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基于NS-2的VoIP模擬與仿真
作者：
時(shí)間：2010-06-24
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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隨著(zhù)Internet的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò )多媒體的數據傳輸越來(lái)越成為研究熱點(diǎn)，其中IP電話(huà)系統(VoIP)就是其中一個(gè)重要分支[1]。但是由于VoIP要求會(huì )話(huà)雙方要實(shí)時(shí)傳輸語(yǔ)音數據，對語(yǔ)音的實(shí)時(shí)性要求條件較高，而VoIP又是建立在沒(méi)有QoS保障的UDP/IP協(xié)議之上，所采用的語(yǔ)音編碼方案一般都是單速率的語(yǔ)音編碼方案，如G.729，這就使得傳統的VoIP很難適應不斷變化的網(wǎng)絡(luò )資源環(huán)境。當網(wǎng)絡(luò )資源比較充足時(shí)，重構后的語(yǔ)音質(zhì)量還能有一定的保障。但是當網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)量很大或者當網(wǎng)絡(luò )發(fā)生擁塞時(shí)，連續的語(yǔ)音包丟失現象就會(huì )很?chē)乐?，從而導致重構后的語(yǔ)音質(zhì)量出現急劇下降的現象。雖然國內外學(xué)者對此也提出了若干應對策略，如在網(wǎng)絡(luò )協(xié)議方面的呼叫允許控制、資源預留機制(RSVP)協(xié)議、差分服務(wù)等，但是這些策略在對實(shí)時(shí)語(yǔ)音起到保障作用的同時(shí)，又導致了核心路由器的嚴重開(kāi)銷(xiāo)，最終使得整個(gè)VoIP系統的可擴展性變差。本文提出了一種基于A(yíng)MR語(yǔ)音編解碼算法的新VoIP系統，該系統可以根據網(wǎng)絡(luò )信道質(zhì)量的好壞來(lái)自適應地選擇一種最佳的傳輸速率，從而使得合成后的語(yǔ)音質(zhì)量有了更加良好的QoS保障。通過(guò)NS-2平臺下的仿真，實(shí)驗結果表明：新VoIP系統在網(wǎng)絡(luò )延時(shí)和數據包丟失率方面均要明顯優(yōu)于采用G.729算法的傳統VoIP系統。
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。
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