P2P VoIP應用的性能評測

楊永銘　王喆 2008/09/24

圖1　實(shí)驗系統框架

　　3.2　網(wǎng)絡(luò )的度量衡量標準

　　實(shí)驗中需要評測的性能參數有：語(yǔ)音質(zhì)量和從S到R的數據傳輸率（它是Skype與GTalk適應性能的直接表現）。對于傳輸數據流的分析工具是tcpstat。

　　語(yǔ)音質(zhì)量的測評方法有幾種：一種是MOS（平均主觀(guān)值法）[6]，這是由ITU-T制定的一個(gè)較為主觀(guān)的評價(jià)方法，由直接參與到語(yǔ)音通信中的人來(lái)評定語(yǔ)音的質(zhì)量，語(yǔ)音質(zhì)量最終被評為1～5分，分數越高語(yǔ)音質(zhì)量越好。與MOS相比，E-model[7]是一種較為客觀(guān)的評估語(yǔ)音質(zhì)量的方法，關(guān)注影響語(yǔ)音質(zhì)量的全面的網(wǎng)絡(luò )損傷因素（如時(shí)延、抖動(dòng)、回音、編解碼等）。由于不能獲得有關(guān)Skype與GTalk編解碼器的信息，所以就無(wú)法采用此方法來(lái)評測語(yǔ)音質(zhì)量。實(shí)驗中所采用的是PESQ（感知評估通話(huà)質(zhì)量測評）[8]，此方法實(shí)際上是通過(guò)復雜信號處理，用PESQ算法對發(fā)送信號和接收信號進(jìn)行校準，然后評估這兩個(gè)信號間的差異，最終評測結果對應于MOS。

　　3.3　實(shí)驗描述

　　在一個(gè)可控的網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)下，對Skype和GTalk進(jìn)行評測。本文建立了4個(gè)具體的實(shí)驗，在這些實(shí)驗中以下幾個(gè)參數分別出現：信道容量、時(shí)延、丟包率和抖動(dòng)，這些參數值的選取是針對Skype與GTalk來(lái)具體確定[9]。
　　
　　實(shí)驗過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò )參數會(huì )被定義為幾個(gè)不同的值，在語(yǔ)音傳輸過(guò)程中，這些值是動(dòng)態(tài)變化的，在變化的每個(gè)階段，發(fā)送端會(huì )發(fā)送1 h的語(yǔ)音信號，接收端收到的是60個(gè)1 min的語(yǔ)音信號。實(shí)驗對Skype與GTalk是在相同狀況下重復進(jìn)行，Skype的版本為2.0.0.81，GTalk的版本為1.0.0.92。

4、性能評測

　　4.1　信道容量影響

　　在此實(shí)驗中，設定時(shí)延25 ms且沒(méi)有明顯的丟包和抖動(dòng)。要研究的是當信道容量逐漸變化（50 kbit/s、40 kbit/s、30 kbit/s、20 kbit/s、15 kbit/s）時(shí)，Skype與GTalk相應的變化。通過(guò)觀(guān)察傳輸率（見(jiàn)圖2）和PESQ MOS（見(jiàn)圖3），發(fā)現在信道容量為50 kbit/s時(shí)GTalk利用了更多的帶寬，傳輸速率比Skype更高。當信道容量變?yōu)?0 kbit/s時(shí)，GTalk發(fā)生了很明顯的變化，傳輸速率降低到了35 kbit/s。這個(gè)變化使得其PESQ MOS分數與Skype相比有所提高，而Skype的傳輸速率則接近信道容量。當信道容量變?yōu)?0 kbit/s時(shí)，兩者間差異不大。當信道容量為20 kbit/s時(shí)，Skype首次優(yōu)于Gtalk，當信道容量為15 kbit/s時(shí)，Skype的PESQ MOS分數比GTalk高5.5%。通過(guò)觀(guān)察知道，在容量為20 kbit/s時(shí)兩者的傳輸率相同，但PESQ MOS分數卻不一致，合理的解釋就是GTalk出現了很?chē)乐氐木W(wǎng)絡(luò )抖動(dòng)情況（如圖4所示）。

圖2　吞吐量隨信道容量變化狀況

圖3　PESQ MOS隨信道容量變化狀況

圖4　平均抖動(dòng)隨信道容量變化狀況

　　4.2　時(shí)延影響

　　網(wǎng)絡(luò )參數設置為信道容量50 kbit/s且沒(méi)有丟包和抖動(dòng)發(fā)生。確定幾個(gè)等級范圍，其中時(shí)延為1 ms、10 ms、100 ms時(shí)通話(huà)是可以接受的，時(shí)延為500 ms、1 000 ms時(shí)語(yǔ)音質(zhì)量就變得不可接受。對于Skype，時(shí)延對其服務(wù)質(zhì)量的影響更為明顯，如圖5所示，傳輸率從37.5 kbit/s降為19.36 kbit/s。然而，對于GTalk其傳輸率則沒(méi)有明顯變化。由圖6可知，在時(shí)延為1 ms、10 ms、100 ms時(shí)Skype的PESQ MOS高于GTalk，在時(shí)延為500 ms、1 000 ms時(shí)GTalk則略?xún)?yōu)于Skype。

圖5　不同時(shí)延下吞吐量的變化狀況

圖6　PESQ MOS隨時(shí)延的變化狀況

　　4.3　丟包影響

　　設置信道容量為50 kbit/s，時(shí)延為25 ms，沒(méi)有抖動(dòng)，丟包率分別定為0、1%、5%、10%、30%、40%。如圖7所示，GTalk對于丟包發(fā)生，沒(méi)有適應性機制。可以設想Skype對數據流增加了冗余信息來(lái)減少丟包對語(yǔ)音質(zhì)量的影響，這就解釋了在丟包率為1%、5%、10%時(shí)傳輸率的增長(cháng)。然而，Skype的這些適應機制并沒(méi)有使得PESQ MOS分數比GTalk高，如圖8所示。在丟包率為5%時(shí)，Skype添加了過(guò)多的冗余，消耗了過(guò)多的網(wǎng)絡(luò )帶寬，而PESQ MOS并沒(méi)有期待中的提高。

圖7　不同丟包率下的吞吐量的變化狀況

圖8　不同丟包率下的PESQ MOS變化狀況

　　4.4　抖動(dòng)影響

　　設置信道容量為50 kbit/s，沒(méi)有丟包，時(shí)延為100 ms，抖動(dòng)為0 ms、20 ms、40 ms、60 ms、80 ms。但是測量數據沒(méi)有顯示出任何適應性的跡象。在本實(shí)驗中抖動(dòng)只是改變了接收端的緩沖區大小，對數據流傳送沒(méi)有任何影響，并且實(shí)驗結果也顯示PESQ MOS或者說(shuō)語(yǔ)音質(zhì)量與抖動(dòng)沒(méi)直接關(guān)系，具體的實(shí)驗圖示不再贅述。

　　4.5　實(shí)驗分析

　　雖然實(shí)驗比較了VoIP的兩個(gè)應用GTalk與Skype，但目的不是要分出它們的優(yōu)劣，而是要找出普遍存在問(wèn)題，給VoIP的應用開(kāi)發(fā)商提出建議。

　　采用不同的編解碼方式，其對應的業(yè)務(wù)質(zhì)量可能不同。即使是使用相同的編解碼方式，也可能會(huì )表現出不同的語(yǔ)音質(zhì)量。對于VoIP的應用來(lái)說(shuō)，具有高效的適應機制來(lái)適應復雜可變的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境相當重要，適應性好的應用會(huì )更有優(yōu)勢，例如，當帶寬有限時(shí)，GTalk始終保持一個(gè)較高的傳輸率，從而產(chǎn)生了嚴重的抖動(dòng)和PESQ MOS分數的下降。另一方面，Skype在有較高時(shí)，傳輸率有明顯的下降，導致業(yè)務(wù)質(zhì)量更糟。

　　數據流中添加冗余信息可能會(huì )產(chǎn)生好的效果，如圖7、8所示，當丟包率小于10%時(shí)，Skype可以使PESQ MOS的分數保持在3分之上，GTalk沒(méi)有采用適應性機制，從而其語(yǔ)音質(zhì)量隨著(zhù)丟包率而線(xiàn)性下降。但是，也需要對添加冗余信息的量度有一個(gè)把握，否則會(huì )產(chǎn)生不好的效果，因此還需要進(jìn)一步地提出更有效的冗余設計方案來(lái)適應可變網(wǎng)絡(luò )。

5、結束語(yǔ)

　　本實(shí)驗比較了P2P VoIP的兩個(gè)應用Skype和Gtalk，討論了它們在網(wǎng)絡(luò )狀況變化時(shí)的動(dòng)態(tài)適應策略，并且通過(guò)PESQ MOS方法評估了它們語(yǔ)音質(zhì)量的優(yōu)劣。通過(guò)實(shí)驗可知：在理想的網(wǎng)絡(luò )狀況下，Skype表現得更好一些（兩者PESQ MOS的分數差別為0.1），總體而言它們的語(yǔ)音質(zhì)量還是較為接近。在網(wǎng)絡(luò )有較長(cháng)的時(shí)延時(shí)，Skype有不必要的適應性。當丟包情況發(fā)生時(shí)，GTalk沒(méi)有實(shí)施任何機制來(lái)提高其性能，與此同時(shí)，Skype使用數據冗余機制來(lái)對抗丟包以提高其語(yǔ)音質(zhì)量。在抖動(dòng)情況發(fā)生時(shí)，兩者都沒(méi)有很好的機制來(lái)提高其適應性。當有較長(cháng)的時(shí)延時(shí)，PESQ MOS并不是最佳的評估語(yǔ)音質(zhì)量的方法。所以，盡管實(shí)驗中包含有時(shí)延對語(yǔ)音質(zhì)量的影響結果，但這可能不是十分準確，有待于進(jìn)一步研究。另外，以上的實(shí)驗是Skype與GTalk分別進(jìn)行，之間沒(méi)有相互影響，若是VoIP的具體應用需要競爭相同的網(wǎng)絡(luò )資源時(shí)，它們的表現情況如何研究者需要進(jìn)一步的研究。

參考文獻

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