基于A(yíng)MR語(yǔ)音編解碼算法的VoIP系統
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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)的面向對象的、離散事件驅動(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 )。它功能強大，模塊豐富，已經(jīng)實(shí)現的主要模塊有：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)，路由隊列管理機制(如Droptail、FQ、RED和CBQ)，路由算法(如Dijkstra)，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )WLAN、移動(dòng)IP、衛星通信網(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(chēng)為分裂對象模型的開(kāi)發(fā)機制，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現有的網(wǎng)絡(luò )元素來(lái)實(shí)現模擬，因此無(wú)需對NS-2本身做任何修改，只需要編寫(xiě)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NS-2進(jìn)行擴展，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(huà)演示工具，以把模擬的過(guò)程用可視化的方式呈現出來(lái)[2]。
1.2 AMR自適應技術(shù)的介紹
自適應多速率語(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應的不同信道編碼模式。其中，全速率信道模式下所對應的信道編碼模式為8種，半速率信道模式下所對應的信道編碼模式為6種，每種信道編碼模式都有一種信源編碼模式與之相對應。此外為了降低算法的復雜度，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數。在移動(dòng)通信中，當信道模式固定后，通過(guò)測量歸一化的載(載波信號)干(干擾信號)比來(lái)估計當前信道的質(zhì)量，度量級別為4個(gè)級別，分別為很差、差、好、很好。如果當前信道質(zhì)量估計為較好或者好，則降低信道編碼速率、提高信源編碼速率，以此來(lái)提高重構后的語(yǔ)音質(zhì)量；如果當前信道質(zhì)量估計為差或者較差，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(huà)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)，由于多數比特被用作信道編碼，因此具有很強的糾錯能力，但是重構后的語(yǔ)音質(zhì)量不佳[3]。
2 AMR算法下的VoIP系統
VoIP傳輸的基本過(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)音數據通過(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轉發(fā)，將語(yǔ)音數據包轉發(fā)到目的地點(diǎn)pc0-R，從而實(shí)現節點(diǎn)0~5之間的語(yǔ)音數據通信；第二個(gè)階段，語(yǔ)音數據通過(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轉發(fā)，將語(yǔ)音數據包轉發(fā)到目的地點(diǎn)pc1-R，從而實(shí)現節點(diǎn)6~1之間的語(yǔ)音數據通信。2個(gè)階段連續的傳輸過(guò)程構成了VoIP中語(yǔ)音數據的基本傳輸過(guò)程。此外，為了更加真實(shí)地模擬網(wǎng)絡(luò )資源的變化，設置了一個(gè)pc到pc的網(wǎng)絡(luò )數據量的傳輸過(guò)程。該過(guò)程為：網(wǎng)絡(luò )數據通過(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轉發(fā)，將網(wǎng)絡(luò )數據包轉發(fā)到目的地點(diǎn)pc2-R，從而實(shí)現節點(diǎn)2~7之間的網(wǎng)絡(luò )數據的傳輸。通過(guò)設置不同的網(wǎng)絡(luò )數據流量可以來(lái)模擬當前網(wǎng)絡(luò )信道質(zhì)量的好壞，從而為選擇不同的AMR信源編碼模式做準備。
為了檢測網(wǎng)絡(luò )擁塞下新VoIP系統的性能，需要對上述語(yǔ)音模型的一些參數進(jìn)行調整：(1)公共交換網(wǎng)(PSTN)傳輸帶寬的設定。節點(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，因此為了體現帶寬資源的寶貴性，設置此鏈路的傳輸帶寬為64 Kb，同理節點(diǎn)1~3之間、節點(diǎn)5~4之間、節點(diǎn)6~4之間的傳輸帶寬也設為64 Kb；(2)Internet網(wǎng)傳輸帶寬的設定。節點(diǎn)3~4之間的鏈路是用來(lái)模擬Internet網(wǎng)的，由于Internet網(wǎng)中傳輸數據量往往很大，而分配給每個(gè)用戶(hù)之間的傳輸帶寬是有限的，因此為了體現網(wǎng)絡(luò )帶寬的有限性，設置此鏈路的傳輸帶寬為1 Mb。同理節點(diǎn)2~3之間、節點(diǎn)4~7之間的傳輸帶寬也設為1 Mb；(3)當前網(wǎng)絡(luò )信道質(zhì)量的度量。為了度量當前網(wǎng)絡(luò )信道質(zhì)量，選取衡量VoIP系統性能的參數如時(shí)延、抖動(dòng)、數據包丟失率等來(lái)作為衡量當前信道質(zhì)量的參數。在本實(shí)驗中，選取的是在一定時(shí)間內的語(yǔ)音數據丟包率，其計算公式為：λ=Sd/SRTT，式中Sd為固定時(shí)間內丟失的語(yǔ)音包數目，SRTT為固定時(shí)間內發(fā)送的語(yǔ)音包數目[4]；(4)AMR信源編碼模式的選擇。由于A(yíng)MR有8種信源編碼模式，且8種信源編碼模式均是基于A(yíng)CELP模型，各個(gè)模式下重構后的語(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)，可以根據不同的語(yǔ)音數據包丟失率來(lái)自適應地選取其中的3種，即：MR122、MR74、MR475[3]。選擇標準為：當λ≤1%時(shí)，選取MR122模式；當1%λ≤3%時(shí)，選取MR74模式；當λ>3%時(shí)，選取MR475模式；初始信源編碼模式為MR122。
3 實(shí)驗結果與分析
新VoIP系統在NS-2平臺下的運行情況如圖2所示。在該運行模型中，節點(diǎn)2~7之間流量的大小代表了網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)3~4之間鏈路的狀況。即當節點(diǎn)2~7之間傳送的網(wǎng)絡(luò )數據很大時(shí)(>1 Mb)，則認為節點(diǎn)3~4之間的鏈路發(fā)生了擁塞狀況；當節點(diǎn)2~7之間傳送的數據量較小時(shí)(1 Mb)，則認為不會(huì )發(fā)生擁塞狀況。節點(diǎn)0~6是語(yǔ)音數據包的發(fā)送節點(diǎn)，且具有根據網(wǎng)絡(luò )質(zhì)量來(lái)自適應地調整語(yǔ)音發(fā)送速率的功能，其中初始發(fā)送速率為12.2 Kb/s；數據包的發(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(huà)音激活檢測技術(shù)(VAD)對IP話(huà)音的影響[2]。
此外，為了更加方便和有效地分析實(shí)驗數據，需要對上述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。其中節點(diǎn)2為網(wǎng)關(guān)，節點(diǎn)3既是網(wǎng)關(guān)也是所有網(wǎng)絡(luò )數據的接收節點(diǎn)；節點(diǎn)0為語(yǔ)音數據包的發(fā)送節點(diǎn)，節點(diǎn)1為網(wǎng)絡(luò )數據量的發(fā)送節點(diǎn)。
圖4為采用不同語(yǔ)音算法的網(wǎng)絡(luò )數據的時(shí)延圖和丟包率圖。
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