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第三代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的VoIP技術(shù)

2009/09/02

　　VoIP技術(shù)不僅在固定網(wǎng)絡(luò)中獲得了巨大的成功，在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中也在穩(wěn)步前進(jìn)，特別是在向3G邁進(jìn)的今天，可以預(yù)見VoIP在未來會(huì)成為話音的主流技術(shù)。VoIPoW(VoIPover Wireless)即在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的VoIP在有著廣闊發(fā)展前景的同時(shí)，也面臨著一些挑戰(zhàn)，比如QoS和如何有效的利用頻譜等。本文將先介紹VoIP在GPRS，UMTS中的應(yīng)用框架和關(guān)鍵技術(shù)，最后再談?wù)勂銺oS的問題。

　　1.VoIPin GPRS

　　VoIP在GPRS網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用，需要解決的2個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是頭部壓縮和非標(biāo)準(zhǔn)的TBF。

　　1.1 頭部壓縮技術(shù)

　　IP包頭過長是影響其在無線網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的一個(gè)重要問題，解決這一問題的方案是采用頭部壓縮技術(shù)(RFC2508，低速串行鏈路下IP/UDP/RTP數(shù)據(jù)包頭的壓縮)。

　　頭部壓縮技術(shù)的原理是：語音編碼器生成的語音數(shù)據(jù)被逐層封裝成RTP，UDP和IP包。這樣的語音幀頭部長度達(dá)到40 B，但是有效載荷只有15～30 B。這樣對(duì)于一個(gè)相同的語音流來說，在連續(xù)的語音包中就有較高的冗余度。要降低這種冗余，必須使用壓縮算法。

　　IETF提供了多種包頭壓縮的標(biāo)準(zhǔn)，cRTP就是最有影響力的一種，他可以將40 B的包頭最小壓縮至2 B。用cRTP進(jìn)行頭部壓縮，必須維護(hù)上下文信息(Context，即未壓縮的在通路兩端上一次發(fā)送的包頭)，這樣，頭部僅僅攜帶上下文信息的變化即可。但是如果發(fā)生丟包或包被損壞，接收端就無法正確地更新上下文信息。所以必須提供相應(yīng)的機(jī)制去監(jiān)測上下文錯(cuò)誤并去修復(fù)他。cRTP可以發(fā)送上下文更新請(qǐng)求來修復(fù)上下文，但是鏈路上的往返時(shí)間會(huì)影響這種修復(fù)機(jī)制的效率。

　　另一種高效且更適應(yīng)蜂窩應(yīng)用的方法是ROCOO (Robust Checksum-based header Compression)。ROCCO在包頭提供了解壓縮器以及足夠的信息，使得可以在本地來修復(fù)上下文，即使在多個(gè)連續(xù)的包流失或損壞的情況下也是如此，這樣就消除了cRTP中會(huì)造成一些負(fù)面作用。

　　比較而言，ROCOO比cRTP具有更高的健壯性、壓縮比和容量，正是因?yàn)檫@些壓縮技術(shù)，才使得VoIP成為新的無線語音業(yè)務(wù)的選擇變得切實(shí)可行。

　　1.2 非標(biāo)準(zhǔn)的TBF

　　TBF(Temporary Block Flow)是建立在移動(dòng)站和網(wǎng)絡(luò)之間的臨時(shí)數(shù)據(jù)通道，在理想情況下他的上行時(shí)間為100～150 ms，下行時(shí)間為60～100 ms。TBF假定大的應(yīng)用數(shù)據(jù)包會(huì)在一個(gè)TBF中發(fā)送，當(dāng)發(fā)送完畢后，他會(huì)釋放。當(dāng)語音包連續(xù)發(fā)送時(shí)，頻繁地釋放和重建。這樣顯然無法滿足實(shí)時(shí)應(yīng)用(如VoIP)端到端最小時(shí)延的要求，所以必須對(duì)TBF的釋放機(jī)制進(jìn)行修改。

　　一種選擇是建立一條半永久的TBF，即通話開始建立TBF，通話結(jié)束釋放TBF。在非活動(dòng)狀態(tài)下(如靜音)，分配給TBF的資源可以被別的應(yīng)用復(fù)用。此外，還可以有永久性的TBF，他相當(dāng)于電路交換方式，即給MS分配一條永久性的PDTCH(Packet DataTraffic Channel)。永久性的TBF可以被優(yōu)化，來使實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(real time data)和普通數(shù)據(jù)(best effortdata)仍可被復(fù)用。

　　2.VoIPin UMTS

　　UMTS(Universal Mobile TelecommunicationSystems)是3G組織提出的全球可漫游的移動(dòng)通信系統(tǒng)。在UMTS中應(yīng)用VoIP，結(jié)果是在UMTS中產(chǎn)生一個(gè)端到端的、高帶寬的IP會(huì)話，這相當(dāng)于為移動(dòng)終端用戶打開一個(gè)多媒體業(yè)務(wù)的集合，而這正是UMTS致力的一個(gè)目標(biāo)。

　　在UMTS中應(yīng)用VoIP，需要下列的網(wǎng)絡(luò)元素：MSCServer，SIPServer，UTRANMG，PSTNMG，SG，HSS，AAA，同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)中使用SIP作為呼叫控制協(xié)議。

　　MGC通過H.248來控制MG，同時(shí)他也完成SIP和ISUP的信令轉(zhuǎn)換。UMTS使用GPRS來傳輸數(shù)據(jù)流，對(duì)于語音他使用GPRS隧道協(xié)議GTP(GPRSTunneling Protocol)，這是針對(duì)分組交換移動(dòng)終端的，移動(dòng)性問題可以通過GPRS協(xié)議來解決。用戶的個(gè)性業(yè)務(wù)可以通過兩種方式提供給虛擬家庭環(huán)境(VHE)，一種是在SIPServer上開發(fā)SSP，并把SIP的呼叫狀態(tài)模型映射到IN/CAMEL狀態(tài)模型(IN的移動(dòng)版本，Customized Application for Mobile NetworksEnhanced Logic)，這種SSP叫做SoftSSP，這樣VoIP就可以支持INAP和CAMELApplication Protocol(CAP)，當(dāng)IN業(yè)務(wù)需要時(shí)就可以觸發(fā)給SCP;另一種則是通過強(qiáng)大的第三方呼叫控制機(jī)制來定義新業(yè)務(wù)，如CGI和CPL(CallProcessing Language)。

　　除了上述的網(wǎng)絡(luò)元素和協(xié)議外，AAA(Authentication，Authorization and Accounting)功能也是必備的。使用AAA功能可以滿足多個(gè)目的，如用戶的安全性、QoS和帳戶/計(jì)費(fèi)框架。AAA可以在自治域中為SIP呼叫建立提供QoS，也可以在用戶帳戶信息的基礎(chǔ)上來計(jì)費(fèi)。OSP(Open SettlementProtocol)協(xié)議可以被業(yè)務(wù)提供者用來授權(quán)和計(jì)費(fèi)。IPsec協(xié)議用來為IP電話網(wǎng)關(guān)授權(quán)。許可控制策略可以用COPS(Common Outsourcing ProtocolService)作為許可策略。QoS策略可以被策略服務(wù)器安裝到路由器(push方式)，也可以由邊緣路由器向策略服務(wù)器來詢問(pull方式)。

　　3.3G中VoIP的業(yè)務(wù)質(zhì)量

　　VoIP的語音質(zhì)量不僅取決于VoIP硬件本身，也取決于傳送他的廣域網(wǎng)。一個(gè)有突發(fā)性丟包，延遲和抖動(dòng)的擁塞網(wǎng)絡(luò)，肯定會(huì)降低VoIP的質(zhì)量級(jí)別。

　　有4個(gè)指標(biāo)決定了VoIP的質(zhì)量需求，括號(hào)里是他們應(yīng)達(dá)到的要求。 (1)業(yè)務(wù)可用性(99.999%); (2)呼叫建立時(shí)間(本地呼叫小于2 s); (3)話音延遲(單向小于150 ms); (4)話音質(zhì)量(最小的回聲和干擾)。

　　這里面，話音延遲是最關(guān)鍵的問題。

　　3.1 延遲的原因

　　話音延遲會(huì)產(chǎn)生很多問題。首先是回聲，如果往返延遲(round-trip delay)小于50 ms，那么這個(gè)問題就被忽略，因?yàn)橛脩舨粫?huì)察覺反射信號(hào)和先前語音的差別。反之，如果超出50 ms，這在VoIP網(wǎng)絡(luò)中是普遍存在的，那么回聲就會(huì)很明顯。所以VoIP網(wǎng)絡(luò)必須有回聲控制或?qū)崿F(xiàn)回聲消除的機(jī)制。另一個(gè)延遲問題就是話音交迭。當(dāng)單向延遲大于250 ms時(shí)，這個(gè)問題就會(huì)出現(xiàn)，所以必須對(duì)端到端的延遲進(jìn)行限制。延遲可以分為以下幾種類型：

　　(1)積累延遲或算法延遲(Accumulation Delay/Algorithmic Delay)

　　語音編碼器生成的語音采樣幀的大小是不同的，他既和語音編碼器的類型有關(guān)，也和采樣時(shí)間有關(guān)(從125μs～ms級(jí))。

　　(2)處理延遲

　　編碼和收集語音樣本到包中所需要的時(shí)間。編碼時(shí)間和處理器的處理時(shí)間有關(guān)，也和算法類型有關(guān)。而且，一般來說，一個(gè)數(shù)據(jù)包中要包括多個(gè)語音編碼幀以減少冗余。例如，一個(gè)分組可能包括3個(gè)G.729編碼幀，相當(dāng)于30 ms的話音。這樣，在處理和收集中就會(huì)產(chǎn)生延遲。 (3)網(wǎng)絡(luò)延遲網(wǎng)絡(luò)的物理介質(zhì)和協(xié)議是造成延遲的另一個(gè)因素。網(wǎng)絡(luò)延遲是鏈路容量和網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)處理的函數(shù)。 (4)抖動(dòng)延遲

　　抖動(dòng)延遲是消除抖動(dòng)而使用緩沖造成的延遲。為了滿足靈活性，系統(tǒng)必須有多種策略來使在消除抖動(dòng)的前提下，動(dòng)態(tài)調(diào)整緩沖區(qū)的大小，使其最小化并減少延遲。一種方法是在一段時(shí)間里測量分組間隔的變化，并且不斷地使緩沖區(qū)大小適應(yīng)計(jì)算出的抖動(dòng)。這種方法當(dāng)網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)具有固定的特性時(shí)工作得很好，比如說ATM。另一種方法是計(jì)算晚到分組的數(shù)目，并計(jì)算他們和成功處理分組數(shù)目之間的比例。這個(gè)比例用來調(diào)整抖動(dòng)緩沖區(qū)以達(dá)到預(yù)定的、允許的遲到分組比例。這種方法當(dāng)分組到達(dá)間隔變化非常大時(shí)，如IP網(wǎng)絡(luò)，工作的非常好。

　　3.2 解決QoS問題的方法

　　簡而言之，用來使VoIP滿足QoS需求的方法有兩種，發(fā)送端的和接收端的。我們先介紹發(fā)送端的： 頭部壓縮 如上面提到的cRTP和ROCOO方法。

　　排隊(duì)策略 基本的排隊(duì)策略可以被描述成FIFO，即先入先出。這會(huì)導(dǎo)致話音分組排在其他不重要的分組的后面。一種替代方法是WFQ，有權(quán)重的公平排隊(duì)，他有多個(gè)隊(duì)列，不同的隊(duì)列對(duì)應(yīng)不同的類型，每一種類型的隊(duì)列分配相同的帶寬。這使得語音分組可以在其他一些高帶寬消耗程序，如FTP應(yīng)用的同時(shí)，得以通過。

　　RSVP 通過RSVP，連接的端點(diǎn)就可以告知網(wǎng)絡(luò)他所需要的QoS種類。這讓端點(diǎn)可以要求所需的帶寬和延遲。使用RSVP的應(yīng)用程序可以得到反饋，看看自己的需求是否滿足，然后決定是否做出其他選擇。RSVP的一個(gè)缺點(diǎn)是他的應(yīng)用規(guī)模，即無法大規(guī)模的在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)。 現(xiàn)在，介紹一些在接收端獲得QoS的方法：

　　分組丟失補(bǔ)償 可以采用插入新的語音分組，發(fā)送冗余信息，及兩者混合的方法。

　　回聲補(bǔ)償 ITU的G.165標(biāo)準(zhǔn)定義了回聲消除器的操作需求�；芈曄鞅容^收到的語音數(shù)據(jù)和先前發(fā)送的語音數(shù)據(jù)，一個(gè)數(shù)字過濾器會(huì)把收到的語音數(shù)據(jù)中屬于曾經(jīng)發(fā)送的語音數(shù)據(jù)消除。

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