VoIP 語音通話質量分析 (VOIP Voice Quality)

—  VoIP關鍵技術 —  

VoIP是將模擬信號(Analogue Signal) 進行採樣、壓縮、打包等一系列處理後，以IP數據包的形式在IP分組交換網絡上進行傳輸。簡單而言，它是將模擬信號轉換成可以在網絡中傳輸的數字信號。

在建立VoIP通話之前，先要進行呼叫，完成這一任務的信令系統。建立呼叫之後要對數據進行實時傳輸，這就需要一種實時傳輸技術。要使音頻信號在分組交換網絡傳輸，還要把模擬信號轉換成數字信號，並進行適當壓縮、編碼以適應這種傳輸，這就需要在傳輸之前對音頻進行編碼。在傳輸過程中還需要對通話服務質量進行實時監控，因此還需要QoS質量保證技術來完成相應工作。VoIP中的關鍵技術總結起來就是：信令技術、語音編碼技術、實時傳輸技術、QoS質量保證技術。

1.1   信令技術

信令技術，可以理解為一種控制機制。在VoIP系統中常用的信令技術有2個：一個是國際電信標準制定的H.323；另一個是因特網工作組(IETF)指定的會話初始協議SIP。

2種技術中，H.323是一個完整的體系，提供了完成VoIP通信的所有子協議，但是由於H.323龐大復雜，不易於管理維護，而且它不是一個開放性的協議。與此相比，SIP顯得更加靈活，擴展性強。SIP協議只提供會話建立、呼叫控制的功能，因而建立呼叫時間相對較短，SIP還需要與其他協議協同完成VoIP的具體通話技術。目前SIP協議已經已被廣泛應用到VoIP業務的實現中。

1.2 語音編碼技術

由於傳輸用到的帶寬有限，因此需要將數據壓縮得盡可能小，來降低傳輸比特率。目前主流的技術有波形編碼、參量編碼和混合編碼。VoIP應用中主流的波形編碼有G.711、G.721、G.723、G.726和G.727，而G728、G.729、Speex等則是主流的參數和混合編碼。這些編碼各有自己獨特算法，速率、複雜度也不盡相同。

1.3 實時傳輸技術

實時傳輸技術用來保障壓縮數據可以有序，同步到達接收方，便於接收方對數據進行解碼。目前VoIP系統中的實時傳輸技術主要是通過RTP協議實現。

1.4 QoS質量保證技術

為了保障服務質量，VoIP採用了資源預留協議RSVP以及實時傳輸控制協議RTCP。

RSVP信令協議，可以為網絡上的任何終端、主機之間建立的路徑保留寬帶，為數據傳輸預定、保證QoS。RTCP在進程之間交換控制信息，對傳輸質量進行管理。在RTP會話期間，參加會話的成員會間隔的傳送包含了已發送數據包數量、丟包數量等統計數據的RTCP包。利用這些信息，服務器就可以動態調整傳輸速率乃至改變載荷類型。RTCP一般和RTP捆綁使用，可以有效反饋、優化傳輸效率。

— 影響VoIP語音質量因素 —      

由於VoIP業務是通過因特網來傳輸封包，因此會產生封包延遲、丟包等。影響VoIP語音質量的因素主要有：時延、時延抖動、丟包率。

2.1 時延 (Delay)

數據從發話端傳輸到接收端所需要的時間即形成了時延。語音通信系統中，時延的增加會讓通話雙方感覺語音傳輸的停頓感，同時也會造成回音。對於公用電話網，延時一般只有50~70ms，而IP電話的延時較大，通常較為150~200ms，因此，VoIP系統的時延控制在100ms~150ms內，否則語音質量難以保證。VoIP系統中，時延由存儲轉發時延、傳播時延以及處理時延組成。

2.2 時延抖動

在一個VoIP呼叫過程中，所有發送的數據包經過不同路徑到達目的地的時間差異形成了時延抖動。由於VoIP在IP網絡上存在不同路由，而導致統一數據包之間也會有不同時延，存在傳輸時間差，因此產生抖動。

2.3 丟包率 (Packet Loss %)

IP數據包傳輸的過程中，丟失的數據包數量佔所發送數據包總量的比率形成了丟包率。不僅數據包在網絡傳輸過程中可能產生丟包，當語音網絡中超出抖動緩衝區所能承受的最大時延也會產生丟包。丟包會造成話音信息的缺失，嚴重時會導致話音的不連貫，甚至無法準確收聽到對方的話音。丟包率主要與網絡的流量有關，它是影響話音質量的重要因素。

—  改善VoIP語音通信質量的方法 —  

為了保證VoIP通話的要求，可以從以下幾個方面進行改善。

3.1   優化網絡環境

通過增加DSL或其他設備的頻寬，使得語音質量得到改善。需要注意編解碼所佔頻寬的大小，還應該考慮封包成本。例如，G.711雖然只佔64kbps，但是把封包成本計算在內，所需的實際頻寬超過100kpbs。改善網絡環境就會增加投資成本，包括更換設備和增加頻寬。而且，由於網絡跨越範圍越廣，眾多設備當中可能有部分會發生故障，這是就會使得丟包率瞬間提高，這對於需要即時傳輸的語音封包來說有致命的影響。

3.2 選擇合適編碼

選擇合適的編解碼可以對抗瞬間爆發的丟包率。在窄頻環境中可使用iLBC，寬帶環境中使用ISAC或者G.711，這些編解碼可以在丟包率超過20%的情況下，MOS值仍然超過3.0的優異效果。在選擇合適的編解碼的同時，還要保證當前頻寬能夠滿足編解碼的需求。如：iLBC至少在30kpbs以上，G.711至少在80kpbs以上。

3.3 QoS

QoS是將不同的封包（協議）進行標籤化處理，使得帶有特定標籤的封包(協議)能夠被優先處理並傳送。

QoS的算法多達數十種，有的機制可以通過結合其他的規則使得效果加以優化。有的機制將不同的封包(協議)通過優先等級隊列的方式，來保證優先級別高的封包(協議)可以“插隊”處理並傳送。有的機制是將可用的帶寬進行分割、編制等級，讓不同的封包(協議)以不同的帶寬傳輸。更複雜的算法設計，還能使用“借用頻寬”的方式來加速封包的傳送。設備端能判斷鄰近的頻寬是否使用中，如果發現“隔壁”頻寬並未使用，就可以允許特定封包（協議）借用隔離的頻寬。反之，低優先等級的封包或協議無法借用高優先等級的頻寬。

在VoIP系統中，通過QoS的技術雖然能確保語音·封包優先處理與傳送，但是如果此時網絡環境不良，優先傳送的封包會發生丟包情形，語音質量依舊會發生不穩定或不良的情形。

3.4 使用顫音緩存

顫音是由於封包延遲產生的，可以在設備接收端使用部分內存作為緩衝區，將沒有達到的封包緩存，並對其進行排序，再按序播放，這樣就可以改善顫音的現象。

從理論上講，緩衝區越大效果越好，但是這樣會佔用寶貴的內存資源。而且，由於聲音是實時的，顫音的處理應該在規定時間內完成，因此，太大的緩存空間不僅浪費內存，而且也可能使封包延遲更嚴重。

—  總結     —

經過上述分析可知，要想提高VoIP語音的通信質量，需要綜合多方面的因素考慮、權衡。要想徹底改變語音質量應該通過改善網絡環境，增加頻寬來實現。但是當網絡環境無法在短期內得到改善時，選擇合適的編解碼將優於傳統的QoS的效果。

Our Strategic Partner:

Security Company License (TYPE III) | 保安公司牌照 (第三類) : 1702

 保安局保安及護衞業管理委員會香港持牌保安公司