VoIP語(yǔ)音通訊延遲檢測(cè)方法的研究

李真，馬旭超，蘇志斌，任慧

(中國(guó)傳媒大學(xué)自動(dòng)化系，北京100024)

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VoIP語(yǔ)音通訊延遲檢測(cè)方法的研究

李真，馬旭超，蘇志斌，任慧

(中國(guó)傳媒大學(xué)自動(dòng)化系，北京100024)

摘要：針對(duì)無(wú)法量化VoIP語(yǔ)音通訊延遲的現(xiàn)狀，提出一種精確測(cè)量語(yǔ)音通訊延遲的方法。該方法按照通訊協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)上不定時(shí)地發(fā)送并接收插入自定義數(shù)據(jù)的語(yǔ)音包，然后通過(guò)發(fā)送和接收到此語(yǔ)音包的時(shí)間差來(lái)量化延遲。本研究不僅在實(shí)際運(yùn)行中不影響原有的語(yǔ)音通信功能，同時(shí)還可對(duì)整個(gè)VoIP系統(tǒng)的語(yǔ)音質(zhì)量評(píng)估提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：VoIP；語(yǔ)音質(zhì)量；通訊延遲；通信協(xié)議

1引言

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的大力發(fā)展催生了VoIP技術(shù)，該技術(shù)打破了傳統(tǒng)的語(yǔ)音通話模式。自VoIP出現(xiàn)以來(lái)，許多利用IP網(wǎng)絡(luò)提供實(shí)時(shí)語(yǔ)音服務(wù)的即時(shí)網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音軟件也應(yīng)運(yùn)而生。各大企業(yè)組織機(jī)構(gòu)等在信息化建設(shè)過(guò)程中，除電話、郵件等傳統(tǒng)通信方式外，為了實(shí)現(xiàn)辦公成本的最低化[1]，越來(lái)越多的內(nèi)部通信都采用VoIP技術(shù)[1]。VoIP相關(guān)技術(shù)的研究包括很多方面，其中一個(gè)重要方面就是VoIP的語(yǔ)音質(zhì)量保證(QoS)問(wèn)題。而影響VoIP語(yǔ)音通信質(zhì)量的主要因素有時(shí)延、抖動(dòng)、分組丟失問(wèn)題，其中時(shí)延問(wèn)題又會(huì)對(duì)語(yǔ)音質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。時(shí)延會(huì)引起回聲，當(dāng)時(shí)延比較小時(shí)，回聲感覺(jué)不明顯，當(dāng)往返總時(shí)延超過(guò)100ms左右，發(fā)話者就能夠聽(tīng)到自己的回聲，如果回聲傳輸路徑損耗比較大，就能聽(tīng)到多次回聲，從而嚴(yán)重影響通話質(zhì)量。當(dāng)時(shí)延過(guò)大時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)一方講話另一方很久聽(tīng)不到的現(xiàn)象，對(duì)于要求時(shí)間節(jié)點(diǎn)精確的VoIP語(yǔ)音應(yīng)用場(chǎng)合會(huì)造成嚴(yán)重的故障。目前VoIP語(yǔ)音通訊延遲測(cè)量只能通過(guò)主觀感受來(lái)判斷，無(wú)法量化。因此，本文提出了一種對(duì)局域網(wǎng)VoIP語(yǔ)音通訊延遲的測(cè)量方法，通過(guò)在內(nèi)部通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中加入測(cè)量PC，并為該P(yáng)C安裝雙網(wǎng)卡，一個(gè)網(wǎng)卡作為網(wǎng)絡(luò)上的發(fā)送端按照相應(yīng)通訊協(xié)議發(fā)送語(yǔ)音包，一個(gè)用來(lái)在接收端監(jiān)聽(tīng)接收端接收到的語(yǔ)音包，然后該P(yáng)C中的延遲檢測(cè)模塊通過(guò)發(fā)送和接收到此語(yǔ)音包的時(shí)間差來(lái)量化延遲，從而達(dá)到精確地量化通訊延遲的目的。

2VoIP內(nèi)部通信系統(tǒng)

2.1VoIP通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)拓?fù)?/p>

網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)等設(shè)備要實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，就需要以一定的結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行連接。目前常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有以下四大類：星型結(jié)構(gòu)、環(huán)型結(jié)構(gòu)、總線型結(jié)構(gòu)、星型和總線型結(jié)合的復(fù)合型結(jié)構(gòu)[2]。常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。基于VoIP的語(yǔ)音通信軟件可以安裝在這些終端也就是PC機(jī)上供內(nèi)部通信使用。

2.2VoIP通信語(yǔ)音傳輸過(guò)程

VoIP語(yǔ)音信號(hào)傳輸過(guò)程如圖2所示。

(1)模數(shù)轉(zhuǎn)換

終端1接收到的語(yǔ)音信號(hào)是模擬信號(hào)，首先需要將模擬信號(hào)通過(guò)量化轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

(2)音頻壓縮編碼

對(duì)語(yǔ)音信號(hào)量化為數(shù)字信號(hào)后，需要通過(guò)對(duì)數(shù)字信號(hào)壓縮編碼，使其符合RTP-實(shí)時(shí)應(yīng)用程序傳輸協(xié)議。

圖1　常見(jiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

圖2　語(yǔ)音信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸基本流程

(3)IP包封裝

網(wǎng)絡(luò)處理器將壓縮編碼完成后的語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，即為語(yǔ)音分組添加包頭、時(shí)間戳以及其他信息后形成一個(gè)IP包。

(4)網(wǎng)絡(luò)傳輸

每個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)傳送過(guò)程中都附帶尋址信息和控制信息，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的尋址信息將報(bào)文一站一站地轉(zhuǎn)發(fā)到目的地。

(5)IP包解組

網(wǎng)絡(luò)終端處的處理器接收到數(shù)據(jù)報(bào)后將其附帶的尋址信息和控制信息去掉，得到壓縮的數(shù)字語(yǔ)音。

(6)音頻解壓縮編碼

將壓縮的數(shù)字語(yǔ)音解壓縮編碼處理后得到原始語(yǔ)音數(shù)字信號(hào)。

(7)數(shù)模轉(zhuǎn)換

原始數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換，恢復(fù)為原來(lái)語(yǔ)音信號(hào)，在接收端按照預(yù)定的頻率播放。至此一次語(yǔ)音傳輸過(guò)程就完成了[3]。

3VoIP語(yǔ)音延遲

語(yǔ)音延遲是指從話音的發(fā)起者開始說(shuō)話到對(duì)方聽(tīng)到話音的時(shí)間間隔。語(yǔ)音傳輸?shù)膸讉€(gè)階段都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)延遲，VoIP語(yǔ)音延遲主要分為以下幾個(gè)方面：

(1)編解碼延遲

編解碼延遲是由編解碼器處理語(yǔ)音信號(hào)引起的，根據(jù)壓縮編碼算法以及采用語(yǔ)音幀大小的不同，編解碼延遲也不相同，VoIP中經(jīng)常使用ITU定義的標(biāo)準(zhǔn)：G.711、G.723.1、G.729。速率較低的編碼方式可以節(jié)省帶寬從而增加系統(tǒng)容量，但由于使用了較為復(fù)雜的編解碼算法，將會(huì)引入更長(zhǎng)的處理延遲并要求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有較高處理能力[4]。

(2)IP包封裝拆分延遲

該時(shí)延是由對(duì)已編碼的語(yǔ)音包進(jìn)行 IP 解封裝產(chǎn)生的。

(3)通訊延遲

該延遲是由網(wǎng)絡(luò)物理、路由等原因引起的。實(shí)際傳輸通訊延遲主要由帶寬分配情況決定，分組通訊延遲是語(yǔ)音在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的延遲的重要組成部分。

(4)緩沖延遲

該延遲是由接收端的抖動(dòng)緩沖器產(chǎn)生的，其作用是用來(lái)克服網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)對(duì)語(yǔ)音質(zhì)量造成的影響。

這幾個(gè)階段的延遲又可以分成兩個(gè)部分：固定延遲和可變延遲。固定延遲是由設(shè)備本身特性決定的，系統(tǒng)參數(shù)確定后，這部分延遲也就固定了，它不隨網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況變化而變化。固定延遲包括編解碼器引入的延遲和打包延遲，它與采用的壓縮算法，打包的話音數(shù)據(jù)量相關(guān)。通過(guò)選擇合適的壓縮算法，減少打包數(shù)據(jù)量，合理分配DSP 的負(fù)荷，采用設(shè)計(jì)良好的處理流程等方法，可以改進(jìn)這部分的延遲。可變延遲是隨網(wǎng)絡(luò)實(shí)際運(yùn)行狀況變化而變化的延遲，包括通訊延遲和緩沖延遲，這些和設(shè)備的端口速率、網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況和經(jīng)過(guò)的網(wǎng)絡(luò)路徑等密切相關(guān)[5]。

4VoIP語(yǔ)音通訊延遲測(cè)量方法

4.1語(yǔ)音通訊延遲測(cè)量方法

在VOIP語(yǔ)音通信環(huán)境下，通訊延遲可以為某個(gè)語(yǔ)音包從發(fā)送到接收所經(jīng)過(guò)的時(shí)間，但是如果不對(duì)語(yǔ)音包進(jìn)行處理，在發(fā)送和接收的大量包中確定要找的包并不容易。為此，本文提出一種精確測(cè)量語(yǔ)音通訊延遲的方法，該方法按照通訊協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)上不定時(shí)的發(fā)送并接收插入自定義數(shù)據(jù)的語(yǔ)音包，然后通過(guò)發(fā)送和接收到此語(yǔ)音包的時(shí)間差來(lái)量化延遲。在測(cè)量延遲時(shí)，為同一臺(tái)電腦配置雙網(wǎng)卡，一個(gè)網(wǎng)卡作為網(wǎng)絡(luò)上的發(fā)送端發(fā)送語(yǔ)音包，一個(gè)用來(lái)在接收端監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)上接收到的語(yǔ)音包。通過(guò)延遲檢測(cè)模塊記錄發(fā)送時(shí)間與接收時(shí)間，取兩個(gè)時(shí)間的差即為內(nèi)通語(yǔ)音通訊延遲，從而達(dá)到了精確的量化通訊延遲的目的。為同一臺(tái)計(jì)算機(jī)配置雙網(wǎng)卡可以保證兩個(gè)網(wǎng)卡獲取的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)相同。延遲檢測(cè)模塊是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)按照通訊協(xié)議發(fā)包和收包的功能模塊。

語(yǔ)音通訊延遲測(cè)量方法架構(gòu)圖如圖3所示，VOIP包括終端E1和終端E2，終端E1和終端E2分別連接網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信連接。

圖3　語(yǔ)音通訊延遲測(cè)量方法架構(gòu)圖

測(cè)試環(huán)境搭建具體包括：在VOIP的一個(gè)終端E2的前端添加一個(gè)分線裝置；給同一臺(tái)PC機(jī)配置雙網(wǎng)卡，并在PC機(jī)內(nèi)安裝延遲檢測(cè)模塊，雙網(wǎng)卡分別為網(wǎng)卡1和網(wǎng)卡2，網(wǎng)卡1用來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)包，網(wǎng)卡1與終端E1連接的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)通信連接，網(wǎng)卡2與分線裝置相連。

延遲檢測(cè)步驟如下：

(1)延遲檢測(cè)模塊開始偵聽(tīng)網(wǎng)卡2；

(2)延遲檢測(cè)模塊按通訊協(xié)議從網(wǎng)卡1發(fā)送一個(gè)包含自定義數(shù)據(jù)且便于識(shí)別的一個(gè)包P給終端E2，記錄網(wǎng)卡1發(fā)送包P的時(shí)間為T1；

(3)延遲檢測(cè)模塊從網(wǎng)卡2偵聽(tīng)到上述網(wǎng)卡1發(fā)送的包P，并記錄從網(wǎng)卡2偵聽(tīng)到包P的時(shí)間為T2；

(4)根據(jù)公式TD=T2-T1 得到兩終端之間的延遲TD，兩終端之間即為終端E1和終端E2之間。

延遲檢測(cè)模塊工作流程如圖4所示。

圖4　延遲檢測(cè)模塊工作流程

4.2語(yǔ)音通訊延遲測(cè)量方法應(yīng)用

以復(fù)合型網(wǎng)絡(luò)為例，具體測(cè)量方法應(yīng)用如圖5所示。

圖5　語(yǔ)音延遲測(cè)量方法應(yīng)用

在局域網(wǎng)中的兩臺(tái)PC機(jī)上安裝VoIP語(yǔ)音通訊軟件作為終端E1和E2，例如安裝飛鴿傳書等可以用于局域網(wǎng)VoIP的語(yǔ)音通信軟件或者其他VoIP語(yǔ)音軟件。通過(guò)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議分析方法分析語(yǔ)音包發(fā)送所采用的通信協(xié)議，為一臺(tái)PC機(jī)配置雙網(wǎng)卡，并安裝延遲檢測(cè)模塊，通過(guò)網(wǎng)卡1在終端E1發(fā)出的大量語(yǔ)音包中插入按照通訊協(xié)議自定義的語(yǔ)音包，并記錄發(fā)送時(shí)間T1，通過(guò)網(wǎng)卡2抓取網(wǎng)卡1發(fā)送的自定義的語(yǔ)音包，并記錄抓取時(shí)間T2，則終端E1到E2的語(yǔ)音通訊延遲為TD=T2-T1。

5結(jié)論

本文對(duì)基于VoIP通信系統(tǒng)語(yǔ)音延遲進(jìn)行了詳細(xì)的分析，提出了一種精確測(cè)量VoIP語(yǔ)音通訊延遲的方法，通過(guò)分析系統(tǒng)通信協(xié)議，按照通信協(xié)議發(fā)送并接收自定義數(shù)據(jù)包來(lái)量化通訊延遲。VoIP語(yǔ)音通訊延遲的精確化有助于確定系統(tǒng)抖動(dòng)緩沖時(shí)間等參數(shù)，可以用來(lái)評(píng)估該系統(tǒng)在不同應(yīng)用、不同負(fù)載數(shù)量、不同系統(tǒng)拓?fù)涞葓?chǎng)合VOIP的通話性能，并根據(jù)性能指標(biāo)來(lái)優(yōu)化調(diào)度算法，最終幫助提高VoIP的語(yǔ)音質(zhì)量，更好地服務(wù)于實(shí)際應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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[5]徐勛業(yè).VoIP語(yǔ)音時(shí)延的分析和研究[J].光通信研究，2007，(1).

(責(zé)任編輯：王謙)

Research on Delay Test of VoIP Voice Communication

LI Zhen，MA Xu-chao，SU Zhi-bin，REN Hui

(Department of Automation，Communication University of China，Beijing 100024，China)

Abstract：Currently，the VoIP voice communication delay can only be judged by subjective feelings without quantified，which leads to inaccurate measurements.Therefore，an accurate method of delay testing is proposed in this paper.The delay can be quantified by the time difference of sending and receiving the packets with custom data inserted according to the communication protocol.This study will not only ensure the capability of original voice communication during actual operation ，but also provide technical support for quality assessment of the entire VoIP system.

Keywords：VoIP；voice quality；communication delay；communication protocol.

收稿日期：2015-12-21

基金項(xiàng)目：“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目“演出呈現(xiàn)關(guān)鍵支撐技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用示范(項(xiàng)目編號(hào)：2012BAH38F00)”

作者簡(jiǎn)介：李真(1978-)，女(漢族)，河北人，中國(guó)傳媒大學(xué)講師.E-mail：lizhen@cuc.edu.cn

中圖分類號(hào)：TN919

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-4793(2016)02-0031-04