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IP-phone編碼簡析及其發(fā)展探討
文章類別: 基礎(chǔ)知識 加入時間:2006-1-7

 IP電話是指在IP網(wǎng)上**TCP/IP協(xié)議實時傳送語音信息的應(yīng)用。比起傳統(tǒng)的模擬電話來,IP電話是將語音信號在傳送之前**行數(shù)字量化處理,并壓縮、打包轉(zhuǎn)換成8kbit/s或更小帶寬的數(shù)據(jù)流,然后再送到網(wǎng)絡(luò)上進行傳送。而傳統(tǒng)的模擬電話是以**粹的音頻信號在線路上進行傳送。與傳統(tǒng)電話不僅存在著較大的資費差,而且存在著明顯的技術(shù)差異,我們可以從簡單物理模型來比較一下兩者之間的編碼差異,從編碼差異上分析兩者網(wǎng)路利用率。

    從技術(shù)角度分析,IP-phone技術(shù)一是采用了壓縮編碼及基于TCP/IP的包交換技術(shù),二是利用了具有統(tǒng)計復(fù)用的IP數(shù)據(jù)網(wǎng),三是充分利用了現(xiàn)有的光纖傳輸技術(shù),因此在資源占用率上來講明顯高于僅僅采用PCM語音編碼技術(shù)的傳統(tǒng)模擬交換技術(shù)。在IP-phone剛剛面世不久,人們從H.323系列的語音編碼**中,如G.723.1編解碼器(輸出碼流速率為6.3kbit/s或5.3kbit/s)或者G.729編解碼器(速率為8kbit/s)推出結(jié)論,IP電話與基于64kbit/s的PCM交換相比,編碼處理后利用率提高了8倍甚至更高。其實,這種結(jié)論是不確切的。

    我們知道,IP電話與傳統(tǒng)電話**大的不同在于語音模擬信息以分組數(shù)據(jù)的形式在數(shù)據(jù)網(wǎng)中傳輸,因此,在語音終端和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)之間需要一個信源編碼器(通常叫網(wǎng)關(guān)),將連續(xù)的語音模擬信號分割成一定長度的多個語音數(shù)據(jù)分組,并對其進行壓縮處理,減小信源語音消息的多余度,降低傳輸碼率,提高傳輸消息的有效性。又因為采用基于TCP/IP協(xié)議的包交換技術(shù),所以在**傳輸信道傳送前,將壓縮后得到的數(shù)據(jù)封裝到IP數(shù)據(jù)包中實現(xiàn)在IP交換網(wǎng)的傳輸,由于網(wǎng)絡(luò)上實際傳送的碼流并不是編碼后輸出凈菏碼流(語音包)如5.3kbit/s(G.723.1)或8kbit/s(G.729),而是經(jīng)過封裝后的碼流。它的一般封裝形式為:在語音包前加上IP包頭、UDP包頭和RTP包頭。IP包頭為20字節(jié),UDP包頭為8字節(jié),RTP包頭12字節(jié),總包頭長度為40字節(jié)。**增加這部分多余字節(jié),達到尋址、提高可靠性等功能。封裝的效率取決于一個RTP包中打多少數(shù)量的語音包。RTP包頭所打的語音包越多,封裝效率就越高,單位流量也就越小,電路利用率就越高,但同時,由于RTP包頭所攜帶的語音包個數(shù)增加,單個IP數(shù)據(jù)包的傳輸時延在一個話音來回的歷時加長,**時延就加大,給消費者**直接的感覺就是“對方反應(yīng)遲鈍”,反之亦然。因此,在設(shè)計系統(tǒng)時,運營商需要在提高電路利用率和減少時延中做出選擇,兩者是難以兩全的。

     一般地,在全程時延(包括編碼時延、打包時延、處理時延、網(wǎng)絡(luò)時延、緩沖排隊時延等)中分配給編碼的時延為30ms左右,這種時延要求也是普通電信業(yè)務(wù)的時延**低要求。要滿足這個時延要求,取決于一個RTP的包打進多少壓縮后的語音包。IP電話的實際碼流可估算如下:實際傳送碼流=壓縮后的語音包/封裝效率。封裝效率的估算公式為:
封裝效率=(壓縮后的語音包× n × 幀長/ 8)/[(壓縮后的語音包× n× 幀長/ 8 )+40] 。n表示打進n個語音包。以G.729信源編碼為例,如一個RTP包打進一個語音包,則實際傳送碼流為40kbit/s,時延約為 10 ms;如打兩個語音包,則實際傳送碼流為24kbit/s,時延約為 20 ms;如打四個語音包,實際傳送碼流為16kbit/s,時延為40ms。為保證編碼打包的時延,若將缺省語音包的數(shù)量定為兩個,實際傳送碼流即為24kbit/s,而不是8kbit/s。因此對于語音業(yè)務(wù)這類實時性要求非常高的業(yè)務(wù),要保證語音的質(zhì)量,根據(jù)ITU-T**語音的全程往返時延應(yīng)當(dāng)控制在450ms為宜,編碼打包后形成的單位碼流通常是在20kbit/s。從這一點可以看出帶寬壓縮與普通電話相比僅為3倍左右,而不是8倍或**。

     當(dāng)然,我們采用不同的信源編碼器和采用不同的封裝形式所產(chǎn)生的實際傳送碼流差異是很大的。我們只有**信源編碼和信道編碼來提高信道傳輸消息的有效性和可靠性。我們分別從信源編碼和信道編碼兩方面來改善IP-phone的傳輸效率,以及時下談得較多的QoS問題。
采用某種語音編碼方式可以提高編碼效率,但沒有提高整個網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率,僅僅是將大量的網(wǎng)絡(luò)帶寬節(jié)省下來。從目前中國電信的發(fā)展趨勢來講,隨著傳輸技術(shù)的不斷提高,傳輸速率越來越快,帶寬也將越來越高,屆時網(wǎng)絡(luò)帶寬資源可能無須那樣節(jié)約,這種壓縮編碼方式是否適用還很難說,但從目前使用來看,這種技術(shù)的運用應(yīng)該是有其優(yōu)越性。
在消費者使用電話進行交流時,有一個較為突出的**點,即交互式。當(dāng)對端說話時,本端一般保持沉默;而本端說話時,對端保持沉默。而語音沖突的現(xiàn)象并不多見,正如圖1所示。
目前所采用的IP語音編碼壓縮技術(shù)是ITU-T于1995年11月批準的被稱為G.729的新的語音壓縮**,正如前面所說,G.729**采用的算法,可以僅用8kbit/s帶寬傳輸話音,而話音質(zhì)量與32kbit/sADPCM相同。而這種語音編碼技術(shù)并沒有充分利用圖1的這種交互式,也就是說編碼時將許多無用的**消息進行了編碼。從某些資料顯示:大量的研究表明,在一個全雙工電話交談中,只有36%-40%的信號是有效的。這一數(shù)據(jù)與圖二的表示有異曲同工之意。在對對端語音進行編碼時,開始由于沒有語音信號,所以不進行語音編碼,默認值為零,當(dāng)x1時刻到來時,**到語音信號,此時再進行采樣、量化、編碼,當(dāng)x2時刻到來時,**到語音信號的漸漸衰落而進入抑制編碼階段,即編碼間隔進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,當(dāng)語音信號消失時,編碼間隔趨于無窮大,從而提高了編碼效率。
    
     從圖1的語音曲線來看,似乎是沒有規(guī)律的。但我們知道中國語言中詞、慣用語較多,單個的字很少,尤其是口語的交流,有很多連續(xù)的詞句。正如計算機漢字編碼一樣,常用詞匯只有5000多條。我們在編碼時充分利用這一規(guī)律,可以在語音識別的基礎(chǔ)上進行語音預(yù)編碼。我們可以將語音看作一個馬爾可夫信源。例如:我們在接電話時,習(xí)慣用語是:“喂,你好!找哪位?”如果我們在編碼中已經(jīng)將這段話進行了預(yù)編碼,當(dāng)收到語音信號“喂”時,根據(jù)轉(zhuǎn)移概率P(你!喂)發(fā)出“你”,再根據(jù)轉(zhuǎn)移概率P(好!你)發(fā)出“好”字等等,這就好比,你還沒說,我這兒就預(yù)測到你下面要說的話。這將大大緩解現(xiàn)有IP-phone語音延遲大的現(xiàn)象。

     我們再從信道編碼入手。在通信信道傳輸中包含了很多技術(shù),也經(jīng)過了許多傳輸信道,因此,片面地去改變現(xiàn)有的信道編碼技術(shù)或者籠統(tǒng)地去改變某一信道編碼技術(shù)來追求資源利用率是不現(xiàn)實的。因為信道編碼是在信源編碼的基礎(chǔ)上,有目的的增加某些碼元,使之具有糾錯或檢錯功能,在IP通信中,就是在信源編碼的基礎(chǔ)上,在語音包前封裝某些信息,例如尋址信息,使之能有目的的進行傳輸。由于IP是基于TCP/IP協(xié)議的包交換技術(shù),因此它在進行語音包交換時,每一個語音包前必須加上IP包頭、UDP包頭和RTP包頭,這些包頭如果采用某些壓縮技術(shù)是可以達到提高網(wǎng)路利用率的目的,但隨之產(chǎn)生的誤碼也將會增加。因此,從個人觀點出發(fā),從信道編碼角度來提高網(wǎng)路利用率是**取的。

     IP技術(shù)的發(fā)展是日新月異的,尤其是信源編碼技術(shù)的更新,對IP-phone 來講是具有重大意義的,可以想象,將來IP-phone無論從質(zhì)量還是效率來講應(yīng)該遠遠超過普通電話。

 
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