VoIP网络接纳控制机制必要性探讨

3   VoIP业务的资源需求分析

　　VoIP业务的资源需求由两个方面的因素决定：每个呼叫的带宽需求（平均码率）和单位时间的呼叫数量。其中后者由用户数量、用户的活跃程度和用户的网络访问模式决定。

　　3.1   每个呼叫的带宽需求

　　VoIP业务中，网络中传输的有效信号是数字化语音信号，但是为了在IP网络中传输，需要对原始信号进行包封装，以便进行选路和实现一些控制功能。因此，每个呼叫所需的带宽不仅与数字化方式（压缩编码）有关，还和语音信号的抽样与打包频率有关。

　　3.1.1  报头负荷

　　根据IETF的标准建议，通过IP网络传输语音信号样本需要增加三个额外的报头，每个报头对应一个网络层次，即IP，UDP和RTP [4]。 IPv4的报头长20个字节（8bit），UDP报头为8字节，RTP报头为12字节。图2所示为语音信号的封装格式。

图2 VoIP分组封装格式

　　从图2可见，报头信息的总长度为40字节，即320bit。每次语音样本发送时，这些报头也需要发送一次。因此，报头信息所占用的额外带宽与语音样本的发送频率有关。

　　3.1.2     语音信号封装频率

　　语音信号的封装频率指的是每秒钟封装发送的语音样本数量。例如，一个语音样本表示20毫秒的语音信号，则每秒钟需要进行50次抽样，即语音信号封装频率为50。语音信号抽样频率的选择是语音质量与带宽需求的折衷。因为40字节的封装报头保持不变，样本越小则所需带宽越多。然而，当样本长度增加时，系统的总时延随之增加，分组丢失带来的信号损失也随之增大。

　　IETF RFC1889中有一个例子说明语音样本长度为20ms，但该文本并没有将该值作为标准建议。对这个问题还没有标准的答案，参考一般做法，通常取20ms，即每秒封装发送50个样本。这种情况下，每个样本带有320bit的IP/UDP/RTP报头，因此，每秒钟需发送报头16Kbits。

　　3.1.3     编码算法的影响

　　语音信号编码实现语音信号的数字化，通常还具有一定的压缩功能。语音信号通常采用恒定比特率编码方式，相对于视频信号而言其码率较低。由于采用的编码算法不同，其输出码流的速率和回放后得到语音质量也不一样。ITU-T的G系列推荐标准中包括了多种话音信号（压缩）编码方法。其编码算法和速率见表1。

表1语音信号编码速率与IP传输速率

　　前面提到，如果样本时间为20ms，则每秒需发送的报头约为16Kbits。当样本长度小于20ms时，可以将几个抽样打入一个分组中发送，这个经验值仍然有效。但当样本长度大于20ms时，通常将一个样本封装到一个分组中，因而封装所需的带宽消耗将小于16Kbits。以表1中G.723.1编码算法为例，由于样本长度为30ms，因而分组封装频率为33.3，其消耗带宽约为320x33.3= 10.67Kbits。

　　每种编码算法对应不同的复杂度，时延特征和语音回放质量。G.729(A)和G.723.1被认为有望成为VoIP应用主流的算法。

　　表1只考虑了IP层的封装，当IP分组在链路上传输时，通常还要经过链路层协议的封装。以太网正逐渐成为传输技术的主流，以太成帧也是开销较大的链路层技术，包括差错控制编码一般需要16个字节。仍然假定每秒50次的封装频率，则需要增加开销7.2kbps。如采用以太传输，则每个G.711语音会话所需带宽为87.2kps，而每个G.729(A)语音会话所需事宽为31.2kps。

　　3.1.4报头压缩

　　对一个典型的8kbps的压缩机制，报头的负荷通常是16kbps(是净荷的2倍)，因此有必要采取适当的措施减少报头的传送开销。现在已经存在一些方法，如报头压缩、RTP利用等[5]。通过采用这些方法，可以使用报头的负担降至2或4字节，大大提高了封装的效率。