论文导读：在目前应用中，语音一直占据着主要地位，VOIP应用是NGN应用的重要组成部分。QoS一直是设备制造商和运营商们关心的问题之一，如何在IP网络上提供优质的语音及数据服务，业界已经做了很多的研究与实践，本文将介绍VOIP接入网关提供的基本业务，分析影响QoS的关键因素，并研究其解决方案。一般系统会利用时延抖动缓冲机制来解决可控范围内的时延抖动问题。VOIP接入网关可以工作在VBD模式或ModemRelay模式。
关键词：VOIP，QoS，VBD，时延抖动缓冲
1．引言
NGN网络是基于IP网络的提供集语音、数据与多媒体业务于一身的智能化多业务平台。在目前应用中，语音一直占据着主要地位，VOIP应用是NGN应用的重要组成部分。VOIP接入网关是NGN网络体系中的重要组件之一，它支持用户语音业务的接入，同时支持Modem数据和传真等业务的接入。QoS一直是设备制造商和运营商们关心的问题之一，如何在IP网络上提供优质的语音及数据服务，业界已经做了很多的研究与实践，本文将介绍VOIP接入网关提供的基本业务，分析影响QoS的关键因素，并研究其解决方案。论文参考。
2．VOIP接入网关业务及QoS
VOIP接入网关提供的主要业务有电话语音业务，Modem数据和传真业务。VOIP接入网关主要作用是检测并处理用户侧呼叫事件，与软交换进行VOIP协议交互，在软交换的控制下实现呼叫的建立与释放，并实现语音编解码，完成语音流与IP数据包的转换。VOIP接入网关需要能检测各种Modem和传真音，从而支持Modem和传真的连接及数据传输。还支持回声消除、静音检测、舒适噪音、丢包补偿和消除延时抖动等功能。
影响VOIP业务QoS的主要因素是网络丢包、时延及时延抖动，这些都会导致语音质量下降，或导致Modem和传真过程失败或速率下降。
IP网络是采用尽力而为的传输网络，VOIP语音流及数据流一般都承载在RTP包中传输，在网络拥塞或路由故障时，有可能会出现网络包的丢失。对语音业务而言，丢包率在5%以内是可以允许的，更高的丢包率则可能会导致不能接受的语音质量。对于Modem和传真而言，丢包率在1%以上时就可能导致连接与传输失败。
时延是指数据包往返的时间，包括发送端和接收端的编解码时延，PSTN及IP网络上的传输时延，以及为解决时延抖动而引入的缓冲时延。由于IP网传输路径的不确定性，时延可能会有很大的波动。ITU-T G.114协议规定的电话业务往返时延应小于或等于300ms[1]，超过此范围的时延会让通话双方感到时延的影响。
时延抖动是指网络传输中时延的变化，实时业务对时延抖动非常敏感。一般系统会利用时延抖动缓冲机制来解决可控范围内的时延抖动问题。
2.1语音业务QoS
语音业务QoS指标一般用语音质量来衡量。传统的语音质量测试方法是主观测试方法，通话的双方直接主观地感受语音质量的好坏并给予评分。ITU-T P.800标准定义了主观测试方法的测试规范及测试环境[2]，定义了MOS评分指标来表征语音质量的好坏。然而主观语音质量测试要求有高质量的环境和专业测试能力，因此业界一般采用客观语音质量测试方法。客观测量标准一般不能百分之百反映语音质量，目前主要的语音质量测试标准是ITU-T P.862 PESQ[3]，用来评价单向语音质量，其不能评估回声消除及其他一些影响双向传输质量指标的因素的影响。ITU-T P862.1还定义了PESQ值和MOS分的映射算法。
业界有很多测试仪表支持PESQ值的测量。VOIP接入网关语音质量测试的网络拓扑如下图1，网络损伤仿真仪连接在两个VOIP接入网关的媒体流通道网络中间，模拟IP网络上的丢包，时延及时延抖动等影响QoS的网络特性指标。语音质量测试仪在建立基本呼叫后，从一端发出语音流，在另一端对收到的语音流进行PESQ算法的分析，给出PESQ及对应的MOS评分。
图1：语音质量测试网络拓扑图
MOS分范围从1到5，其中5表示很好的语音质量，3表示可以接受的语音质量。业界会定义不同的网络条件，在不同的网络条件下进行语音质量测试，要求在可以接受的网路条件下，MOS分在3分以上。不同的编解码本身也会对语音质量产生影响，低比特率压缩会造成一定的语音质量下降，对G.711编解码实现要求MOS分在4.5左右，而G.729编解码实现的MOS分只在3.5左右。
2.2 Modem数据和传真业务QoS
VOIP网络对Modem数据业务的影响，主要表现在Modem协商过程的失败或协商速率的下降，以及Modem掉线或重新协商。VOIP接入网关可以工作在VBD模式或Modem Relay模式。目前VOIP的Modem业务主要是基于VBD模式的Modem业务。根据V.150规范，VOIP网关需要关闭静音检测、舒适噪音，VOIP网络需要有固定的端到端时延[4]。Modem数据业务比语音业务有着更高的QoS需求，过大的丢包或者时延抖动都可能会导致Modem连接或协商失败。编解码及VBD通道上的信号损伤也可能会导致Modem连接速率下降而达不到期望的速率。对透明传真业务而言，其也工作在VBD模式，有着和Modem数据业务类似的QoS需求，对丢包、时延抖动、信号衰减比较敏感，但对端到端时延有较好的适应性。
为了在VOIP网络上获得更好的Modem数据和传真业务，VOIP接入网关可以支持Modem Relay及Fax Relay T38模式，其在一定程度解决了丢包及时延抖动的影响，但增加了网关的成本和复杂性。
3．QoS问题解决方案
VOIP网络端到端的QoS保证依赖于网络承载层和接入层的QoS保证[5]。VOIP网络的承载网是基于IP的，典型的IP QoS体系包括集成服务模型和区分服务模型，另外MPLS技术的快速发展也为实现承载QoS提供了一定的技术支持。由于集成服务模型需要端到端的信令支持，虽然提供了理想的端到端QoS保证，但大规模的IP网上难以实现，现有的IP QoS解决方案并没有大量使用集成服务模型。目前VOIP网络主要采用宽带加区分服务模型来保证QoS，这要求VOIP接入网关支持区分服务。从接入层而言，VOIP接入网关应该支持低速率语音编解码，回声消除及时延抖动缓冲等技术来减轻VOIP网络性能的影响。
3.1 承载层QoS保证
本节将主要介绍VOIP接入网关对区分服务的支持。区分服务提出的目的是区分业务的优先级别，根据业务类型提供不同的服务质量保证。区分服务利用了IPv4包头中的TOS字节（IPv6包头的流类型字节），并将它重新命名为DS字节[6]。每个数据包在网络边缘被赋予一个DSCP值，同一级别的业务具有相同的DSCP值，网络中由路由器根据DSCP值决定数据包的转发类型，也被称作PHB即每跳行为。不同的DSCP值被映射成相应的PHB，代表了业务的QoS要求。
在VOIP接入网关中，可以对VOIP信令流及语音流配置不同的DSCP值，并可以对每个VOIP用户进行用户级的DSCP配置，从而实现区分服务的目的。
3.2 接入层QoS保证
低速率语音编解码能有效降低语音业务对带宽的需求，G.711带宽是64kbps，而G.729语音信号编码带宽为8kbps，G.723有着更低的带宽。低速率语音编解码本身能够提供一定质量的语音质量。
回声是指电话系统反射回发送端经过延迟和失真的语音信号，VOIP接入网关要求实现回声消除功能，采用数字信号处理，在发送路径的信号上减去回声算法基于接受路径信号估计的回声信号。回声包括近端回声和远端回声，远端回声一般有着更大的时延和较低的信号强度，大时延的回声消除需要数字信号处理更多的资源。一般的情况下，当回声的时延大于25ms时就需要进行回声消除[7]。
VOIP接入网关需要实现时延抖动缓冲机制来解决网络上时延抖动的问题。时延抖动缓冲机制分为自适应模式和非自适应模式。自适应模式是指时延抖动缓冲的大小根据网络上时延抖动的变化可以在一定设定的范围内动态调整，在适应网络时延抖动的前提下使用尽量小的缓冲大小，以减少缓冲带来的端到端时延。论文参考。非自适应模式是指时延抖动缓冲设定为固定的值。对VOIP接入网关的实现，语音业务可采用自适应模式，Modem数据和传真业务应采用非自适应模式。论文参考。当时延抖动缓冲上溢或下溢或达到丢包门限时，需要采用丢包来进行时延抖动缓冲的调整，此时的丢包机制应该考虑在语音质量和端到端时延之间进行平衡。
4．结束语
本文对VOIP接入网关的基本业务进行了介绍，探讨了影响VOIP业务QoS的主要因素，以及在VOIP接入网关中的解决方案。目前传统的PSTN网络正逐步向下一代网络演进，随着VOIP技术的进一步应用和发展，一定会逐步完善QoS问题，取得比较完美的VOIP业务质量。
参考文献：
１．ITU-T G.114,one-way transmission time[S],2000
２．ITU-T P.800,method for subjective determination of transmission quality[S],1996
３．ITU-T P.862,PESQ,an objective method for end-to-end speech[S],2001
４．ITU-T V.150.1,Modem-over-IP networks: Procedures for the end-to-end connections ofV-series DCEs[S],2003
５．唐雄燕，庞韶敏，软交换网络[M]，北京，电子工业出版社，2005
６．Internet Engineering Task Force, Definition of the Differentiated ServicesField (DS Field) in the IPv4 and IPv6 Headers,RFC2474[S],1998
７．黄永峰，因特网语音通信技术及其应用[M]，北京，人民邮电出版社，2002
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