田婧

摘 要：在移動互聯(lián)網(wǎng)下提高VoIP通話質(zhì)量是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。全球超過50%的手機用戶使用較老的GSM制式，這是目前技術(shù)研究的一大挑戰(zhàn)。文章提出了一種改進移動VoIP電話的方法，通過與競爭對手的解決方案相比，可以大幅度降低帶寬消耗，同時保持可接受的通話質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：VoIP；帶寬；網(wǎng)絡(luò)；MOS

全球超過50%的手機用戶使用較老的GSM制式，但是這部分用戶對VoIP也有很大的需求，傳統(tǒng)的VoIP產(chǎn)品在GSM網(wǎng)絡(luò)下難以使用。對此，我們研究了一種智能數(shù)據(jù)包VoIP解決方案（SPVS）。該方案包括Android和iOS移動應(yīng)用程序，以及負(fù)責(zé)代理信號的一系列節(jié)點服務(wù)器。為了維持實時通信的可靠穩(wěn)定，提高帶寬效率，還采用了一系列的網(wǎng)絡(luò)和編碼解碼優(yōu)化。本文通過平均意見評分（Mean Opinion Scoring，MOS）和帶寬消耗來比較SPVS[1]及其他解決方案。

1 相關(guān)研究

應(yīng)用程序之間的性能和通話質(zhì)量比較，在移動VoIP相關(guān)文獻中很常見[2-4]。Kim等[5]測試了一系列包括iLBC，Skype和Speex在內(nèi)的許多編解碼器，他們使用言語質(zhì)量的知覺評價（Perceptual Evaluation of Speech Quality，PESQ）對不良網(wǎng)絡(luò)狀況，如抖動、數(shù)據(jù)包丟失等語音樣本進行評估。證明語音編解碼器不能提供高質(zhì)量的性能。有人測試了兩種移動VoIP應(yīng)用的質(zhì)量差異：Skype和Line[6]。他們使用PESQ在14所大學(xué)里測量了5種不同3G移動網(wǎng)絡(luò)?？梢杂脕碓u估網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。為了選擇合適的編解碼器，有團隊在PCM，Speex和iLBC之間作了比較[3]。結(jié)果顯示，iLBC在某些情況下優(yōu)于其他兩個。

2 智能數(shù)據(jù)包VOIP解決方案

SPVS是一個完整的移動VoIP網(wǎng)絡(luò)解決方案，包括PSTN突破能力。與競爭應(yīng)用程序相比，甚至可以提高90%的帶寬效率的優(yōu)化。

SPVS提高的關(guān)鍵是重視協(xié)議優(yōu)化的積累。

2.1 協(xié)議頭部數(shù)據(jù)消除

大多數(shù)協(xié)議都會攜帶一些含有元數(shù)據(jù)與有效載荷的頭部信息，用于接收方解析數(shù)據(jù)。為了提高帶寬效率，SPVS協(xié)議不會在每個包上都攜帶元數(shù)據(jù)。相反，我們使用了一些元數(shù)據(jù)包，允許數(shù)據(jù)包內(nèi)只攜帶實際編碼的語音數(shù)據(jù)，在設(shè)備之間協(xié)調(diào)調(diào)用。

2.2 編解碼頭部數(shù)據(jù)消除

類似于協(xié)議，編解碼器還攜帶一系列必須發(fā)送的參數(shù)[7]。如果通信雙方都配置有效載荷的參數(shù)，那么其所攜帶的頭部信息就成為多余的。最終可將其全部刪除，并且對傳輸?shù)拿總€參數(shù)進行標(biāo)準(zhǔn)化。SPVS只攜帶一個特定集合的編解碼器參數(shù)，并且允許每個包只攜帶壓縮語音信號。

2.3 有效載荷比減少

即使有效載荷不攜帶任何頭部信息，但每單個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包含所有由該層產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并且在上面添加自己的頭部信息。為減少被強加的頭部信息，我們使用了100 ms幀替代20 ms幀。這一更改更好地優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)利用率，類似于Nagle在TCP算法中提供的優(yōu)化[8]。與20 ms幀相比，使用100 ms幀可以節(jié)省4幀頭部信息?？梢杂梢韵玛P(guān)系表示：

S=（Hip+Hudp）× 4

Hip表示IP頭的大小，Hudp表示UDP頭的大小，S表示每100 ms幀發(fā)送的數(shù)據(jù)量。Hip的可能值介于20～60字節(jié)。Hudp具有固定8字節(jié)。使用這些數(shù)值，可以計算出節(jié)省的數(shù)據(jù)量在每幀112～272字節(jié)。

2.4 靜默檢測法

在正常通話中，通常只有其中一個參與者在說話，另一個在聽。如果沒有意識到這種特殊情況，應(yīng)用程序?qū)⑹冀K同時記錄和發(fā)送語音信息。使用靜默檢測算法，可以避免這一情況。SPVS有一個特殊的“靜默”包，每當(dāng)檢測到用戶靜默時便被應(yīng)用程序發(fā)送出去。這個包還可以作為一個存活報文，來保證連接的持續(xù)性而被定時發(fā)送。

2.5 編解碼器的選擇

Speex作為免費有效的開源編解碼器，可以集成到SPVS中。與其他窄帶語音編解碼器（如AMR和iLBC）相比，它更為理想[5， 9]。Speex有許多壓縮級別在0到10之間，其中0表示壓縮率最高但質(zhì)量最低，而10表示壓縮率最低但質(zhì)量最高，鑒于多次測試，我們決定使用壓縮級別為3。

3 評估

3.1 網(wǎng)絡(luò)性能測試

為驗證SPVS解決方案，我們選用了比較流行的VoIP軟件進行對比，QQ、微信、skype等。采用如圖1所示模型進行測試。

為了正確地攔截所有經(jīng)過的數(shù)據(jù)，兩部手機都通過筆記本電腦提供的熱點連接到因特網(wǎng)。

所有測試都遵循以下步驟：撥通兩個手機上面的APP實現(xiàn)通話；啟動tcpdump作為后臺過程，記錄所有的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)；播放1 min音頻文件，這個文件包含正常通話及通話過程中的正常靜默等待。音頻文件播放完畢后，停止tcpdump的抓包工作。

3.2 MOS測試文件

第二個實驗是MOS測試，分為兩個步驟：錄音和聽力測試。第一步對于所有使用測試的VoIP軟件進行錄音。第二步將錄音樣本打亂后，讓測試人員對測試樣本進行打分。

所有原始樣品都包含兩個及以上短暫沉默為間隔的短語。錄音過程使用兩個手機模擬一個談話過程。第一部電話被放在一個音響室里，在手機10 cm處有揚聲器播放80 dB的音樂，音響室的環(huán)境噪聲等級為33.9 dB。用這個手機上的APP撥打另一個手機，另一個手機通過音頻輔助線連接到電腦上進行錄音。記錄過程如下：

（1）設(shè)備1呼叫設(shè)備2，設(shè)備2接聽電話。（2）語音樣本在設(shè)備1被記錄下來。（3）同時設(shè)備2會把接收到的語音通過計算機記錄下來。（4）所有應(yīng)用程序中的所有步驟，都提供男性和女性語音樣本。

在記錄之后，所有產(chǎn)生的樣本都被重命名為只有錄音者知道的隨機名字。然后在移動應(yīng)用的幫助下進行平均意見評分MOS（見表1）。

3.3 結(jié)果分析

為方便分析，我們假設(shè)數(shù)據(jù)流量價格為10分/MB，如表2所示。對比其他系統(tǒng)，SPVS系統(tǒng)的語音質(zhì)量處于一個可接受的范圍，比QQ稍弱。但比QQ節(jié)省了71%的數(shù)據(jù)消耗。相比較微軟的skype軟件，SPVS節(jié)省了90%的數(shù)據(jù)消耗。

SPVS系統(tǒng)在特定的領(lǐng)域有很大的競爭優(yōu)勢，比如經(jīng)常出海的船員，他們只能通過昂貴的衛(wèi)星數(shù)據(jù)跟親朋好友聯(lián)絡(luò)，SPVS的低帶寬特性可以直接節(jié)省船員的通話成本。在3G和4G網(wǎng)絡(luò)普及率低的國家，SPVS的低帶寬特性具有非常大的優(yōu)勢。經(jīng)實際測試，表2中所列出的所有VoIP程序，只有SPVS可以在2G網(wǎng)絡(luò)下?lián)芡娫挕?/p>

4 結(jié)語

移動VoIP解決方案的另一個重要方面是多網(wǎng)絡(luò)切換引發(fā)的丟包問題。許多應(yīng)用程序發(fā)送更小更頻繁的數(shù)據(jù)包適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)切換。SPVS發(fā)送的頻率較低，丟失數(shù)據(jù)包更容易被聽眾感知，影響用戶體驗，SPVS在這方面需要做進一步的研究。

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