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1、VoIP业务QoS性能及其优化研究张路宜200522160013VoIP(voiceoverIP)就是通过IP网络承载语音业务,也称IP网络电话。当网络出现拥塞或传输差错时,语音包就会产生时延、抖动甚至丢失,导致语音不连续或中断,严重影响语音质量。VoIP业务有着严格的实时性要求,时延、抖动和丢包这3个影响VoIP服务质量的主要因素与承载网的性能密切相关。目前,优化QoS(服务质量)的业务模型主要有intserv(集成服务)、diffserv(区分服务)和MPLS(多协议标签交换)3种。intserv可扩展性差,在现有的网络上实
2、现起来非常困难;diffserv提供了基于类的QoS,具有良好的可扩展性,但缺乏有效的end2to2end(端到端)机制;MPLSTE(流量工程)通过有效地管理带宽资源,间接改善网络服务质量,但其带宽管理以及MPLSTE隧道都无法做到基于业务类别。如果EF(加速转发)、AF(保证转发)、BE(尽力而为)这几类业务都承载在一个MPLSTE隧道中,那么EF和AF业务将受到严重的影响。因此,单独采用diffserv或MPLSTE服务模型来优化VoIP业务的QoS,效果都不尽如人意。MPLSdiffserv2awareTE是具有diff
3、serv感知能力的MPLS流量工程,综合了diffserv和MPLSTE两者的优点形成的一种新的集成业务模型,实现了基于业务类别的带宽管理和隧道服务,可以有效保证VoIP业务在承载网上的服务质量。1 VoIP传输基本原理传统的电话网采用电路交换方式传输语音,可以确保语音传输质量。VoIP技术将发送的模拟语音信号数字化之后进行编码、压缩,然后转换为IP数据包在网络上传输;在接收端再进行拆包、解压、解码等逆向处理,最后转化为模拟语音输出。包含基本配置的IP电话网结构如图1所示,我们以电话用户025呼叫022为例,简单介绍VoIP的通
4、信接和传输过程。025话机拨号向022话机发起呼叫,呼叫信令进入语音网关编码、压缩成特定的帧,经过IP网络送入关守(GK:gatekeeper)后对025话机进行鉴权。如鉴权成功,则对被叫号码022进行地址解析,通过落地网关与PSTN(公用交换电话网)建立逻辑通道,分别给主叫送回铃音、给被叫送振铃音。至此,经由接入语音网关与落地网关的一个呼叫流程就建立起来了。发送的模拟语音信号由接入语音网关进行编码、压缩、组帧,语音分组通过IP网络传输到达落地网关,再经过拆包、解压缩、解码等一系列逆向处理,转变为模拟语音信号,通过PSTN到达被
5、叫话机。2 VoIP业务QoS性能分析2.1 时延时延是一个分组从发送端发出后到达接收端的时间间隔,是端到端的时延。ITU2TG.114规定,对于高质量语音可接受的单向时延是150ms。网络时延可分为固定网络时延和变化网络时延2部分。固定网络时延是指在发送端和接收端间的信号传输时延、语音编码时延以及VoIP编解码的语音打包时间。网络的传输时延值约为6.3μs/km,G.729编解码标准编码时延为25ms(包括2个10ms帧加5ms算法时延),打包时延为20ms。变化网络时延主要源自网络拥塞,而拥塞是不定时发生的,所以由此产生的时
6、延也是变化的。这种可变时延会因在外出接口队列中长时间的等待或较大的串行化延迟而迅速增长。语音分组在外出队列中排在一个大数据分组后导致长时延情况如图2所示。为了控制语音数据包到达目的地的时延,必须有足够的带宽来保证。图2 语音分组排在大数据分组后产生的时延2.2 抖动抖动是指由于各种时延的变化导致网络中数据分组到达速率的变化。它主要由以下几个因素引起:排队时延、可变的分组大小、中间链路和路由器上的相对负载。补偿抖动的常用方法是在接收端设备上进行缓冲处理。虽然这与减小时延的目标相悖,但对消除抖动带来的影响是必要的。如图3所示,在时延
7、一定时,当抖动增大时抖动缓冲区也得相应增大,而增大缓冲区就意味着需要占用接收端设备更大的存储器空间并带来更大的时延。抖动幅度与抖动缓冲区大小关系示意图消除抖动的缓冲区大小可按下列方法估算。假设在一次连接中,所有分组中传输时间最短的那个时延值等于固定传输时间,即Tmin=min{Tn}式中Tn是每个分组的时延。每个分组的时延抖动为Xn=
8、Tn–Tmin一段时间内的平均时延抖动(期望值)为M=E(Xn)平均时延可用来确定消除抖动的缓冲区的大小。在相对稳定的情况下,设某种语音编码方式的帧长为F,一段时间内的平均时延抖动为M,帧速为f,
9、则缓冲区大小为MfF。2.3 丢包语音分组在传输过程中有可能被丢失,其原因主要是分组超时或网络拥塞。IP数据报在网络中寻径具有随机性,为避免数据报进入死循环,系统在一个新数据报产生时,会在其头部TTL(timetolive)标志位设定其在网络中的最大生存时间。如
