刘雪峰，吕先望，李志强

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

VoIP通信技术实质上是Voice语音编码压缩技术和IP网络传输技术相结合的一门技术。基本原理及过程描述为：终端设备对语音信号进行模拟采样、数据转换和压缩编码处理、封包，同时添加控制信息及地址；通过IP网络传送到目的端；目的端语音数据包串起来，经过解码解压处理后，恢复成原来的语音信号。与传统语音服务相比，使用VoIP技术具有以下优点：能够高效利用网络资源，可以灵活提供增值服务，局域网络用户也可使用。

VoIP的信令控制协议主要包括 H.323 和 SIP，本文介绍的业务终端设备采用 SIP协议构建。SIP协议是由IETF提出并主持研究的一个在IP网络上进行话音通信的应用层控制协议，它被用来创建、修改和终止一个或多个会话进程，通过代理功能和重定向请求到当前用户位置来实现对用户定位和用户移动性的支持。SIP协议有几大优点：采用文本编码，使用请求/响应模式；清晰地将会话建立和会话描述区分开，使得SIP存在本质上的互操作性；具有互操作性和开放性，支持多种服务且具有多媒体协商能力，能够在不同设备之间通过SIP服务器或其他网络服务器进行交互；由于SIP是基于文本的编码方式，简单易懂，具有很强的扩展性。

传统VoIP语音主要是基于IP网络传输，单路话音传输网络开销多、占用带宽大，不适用于带宽受限的窄带无线信道传输。为解决在带宽受限的非IP信道传输多路VoIP 话音的需求，本文提出一种IP 话音在非IP信道传输的IP话音处理方法，可满足在低速信道(带宽128 kbps)同时传输16路IP话音，并以此为基础设计一种基于SIP协议、双网络架构的综合业务终端。

1 话音处理原理

基于SIP协议的VoIP数据包分为信令数据包和话音数据包：信令数据包在会话建立和结束时才会使用，占用的带宽小；话音数据包为基于RTP协议以UDP模式传送的数据流，采用压缩率较大的G.723标准，在发送间隔为30 ms时，话音包大约占用24 kbps的带宽，在128 kbps的低速信道下，仅支持传输5路标准话音。为了提高传输效率，满足16路话音的传输需求，采用仅传送话音数据净荷、话音信令分离、与信道传输帧结构相结合的IP话音处理方法。具体工作原理如下：

将传输信道划分为1个信令通道和16个话音通道，其中信令通道占用带宽25.6 kbps，每路话音通道占用带宽仅为6.4 kbps，此处话音编码采用G.723-2标准，压缩速率为5.4 kbps。需要对IP数据包进行两次拆包/打包处理：一次是发送端对IP数据包进行拆包处理，去掉IP数据包头和RTP数据包头，仅留信令和话音数据净荷。根据解析的SIP信令分配对应话音时隙，不同目的IP地址的话音媒体包分别占用帧结构中不同的话音时隙，同时插入自定义识别标志头重新打包在信道上传输；另一次是接收端利用信道帧结构同步信息，从信道传输数据中分解SIP信令信息，对接收的SIP信令同样解析，得到对应的话音媒体时隙后根据识别标志头对话音媒体包进行恢复，再对IP数据包头和RTP数据包头进行还原处理，重新封装IP协议数据包送SIP服务器进行处理。

2 设计与实现

2.1 帧结构设计

按时隙的概念对信道进行划分，采用信令与话音数据分离的方式，尽量减少信道开销。帧频选择2.5 ms，总帧长为320 bit。信道分配包括：帧同步信息8 bit，信令时隙长32 bit，占用带宽12.8 kbps；话音最大需求16路，占用16时隙，每路话音的长度16 bit，占用带宽6.4 kbps。而采用G723.2话音压缩编码，语音可压缩到5.4 kbps，满足帧结构时隙带宽要求。这样的带宽分配既可以保证语音有一定的质量保证，又可以使信令有一定的接续速度。帧结构具体设计如图1所示。由图中可以看出，使用这种帧结构进行传输时，在128 kbps的信道上，可以传输16路基于G.723的IP话音。

帧同步161514131211109876543210帧同步(8bit)信令时隙(64bit)话音时隙0～15(每路16bit)

图1 帧结构示意图

2.2 RTP数据包去IP包头/RTP包头

RTP数据包的IP包头格式如图2所示，包含版本、头长度及区分服务等十多项内容。需要复原的信息就只有源目的IP地址，源目的端口，其他信息可以默认生成，其中源目的IP地址和源目的端口可以通过解析SIP信令中的相关SDP信息得到。

图2 IP数据包的包头格式

RTP数据包格式如图3所示，包头前12字节为固定字节，时间戳等本身是随机数，可以在收端重新生成，编码方式等为已知，同步源标识符(SSRC)在本项目中意义不大，可以用信道号生成。

图3 RTP数据包格式

通过以上分析可知，IP数据包头和RTP数据包头是为了在IP通道里标记发出和目的地址的，但在点对点传输的非IP通道没有用到，因此可以采用将2种数据包头去掉收端再还原的方式，信道仅传输信令和话音数据净荷，以提高信道业务的利用率，减少冗余开销。去掉的数据为IP数据包头和RTP数据包头前32 Byte，其中IP数据包头20 Byte，RTP数据包头12 Byte。

2.3 数据净荷的打包/拆包

为了接收端能够正确在数据帧流里解出去掉IP数据包头和RTP数据包头的信令/话音净荷，需要在一包完整的信令/话音净荷的头部添加一个识别标志头，识别标志头设为特殊字符，话音包里不会出现，并且插入多个以便于区分，同时根据信道带宽限制，选取合适数量的识别标志，设计插入4个字节。对方收到数据帧流后，通过检索识别标志头，并按包长度还原信令/话音数据包。具体实现过程如图4所示。

图4 数据净荷的打包/拆包过程

2.4 RTP数据包恢复

RTP数据包恢复包括RTP包头还原和IP包头还原，其中RTP包头中时间戳使用重新生成的随机数填充，编码方式填充固定的G.723编码，其他默认即可；IP包头中源目的IP和源目的端口通过信令交互得到进行填充，其他默认生成。

3 分析对比

通过计算可得，传输相同路数IP话音，基于标准IP协议与经过话音处理后所占传输带宽的对比情况，如表1所示。可以看出，与标准VOIP传输方式相比，采用IP话音数据处理后占用传输带宽明显降低，传输16路话音时，传输信道带宽仅需115.2 kbps，并且随着传输话音路数的增加，所节约的带宽比例也随之变大，最多时可节约62.5%的带宽。

表1 各种传输方式的传输带宽

话音路数标准传输带宽/kbps处理后传输带宽/kbps节约带宽比例/%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 结束语

针对带宽受限信道，采用IP话音处理方法，设计实现了一种基于SIP协议适用于窄带非IP信道的综合业务终端设备，并在工程实践中进行了话音传输容量的试验。通过试验验证，在128 kbps的传输带宽下，16路电话能够同时进行呼叫连接，并持续正常通话。采用优化设计方案所设计的综合业务终端设备适应电路交换和IP交换体制，有效改善了窄带通信传输利用率的问题，适用于带宽受限无线信道的综合业务传输。