基于AMR语音编解码算法的VoIP系统
1 NS-2和AMR相关技术
1.1 NS-2网络模拟器
NS-2(Network Simulator，version 2)是由加州大学伯克利分校开发的面向对象的、离散事件驱动的网络模拟器，主要用于解决网络研究方面的问题，目前NS-2可以用于模拟各种不同的通信网络。它功能强大，模块丰富，已经实现的主要模块有：网络传输协议(如TCP和UDP)，业务源流量产生器(如FTP、Telnet、Web、CBR和VBR)，路由队列管理机制(如Droptail、FQ、RED和CBQ)，路由算法(如Dijkstra)，无线网络WLAN、移动IP、卫星通信网络模块、多播协议以及一些MAC子层协议等。
NS-2使用了被称为分裂对象模型的开发机制，采用C++和OTcl两种开发语言进行开发，它们之间采用TclCL进行自动连接和映射。NS-2的模拟可分为2个层次，其中第一个层次是基于OTcl的模拟，主要利用NS-2现有的网络元素来实现模拟，因此无需对NS-2本身做任何修改，只需要编写一个完整的OTcl脚本程序即可；另外一个层次是基于C++和OTcl的模拟，该层次中没有所需的网络元素，因此需要对NS-2进行扩展，添加所需要的网络元素。一般来说，NS-2的模拟需要与NamvNetwork animaterw配合使用。Nam是基于Tcl/Tk的动画演示工具，以把模拟的过程用可视化的方式呈现出来[2]。
1.2 AMR自适应技术的介绍
自适应多速率语音编码(AMR)有8种信源编码模式,2种信道模式(即全速率信道模式和半速率信道模式)以及不同信道模式下所对应的不同信道编码模式。其中，全速率信道模式下所对应的信道编码模式为8种，半速率信道模式下所对应的信道编码模式为6种，每种信道编码模式都有一种信源编码模式与之相对应。此外为了降低算法的复杂度，8种信源编码模式均采用ACELP(Algebraic Code Excited Linear Prediction)模型，不同的只是参量的量化码本和量化比特数。在移动通信中，当信道模式固定后，通过测量归一化的载(载波信号)干(干扰信号)比来估计当前信道的质量，度量级别为4个级别，分别为很差、差、好、很好。如果当前信道质量估计为较好或者好，则降低信道编码速率、提高信源编码速率，以此来提高重构后的语音质量；如果当前信道质量估计为差或者较差，则提高信道编码速率、降低信源编码速率，以此来保障通话质量。所以高模式下的信源编码(如MR122)，虽然可以提供优良的语音可懂度和自然度，但是抗噪能力差；而低模式下的信源编码(如MR475)，由于多数比特被用作信道编码，因此具有很强的纠错能力，但是重构后的语音质量不佳[3]。
2 AMR算法下的VoIP系统
VoIP传输的基本过程可分为4种：PC-PC模型、PC-Phone模型、Phone-PC模型和Phone-Phone模型[4]。本文中仿真的是Phone-Phone模型，具体过程如图1所示。在该模型中，语音的传输过程可以拆分为2个阶段。第一个阶段，语音数据通过UDP协议打包从源点pc0-T开始发送，通过网关gk0、gk1转发，将语音数据包转发到目的地点pc0-R，从而实现节点0~5之间的语音数据通信；第二个阶段，语音数据通过UDP协议打包从源点pc1-T开始发送，通过网关gk1和gk0转发，将语音数据包转发到目的地点pc1-R，从而实现节点6~1之间的语音数据通信。2个阶段连续的传输过程构成了VoIP中语音数据的基本传输过程。此外，为了更加真实地模拟网络资源的变化，设置了一个pc到pc的网络数据量的传输过程。该过程为：网络数据通过TCP协议打包从源点pc2-T开始发送，通过网关gk0和gk1转发，将网络数据包转发到目的地点pc2-R，从而实现节点2~7之间的网络数据的传输。通过设置不同的网络数据流量可以来模拟当前网络信道质量的好坏，从而为选择不同的AMR信源编码模式做准备。
为了检测网络拥塞下新VoIP系统的性能，需要对上述语音模型的一些参数进行调整：(1)公共交换网(PSTN)传输带宽的设定。节点0~3之间的链路是用来模拟PSTN的，而PSTN中最大的语音传输速率(无损语音编码方案G.711)为64 Kb/s，因此为了体现带宽资源的宝贵性，设置此链路的传输带宽为64 Kb，同理节点1~3之间、节点5~4之间、节点6~4之间的传输带宽也设为64 Kb；(2)Internet网传输带宽的设定。节点3~4之间的链路是用来模拟Internet网的，由于Internet网中传输数据量往往很大，而分配给每个用户之间的传输带宽是有限的，因此为了体现网络带宽的有限性，设置此链路的传输带宽为1 Mb。同理节点2~3之间、节点4~7之间的传输带宽也设为1 Mb；(3)当前网络信道质量的度量。为了度量当前网络信道质量，选取衡量VoIP系统性能的参数如时延、抖动、数据包丢失率等来作为衡量当前信道质量的参数。在本实验中，选取的是在一定时间内的语音数据丢包率，其计算公式为：λ=Sd/SRTT，式中Sd为固定时间内丢失的语音包数目，SRTT为固定时间内发送的语音包数目[4]；(4)AMR信源编码模式的选择。由于AMR有8种信源编码模式，且8种信源编码模式均是基于ACELP模型，各个模式下重构后的语音MOS值相差也不大，但是AMR总的代码量却很大，所以综合衡量起来，可以根据不同的语音数据包丢失率来自适应地选取其中的3种，即：MR122、MR74、MR475[3]。选择标准为：当λ≤1%时，选取MR122模式；当1%λ≤3%时，选取MR74模式；当λ>3%时，选取MR475模式；初始信源编码模式为MR122。
3 实验结果与分析
新VoIP系统在NS-2平台下的运行情况如图2所示。在该运行模型中，节点2~7之间流量的大小代表了网关节点3~4之间链路的状况。即当节点2~7之间传送的网络数据很大时(>1 Mb)，则认为节点3~4之间的链路发生了拥塞状况；当节点2~7之间传送的数据量较小时(1 Mb)，则认为不会发生拥塞状况。节点0~6是语音数据包的发送节点，且具有根据网络质量来自适应地调整语音发送速率的功能，其中初始发送速率为12.2 Kb/s；数据包的发送用NS-2自带的Pareto分布流量产生器，这主要是考虑到话音激活检测技术(VAD)对IP话音的影响[2]。
此外，为了更加方便和有效地分析实验数据，需要对上述VoIP模型进行简化处理，简化后的VoIP传输模型如图3所示。其中节点2为网关，节点3既是网关也是所有网络数据的接收节点；节点0为语音数据包的发送节点，节点1为网络数据量的发送节点。
图4为采用不同语音算法的网络数据的时延图和丢包率图。
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