相关专题：
摘要 专项研究了IP语音（VoIP）测试模型，分析研究了VoIP测试模型的重要特征参数以及对基于VoIP数据流中的信令流及语音流的分离和处理，并对VoIP测试模型的相关技术硬件及软件实现作了说明。
关键词 VoIP 测试模型 关键特性 网络结构
0、概述
IP语音（voice over IP，VoIP）应用越来越普及，常见VoIP测试模型应用包括：测试VoIP网关、VoIP PBX、网关控制器（gatekeeper）、代理服务器、媒体网关控制器、软交换机和其它网间网关和WAN设备、VoIP会议电话测试。确定开发容量、功能、性能、互操作性和特性。测试传统电信网络与新型基于包的网络之间的接口。证明呼叫计账（call accounting）、语音消息和会议服务器的功能和容量。VoIP测试模型提供了用于生成和终结VoIP信令和传输流的以太网端口。
目前基于电路交换的电信网络正向基于分组交换的IP网络演进。软交换技术、下一代网络（NGN）以及在NGN的框架下，同时支持固定接入和移动接入的IP多媒体业务的子系统（IP multimedia subsystem，IMS），都以IP为核心展开的业务，同时在相当长的一段时间内，语音仍然将是电信的核心业务，而研究基于IP网络的语音测试参数研究及模型实现，正是在此背景下进行的积极性探索[1]。
1、VoIP模型特性参数
1.1 VoIP测试模型应具备的常见特性[2-8]
（1）相关物理特性。应有多个标准的以太网口，每个网口具备LINK/ACTIVE和SPEED指示灯显示。
（2）VoIP主要测试指标特性。利用PESQ执行对每个呼叫的语音质量测试；能发送和接收信号音、语音、检测和转发DTMF信号音；能对测试指定的具体话音进行模拟IP网络损伤，包括时延、抖动、乱序、丢包等测试；每个测试模型上生成和结束多路VoIP的同时呼叫；生成对媒体网关控制器、网关或转交换机的呼叫建立。验证在呼叫持续时间内语音路径是否建立和保持。测量延时、呼叫建立时间、丢失包、乱序包、抖动、BHCA和呼叫完成；提供测试报文时间标签。
（3）VoIP协议测试特性。应具备用会话启动协议（session initiation protocol，SIP）、媒体网关控制协议（media gateway control protocol，MGCP）、H.323或媒体网关控制（media gateway control，MGACO）协议产生VoIP呼叫测试功能；提供IP网络的二三层线速流量测试。
（4）二次测试开发平台特性。支持多路VoIP灵活的呼叫排序测试；基于产品测试需要，可灵活定制协议；支持TCL脚本自动测试，自动与连续地采集测试结果。
（5）完善的测试报告结果。模型应产生详细的呼叫错误报告，包括不成功的顺序或信息。并且用表格和图形显示结果；为验证或分析监听任意通道；利用信息类型或信息报头过滤所显示的协议信息。
1.2 VoIP测试性能参数意义[9]
1.2.1 时延
时延是指数据从源端到终端所需要的时间，对于交互式语音通信系统，增加时延会让通话双方感觉发话者说话迟疑，也会造成回音，因此对于VoIP系统，时延一般控制在150ms内。在VoIP系统中，时延一般为如下构成：（1）分组封装及发送时延。分组封装时延主要由2部分组成，第1部分是语音编解码的A/D及D/A变换，主要由设备硬件完成，该时延较小，主要涉及下节介绍的输入信号预处理、自动校正分析技术；第2部分是由RTP分组所封装的语音数据字节数所决定；分组发送时延是指将分组数据串行发送物理链路所需要时间，由分组数据长度以及链路传输速率决定。（2）传播时延。传播时延是指VoIP信号经过物理载体（铜线或光纤等），由物理载体的长度带来的延迟。（3）排队及转发时延。排队及转发时延指分组数据在IP网络节点（交换机或路由器等）排队，以及从一端口向另一端口转发所带来的时延，这是总的传输延迟重要构成部分。
1.2.2 抖动
与传统的PSTN网络不同，PSTN是以固定速率（64kbit/s）进行数据传输，而IP数据包之间由于选择路由不同，而不同路由间存在不同时延等因素，导致同一VoIP的数据包之间会又不同的时延，由此产生了抖动。在VoIP中，如同时延一样是不能完全消除的，只能控制在一定范围内，一般可通过设备中的缓冲来解决，该VoIP性能指标是必测项。
2、IP语音流性能参数分析
IP语音性能参数主要针对VoIP的语音编解码A/D、D/A（如：G.711、G.723等）[2-8]进行分析，即它是针对语音流进行分析，IP语音性能参数直接会导致VoIP的延迟、抖动、语音失真等。
①输入信号预处理。输入信号预处理主要指在IP语音信号进行A/D转换前，使输入信号经高通IIR滤波器处理，可先滤除未定义频率的杂音信号，该高通滤波器定义为
（1）
②自动校正分析。设普通自动校正系数为rm，基于预处理信号且帧能量为E的8kHz抽样率，则相应语音A/D转换的自动校正窗口定义为
（2）
③反射系数补偿。该反射系数主要用于VoIP的VAD（静音检测）技术，提高VoIP语音质量。通过设置有效门限能消除信道噪音。普通和连续型之间的均方误差自动校正系数是按照（3）式进行补偿的。
（3）
（3）式中，如d小于调整门限Th，而且最后一帧未激活，则平均系数用于反射系数补偿；否则连续系数rm（i）则被使用，而门限值Th由每帧按照如下算法决定
该算法含义为已预设静音检测（VAD），则该消除噪音门限值为O；否则消除噪音门限值按照此系数计算（与抽样率及包长相关），超过O.06的则按O.06计算。
④LP synthesis线性预测合成分析滤波器[10]。根据下面激励计算得到：
反射系数转可换成预测系数为
（4）
（5）
线性预测合成分析滤波器定义为：
（6）
激励是通过滤波器舒适噪声产生的。L是激励长度，通常说它等于帧长。对于跟随第1个激活帧的未激活帧，L等于最后帧长减去模数M。所以，被合成滤波器输出的第1个抽样M往往被丢弃。
3、一种VoIP性能参数测试验证实现[11]
3.1 VoIP测试实现模型分析
由前面分析可知，VoIP一般性能参数有：时延、抖动、带宽、丢包率等，并且IP语音流性能分析的验证也需要DSP来构造处理语音流。所以，VoIP的信令流和语音流必须实现，为此我们设计了一种实现VoIP测试模型。该测试模型主要有2部分（见图1）：第1部分即VoIP测试前台模型，主要实现语音包及IP测试报文生成；第2部分即前台相连接的PC机后台，PC机除实现对第一部分控制外，还实现大流量信令测试。
图1 VoIP测试模型前台和后台框图
3.2 VoIP测试模型前台硬件设计分析
由于测试后台是PC机，在此，这里我们重点分析第1部分前台模型。如图2所示。各单元的功能分别如下。
图2 VoIP测试前台模型及总线分布框图
（1）线路接口单元。该单元支持不同业务接口扣板，如FE，GE，POS等款式扣板。常用的线路接口单元板提供8FE接口扣板通讯的标准接口U-TOPIA，通过总线转换单元的逻辑设置更换也可变为POSPHY3或IXBUS接口，以此可支持更高速率线路接口单元。通过本单元，可完成数据发送到接口板和从接口板接收数据的功能，同时提供对内自环和对外环回（交换）的功能。开发的接口逻辑包括接收方向的语音通道识别、接收包解包处理，发送方向的FIFO缓冲，还有PCI接口功能、时钟模块、语音损伤等。
（2）测试报文构造单元。该单元硬件主要由逻辑构成。该单元分发送和接收模块，发送模块应可根据用户终端设置产生不同类型数据，并组装成相应格式的信元或包，发送到总线转换单元并通过线路接口单元发送到被测设备；同时发送模块还根据需要产生错误的数据、丢失数据或插入数据，并对发送的数据进行统计。接收分析模块从总线转换单元接口接收数据，按相应的格式解析出包，对数据的正确性进行验证，并统计不同种类的数据的数目，并对包的延时进行统计。
（3）DSP处理单元主要应用于VoIP的语音编解码（根据G.711/G.723协议等）。该单元提供基于IP语音包的软硬件解决方案，可以灵活支持高密度的VoIP等业务，实现语音压缩、回波抵消、静音抑制、提供DTMF单音测试等功能，完成MGCP协议，从而支持VoIP、FoIP、MoIP等测试技术应用。
（4）小系统单元提供CPU、调试网络接口、电源以及时钟模块。调试网络接口提供和测试后台PC机的通讯，实现和PC机组合进行VoIP系统测试，提高测试系统硬件稳定性。电源模块为本板和CPU、接口板单元等提供各自需要的电源。时钟模块提供本测试模型工作的100M等主要时钟源。
3.3 VoIP测试模型软件协议处理研究
VoIP测试模型软件协议（SIP协议）处理如图3所示。其中SIP为VoIP网络信令协议，SIP及呼叫控制协议由PC机后台协议测试模型实现；SCTP/TCP/UDP是传输层协议，在小系统中的CPU软件中实现；G.711/G.723为语音编解码协议，这协议在DSP单元中实现，RTP，RTCP分别是实时传输协议和实时传输控制协议，通常用于在IP包上承载语音数据，RTP/RTCP用UDP承载，这由CPU软件完成；IP层及MAC层由线路接口单元中的逻辑实现。
VoIP测试通过PC机后台SIP建立信令连接开始发起测试，然后再通过VoIP测试前台模型部分的PESQ等协议发起语音测试，从而完成VoIP测试。
图3 VoIP测试模型软件协议分布处理逻辑框图
3.4 VoIP性能参数测试实现流程分析
首先，VoIP测试模型的初始化配置和数据设置、状态统计信息的读取都是通过小系统单元CPU总线来完成的。CPU还通过调试网络接口芯片，用网线完成与后台PC机的终端用户通讯。测试模型系统信号流如图4所示，通过小系统将VoIP测试数据区分为语音和信令2部分测试数据流。语音由DSP处理，信令由后台PC机完成处理。
图4 VoIP测试模型测试信号流向图
实现VoIP的性能参数，如测试带宽、丢包率，只需要后台向前台下达测试指令，从前台测试报文构造单元发起大量测试报文，线路接口单元至少提供2个测试端口，让测试流经测试设备后形成闭环。测试报文构造单元在发送特定报文时开始计数，同样从环回另一端口收到数据后开始统计接收数据。测试带宽参数时测试数据流量从低到高进行递增一直到接收数据报和发送数据报不一致时为止，此时的测试数据流量即为所测试设备带宽；而测试丢包率时，测试报文流量固定，不作改变，需要关注之处在于长时间测试过后对于接收和发送数据包的统计，两者之差除以总包数即丢包率的实现。
时延、抖动VoIP的参数测试需要先通过后台发送的信令流与被测试设备进行呼叫建立，然后在DSP单元按照要求的压缩方式（G.711等）构成带有时间标记的测试语音包，测试语音包经过被测设备环回返回后，即可由接收到包时间减去测试语音包的时间标记得到时延参数。而抖动参数可由建立不同路由测试出的时延计算而出。
4、结束语
介绍了VoIP的几个性能参数以及一种测试实现模型。该模型主要基于2种测试模式：①呼叫的管理方式测试，即根据需要完成PSTN和分组交换网之间双向的信令转换，也就是进行信令流测试即在后台PC机对信令测试数据流进行处理；②呼叫的处理测试，即要将PSTN的语音信号按照在分组交换网中传输所需要的格式打包，用于完成双向的信息传输测试，即媒体流测试，也就是在DSP上完成对语音测试数据流；上述两者关系是先接收地址的信息，确认其有效性（如空闲、忙、已注销、未开通等）后，选择合适的路由进行信令传递用于呼叫建立。一旦呼叫建立，再将打包后的语音信号传递至指定地址。一般VoIP的特性参数按照本测试模型进行语音和信令测试流的组合操作基本都可以实现。
参考文献：
[1] 杨松，毛期俭.ADSL线路手持测试模型技术分析及实现[J].电信科学，2005，21（1）：81-83.
[2] ITU-T Recommendation G.711-Appendix II [EB/OL].（2001-11-23）[2005-11-19].http：//WWW.itu.int/rec/T-REC-G.711-200002-I!APP II/es.
[3] CCITT Recommendation G.726，40，32，24，16kbit/s adaptive differential pulse code modulation（ADPCM）[EB/OL].（1990-06-12）[2005-11-19].http：//WWW.itu.int/rec/T-REC-G.726-199411-I!AnnA/en.
[4] CCITT Recommendation G.727，5-，4-，3-and 2-bits/sample embedded adaptive differential pulse code modulation （ADPCM）.[EB/OL].（1990-10-20）[2005-11-19].http：//WWW.itu.int/rec/T-REC-G.727-199103-I!APPI/en.
[5] CCITT Recommendation G.728，Coding of speech at 16kbits/s using low-delay code excited linear prediction.[EB/OL].（1992-04-10）[2005-11-19].http：//WWW.itu.int/rec/T-REC-G.728/en.
[6] CCITT Recommendation G.722，7 kHz audio-coding within 64kbit/s.[EB/OL].（1996-12-11）[2005-11-19].http：//WWW.itu.int/rec/T-REC-G.722.2/en.
[7] ITU-T Recommendation G.729 Annex B，A silence compression scheme for G.729 optimized for terminals conforming to Recommendation V.70.[EB/OL].（1996-05-09）[2005-11-19].http：//WWW.itu.int/rec/T-REC-G.729-199610-I!AnnB/en.
[8] ITU-T Recommendation G.191，Software tools for speech and audio coding standardization[EB/OL].（1996-05-09）[2005-11-19]. http：//WWW.itu.int/rec/T_REC-G.191/en.
[9] 沈鑫剡.多媒体传输网络与VoIP系统设计 [M].北京：人民邮电出版社，2005.
[10] 糜正琨.IP网络电话技术[M].北京：人民邮电出版社，2000.
[11] 杨松，刘萍.基于IP网络的测试研究[J].宇航计测技术，2004，24（5）：44-48.
作者：毛期俭 杨松 齐英 来源：重庆邮电学院学报]
