重開銷,，最終使得整個(gè)VoIP系統(tǒng)的可擴(kuò)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(tái)下的仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：新VoIP系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)延時(shí)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蟮摹㈦x散事件驅(qū)動(dòng)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(qiáng)大,，模塊豐富,，已經(jīng)實(shí)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(duì)列管理機(jī)制(如Droptail,、FQ、RED和CBQ),，路由算法(如Dijkstra),，無線網(wǎng)絡(luò)WLAN、移動(dòng)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(duì)象模型的開發(fā)機(jī)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(dòng)連接和映射,。NS-2的模擬可分為2個(gè)層次，其中第一個(gè)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(shí)現(xiàn)模擬,，因此無需對(duì)NS-2本身做任何修改，只需要編寫一個(gè)完整的OTcl腳本程序即可,；另外一個(gè)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(duì)NS-2進(jìn)行擴(kuò)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(dòng)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(duì)應(yīng)的不同信道編碼模式,。其中,，全速率信道模式下所對(duì)應(yīng)的信道編碼模式為8種，半速率信道模式下所對(duì)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(duì)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?cái)?shù),。在移動(dòng)通信中，當(dāng)信道模式固定后,，通過測(cè)量歸一化的載(載波信號(hào))干(干擾信號(hào))比來估計(jì)當(dāng)前信道的質(zhì)量,，度量級(jí)別為4個(gè)級(jí)別，分別為很差,、差,、好、很好,。如果當(dāng)前信道質(zhì)量估計(jì)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(jì)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(qiáng)的糾錯(cuò)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(gè)階段,。第一個(gè)階段,，語音數(shù)據(jù)通過UDP協(xié)議打包從源點(diǎn)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(diǎn)pc0-R,，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)0~5之間的語音數(shù)據(jù)通信,；第二個(gè)階段，語音數(shù)據(jù)通過UDP協(xié)議打包從源點(diǎn)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(diǎn)pc1-R，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)6~1之間的語音數(shù)據(jù)通信,。2個(gè)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(shí)地模擬網(wǎng)絡(luò)資源的變化,，設(shè)置了一個(gè)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(diǎn)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(diǎn)pc2-R,，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)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,。

    為了檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)擁塞下新VoIP系統(tǒng)的性能，需要對(duì)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(diǎn)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(diǎn)1~3之間,、節(jié)點(diǎn)5~4之間、節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(gè)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(diǎn)2~3之間,、節(jié)點(diǎn)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(shí)延、抖動(dòng),、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(shí)驗(yàn)中，選取的是在一定時(shí)間內(nèi)的語音數(shù)據(jù)丟包率,，其計(jì)算公式為：λ=Sd/SRTT,，式中Sd為固定時(shí)間內(nèi)丟失的語音包數(shù)目，SRTT為固定時(shí)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(gè)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(shí)，選取MR122模式,；當(dāng)1%<λ≤3%時(shí),，選取MR74模式；當(dāng)λ>3%時(shí),，選取MR475模式,；初始信源編碼模式為MR122,。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
    新VoIP系統(tǒng)在NS-2平臺(tái)下的運(yùn)行情況如圖2所示。在該運(yùn)行模型中,，節(jié)點(diǎn)2~7之間流量的大小代表了網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)3~4之間鏈路的狀況,。即當(dāng)節(jié)點(diǎn)2~7之間傳送的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)很大時(shí)(>1 Mb)，則認(rèn)為節(jié)點(diǎn)3~4之間的鏈路發(fā)生了擁塞狀況,；當(dāng)節(jié)點(diǎn)2~7之間傳送的數(shù)據(jù)量較小時(shí)(<1 Mb),，則認(rèn)為不會(huì)發(fā)生擁塞狀況。節(jié)點(diǎn)0~6是語音數(shù)據(jù)包的發(fā)送節(jié)點(diǎn),，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(cè)技術(shù)(VAD)對(duì)IP話音的影響[2],。

    此外，為了更加方便和有效地分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),，需要對(duì)上述VoIP模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,，簡(jiǎn)化后的VoIP傳輸模型如圖3所示。其中節(jié)點(diǎn)2為網(wǎng)關(guān),，節(jié)點(diǎn)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(diǎn),；節(jié)點(diǎn)0為語音數(shù)據(jù)包的發(fā)送節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)1為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量的發(fā)送節(jié)點(diǎn),。

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

    通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，網(wǎng)絡(luò)擁塞下的新VoIP系統(tǒng)在時(shí)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(shí)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(shí)時(shí)語音傳輸?shù)淖畲髸r(shí)延要求),。此外由于新VoIP系統(tǒng)采用了自適應(yīng)機(jī)制,，故而在上升的趨勢(shì)上，前者沒有后者的上升趨勢(shì)快,，時(shí)延時(shí)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(shì),，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(jī)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(jī)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(shí)，由于用到了MR74模式,，之后數(shù)據(jù)包丟失率又有了一個(gè)上升趨勢(shì),，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(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,，新系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)時(shí)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,。
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