提高VoIP語音通信質量方法的研究

劉冰

摘 要： 探討了VoIP的關鍵技術，分析了影響VoIP語音通信質量的因素，提出了提高VoIP語言通信質量的方法，即：優化網絡環境、選擇合適的編解碼、服務質量保障（QoS）、使用顫音緩存。該方法對提高VoIP語音通信質量，推動VoIP業務的普及具有實際意義。

關鍵詞： VoIP； QoS； 編解碼； 顫音緩存； 語音通信質量

中圖分類號：TP39 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2013）07-17-02

0 引言

隨著網絡技術的迅猛發展和WiFi入網限制的解除，VoIP技術得到廣泛的應用。通過無線移動通訊網絡的VoIP業務，用戶手機可利用WiFi接入互聯網，然后利用互聯網發送和接收語音數據。近兩年，隨著智能手機的迅速崛起，這種方式漸漸得到了人們的青睞，越來越多的人選擇以這種方式代替原有的通話模式。但是，由于網絡無法提供嚴格的QoS保障，以及時延和時延抖動等原因，使得無線通訊網絡中VoIP的傳輸質量不夠理想。因此，研究如何提高VoIP語音的通信質量有重要意義。

1 VoIP的關鍵技術

VoIP即Voice Over IP的縮寫，它是將模擬音頻信號進行采樣、壓縮、打包等一系列處理后，以IP數據報的形式在IP分組交換網絡上進行傳輸。簡單地說，它是將模擬話音轉換成可以在網絡中傳輸的數字信號。

在建立VoIP通話之前，先要進行呼叫，完成這一任務的信令系統。建立呼叫之后要對數據流進行實時傳輸，這就需要一種實時傳輸技術。要使音頻信號在分組交換網絡傳輸，還需要把模擬音頻信號轉成數字信號，并進行適當的壓縮、編碼以適應這種傳輸環境，這就需要在傳輸之前對音頻進行編碼。在傳輸過程中，還需要對通話服務質量進行實時監控，因此還需要一種 QoS質量保障技術來完成這個工作。VoIP中的關鍵技術總結起來就是：信令技術、語音編碼技術、實時傳輸技術、QoS質量保障技術[1]。

1.1 信令技術

所謂信令技術，可以理解為是一種控制機制。在VoIP系統中常用的信令技術有兩個：一個是由國際電信標準（ITU一T）制定的H.323；另一個是由因特網工作組（IETF）制定的會話初始協議SIP。這兩種技術相比，H.323是一個完整的體系，提供了完成VoIP通信的所有子協議，但是由于H.323更龐大與復雜，不易于管理與維護，并且它不是一個開放性的協議。與此相比，SIP則顯得更靈活，擴展性強。SIP協議只提供會話建立、呼叫控制的功能，因而建立呼叫的時間相對較短，SIP還需要與其他協議協同合作完成VoIP的具體通話任務。SIP協議目前已被廣泛應用到IMS網絡中，負責VoIP業務的實現。

1.2 語音編碼技術

由于傳輸用到的帶寬有限，因此需要將數據壓縮得盡可能小，來降低傳輸比特率。目前主流的編碼技術有波形編碼、參量編碼和混合編碼。VoIP應用中主流的波形編碼有 G.711、G.721、G.723、G.726和G.727，而G.728、G.729、Speex等則是主流的參數和混合編碼。這些編碼各有自己獨特的算法，速率、復雜度也不盡相同。

1.3 實時傳輸技術

實時傳輸技術用來保障壓縮數據可以有序，同步地到達接收方，便于接收方對數據進行解碼。目前VoIP系統中的實時傳輸技術主要是通過RTP協議實現的[2]。

1.4 QoS質量保障技術

為了保障服務質量，VoIP采用了資源預留協議RSVP以及實時傳輸控制協議RTCP。

RSVP信令協議，可以為網絡上的任何終端、主機之間建立的路徑保留帶寬，為數據傳輸預定、保證 QoS。RTCP在進程之間交換控制信息，對傳輸質量進行管理。在 RTP會話期間，參加會話的成員會間隔的傳送包含了已發送數據包數量、丟包數量等統計數據的RTCP包。利用這些信息，服務器就可以動態調整傳輸速率乃至改變載荷類型。RTCP和RTP一般捆綁使用，可以有效地反饋，優化傳輸效率[1]。

2 影響VoIP語音質量的因素

由于VoIP業務是通過因特網來傳輸封包，因此會產生封包延遲、掉包等。影響VoIP語音質量的因素主要有：時延、時延抖動、丟包率。

2.1 時延

數據從發話端傳輸到接收端所需要的時間即形成了時延。語音通信系統中，時延的增加會讓通話雙方感覺話音傳輸的停頓感，同時也會造成回音。對于公用電話網，延時一般只有50～70ms，而IP電話的延時較大、通常為150～250ms，因此，VoIP系統的時延一般控制在100ms～150ms內，否則語音質量難以保證。VoIP系統中，時延由存儲轉發時延，傳播時延及處理時延組成。

2.2 時延抖動

在一個VoIP呼叫過程中，所有發送的數據包經不同路徑到達目的地的時間差異即形成了時延抖動。VoIP不同于傳統PSTN網絡，以固定速率進行傳輸，由于它在IP網絡上存在不同路由，而導致同一數據包之間也會有不同的時延，存在傳輸時間差，因此產生抖動 [3]。

2.3 丟包率

IP數據包傳輸的過程中，丟失的數據包數量占所發送數據包總量的比率即形成了丟包率指。不僅數據包在網絡中間傳輸過程中可能產生丟包，當話音網絡中超出抖動緩沖區所能承受的最大時延時也會產生丟包。丟包會造成話音信息的缺失，嚴重時會導致話音的不連貫，甚至無法準確收聽到對方的話音。丟包率主要與網絡的流量有關，它是影響話音質量的重要因素。通常情況下，語音業務的丟包率須要控制在1%以內。

3 改善VoIP語音通信質量的方法

為了保證VoIP通話的要求，可以從以下幾個方面進行改善。

3.1 優化網絡環境

通過增加DSL或其他設備的頻寬，使得語音質量得到改善。需要注意編解碼所占頻寬的大小，還應該考慮封包成本。例如，G.711雖然只占64kbps，但是把封包成本計算在內，所需的實際頻寬超過100kbps。改善網絡環境就會增加投資成本，包括更換設備和增加頻寬。而且，由于網絡跨越范圍很廣，眾多設備當中可能有部分會發生故障，這時就會使得丟包率瞬間提高，這對于需要即時傳輸的語音封包來說有致命的影響。

3.2 選擇合適的編解碼

選擇合適的編解碼可以對抗瞬間爆發的丟包率。在窄頻環境中可使用iLBC，寬帶環境中可使用ISAC或G.711，這些編解碼可以在丟包率超過20%的情況下，MOS值仍然超過3.0的優異效果。在選擇合適的編解碼的同時，還要保證當前頻寬能夠滿足編解碼的需求。如：iLBC至少在30kbps以上，G.711至少在80kbps以上。

3.3 服務質量保障（QoS）

QoS是將不同的封包（協議）進行標簽化處理，使得帶有特定標簽的封包（協議）能夠被優先處理并傳送。QoS的算法多達數十種，有的機制可以通過結合其他的規則使得效果加以優化。有的機制將不同的封包（協議）通過優先等級隊列的方式，來保證優先級別高的封包（協議）可以“插隊”處理與傳送。有的機制是將可用的帶寬進行分割、編制等級，讓不同的封包（協議）以不同的帶寬傳輸。更復雜的算法設計，還能使用“借用頻寬”的方式來加速封包的傳送。設備端能判斷鄰近的頻寬是否使用中，如果發現“隔壁”頻寬并未使用，就可以允許特定封包（協議）借用隔離的頻寬。有些算法甚至于針對優先等級來決定頻寬借用問題，高優先等級的封包（協議）可以借用低優先等級的頻寬。反之，低優先等級的封包或協議無法借用高優先等級的頻寬[4]。

在VoIP系統中，通過QoS的技術雖然能確保語音封包優先處理與傳送，但是如果此時網絡環境不良，優先傳送的封包發生丟包情形，語音質量依舊會發生不穩定或不良的情形。

3.4 使用顫音緩存

顫音是由于封包遲延產生的，可以在設備接受端使用部分內存作為緩沖區，將沒有到達的封包緩存，并對其進行排序，再按序播放，這樣可以改善顫音的現象。從理論上來講，緩存區越大效果越好，但是這樣會占用寶貴的內存資源。而且，由于聲音是實時的，顫音的處理要在有限時間內完成，因此，太大的緩存空間不但浪費內存，而且還可能使封包延遲更嚴重。

4 結束語

經過上述分析可知，要想提高VoIP語音的通信質量，需要綜合多方面的因素考慮、權衡。要想徹底改變語音質量應該通過改善網絡環境，增加頻寬來實現。但是當網絡環境無法在短期內得到改善時，選擇合適的編解碼將優于傳統的QoS的效果。本文提出的方法，將對VoIP系統語音通信質量的提高，推動VoIP業務的普及具有實際意義。

參考文獻：

[1] 林輝.基于SIP的嵌入式AndroidVoIP語音終端的研究與實現[D].華南理工大學碩士學位論文，2012.

[2] 徐韜.基于Android終端的小型VoIP系統設計與實現[D].大連理工大學碩士學位論文，2011.

[3] 巴剛，羅衛兵，遲曉剛.基于SIP的VoIP系統語音質量研究[J].機械管理開發，2011.6：45-48

[4] 楊正任，康仁財.改善網絡電話聲音質量的新技術[J].福建信息技術教育，2008.4：6-10