第三代移動網絡中的VoIP技術

2019-11-03 09:04:35

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供稿：網友

張曉鵬

西安電子科技大學計算機科學系

　　摘要：簡要論述了在第三代移動網絡中應用Voip所需解決的一些關鍵技術，討論VoIP在GPRS和UMTS中的應用，最后就VoIP的QoS問題進行了研究和分析。

　　關鍵詞：VoIPoW；GPRS；UMTS；cRTP；ROCOO

　　VoIP技術不僅在固定網絡中獲得了巨大的成功，在移動網絡中也在穩步前進，特別是在向3G邁進的今天，可以預見VoIP在未來會成為話音的主流技術。VoIPoW（VoIPover Wireless）即在移動網絡中的VoIP在有著廣闊發展前景的同時，也面臨著一些挑戰，比如QoS和如何有效的利用頻譜等。本文將先介紹VoIP在GPRS，UMTS中的應用框架和關鍵技術，最后再談談其QoS的問題。

1　VoIPin GPRS

　　VoIP在GPRS網絡中應用，需要解決的2個關鍵技術是頭部壓縮和非標準的TBF。

1．1　頭部壓縮技術

　　IP包頭過長是影響其在無線網絡中應用的一個重要問題，解決這一問題的方案是采用頭部壓縮技術（RFC2508，低速串行鏈路下IP／UDP／RTP數據包頭的壓縮）。

　　頭部壓縮技術的原理是：語音編碼器生成的語音數據被逐層封裝成RTP，UDP和IP包。這樣的語音幀頭部長度達到40 B，但是有效載荷只有15～30 B。這樣對于一個相同的語音流來說，在連續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。所以必須提供相應的機制去監測上下文錯誤并去修復他。cRTP可以發送上下文更新請求來修復上下文，但是鏈路上的往返時間會影響這種修復機制的效率。圖1就是這種壓縮標準的一個示意圖。

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，使得可以在本地來修復上下文，即使在多個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，才使得VoIP成為新的無線語音業務的選擇變得切實可行。

1．2　非標準的TBF

　　TBF（Temporary Block Flow）是建立在移動站和網絡之間的臨時數據通道，在理想情況下他的上行時間為100～150 ms，下行時間為60～100 ms。TBF假定大的應用數據包會在一個TBF中發送，當發送完畢后，他會釋放。當語音包連續發送時，頻繁地釋放和重建。這樣顯然無法滿足實時應用（如VoIP）端到端最小時延的要求，所以必須對TBF的釋放機制進行修改。

　　一種選擇是建立一條半永久的TBF，即通話開始建立TBF，通話結束釋放TBF。在非活動狀態下（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可以被優化，來使實時數據（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通信系統。在UMTS中應用VoIP，結果是在UMTS中產生一個端到端的、高帶寬的IP會話，這相當于為移動終端用戶打開一個多媒體業務的集合，而這正是UMTS致力的一個目標。

　　在UMTS中應用VoIP，需要下列的網絡元素：MSCServer，SIPServer，UTRANMG，PSTNMG，SG，HSS，AAA，同時在網絡中使用SIP作為呼叫控制協議。

　　MGC通過H．248來控制MG，同時他也完成SIP和ISUP的信令轉換。UMTS使用GPRS來傳輸數據流，對于語音他使用GPRS隧道協議GTP（GPRSTunneling Protocol），這是針對分組交換移動終端的，移動性問題可以通過GPRS協議來解決。用戶的個性業務可以通過兩種方式提供給虛擬家庭環境（VHE），一種是在SIPServer上開發SSP，并把SIP的呼叫狀態模型映射到IN／CAMEL狀態模型（IN的移動版本，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業務需要時就可以觸發給SCP；另一種則是通過強大的第三方呼叫控制機制來定義新業務，如CGI和CPL（CallProcessing Language）。

　　除了上述的網絡元素和協議外，AAA（Authentication，Authorization and Accounting）功能也是必備的。使用AAA功能可以滿足多個目的，如用戶的安全性、QoS和帳戶／計費框架。AAA可以在自治域中為SIP呼叫建立提供QoS，也可以在用戶帳戶信息的基礎上來計費。OSP（Open SettlementProtocol）協議可以被業務提供者用來授權和計費。IPsec協議用來為IP電話網關授權。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器安裝到路由器（push方式），也可以由邊緣路由器向策略服務器來詢問（pull方式）。

3　3G中VoIP的業務質量

　　VoIP的語音質量不僅取決于VoIP硬件本身，也取決于傳送他的廣域網。一個有突發性丟包，延遲和抖動的擁塞網絡，肯定會降低VoIP的質量級別。

　　有4個指標決定了VoIP的質量需求，括號里是他們應達到的要求。（1）業務可用性（99．999％）；（2）呼叫建立時間（本地呼叫小于2 s）；（3）話音延遲（單向小于150 ms）；（4）話音質量（最小的回聲和干擾）。

　　這里面，話音延遲是最關鍵的問題。

3．1　延遲的原因

　　話音延遲會產生很多問題。首先是回聲，如果往返延遲（round－trip delay）小于50 ms，那么這個問題就被忽略，因為用戶不會察覺反射信號和先前語音的差別。反之，如果超出50 ms，這在VoIP網絡中是普遍存在的，那么回聲就會很明顯。所以VoIP網絡必須有回聲控制或實現回聲消除的機制。另一個延遲問題就是話音交迭。當單向延遲大于250 ms時，這個問題就會出現，所以必須對端到端的延遲進行限制。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，也和采樣時間有關（從125μs～ms級）。從表1（來自cisco）中可以看出隨著編碼器的和采樣時間的不同，采樣延遲是不一樣的。

（2）處理延遲

　　編碼和收集語音樣本到包中所需要的時間。編碼時間和處理器的處理時間有關，也和算法類型有關。而且，一般來說，一個數據包中要包括多個語音編碼幀以減少冗余。例如，一個分組可能包括3個G．729編碼幀，相當于30 ms的話音。這樣，在處理和收集中就會產生延遲。（3）網絡延遲

　　網絡的物理介質和協議是造成延遲的另一個因素。網絡延遲是鏈路容量和網絡轉發處理的函數。（4）抖動延遲

　　抖動延遲是消除抖動而使用緩沖造成的延遲。為了滿足靈活性，系統必須有多種策略來使在消除抖動的前提下，動態調整緩沖區的大小，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。這種方法當網絡抖動具有固定的特性時工作得很好，比如說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。這個比例用來調整抖動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，如IP網絡，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，發送端的和接收端的。我們先介紹發送端的：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。這會導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，有權重的公平排隊，他有多個隊列，不同的隊列對應不同的類型，每一種類型的隊列分配相同的帶寬。這使得語音分組可以在其他一些高帶寬消耗程序，如FTP應用的同時，得以通過。

　　RSVP　通過RSVP，連接的端點就可以告知網絡他所需要的QoS種類。這讓端點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足，然后決定是否做出其他選擇。RSVP的一個缺點是他的應用規模，即無法大規模的在網絡中實現。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音分組，發送冗余信息，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?；芈曄鞅容^收到的語音數據和先前發送的語音數據，一個數字過濾器會把收到的語音數據中屬于曾經發送的語音數據消除。

摘自　現代電子技術

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