第三代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )應用中的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 )中也在穩步前進(jìn)，特別是在向3G邁進(jìn)的今天，可以預見(jiàn)VoIP在未來(lái)會(huì )成為話(huà)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(zhù)廣闊發(fā)展前景的同時(shí)，也面臨著(zhù)一些挑戰，比如QoS和如何有效的利用頻譜等。本文將先介紹VoIP在GPRS，UMTS中的應用框架和關(guān)鍵技術(shù)，最后再談?wù)勂銺oS的問(wèn)題。
1.VoIPin GPRS
VoIP在GPRS網(wǎng)絡(luò )中應用，需要解決的2個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是頭部壓縮和非標準的TBF。
1.1 頭部壓縮技術(shù)
IP包頭過(guò)長(cháng)是影響其在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中應用的一個(gè)重要問(wèn)題，解決這一問(wèn)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數據包頭的壓縮)。
頭部壓縮技術(shù)的原理是：語(yǔ)音編碼器生成的語(yǔ)音數據被逐層封裝成RTP，UDP和IP包。這樣的語(yǔ)音幀頭部長(cháng)度達到40 B，但是有效載荷只有15～30 B。這樣對于一個(gè)相同的語(yǔ)音流來(lái)說(shuō)，在連續的語(yǔ)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準，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?jì)H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(wú)法正確地更新上下文信息。所以必須提供相應的機制去監測上下文錯誤并去修復他。cRTP可以發(fā)送上下文更新請求來(lái)修復上下文，但是鏈路上的往返時(shí)間會(huì )影響這種修復機制的效率。
另一種高效且更適應蜂窩應用的方法是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(lái)修復上下文，即使在多個(gè)連續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，正是因為這些壓縮技術(shù)，才使得VoIP成為新的無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音業(yè)務(wù)的選擇變得切實(shí)可行。
1.2 非標準的TBF
TBF(Temporary Block Flow)是建立在移動(dòng)站和網(wǎng)絡(luò )之間的臨時(shí)數據通道，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假定大的應用數據包會(huì )在一個(gè)TBF中發(fā)送，當發(fā)送完畢后，他會(huì )釋放。當語(yǔ)音包連續發(fā)送時(shí)，頻繁地釋放和重建。這樣顯然無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)應用(如VoIP)端到端最小時(shí)延的要求，所以必須對TBF的釋放機制進(jìn)行修改。
一種選擇是建立一條半永久的TBF，即通話(huà)開(kāi)始建立TBF，通話(huà)結束釋放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用復用。此外，還可以有永久性的TBF，他相當于電路交換方式，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(lái)使實(shí)時(shí)數據(real time data)和普通數據(best effortdata)仍可被復用。
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。在UMTS中應用VoIP，結果是在UMTS中產(chǎn)生一個(gè)端到端的、高帶寬的IP會(huì )話(huà)，這相當于為移動(dòng)終端用戶(hù)打開(kāi)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。
在UMTS中應用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(guò)H.248來(lái)控制MG，同時(shí)他也完成SIP和ISUP的信令轉換。UMTS使用GPRS來(lái)傳輸數據流，對于語(yǔ)音他使用GPRS隧道協(xié)議GTP(GPRSTunneling Protocol)，這是針對分組交換移動(dòng)終端的，移動(dòng)性問(wèn)題可以通過(guò)GPRS協(xié)議來(lái)解決。用戶(hù)的個(gè)性業(yè)務(wù)可以通過(guò)兩種方式提供給虛擬家庭環(huán)境(VHE)，一種是在SIPServer上開(kāi)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IN業(yè)務(wù)需要時(shí)就可以觸發(fā)給SCP;另一種則是通過(guò)強大的第三方呼叫控制機制來(lái)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(mǎn)足多個(gè)目的，如用戶(hù)的安全性、QoS和帳戶(hù)/計費框架。AAA可以在自治域中為SIP呼叫建立提供QoS，也可以在用戶(hù)帳戶(hù)信息的基礎上來(lái)計費。OSP(Open SettlementProtocol)協(xié)議可以被業(yè)務(wù)提供者用來(lái)授權和計費。IPsec協(xié)議用來(lái)為IP電話(huà)網(wǎng)關(guān)授權。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(lái)詢(xún)問(wèn)(pull方式)。
3.3G中VoIP的業(yè)務(wù)質(zhì)量
VoIP的語(yǔ)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)量級別。
有4個(gè)指標決定了VoIP的質(zhì)量需求，括號里是他們應達到的要求。 (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(huà)音延遲(單向小于150 ms); (4)話(huà)音質(zhì)量(最小的回聲和干擾)。
這里面，話(huà)音延遲是最關(guān)鍵的問(wèn)題。
3.1 延遲的原因
話(huà)音延遲會(huì )產(chǎn)生很多問(wèn)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(wèn)題就被忽略，因為用戶(hù)不會(huì )察覺(jué)反射信號和先前語(yǔ)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 )必須有回聲控制或實(shí)現回聲消除的機制。另一個(gè)延遲問(wèn)題就是話(huà)音交迭。當單向延遲大于250 ms時(shí)，這個(gè)問(wèn)題就會(huì )出現，所以必須對端到端的延遲進(jìn)行限制。延遲可以分為以下幾種類(lèi)型：
(1)積累延遲或算法延遲(Accumulation Delay/Algorithmic Delay)
語(yǔ)音編碼器生成的語(yǔ)音采樣幀的大小是不同的，他既和語(yǔ)音編碼器的類(lèi)型有關(guān)，也和采樣時(shí)間有關(guān)(從125μs～ms級)。
(2)處理延遲
編碼和收集語(yǔ)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(lèi)型有關(guān)。而且，一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)數據包中要包括多個(gè)語(yǔ)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，相當于30 ms的話(huà)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 )轉發(fā)處理的函數。 (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(mǎn)足靈活性，系統必須有多種策略來(lái)使在消除抖動(dòng)的前提下，動(dòng)態(tài)調整緩沖區的大小，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大小適應計算出的抖動(dòng)。這種方法當網(wǎng)絡(luò )抖動(dòng)具有固定的特性時(shí)工作得很好，比如說(shuō)ATM。另一種方法是計算晚到分組的數目，并計算他們和成功處理分組數目之間的比例。這個(gè)比例用來(lái)調整抖動(dòng)緩沖區以達到預定的、允許的遲到分組比例。這種方法當分組到達間隔變化非常大時(shí)，如IP網(wǎng)絡(luò )，工作的非常好。
3.2 解決QoS問(wèn)題的方法
簡(jiǎn)而言之，用來(lái)使VoIP滿(mǎn)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。
排隊策略 基本的排隊策略可以被描述成FIFO，即先入先出。這會(huì )導致話(huà)音分組排在其他不重要的分組的后面。一種替代方法是WFQ，有權重的公平排隊，他有多個(gè)隊列，不同的隊列對應不同的類(lèi)型，每一種類(lèi)型的隊列分配相同的帶寬。這使得語(yǔ)音分組可以在其他一些高帶寬消耗程序，如FTP應用的同時(shí)，得以通過(guò)。
RSVP 通過(guò)RSVP，連接的端點(diǎn)就可以告知網(wǎng)絡(luò )他所需要的QoS種類(lèi)。這讓端點(diǎn)可以要求所需的帶寬和延遲。使用RSVP的應用程序可以得到反饋，看看自己的需求是否滿(mǎn)足，然后決定是否做出其他選擇。RSVP的一個(gè)缺點(diǎn)是他的應用規模，即無(wú)法大規模的在網(wǎng)絡(luò )中實(shí)現。 現在，介紹一些在接收端獲得QoS的方法：
分組丟失補償 可以采用插入新的語(yǔ)音分組，發(fā)送冗余信息，及兩者混合的方法。
回聲補償 ITU的G.165標準定義了回聲消除器的操作需求。回聲消除器比較收到的語(yǔ)音數據和先前發(fā)送的語(yǔ)音數據，一個(gè)數字過(guò)濾器會(huì )把收到的語(yǔ)音數據中屬于曾經(jīng)發(fā)送的語(yǔ)音數據消除。
慧聰網(wǎng)
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