移动通信语音处理-IP语音通信技术.doc
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1、通信网络实验(IP语音部分) 班 庞杰移动通信语音处理-IP语音通信技术摘要:IP语音通信是指通过IP数据网络传输电话呼叫的一种方式,它可以是互联网,也可是企业自己的内部网络。本文在对移动通信-IP语音通信技术发展进程进行概括的基础上,详细分析了语音通信技术的控制管理,企业系统测试和基于局域网的IP电话设计,并对其应用进行了更进一步的分析,最后本文对移动通信-IP语音通信技术的发展前景进行了展望。关键词:IP语音通信;控制管理;系统测试;局域网;IP电话设计 中图分类号:TN929.5Mobile Communications Voice Process Ip Voice Communicat
2、ions TechnologyAbstract : IP voice communication is a way of phone calls that is transmitted through the IP data network, it can be the Internet, but also can be the enterprises own internal network. This paper analyzed the voice communication technology management , enterprise system testing and IP
3、 phone desigment based on local net in detail based on the mobile communication-IP voice communication technology development prosesses in general and made a further analysis about examples of its application and finally it made a prospect of this mobile communication technology -IP voice communicat
4、ion technology .Keywords : IP voice communications; Control ;System testing ; Local net; IP phone desigment1. 引言语言是人类进行交流的重要手段,通信系统中最常见的数据形式就是语音。随着移动通信与网络技术的飞速发展,语音通信技术也在不断地进行更新并与之相融合。当前正处于通信网络特别是移动通信网络的转型期,各种各样的新技术不断涌现,但还没有哪种技术占据相对的优势。这对我国来说是百年难得的一次跨越数字鸿沟,在通信发展方面赶超发达国家的机会1。本文在对移动通信-IP语音通信技术发展进程进行概括
5、的基础上,详细分析了语音通信技术的控制管理和企业系统测试,并对其应用进行了更进一步的分析,最后本文对移动通信技术-IP语音通信技术的发展前景进行了展望。2. 移动通信-IP语音通信的发展历史现状以及原因随着互联网络覆盖范围的急剧扩大和使用领域的拓展,基于互联网络的IP语音通信也呈现出一派生机蓬勃的景象。2003年,互联网电话业务占国际长话市场的36,互联网电话已经对大型的电话公司构成重大威胁。据行业分析公司IDC分析,截止2007 年,VoIP设备市场总额已达到151 亿美元,年复合增长率为44。据Gartner Dataquest分析,截止2007年,服务供应商的VoIP服务市场总额有望达到
6、113 亿美元,平均年复合增长率达到27.2%。而据Frost & Sullivan关于IP语音的市场数据显示,2001年通过批发、零售方式销售的分组语音通话时间达60150亿分钟,2007年分组语音通话量已达到全部通话量的75%。另据CCID相关数据显示,2005年亚太地区(不包括日本)IP 语音市场规模达69亿美元。另据IDC分析,美国互联网电话市场从2003年的2.81亿美元增长到2007年67亿美元;著名咨询公司Analysys在2007年西欧的互联网电话业务收入达到25亿欧元,占电信市场业务收入的15%;该机构还指出,互联网电话已经取代传统交换系统,话音质量最终也可以与传统话音质量相
7、媲美,甚至更好。在亚洲,日本互联网电话业务发展也非常迅速,Yahoo BB的业务模式受到全球关注。中国互联网电话网络规模和流量在全球来说也名列前茅,且中国对互联网电话的重视程度很高。目前我国各大电信运营商都已开通互联网电话业务,提供IP语音服务并向规模化的方向发展,这对于每个电信运营商及众多设备厂商来说,无疑是一个巨大的市场契机。为什么IP语音的发展会有那么迅速呢?这除了归功于高速带宽技术的突破外,另一个基本原因是互联网电话通话费低廉,同时可以保证一定的语音质量。实质上这说明互联网网络利用率和自愈恢复能力要比电路交换网强,除此外,互联网电话还可以以近乎无限的方式,轻松实现系统扩容。除了通过网络
8、扩容,还可按需要,通过给IP语音网关添加额外的端口来实现。通过标准计算机轻松处理数据格式的语音数据。分段传送电话,保存或转发被叫端的应答信息或语音邮件。通过软件来实现基于IP的PBX功能。这意味着无需很大开支就能实现其它功能,如电话会议、转发和录音电话。用标准PC组件来设计并部署基于PC的PBX,比传统方式有更大价格优势。IP语音通信根据承载方式的不同,其实现方式也不尽相同。目前主要有两种:VoIP和TDMoIP2。3移动通信语音-IP语音通信技术的控制管理我们知道互联网电话本质就是通过网络技术实现与互联网和PSTN电话网的互连,互联网电话通信质量的好坏与互联网有很大的关系。3.1 制约IP语
9、音质量的主要因素(1)互联网的不可管理性互联网是一个全球性和开放性的基于TCP/IP技术的网络。这个网络最大的特点就是不可管理和不可控制,因此很难对其性能进行控制,也无法确认其时延、抖动和丢包率是否能满足语音业务的需求3。(2)互联网面向无连接的特性由于采用面向无连接网络技术,每一个语音包在网络中传输时会经过很多路由器。在每一个路由器中,所有的语音包都需要排队等待处理。路由器查看每一个语音包的包头确定将该包送往目的地方向的下一个节点。这样语音包的传送就可能会经历很长的时间,语音时延也可能达到无法容忍的地步。同时,每一个包经历的路径不同,就会造成时延变化很大,即语音抖动很大。另外,在网络拥塞的时
10、候,一些包还会被丢弃或等待很长的时间才被处理。由此可见,语音业务的传递密切依赖于网络情况,也即取决于路径跳数、链路类型、速率以及业务量的多少等因素4。3.2 互联网采用的UDP协议在互联网中,语音业务以包的形式传送。传送过程中会因物理线路、超时和网络拥塞等情况而引起丢包。虽然语音业务对于丢包率具有较高的容忍度,但是互联网在网络拥塞的情况下会大量丢包,同时又由于语音业务采用UDP协议,不能进行纠错和重发,大量丢包会严重影响语音通信的质量5。3.3 互联网路由机制互联网路由过程中的负载均衡机制和由于面向无连接引起的通话双方路径的不对称性,都会对语音通信的时延和抖动具有较大的影响。负载均衡使去往同一
11、目的地的业务可以分散在不同的路径上传输,这固然是互联网的一个优势,但是对语音业务来说,从源到目的地的语音包经过不同的路径传递,不同路径的时延有长有短,这样语音的抖动就无法控制。另外,由于互联网面向无连接的特性决定通话的A、B双方,从A到B语音经过的路径与从B到A语音经过的路径不相同。这样就有可能在一个方向上,语音包经过的路由器很少,物理电路非常好,语音时延非常小,语音质量也就非常好。然而,在另外一个方向上,语音包有可能要经过许多路由器,而且网络非常拥塞,导致语音时延相当大而且大量丢包,语音质量到了不可接受的地步。这样,正常的语音通信也无法实现6。4. 企业IP语音通信系统测试4.1性能测试性能
12、是评价设备整体能力的关键指标。VoIP的性能测试包括压力测试和稳定性测试:通常,压力测试是验证被测系统是否达到设置要求,稳定性测试是验证在大话务量背景下进行一些常保持的呼叫测试等。此外,需要在呼叫过程中检测一些呼叫参数(如语音质量),观察分析这些指标随时间变化的曲线,通过曲线分布能够验证高话务量的背景下对系统稳定性的影响,即反映被测系统的稳定性。VoIP系统性能测试要点主要是控制层面的处理能力测试,包括BHCA测试(检测被测设备单位时间内处理的话务量),CPS(Call attempts per second:每秒呼叫处理能力),以及信令和呼叫过程音是否会有延迟(比如主叫拨完号后多长时间可以听
13、到回铃音,此延迟能反映出用户的忍耐程度和网络性能之间的平衡问题)7。4.1.1 性能测试环境的设计8性能测试建议采用孤立结点方式的环境搭建方法,如图1所示。若被测对象为Server端,则需要用测试仪器仿真周围的节点(IP电话接入、网关模拟口接入、网关数字中继接入等),即把Server端孤立起来。同时测试条件及环境必须尽可能接近真实的网络应用:首先模拟真实的网络环境,使用网络模拟器完成一些网络损伤指标的设定(丢包率、网络延时、抖动等);其次注重实际的组网应用,注重真实的用户感受,不要仅仅关注与测试结果直接有关的数据,而要多方面考量各类指标。测试所用仪表主要包括呼叫模拟器和网络模拟器。网络模拟器用
14、于构造真实的网络环境;呼叫模拟器用于模拟多路呼叫,它与被测设备的连接接口通常有模拟口、中继口,网口三种类型。当使用模拟口电话终端用户的全部操作,包括模拟摘机、模拟拨号、模拟语音等等;当使用中继口连接时,呼叫模拟器可以模拟大量用户通过PBX中继线发来的呼叫;当使用网口连接时,呼叫模拟器可以模拟大量IP话机或者网关发起的注册与呼叫。Server网络模拟器(IP Cloud)IP网网关A网关B呼叫模拟器T1/E1数字中继模拟多路IP电话接入ServerFXS/FXO/E&M等模拟接口图1 性能测试环境以图1为例,将被测设备Server孤立起来,使用仪器模拟各种呼叫接入方式,设置模拟的终端用户采用同时
15、或轮流方式发起注册、通话或传真操作,并设置呼叫路数、呼叫间隙及呼叫轮次等。模拟一次完整呼叫流程:测试仪与被测设备进行呼叫建立阶段的信令连接,再通过测试仪发送或接收证实音来确认语音通道的建立,最后通过测试仪正常/异常的信令流程完成呼叫链路的释放。4.1.2 语音业务系统的处理能力的测试衡量处理能力主要是从测试系统在不同的信令、负载、编码条件下的呼叫建立时间、呼叫接通率以及长时保持率等指标中分析获得。(1)呼叫建立时间不同的测试要求和测试条件下,呼叫建立时间的含义会有所不同,一般是指从用户完成最后一个拨号,到用户听到回铃音的这段时间。呼叫建立时间的测试一般是在一定的预先设置条件下,用呼叫模拟器通过
16、用户线发出若干次呼叫,统计平均的呼叫建立时间。在不同的预置条件下(如网络环境、拨号方式和采用信令的不同),同一设备的呼叫建立时间会有较大的变化,因此测试时需要明确预置条件后再进行验证。(2)呼叫接通率一般而言,呼叫接通率是在一定的预先设置条件下,通过呼叫模拟器发起方统计成功呼叫次数与它发起的呼叫总次数的比值。一般的测试方法是:被测语音设备确定呼叫信令、呼叫方式、语音编解码后,利用呼叫模拟器,每次同时或轮流发起一组若干路的呼叫,每组之间间隔一定时间,每路接通后保持一定时间再拆线,间隔若干秒后再次呼叫,每路循环一定的次数。这些间隔时间、次数等各项呼叫参数均可在呼叫仪器上设置,测试人员可根据不同的情
17、况设置特定的经验值,在呼叫仪执行完毕后根据公式统计出呼叫接通率。网关侧的主要关注指标为并发呼叫时的呼通率,而Server的关注指标为CPS,该指标一般要求呼通率达到99.95%以上,同时将总的呼叫路数除以总的呼叫时长得出CPS值。BHCA指每小时呼叫处理能力,即CPS*3600。(3)长时呼叫保持率除了以上的常规测试外,还有一些特殊的关于呼叫接通率的测试,如长时呼叫保持率。该指标主要测试系统稳定性。通过呼叫模拟器发起一定数量的呼叫后,保持相当长的时间不拆线,同时在测试过程中检测话路是否仍然保持,通话质量是否好。通过检测语音质量和其他指标随时间变化的曲线,根据该曲线可以反映出系统稳定性的好与坏。
18、4.2 服务质量测试语音质量是衡量IP语音通信质量的关键指标之一。语音质量主要有三种ITU标准:(1)MOS(ITU-P.800):1-5分,5分最好,属于主观评价指标;(2)PSQM(ITU-P.861):0-6.5分,0分最好,属于客观评价指标;另外,PSQM+属于PSQM评分标准的扩展,评分标准与PSQM相同;(3)PESQ(ITU-P.862):-0.5-4.5分,4.5分最好,其中3.8被认为是传统电话网中可以接收的语音质量,属于客观评价指标,又称之为“话音清晰度”指标;另外,PESQ_LQ是PESQ评分标准的扩展,范围为1-4.5分,更接近于MOS的1-5分标准。PESQ只是测试单
19、个方向的语音质量,不能反应双向的声音的强度、丢包、延时、回波等9。5. 基于局域网的IP电话设计5.1 语音通讯语音通讯的基本原理是:对模拟语音信号经过模数转换,进行编码压缩后,按一定的打包规则将压缩帧转换成IP数据包通过数据网进行传输,在目的地经过数据解压、数模转换复原成话音,从而达到语音通信的目的。这部分是IP电话的难点,也是需要不断进行改进的地方。总的目标是在保证通话服务质量(QoS)的前提下,尽可能减少网络和系统资源的占用。在广域网语音通讯中,现有技术还不能完全达到二者兼顾。所幸对于局域网用户,现有的技术已经勉强可以达到要求。5.2 信令系统决定IP电话可用性的关键是要使双方能够知道对
20、方的IP地址,这并不太容易做到。以往的IP电话往往将重点集中于语音通讯模块的优化而忽视了信令系统的改进。为了得到对方IP,可以通过其他通讯方式,例如E-Mail ,OICQ信使服务、普通电话等办法获得,但这样就减少了系统的易用性;当然,也可以设置一个固定的“通话服务器”,采用类似于电信电话的“交换机”方式进行通话“路由”。但这样做势必造成服务器的负荷很重。此外,集中通过中转也必然造成服务器拥塞和丢包,通话延迟和语音质量难以改进。通过设置一个信令服务器的方式综合以上两种方式的优缺点。用户通话程序工作于半客户机状态,信令服务器负责客户的集中呼叫。当某一个客户呼叫,服务器负责中转呼叫,当被叫客户响应
21、呼叫并应答后,自主于呼叫方进行通话而不必经过信令服务器,这样,大幅度地减少了服务器的数据量。有了集中的信令服务器,也便于客户的管理,还可进行广播消息的发布。信令与驻留的管理程序相互配合,共同实现IP电话的基本通话逻辑和其他附加功能。信令系统可以设计得很复杂,也可以很简单,但必须完成以下功能:呼叫、应答、指示通话、挂断等基本功能。5.3 程序设计实现5.3.1 整体结构基于以上的技术和所在单位的网络资源,初步成功地开发了基于局域网的语音通讯软件。软件平台为Windows 98/ME/2000/XP;硬件平台为含全双工声卡、麦克风和音响的多媒体PC;开发工具为VisualBasic 60,Visu
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