P2P VoIP应用的性能评测
杨永铭 王喆 2008/09/24
摘要:基于IP技术的语音分组传输(VoIP)电话目前被广泛使用,Skype与GTalk是VoIP应用的两个典型代表。在可控网络环境下,通过调整信道容量、时延、丢包、抖动等网络参数,利用PESQ MOS方法评测了Skype与GTalk的语音质量,并且讨论了在可变网络环境下的动态适应性策略。图1 实验系统框架
3.2 网络的度量衡量标准
实验中需要评测的性能参数有:语音质量和从S到R的数据传输率(它是Skype与GTalk适应性能的直接表现)。对于传输数据流的分析工具是tcpstat。
语音质量的测评方法有几种:一种是MOS(平均主观值法)[6],这是由ITU-T制定的一个较为主观的评价方法,由直接参与到语音通信中的人来评定语音的质量,语音质量最终被评为1~5分,分数越高语音质量越好。与MOS相比,E-model[7]是一种较为客观的评估语音质量的方法,关注影响语音质量的全面的网络损伤因素(如时延、抖动、回音、编解码等)。由于不能获得有关Skype与GTalk编解码器的信息,所以就无法采用此方法来评测语音质量。实验中所采用的是PESQ(感知评估通话质量测评)[8],此方法实际上是通过复杂信号处理,用PESQ算法对发送信号和接收信号进行校准,然后评估这两个信号间的差异,最终评测结果对应于MOS。
3.3 实验描述
在一个可控的网络状态下,对Skype和GTalk进行评测。本文建立了4个具体的实验,在这些实验中以下几个参数分别出现:信道容量、时延、丢包率和抖动,这些参数值的选取是针对Skype与GTalk来具体确定[9]。
实验过程中,网络参数会被定义为几个不同的值,在语音传输过程中,这些值是动态变化的,在变化的每个阶段,发送端会发送1
h的语音信号,接收端收到的是60个1 min的语音信号。实验对Skype与GTalk是在相同状况下重复进行,Skype的版本为2.0.0.81,GTalk的版本为1.0.0.92。
4、性能评测
4.1 信道容量影响
在此实验中,设定时延25 ms且没有明显的丢包和抖动。要研究的是当信道容量逐渐变化(50 kbit/s、40 kbit/s、30
kbit/s、20 kbit/s、15 kbit/s)时,Skype与GTalk相应的变化。通过观察传输率(见图2)和PESQ
MOS(见图3),发现在信道容量为50 kbit/s时GTalk利用了更多的带宽,传输速率比Skype更高。当信道容量变为40
kbit/s时,GTalk发生了很明显的变化,传输速率降低到了35 kbit/s。这个变化使得其PESQ MOS分数与Skype相比有所提高,而Skype的传输速率则接近信道容量。当信道容量变为30
kbit/s时,两者间差异不大。当信道容量为20 kbit/s时,Skype首次优于Gtalk,当信道容量为15 kbit/s时,Skype的PESQ
MOS分数比GTalk高5.5%。通过观察知道,在容量为20 kbit/s时两者的传输率相同,但PESQ MOS分数却不一致,合理的解释就是GTalk出现了很严重的网络抖动情况(如图4所示)。
图2 吞吐量随信道容量变化状况
图3 PESQ MOS随信道容量变化状况
图4 平均抖动随信道容量变化状况
4.2 时延影响
网络参数设置为信道容量50 kbit/s且没有丢包和抖动发生。确定几个等级范围,其中时延为1 ms、10 ms、100
ms时通话是可以接受的,时延为500 ms、1 000 ms时语音质量就变得不可接受。对于Skype,时延对其服务质量的影响更为明显,如图5所示,传输率从37.5
kbit/s降为19.36 kbit/s。然而,对于GTalk其传输率则没有明显变化。由图6可知,在时延为1 ms、10
ms、100 ms时Skype的PESQ MOS高于GTalk,在时延为500 ms、1 000 ms时GTalk则略优于Skype。
图5 不同时延下吞吐量的变化状况
图6 PESQ MOS随时延的变化状况
4.3 丢包影响
设置信道容量为50 kbit/s,时延为25 ms,没有抖动,丢包率分别定为0、1%、5%、10%、30%、40%。如图7所示,GTalk对于丢包发生,没有适应性机制。可以设想Skype对数据流增加了冗余信息来减少丢包对语音质量的影响,这就解释了在丢包率为1%、5%、10%时传输率的增长。然而,Skype的这些适应机制并没有使得PESQ
MOS分数比GTalk高,如图8所示。在丢包率为5%时,Skype添加了过多的冗余,消耗了过多的网络带宽,而PESQ
MOS并没有期待中的提高。
图7 不同丢包率下的吞吐量的变化状况
图8 不同丢包率下的PESQ MOS变化状况
4.4 抖动影响
设置信道容量为50 kbit/s,没有丢包,时延为100 ms,抖动为0 ms、20 ms、40 ms、60 ms、80
ms。但是测量数据没有显示出任何适应性的迹象。在本实验中抖动只是改变了接收端的缓冲区大小,对数据流传送没有任何影响,并且实验结果也显示PESQ
MOS或者说语音质量与抖动没直接关系,具体的实验图示不再赘述。
4.5 实验分析
虽然实验比较了VoIP的两个应用GTalk与Skype,但目的不是要分出它们的优劣,而是要找出普遍存在问题,给VoIP的应用开发商提出建议。
采用不同的编解码方式,其对应的业务质量可能不同。即使是使用相同的编解码方式,也可能会表现出不同的语音质量。对于VoIP的应用来说,具有高效的适应机制来适应复杂可变的网络环境相当重要,适应性好的应用会更有优势,例如,当带宽有限时,GTalk始终保持一个较高的传输率,从而产生了严重的抖动和PESQ
MOS分数的下降。另一方面,Skype在有较高时,传输率有明显的下降,导致业务质量更糟。
数据流中添加冗余信息可能会产生好的效果,如图7、8所示,当丢包率小于10%时,Skype可以使PESQ MOS的分数保持在3分之上,GTalk没有采用适应性机制,从而其语音质量随着丢包率而线性下降。但是,也需要对添加冗余信息的量度有一个把握,否则会产生不好的效果,因此还需要进一步地提出更有效的冗余设计方案来适应可变网络。
5、结束语
本实验比较了P2P VoIP的两个应用Skype和Gtalk,讨论了它们在网络状况变化时的动态适应策略,并且通过PESQ
MOS方法评估了它们语音质量的优劣。通过实验可知:在理想的网络状况下,Skype表现得更好一些(两者PESQ MOS的分数差别为0.1),总体而言它们的语音质量还是较为接近。在网络有较长的时延时,Skype有不必要的适应性。当丢包情况发生时,GTalk没有实施任何机制来提高其性能,与此同时,Skype使用数据冗余机制来对抗丢包以提高其语音质量。在抖动情况发生时,两者都没有很好的机制来提高其适应性。当有较长的时延时,PESQ
MOS并不是最佳的评估语音质量的方法。所以,尽管实验中包含有时延对语音质量的影响结果,但这可能不是十分准确,有待于进一步研究。另外,以上的实验是Skype与GTalk分别进行,之间没有相互影响,若是VoIP的具体应用需要竞争相同的网络资源时,它们的表现情况如何研究者需要进一步的研究。
参考文献
1 朱海毅,周春楠.VoIP基本原理.信息技术.2003,5(5)
2 Shen Q.Performance of VoIP over GPRS.In:17th International
Conference.on Advanced Information Networking and Applications(AINA’03),2003
3 Furuya H,Nomoto S,Yamada H.Experimental investigation
of the relationship between IP network performances and speech
quality of VoIP.In:10th International Conference on Telecommunications(ICT
2003),March 2003
4 Salman A B,Henning S.An analysis of the peer-to-peer Internet
telephony protocol.In:IEEE INFOCOM 2006,April 2006
5 Guha S,Daswani N,Jain R.An experimental study of the skype
peer-to-peer VoIP system.In:5th Workshop on Peer-to-Peer Systems(IPTPS),February
2006
6 International Telecommunications Union.Methods for subjective
determination of transmission quality. Recommendation P.800,August
1996
7 International Telecommunications Union.The E-model,a computational model for use in
transmission planning. Recommendation G.107,1998
8 吴耀文,王平.VoIP语音评价方法综述.舰船电子工程,2006(1)
9 Miras D.A survey on network QoS needs of advanced Internet
applications. Internet QoS Working Group,2002
电信科学
企业Skype暴露内网隐私 2008-09-24 |
创造性地满足本地客户的需求─访Avaya中国区总经理 2008-09-23 |
Spirent辛小秋:VOIP方面的测试方法和经验 2008-09-19 |
大唐高鸿张新中:构建安全高效融合通信系统 2008-09-19 |
高清 会议 网络增值成IP电话突破口 2008-09-18 |