基于AMR語(yǔ)音編解碼算法的VoIP系統(tǒng)
1 NS-2和AMR相關(guān)技術(shù)
1.1 NS-2網(wǎng)絡(luò)模擬器
NS-2(Network Simulator,version 2)是由加州大學(xué)伯克利分校開(kāi)發(fā)的面向?qū)ο蟮摹㈦x散事件驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)模擬器,主要用于解決網(wǎng)絡(luò)研究方面的問(wèn)題,目前NS-2可以用于模擬各種不同的通信網(wǎng)絡(luò)。它功能強(qiáng)大,模塊豐富,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的主要模塊有:網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議(如TCP和UDP),業(yè)務(wù)源流量產(chǎn)生器(如FTP、Telnet、Web、CBR和VBR),路由隊(duì)列管理機(jī)制(如Droptail、FQ、RED和CBQ),路由算法(如Dijkstra),無(wú)線網(wǎng)絡(luò)WLAN、移動(dòng)IP、衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)模塊、多播協(xié)議以及一些MAC子層協(xié)議等。
NS-2使用了被稱為分裂對(duì)象模型的開(kāi)發(fā)機(jī)制,采用C++和OTcl兩種開(kāi)發(fā)語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā),它們之間采用TclCL進(jìn)行自動(dòng)連接和映射。NS-2的模擬可分為2個(gè)層次,其中第一個(gè)層次是基于OTcl的模擬,主要利用NS-2現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)元素來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬,因此無(wú)需對(duì)NS-2本身做任何修改,只需要編寫一個(gè)完整的OTcl腳本程序即可;另外一個(gè)層次是基于C++和OTcl的模擬,該層次中沒(méi)有所需的網(wǎng)絡(luò)元素,因此需要對(duì)NS-2進(jìn)行擴(kuò)展,添加所需要的網(wǎng)絡(luò)元素。一般來(lái)說(shuō),NS-2的模擬需要與NamvNetwork animaterw配合使用。Nam是基于Tcl/Tk的動(dòng)畫演示工具,以把模擬的過(guò)程用可視化的方式呈現(xiàn)出來(lái)[2]。
1.2 AMR自適應(yīng)技術(shù)的介紹
自適應(yīng)多速率語(yǔ)音編碼(AMR)有8種信源編碼模式,2種信道模式(即全速率信道模式和半速率信道模式)以及不同信道模式下所對(duì)應(yīng)的不同信道編碼模式。其中,全速率信道模式下所對(duì)應(yīng)的信道編碼模式為8種,半速率信道模式下所對(duì)應(yīng)的信道編碼模式為6種,每種信道編碼模式都有一種信源編碼模式與之相對(duì)應(yīng)。此外為了降低算法的復(fù)雜度,8種信源編碼模式均采用ACELP(Algebraic Code Excited Linear Prediction)模型,不同的只是參量的量化碼本和量化比特?cái)?shù)。在移動(dòng)通信中,當(dāng)信道模式固定后,通過(guò)測(cè)量歸一化的載(載波信號(hào))干(干擾信號(hào))比來(lái)估計(jì)當(dāng)前信道的質(zhì)量,度量級(jí)別為4個(gè)級(jí)別,分別為很差、差、好、很好。如果當(dāng)前信道質(zhì)量估計(jì)為較好或者好,則降低信道編碼速率、提高信源編碼速率,以此來(lái)提高重構(gòu)后的語(yǔ)音質(zhì)量;如果當(dāng)前信道質(zhì)量估計(jì)為差或者較差,則提高信道編碼速率、降低信源編碼速率,以此來(lái)保障通話質(zhì)量。所以高模式下的信源編碼(如MR122),雖然可以提供優(yōu)良的語(yǔ)音可懂度和自然度,但是抗噪能力差;而低模式下的信源編碼(如MR475),由于多數(shù)比特被用作信道編碼,因此具有很強(qiáng)的糾錯(cuò)能力,但是重構(gòu)后的語(yǔ)音質(zhì)量不佳[3]。
2 AMR算法下的VoIP系統(tǒng)
VoIP傳輸?shù)幕具^(guò)程可分為4種:PC-PC模型、PC-Phone模型、Phone-PC模型和Phone-Phone模型[4]。本文中仿真的是Phone-Phone模型,具體過(guò)程如圖1所示。在該模型中,語(yǔ)音的傳輸過(guò)程可以拆分為2個(gè)階段。第一個(gè)階段,語(yǔ)音數(shù)據(jù)通過(guò)UDP協(xié)議打包從源點(diǎn)pc0-T開(kāi)始發(fā)送,通過(guò)網(wǎng)關(guān)gk0、gk1轉(zhuǎn)發(fā),將語(yǔ)音數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到目的地點(diǎn)pc0-R,從而實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)0~5之間的語(yǔ)音數(shù)據(jù)通信;第二個(gè)階段,語(yǔ)音數(shù)據(jù)通過(guò)UDP協(xié)議打包從源點(diǎn)pc1-T開(kāi)始發(fā)送,通過(guò)網(wǎng)關(guān)gk1和gk0轉(zhuǎn)發(fā),將語(yǔ)音數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到目的地點(diǎn)pc1-R,從而實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)6~1之間的語(yǔ)音數(shù)據(jù)通信。2個(gè)階段連續(xù)的傳輸過(guò)程構(gòu)成了VoIP中語(yǔ)音數(shù)據(jù)的基本傳輸過(guò)程。此外,為了更加真實(shí)地模擬網(wǎng)絡(luò)資源的變化,設(shè)置了一個(gè)pc到pc的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量的傳輸過(guò)程。該過(guò)程為:網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通過(guò)TCP協(xié)議打包從源點(diǎn)pc2-T開(kāi)始發(fā)送,通過(guò)網(wǎng)關(guān)gk0和gk1轉(zhuǎn)發(fā),將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到目的地點(diǎn)pc2-R,從而實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)2~7之間的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸。通過(guò)設(shè)置不同的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量可以來(lái)模擬當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)信道質(zhì)量的好壞,從而為選擇不同的AMR信源編碼模式做準(zhǔn)備。 本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/157319.htm
為了檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)擁塞下新VoIP系統(tǒng)的性能,需要對(duì)上述語(yǔ)音模型的一些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整:(1)公共交換網(wǎng)(PSTN)傳輸帶寬的設(shè)定。節(jié)點(diǎn)0~3之間的鏈路是用來(lái)模擬PSTN的,而PSTN中最大的語(yǔ)音傳輸速率(無(wú)損語(yǔ)音編碼方案G.711)為64 Kb/s,因此為了體現(xiàn)帶寬資源的寶貴性,設(shè)置此鏈路的傳輸帶寬為64 Kb,同理節(jié)點(diǎn)1~3之間、節(jié)點(diǎn)5~4之間、節(jié)點(diǎn)6~4之間的傳輸帶寬也設(shè)為64 Kb;(2)Internet網(wǎng)傳輸帶寬的設(shè)定。節(jié)點(diǎn)3~4之間的鏈路是用來(lái)模擬Internet網(wǎng)的,由于Internet網(wǎng)中傳輸數(shù)據(jù)量往往很大,而分配給每個(gè)用戶之間的傳輸帶寬是有限的,因此為了體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)帶寬的有限性,設(shè)置此鏈路的傳輸帶寬為1 Mb。同理節(jié)點(diǎn)2~3之間、節(jié)點(diǎn)4~7之間的傳輸帶寬也設(shè)為1 Mb;(3)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)信道質(zhì)量的度量。為了度量當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)信道質(zhì)量,選取衡量VoIP系統(tǒng)性能的參數(shù)如時(shí)延、抖動(dòng)、數(shù)據(jù)包丟失率等來(lái)作為衡量當(dāng)前信道質(zhì)量的參數(shù)。在本實(shí)驗(yàn)中,選取的是在一定時(shí)間內(nèi)的語(yǔ)音數(shù)據(jù)丟包率,其計(jì)算公式為:λ=Sd/SRTT,式中Sd為固定時(shí)間內(nèi)丟失的語(yǔ)音包數(shù)目,SRTT為固定時(shí)間內(nèi)發(fā)送的語(yǔ)音包數(shù)目[4];(4)AMR信源編碼模式的選擇。由于AMR有8種信源編碼模式,且8種信源編碼模式均是基于ACELP模型,各個(gè)模式下重構(gòu)后的語(yǔ)音MOS值相差也不大,但是AMR總的代碼量卻很大,所以綜合衡量起來(lái),可以根據(jù)不同的語(yǔ)音數(shù)據(jù)包丟失率來(lái)自適應(yīng)地選取其中的3種,即:MR122、MR74、MR475[3]。選擇標(biāo)準(zhǔn)為:當(dāng)λ≤1%時(shí),選取MR122模式;當(dāng)1%λ≤3%時(shí),選取MR74模式;當(dāng)λ>3%時(shí),選取MR475模式;初始信源編碼模式為MR122。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
新VoIP系統(tǒng)在NS-2平臺(tái)下的運(yùn)行情況如圖2所示。在該運(yùn)行模型中,節(jié)點(diǎn)2~7之間流量的大小代表了網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)3~4之間鏈路的狀況。即當(dāng)節(jié)點(diǎn)2~7之間傳送的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)很大時(shí)(>1 Mb),則認(rèn)為節(jié)點(diǎn)3~4之間的鏈路發(fā)生了擁塞狀況;當(dāng)節(jié)點(diǎn)2~7之間傳送的數(shù)據(jù)量較小時(shí)(1 Mb),則認(rèn)為不會(huì)發(fā)生擁塞狀況。節(jié)點(diǎn)0~6是語(yǔ)音數(shù)據(jù)包的發(fā)送節(jié)點(diǎn),且具有根據(jù)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量來(lái)自適應(yīng)地調(diào)整語(yǔ)音發(fā)送速率的功能,其中初始發(fā)送速率為12.2 Kb/s;數(shù)據(jù)包的發(fā)送用NS-2自帶的Pareto分布流量產(chǎn)生器,這主要是考慮到話音激活檢測(cè)技術(shù)(VAD)對(duì)IP話音的影響[2]。
此外,為了更加方便和有效地分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),需要對(duì)上述VoIP模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,簡(jiǎn)化后的VoIP傳輸模型如圖3所示。其中節(jié)點(diǎn)2為網(wǎng)關(guān),節(jié)點(diǎn)3既是網(wǎng)關(guān)也是所有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收節(jié)點(diǎn);節(jié)點(diǎn)0為語(yǔ)音數(shù)據(jù)包的發(fā)送節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)1為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量的發(fā)送節(jié)點(diǎn)。
圖4為采用不同語(yǔ)音算法的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的時(shí)延圖和丟包率圖。
評(píng)論