劉雪峰，呂先望，李志強

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

VoIP通信技術(shù)實質(zhì)上是Voice語音編碼壓縮技術(shù)和IP網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)相結(jié)合的一門技術(shù)?；驹砑斑^程描述為：終端設(shè)備對語音信號進行模擬采樣、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和壓縮編碼處理、封包，同時添加控制信息及地址；通過IP網(wǎng)絡(luò)傳送到目的端；目的端語音數(shù)據(jù)包串起來，經(jīng)過解碼解壓處理后，恢復成原來的語音信號。與傳統(tǒng)語音服務(wù)相比，使用VoIP技術(shù)具有以下優(yōu)點：能夠高效利用網(wǎng)絡(luò)資源，可以靈活提供增值服務(wù)，局域網(wǎng)絡(luò)用戶也可使用。

VoIP的信令控制協(xié)議主要包括 H.323 和 SIP，本文介紹的業(yè)務(wù)終端設(shè)備采用 SIP協(xié)議構(gòu)建。SIP協(xié)議是由IETF提出并主持研究的一個在IP網(wǎng)絡(luò)上進行話音通信的應(yīng)用層控制協(xié)議，它被用來創(chuàng)建、修改和終止一個或多個會話進程，通過代理功能和重定向請求到當前用戶位置來實現(xiàn)對用戶定位和用戶移動性的支持。SIP協(xié)議有幾大優(yōu)點：采用文本編碼，使用請求/響應(yīng)模式；清晰地將會話建立和會話描述區(qū)分開，使得SIP存在本質(zhì)上的互操作性；具有互操作性和開放性，支持多種服務(wù)且具有多媒體協(xié)商能力，能夠在不同設(shè)備之間通過SIP服務(wù)器或其他網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進行交互；由于SIP是基于文本的編碼方式，簡單易懂，具有很強的擴展性。

傳統(tǒng)VoIP語音主要是基于IP網(wǎng)絡(luò)傳輸，單路話音傳輸網(wǎng)絡(luò)開銷多、占用帶寬大，不適用于帶寬受限的窄帶無線信道傳輸。為解決在帶寬受限的非IP信道傳輸多路VoIP 話音的需求，本文提出一種IP 話音在非IP信道傳輸?shù)腎P話音處理方法，可滿足在低速信道(帶寬128 kbps)同時傳輸16路IP話音，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計一種基于SIP協(xié)議、雙網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的綜合業(yè)務(wù)終端。

1 話音處理原理

基于SIP協(xié)議的VoIP數(shù)據(jù)包分為信令數(shù)據(jù)包和話音數(shù)據(jù)包：信令數(shù)據(jù)包在會話建立和結(jié)束時才會使用，占用的帶寬?。辉捯魯?shù)據(jù)包為基于RTP協(xié)議以UDP模式傳送的數(shù)據(jù)流，采用壓縮率較大的G.723標準，在發(fā)送間隔為30 ms時，話音包大約占用24 kbps的帶寬，在128 kbps的低速信道下，僅支持傳輸5路標準話音。為了提高傳輸效率，滿足16路話音的傳輸需求，采用僅傳送話音數(shù)據(jù)凈荷、話音信令分離、與信道傳輸幀結(jié)構(gòu)相結(jié)合的IP話音處理方法。具體工作原理如下：

將傳輸信道劃分為1個信令通道和16個話音通道，其中信令通道占用帶寬25.6 kbps，每路話音通道占用帶寬僅為6.4 kbps，此處話音編碼采用G.723-2標準，壓縮速率為5.4 kbps。需要對IP數(shù)據(jù)包進行兩次拆包/打包處理：一次是發(fā)送端對IP數(shù)據(jù)包進行拆包處理，去掉IP數(shù)據(jù)包頭和RTP數(shù)據(jù)包頭，僅留信令和話音數(shù)據(jù)凈荷。根據(jù)解析的SIP信令分配對應(yīng)話音時隙，不同目的IP地址的話音媒體包分別占用幀結(jié)構(gòu)中不同的話音時隙，同時插入自定義識別標志頭重新打包在信道上傳輸；另一次是接收端利用信道幀結(jié)構(gòu)同步信息，從信道傳輸數(shù)據(jù)中分解SIP信令信息，對接收的SIP信令同樣解析，得到對應(yīng)的話音媒體時隙后根據(jù)識別標志頭對話音媒體包進行恢復，再對IP數(shù)據(jù)包頭和RTP數(shù)據(jù)包頭進行還原處理，重新封裝IP協(xié)議數(shù)據(jù)包送SIP服務(wù)器進行處理。

2 設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 幀結(jié)構(gòu)設(shè)計

按時隙的概念對信道進行劃分，采用信令與話音數(shù)據(jù)分離的方式，盡量減少信道開銷。幀頻選擇2.5 ms，總幀長為320 bit。信道分配包括：幀同步信息8 bit，信令時隙長32 bit，占用帶寬12.8 kbps；話音最大需求16路，占用16時隙，每路話音的長度16 bit，占用帶寬6.4 kbps。而采用G723.2話音壓縮編碼，語音可壓縮到5.4 kbps，滿足幀結(jié)構(gòu)時隙帶寬要求。這樣的帶寬分配既可以保證語音有一定的質(zhì)量保證，又可以使信令有一定的接續(xù)速度。幀結(jié)構(gòu)具體設(shè)計如圖1所示。由圖中可以看出，使用這種幀結(jié)構(gòu)進行傳輸時，在128 kbps的信道上，可以傳輸16路基于G.723的IP話音。

幀同步161514131211109876543210幀同步(8bit)信令時隙(64bit)話音時隙0～15(每路16bit)

圖1 幀結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 RTP數(shù)據(jù)包去IP包頭/RTP包頭

RTP數(shù)據(jù)包的IP包頭格式如圖2所示，包含版本、頭長度及區(qū)分服務(wù)等十多項內(nèi)容。需要復原的信息就只有源目的IP地址，源目的端口，其他信息可以默認生成，其中源目的IP地址和源目的端口可以通過解析SIP信令中的相關(guān)SDP信息得到。

圖2 IP數(shù)據(jù)包的包頭格式

RTP數(shù)據(jù)包格式如圖3所示，包頭前12字節(jié)為固定字節(jié)，時間戳等本身是隨機數(shù)，可以在收端重新生成，編碼方式等為已知，同步源標識符(SSRC)在本項目中意義不大，可以用信道號生成。

圖3 RTP數(shù)據(jù)包格式

通過以上分析可知，IP數(shù)據(jù)包頭和RTP數(shù)據(jù)包頭是為了在IP通道里標記發(fā)出和目的地址的，但在點對點傳輸?shù)姆荌P通道沒有用到，因此可以采用將2種數(shù)據(jù)包頭去掉收端再還原的方式，信道僅傳輸信令和話音數(shù)據(jù)凈荷，以提高信道業(yè)務(wù)的利用率，減少冗余開銷。去掉的數(shù)據(jù)為IP數(shù)據(jù)包頭和RTP數(shù)據(jù)包頭前32 Byte，其中IP數(shù)據(jù)包頭20 Byte，RTP數(shù)據(jù)包頭12 Byte。

2.3 數(shù)據(jù)凈荷的打包/拆包

為了接收端能夠正確在數(shù)據(jù)幀流里解出去掉IP數(shù)據(jù)包頭和RTP數(shù)據(jù)包頭的信令/話音凈荷，需要在一包完整的信令/話音凈荷的頭部添加一個識別標志頭，識別標志頭設(shè)為特殊字符，話音包里不會出現(xiàn)，并且插入多個以便于區(qū)分，同時根據(jù)信道帶寬限制，選取合適數(shù)量的識別標志，設(shè)計插入4個字節(jié)。對方收到數(shù)據(jù)幀流后，通過檢索識別標志頭，并按包長度還原信令/話音數(shù)據(jù)包。具體實現(xiàn)過程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)凈荷的打包/拆包過程

2.4 RTP數(shù)據(jù)包恢復

RTP數(shù)據(jù)包恢復包括RTP包頭還原和IP包頭還原，其中RTP包頭中時間戳使用重新生成的隨機數(shù)填充，編碼方式填充固定的G.723編碼，其他默認即可；IP包頭中源目的IP和源目的端口通過信令交互得到進行填充，其他默認生成。

3 分析對比

通過計算可得，傳輸相同路數(shù)IP話音，基于標準IP協(xié)議與經(jīng)過話音處理后所占傳輸帶寬的對比情況，如表1所示?？梢钥闯?，與標準VOIP傳輸方式相比，采用IP話音數(shù)據(jù)處理后占用傳輸帶寬明顯降低，傳輸16路話音時，傳輸信道帶寬僅需115.2 kbps，并且隨著傳輸話音路數(shù)的增加，所節(jié)約的帶寬比例也隨之變大，最多時可節(jié)約62.5%的帶寬。

表1 各種傳輸方式的傳輸帶寬

話音路數(shù)標準傳輸帶寬/kbps處理后傳輸帶寬/kbps節(jié)約帶寬比例/%119.219.20238.425.633.3357.63244.4476.838.45059644.853.36115.251.255.57134.457.657.18153.66458.39172.870.459.31019276.86011211.283.260.612230.489.661.113249.69661.514268.8102.461.915288108.862.216307.2115.262.5

4 結(jié)束語

針對帶寬受限信道，采用IP話音處理方法，設(shè)計實現(xiàn)了一種基于SIP協(xié)議適用于窄帶非IP信道的綜合業(yè)務(wù)終端設(shè)備，并在工程實踐中進行了話音傳輸容量的試驗。通過試驗驗證，在128 kbps的傳輸帶寬下，16路電話能夠同時進行呼叫連接，并持續(xù)正常通話。采用優(yōu)化設(shè)計方案所設(shè)計的綜合業(yè)務(wù)終端設(shè)備適應(yīng)電路交換和IP交換體制，有效改善了窄帶通信傳輸利用率的問題，適用于帶寬受限無線信道的綜合業(yè)務(wù)傳輸。