一種基于全ＩＰ蜂窩網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)傳輸機(jī)制

摘要：針對(duì)無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)和Internet的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，分析了在信道帶寬有限、傳輸誤碼率高的無線網(wǎng)絡(luò)中傳輸基于IP的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)所面臨的問題。針對(duì)下一代蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基于IP技術(shù)實(shí)現(xiàn)多媒體業(yè)務(wù)要求，從無線網(wǎng)絡(luò)上實(shí)際傳送的碼流角度，結(jié)合ROHC機(jī)制提出一種在信道傳輸速率不變的條件下，提高碼流傳輸效率的方法，并且探究了空中鏈路的全I(xiàn)P機(jī)制。從采樣編碼后輸出的凈碼流和經(jīng)過封裝后的碼流兩個(gè)角度來分析，提出了高效的針對(duì)全I(xiàn)P的蜂窩網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)交互式語音業(yè)務(wù)的新方案。

關(guān)鍵詞：下一代蜂窩網(wǎng)絡(luò)； 實(shí)時(shí)IP業(yè)務(wù)； G.729； RTP； ROHC

中圖分類號(hào)：TN914文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001—3695(2007)03—0244—03

無線蜂窩技術(shù)和Internet是現(xiàn)在廣泛使用的兩種通信技術(shù)，兩者各有各的長(zhǎng)處。一方面，無線蜂窩技術(shù)像GSM，CDMA，WCDMA使它的用戶無論在哪兒都能得到很好的服務(wù)，但這項(xiàng)技術(shù)所提供的主要服務(wù)是語音；另一方面，Internet從一開始就被設(shè)計(jì)用來提供多種多樣服務(wù)，并且它的靈活性和可擴(kuò)展性使得所有的應(yīng)用都可以成為它應(yīng)用的擴(kuò)展。今天的IP電話技術(shù)就是Internet提供服務(wù)的一個(gè)擴(kuò)展，完全有理由相信，在即將到來的幾年里，IP技術(shù)將成為用來廣泛轉(zhuǎn)載話音業(yè)務(wù)的技術(shù)，并且未來的無線鏈路也采用基于IP的技術(shù)。兩者的結(jié)合使得無線通信技術(shù)變得具有更多的用途，將不只是支持音頻和視頻，而且還包括網(wǎng)頁瀏覽、E-mail和游戲等。現(xiàn)在研究的下一代蜂窩技術(shù)就是采用基于IP技術(shù)的方案。它能給其用戶提供語音、視頻、視頻會(huì)議、視頻E-mail和視頻短信等豐富多彩的多媒體業(yè)務(wù)。帶寬是無線網(wǎng)絡(luò)中最珍貴的資源，要實(shí)現(xiàn)下一代蜂窩網(wǎng)絡(luò)上的實(shí)時(shí)通信，就要提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率，減小語音包傳輸?shù)臅r(shí)延。這在一定程度上由無線網(wǎng)絡(luò)上語音包的大小決定。由于無線網(wǎng)絡(luò)上實(shí)際傳送的碼流是由編碼后輸出的凈碼流（語音包）和經(jīng)過封裝后的碼流組成，可以在這兩部分分別采用壓縮技術(shù)來減小語音包的大小，在信道傳輸速率不變的情況下，充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源，提高凈荷數(shù)據(jù)的傳輸效率，保證實(shí)時(shí)交互式業(yè)務(wù)。

1全I(xiàn)P機(jī)制

在全I(xiàn)P機(jī)制下的下一代蜂窩系統(tǒng)，其基本目標(biāo)是給移動(dòng)終端提供基于IP 的實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，從而達(dá)到頻譜效率和錯(cuò)誤率要求。在實(shí)時(shí)語音情況下，頻譜效率和錯(cuò)誤率在目前的蜂窩系統(tǒng)有個(gè)執(zhí)行底線，要求全I(xiàn)P機(jī)制在語音服務(wù)時(shí)滿足這個(gè)存在的底線。為了實(shí)現(xiàn)基于IP的實(shí)時(shí)多媒體，在UTP/IP之上主要用RTP協(xié)議，參考文獻(xiàn)[1—6]。IPv4下，IP/UDP/RTP封裝后的頭的尺寸是40Bytes;IPv6下，至少60Bytes。當(dāng)語音負(fù)載很短時(shí)，如比IP/UDP/RTP頭還短。顯然，如果這樣的語音包在空中接口被發(fā)送，不可能滿足要求的語音頻譜效率。所以，在空中接口正向和反向傳輸前，需要一些頭適配技術(shù)以減少IP/UDP/RTP頭的尺寸，并且恢復(fù)原始的頭。

1.1用戶平面適配

（1）全不透明

用戶平面適配不知道頭和負(fù)載的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在空中接口發(fā)送的IP/UDP/RTP頭沒有轉(zhuǎn)換。誤差防護(hù)用在頭的每一個(gè)位上，甚至負(fù)載的每一個(gè)位上。由于一個(gè)頭丟失就需要丟棄通信包，沒有錯(cuò)誤隱藏或緩解應(yīng)用在頭上，頭部分可能比負(fù)載部分更需要誤差防護(hù)。這種技術(shù)允許在端到端的基礎(chǔ)上支持IPSec協(xié)議，達(dá)到全透明。明顯的是，由頭部引起的高費(fèi)用導(dǎo)致頻譜匱乏。

(2)負(fù)載不透明

這種情況下，UPA 只需要知道IP/UDP/RTP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而不需要知道負(fù)載的結(jié)構(gòu)。只有頭通過頭壓縮或頭拆除來達(dá)到適配。IP/UDP/RTP頭在傳輸?shù)娇罩薪涌谥皦嚎s，并在接收端解壓縮，頭比負(fù)載需要更強(qiáng)的錯(cuò)誤保護(hù)。考慮到以上因素，在下一代蜂窩系統(tǒng)中，頭壓縮算法參考文獻(xiàn)[2]。

1.2全I(xiàn)P機(jī)制結(jié)論

IP/UDP/RTP包需要適應(yīng)無線鏈路來滿足頻譜效率和蜂窩系統(tǒng)的誤碼要求。全I(xiàn)P網(wǎng)的應(yīng)用可以使用針對(duì)特定需求的不同承載類型。實(shí)時(shí)承載被分為基本語音(BV)和實(shí)時(shí)多媒體(RTMM)兩類。BV承載用來承載語音，等同于傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)的一個(gè)服務(wù);RTMM用來承載通常的多媒體業(yè)務(wù)，包括語音。對(duì)支持的全透明應(yīng)用來說，純IP業(yè)務(wù)是可以預(yù)測(cè)的。

（1）BV在有效負(fù)載中使用具有不相等位保護(hù)的頭拆除和頭壓縮機(jī)制。

（2）RTMM 在有效負(fù)載中使用基于相等位保護(hù)的頭壓縮機(jī)制，而它支持有效負(fù)載中不相等位保護(hù)的可能性還有待研究。

（3）純IP服務(wù)將支持不轉(zhuǎn)換頭的數(shù)據(jù)傳輸。頭壓縮在純IP中也是可能的，純IP在有效負(fù)載中使用相等的位保護(hù)。在所有情況下，頭均要求有很好的誤碼保護(hù)。

2語音編碼技術(shù)

2．1話音凈荷特點(diǎn)和G.729的語音壓縮編碼

話音源產(chǎn)生的話音首先要經(jīng)過語音編碼，對(duì)其進(jìn)行采樣、編碼、壓縮，這里采用G.729編碼。1995年ITU批準(zhǔn)了G.729的話音壓縮標(biāo)準(zhǔn)，在1996年又得到了進(jìn)一步的優(yōu)化改進(jìn)，現(xiàn)在G.729成為最重要的話音壓縮標(biāo)準(zhǔn)。G.729標(biāo)準(zhǔn)采用的算法可以僅用8kbps傳輸話音。G.729算法（CS-ACELP）在標(biāo)準(zhǔn)PCM或線性PCM（PulsedCodeModulation，脈沖編碼調(diào)制）的話音采樣基礎(chǔ)上，每10ms生成一個(gè)10Bytes長(zhǎng)的話音幀，能提供優(yōu)秀的音質(zhì)，并且時(shí)延很小[3]。

由于人耳的聽覺范圍在20—20 000Hz，根據(jù)采樣定律，要保證聲音不失真，就必須用44kHz左右的采樣頻率，但是人說話的范圍在300—3 400Hz，就要求用8kHz的采樣頻率對(duì)人的聲音采樣。G.729標(biāo)準(zhǔn)的8kbps速率加上包頭等開銷，單向語音的速率為11.2kbps。設(shè)每路IP語音需12kbps帶寬，它與超3G的20Mbps帶寬相比是極少的，也可以看出采用IP技術(shù)的下一代蜂窩通信有廣闊的發(fā)展前景。

2.2語音包到達(dá)概率

大量的研究表明，話音源由交替出現(xiàn)的講話間隔和停頓間隔組成，假設(shè)講話間隔和停頓間隔服從負(fù)指數(shù)分布。一般講話周期平均長(zhǎng)度為352ms， 停頓周期平均長(zhǎng)度為650ms。采用G.729編碼方式，在講話周期352ms里，10ms發(fā)送一個(gè)10Bytes的語音包。

在一個(gè)話音源的情況下，在講話間隔352ms里，有35個(gè)話音包要發(fā)送。假設(shè)s為話音源1在一個(gè)講話周期內(nèi)生成的話音包數(shù)，數(shù)據(jù)包發(fā)送間隔計(jì)時(shí)器設(shè)為Timer=τ。若在后續(xù)τms內(nèi)沒有任何話音包到達(dá)，即τms的起始處不落在s個(gè)話音包中任何一個(gè)之前的τms內(nèi)，可得此話音源沒有話音再到達(dá)的概率為p=(1002-sτ)/1002，這里假設(shè)τ<10。由于在一個(gè)講話周期內(nèi)，平均到達(dá)35個(gè)話音包，可得到一個(gè)話音源沒有話音到達(dá)的概率為

不同話音源認(rèn)為是獨(dú)立的，在接收并封裝第一個(gè)到達(dá)的話音包后，在τms內(nèi)任何話音源沒有話音包到達(dá)的概率：

2.3語音包編碼和封裝

原始到達(dá)的語音包經(jīng)過G.729編碼，設(shè)編碼輸出速率為ν_Okbps，語音包大小為χbit，編碼速率ν_Bkbps，比特速率（編碼前語音包中單個(gè)比特的傳輸速率）νbit，語音包發(fā)送間隔τms，則編碼輸出速率為

其中，ν_bit/ν_B相當(dāng)于卷積中的1/n，即編碼前和編碼后的符號(hào)個(gè)數(shù)比。

IP話音的實(shí)際碼流可估算如下：實(shí)際傳送碼流＝壓縮后的語音包/封裝效率，它由一個(gè)RTP包最多允許打進(jìn)多少壓縮后的語音包決定。設(shè)封裝效率為η，打進(jìn)的語音包個(gè)數(shù)為n，壓縮后的語音包為m，幀長(zhǎng)為l，封裝效率的估算公式為

試驗(yàn)表明，如一個(gè)RTP包打一個(gè)語音包，則實(shí)際傳送碼流為40kps，時(shí)延約為10ms；如打兩個(gè)語音包，則實(shí)際傳送碼流為24kps，時(shí)延為20ms；如打四個(gè)語音包，實(shí)際傳送碼流為16kps，時(shí)延為40ms。為保證編碼打包的時(shí)延，若將語音包的數(shù)量定為兩個(gè)，實(shí)際傳送碼流即24kps，而不是8kps。可見，采用不同的編碼器和不同的封裝形式所產(chǎn)生的實(shí)際傳送碼流是不同的，應(yīng)根據(jù)需要選擇。

3頭壓縮

3．1包頭對(duì)傳輸?shù)挠绊應(yīng)?/p>

由于IP技術(shù)是通過基于分組的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行話音的傳輸，而目前廣泛使用RTP/RTCP進(jìn)行實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的處理和控制，下面將分析RTP/UDP/IP的壓縮過程。

一個(gè)典型的IP話音包包括一個(gè)IP頭、一個(gè)UDP頭、一個(gè)RTP頭和話音凈荷部分。采用RTP傳輸時(shí)，基于IP技術(shù)的交互式語音分組如果由RTP來承載，包頭的總開銷包括：①對(duì)于IPv4來說，有一個(gè)IPv4頭（20Bytes）、一個(gè)UDP頭（8Bytes）和一個(gè)RTP頭（12Bytes），分組之前所使用的分組頭就有40Bytes。②對(duì)于IPv6來說，IPv6頭是40Bytes，分組頭就達(dá)到60Bytes，參見文獻(xiàn)[4，5]。報(bào)頭包含了源目的IP地址、UDP端口號(hào)、RTP時(shí)間戳、校驗(yàn)信息以及為保證數(shù)據(jù)正確傳輸所需的其他協(xié)議信息。

在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中傳輸實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，由于Internet只能提供盡力而為的服務(wù)，為了能夠提供有保證的實(shí)時(shí)音頻服務(wù)，一方面要分割I(lǐng)P包，這是因?yàn)镮nternet網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源有限，為更好地保證IP電話的話音質(zhì)量，應(yīng)將IP包大小限制為不超過256Bytes；另一方面，在IP協(xié)議棧應(yīng)用層采用RTP。但由上面分析可以看出，經(jīng)過IP，UDP和RTP封裝后的碼流有一個(gè)龐大的頭部，而基于語音編碼的凈荷和所使用的幀的總和也不超過20Bytes。這正是無線鏈路基于IP技術(shù)所遇到的一個(gè)問題。

為了高效率地傳輸有效數(shù)據(jù)，必須減小頭的大小。然而，由于在返程時(shí)間（RTT）很大的大多數(shù)無線鏈路上，以前的壓縮算法（像CRTP算法）無法很好地工作。考慮到無線鏈路上丟失的每個(gè)分組均將導(dǎo)致后續(xù)的幾個(gè)分組的丟失，使得至少在一個(gè)RTT內(nèi)，壓縮方和解壓方的關(guān)聯(lián)信息已經(jīng)不再同步了。加上無線鏈路的有損特性，為了保證無線資源被有效地使用，必須承受1e—3的誤碼率(BER)；在某些情況下，誤碼率將高達(dá)1e—2，超3G蜂窩系統(tǒng)誤碼率也要。再加上無線鏈路較長(zhǎng)的回程時(shí)間(RTT)，這個(gè)RTT可能高達(dá)100～200ms和不可忽略的殘留誤碼率。可見無線鏈路的特性使得以前的頭壓縮方案無法提供實(shí)時(shí)的傳輸。由于在蜂窩網(wǎng)中，帶寬是最寶貴的資源，頭標(biāo)壓縮方案的壓縮比和魯棒性比它的執(zhí)行和簡(jiǎn)單的計(jì)算更重要。基于以上條件，RFC3095的ROHC算法由于很適合無線鏈路的情況，已被UMTSrelease4和5采納，并且被ETSI和3GPP采用作為3G移動(dòng)電話的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，本文也將其用于下一代蜂窩系統(tǒng)的頭壓縮編碼。

3．2ROHC算法

頭標(biāo)壓縮的原理是基于分組間，尤其是連續(xù)的分組間的各個(gè)頭標(biāo)域有很大的信息冗余這樣的事實(shí)。ROCH算法很適合于無線鏈路，它能夠把40Bytes或者60Bytes的包頭壓縮成1—3Bytes。它在壓縮方面有很好的性能，并能抵抗蜂窩鏈路的包丟失，在下一代蜂窩系統(tǒng)里可以采用這種包頭壓縮算法。

3．2.1頭分類

在本算法中，將每個(gè)IP，UDP和RTP頭域都分類，按照類型進(jìn)行不同的處理。類型分為INFERRED，STATIC，STATIC-DEF，STATIC-KNOWN和CHANGING。除了分類為CHANGING的頭域，其他分類的頭域都有各自固定的處理方案。分類為CHANGING的頭域又被分為五個(gè)子類，即STATIC，SEMISTATIC，RARELY-CHANGING(RC)，ALTERNATING和IRREGULAR。基于現(xiàn)有的IPv4網(wǎng)絡(luò)、IPv4頭域、UDP頭域和RTP頭域分類如表1—3所示，表4統(tǒng)計(jì)了ROCH算法中IP/UDP/RTP頭域分類的總長(zhǎng)度。

3.2.2頭分類的結(jié)論

經(jīng)過分類，有很多域不變或很少改變，可以被輕松地壓縮。只有總共10Bytes的五個(gè)域需要更深層次的處理。這些域是：

（1）IPv4標(biāo)志（16bits）IP-ID；

（2）UDP校驗(yàn)和（16bits）；

（3）RTP標(biāo)記（Marker）（1bit）Mbit；

（4）RTP序列號(hào)（16bits）SN;

（5）RTP時(shí)戳（32bits）TS。

4結(jié)束語

針對(duì)下一代蜂窩網(wǎng)絡(luò)上的實(shí)時(shí)交互式通信問題，本文分別從采樣輸出的凈碼流和經(jīng)過封裝后的碼流兩部分的壓縮編碼技術(shù)來研究在信道傳輸速率不變的情況下，提出保證實(shí)時(shí)交互式語音業(yè)務(wù)的方法。提出的編碼方案充分考慮了提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率、減小語音包傳輸時(shí)延及提高帶寬有效利用率，能夠提高有效語音數(shù)據(jù)的傳輸效率。

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