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基于AMR語音編解碼算法的VoIP系統(tǒng)

2010/07/06

　　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)網絡信道質量的好壞來自適應地選擇一種最佳的傳輸速率，從而使得合成后的語音質量有了更加良好的QoS保障。通過NS-2平臺下的仿真，實驗結果表明：新VoIP系統(tǒng)在網絡延時和數(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相關技術

1.1 NS-2網絡模擬器

　　NS-2(Network Simulator，version 2)是由加州大學伯克利分校開發(fā)的面向對象的、離散事件驅動的網絡模擬器，主要用于解決網絡研究方面的問題，目前NS-2可以用于模擬各種不同的通信網絡。它功能強大，模塊豐富，已經實現(xiàn)的主要模塊有：網絡傳輸協(xié)議(如TCP和UDP)，業(yè)務源流量產生器(如FTP、Telnet、Web、CBR和VBR)，路由隊列管理機制(如Droptail、FQ、RED和CBQ)，路由算法(如Dijkstra)，無線網絡WLAN、移動IP、衛(wèi)星通信網絡模塊、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象模型的開發(fā)機制，采用C++和OTcl兩種開發(fā)語言進行開發(fā)，它們之間采用TclCL進行自動連接和映射。NS-2的模擬可分為2個層次，其中第一個層次是基于OTcl的模擬，主要利用NS-2現(xiàn)有的網絡元素來實現(xiàn)模擬，因此無需對NS-2本身做任何修改，只需要編寫一個完整的OTcl腳本程序即可；另外一個層次是基于C++和OTcl的模擬，該層次中沒有所需的網絡元素，因此需要對NS-2進行擴展，添加所需要的網絡元素。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自適應技術的介紹

　　自適應多速率語音編碼(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應的不同信道編碼模式。其中，全速率信道模式下所對應的信道編碼模式為8種，半速率信道模式下所對應的信道編碼模式為6種，每種信道編碼模式都有一種信源編碼模式與之相對應。此外為了降低算法的復雜度，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數(shù)。在移動通信中，當信道模式固定后，通過測量歸一化的載(載波信號)干(干擾信號)比來估計當前信道的質量，度量級別為4個級別，分別為很差、差、好、很好。如果當前信道質量估計為較好或者好，則降低信道編碼速率、提高信源編碼速率，以此來提高重構后的語音質量；如果當前信道質量估計為差或者較差，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，因此具有很強的糾錯能力，但是重構后的語音質量不佳[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個階段。第一個階段，語音數(shù)據(jù)通過UDP協(xié)議打包從源點pc0-T開始發(fā)送，通過網關gk0、gk1轉發(fā)，將語音數(shù)據(jù)包轉發(fā)到目的地點pc0-R，從而實現(xiàn)節(jié)點0~5之間的語音數(shù)據(jù)通信；第二個階段，語音數(shù)據(jù)通過UDP協(xié)議打包從源點pc1-T開始發(fā)送，通過網關gk1和gk0轉發(fā)，將語音數(shù)據(jù)包轉發(fā)到目的地點pc1-R，從而實現(xiàn)節(jié)點6~1之間的語音數(shù)據(jù)通信。2個階段連續(xù)的傳輸過程構成了VoIP中語音數(shù)據(jù)的基本傳輸過程。此外，為了更加真實地模擬網絡資源的變化，設置了一個pc到pc的網絡數(shù)據(jù)量的傳輸過程。該過程為：網絡數(shù)據(jù)通過TCP協(xié)議打包從源點pc2-T開始發(fā)送，通過網關gk0和gk1轉發(fā)，將網絡數(shù)據(jù)包轉發(fā)到目的地點pc2-R，從而實現(xiàn)節(jié)點2~7之間的網絡數(shù)據(jù)的傳輸。通過設置不同的網絡數(shù)據(jù)流量可以來模擬當前網絡信道質量的好壞，從而為選擇不同的AMR信源編碼模式做準備。

Phone-Phone的VOIP模型

　　為了檢測網絡擁塞下新VoIP系統(tǒng)的性能，需要對上述語音模型的一些參數(shù)進行調整：(1)公共交換網(PSTN)傳輸帶寬的設定。節(jié)點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，設置此鏈路的傳輸帶寬為64 Kb，同理節(jié)點1~3之間、節(jié)點5~4之間、節(jié)點6~4之間的傳輸帶寬也設為64 Kb；(2)Internet網傳輸帶寬的設定。節(jié)點3~4之間的鏈路是用來模擬Internet網的，由于Internet網中傳輸數(shù)據(jù)量往往很大，而分配給每個用戶之間的傳輸帶寬是有限的，因此為了體現(xiàn)網絡帶寬的有限性，設置此鏈路的傳輸帶寬為1 Mb。同理節(jié)點2~3之間、節(jié)點4~7之間的傳輸帶寬也設為1 Mb；(3)當前網絡信道質量的度量。為了度量當前網絡信道質量，選取衡量VoIP系統(tǒng)性能的參數(shù)如時延、抖動、數(shù)據(jù)包丟失率等來作為衡量當前信道質量的參數(shù)。在本實驗中，選取的是在一定時間內的語音數(shù)據(jù)丟包率，其計算公式為：λ=Sd/SRTT，式中Sd為固定時間內丟失的語音包數(shù)目，SRTT為固定時間內發(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，各個模式下重構后的語音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)包丟失率來自適應地選取其中的3種，即：MR122、MR74、MR475[3]。選擇標準為：當λ≤1%時，選取MR122模式；當1%<3%時，選取MR475模式；初始信源編碼模式為MR122。

3 實驗結果與分析

　　新VoIP系統(tǒng)在NS-2平臺下的運行情況如圖2所示。在該運行模型中，節(jié)點2~7之間流量的大小代表了網關節(jié)點3~4之間鏈路的狀況。即當節(jié)點2~7之間傳送的網絡數(shù)據(jù)很大時(>1 Mb)，則認為節(jié)點3~4之間的鏈路發(fā)生了擁塞狀況；當節(jié)點2~7之間傳送的數(shù)據(jù)量較小時(<1 Mb)，則認為不會發(fā)生擁塞狀況。節(jié)點0~6是語音數(shù)據(jù)包的發(fā)送節(jié)點，且具有根據(jù)網絡質量來自適應地調整語音發(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分布流量產生器，這主要是考慮到話音激活檢測技術(VAD)對IP話音的影響[2]。

新VoIP系統(tǒng)運行過程

電子技術應用