P2P VoIP應(yīng)用的性能評(píng)測(cè)

楊永銘　王喆 2008/09/24

圖1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框架

　　3.2　網(wǎng)絡(luò)的度量衡量標(biāo)準(zhǔn)

　　實(shí)驗(yàn)中需要評(píng)測(cè)的性能參數(shù)有：語(yǔ)音質(zhì)量和從S到R的數(shù)據(jù)傳輸率（它是Skype與GTalk適應(yīng)性能的直接表現(xiàn)）。對(duì)于傳輸數(shù)據(jù)流的分析工具是tcpstat。

　　語(yǔ)音質(zhì)量的測(cè)評(píng)方法有幾種：一種是MOS（平均主觀值法）[6]，這是由ITU-T制定的一個(gè)較為主觀的評(píng)價(jià)方法，由直接參與到語(yǔ)音通信中的人來(lái)評(píng)定語(yǔ)音的質(zhì)量，語(yǔ)音質(zhì)量最終被評(píng)為1～5分，分?jǐn)?shù)越高語(yǔ)音質(zhì)量越好。與MOS相比，E-model[7]是一種較為客觀的評(píng)估語(yǔ)音質(zhì)量的方法，關(guān)注影響語(yǔ)音質(zhì)量的全面的網(wǎng)絡(luò)損傷因素（如時(shí)延、抖動(dòng)、回音、編解碼等）。由于不能獲得有關(guān)Skype與GTalk編解碼器的信息，所以就無(wú)法采用此方法來(lái)評(píng)測(cè)語(yǔ)音質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)中所采用的是PESQ（感知評(píng)估通話質(zhì)量測(cè)評(píng)）[8]，此方法實(shí)際上是通過(guò)復(fù)雜信號(hào)處理，用PESQ算法對(duì)發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)，然后評(píng)估這兩個(gè)信號(hào)間的差異，最終評(píng)測(cè)結(jié)果對(duì)應(yīng)于MOS。

　　3.3　實(shí)驗(yàn)描述

　　在一個(gè)可控的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下，對(duì)Skype和GTalk進(jìn)行評(píng)測(cè)。本文建立了4個(gè)具體的實(shí)驗(yàn)，在這些實(shí)驗(yàn)中以下幾個(gè)參數(shù)分別出現(xiàn)：信道容量、時(shí)延、丟包率和抖動(dòng)，這些參數(shù)值的選取是針對(duì)Skype與GTalk來(lái)具體確定[9]。
　　
　　實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)會(huì)被定義為幾個(gè)不同的值，在語(yǔ)音傳輸過(guò)程中，這些值是動(dòng)態(tài)變化的，在變化的每個(gè)階段，發(fā)送端會(huì)發(fā)送1 h的語(yǔ)音信號(hào)，接收端收到的是60個(gè)1 min的語(yǔ)音信號(hào)。實(shí)驗(yàn)對(duì)Skype與GTalk是在相同狀況下重復(fù)進(jìn)行，Skype的版本為2.0.0.81，GTalk的版本為1.0.0.92。

4、性能評(píng)測(cè)

　　4.1　信道容量影響

　　在此實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定時(shí)延25 ms且沒(méi)有明顯的丟包和抖動(dòng)。要研究的是當(dāng)信道容量逐漸變化（50 kbit/s、40 kbit/s、30 kbit/s、20 kbit/s、15 kbit/s）時(shí)，Skype與GTalk相應(yīng)的變化。通過(guò)觀察傳輸率（見(jiàn)圖2）和PESQ MOS（見(jiàn)圖3），發(fā)現(xiàn)在信道容量為50 kbit/s時(shí)GTalk利用了更多的帶寬，傳輸速率比Skype更高。當(dāng)信道容量變?yōu)?0 kbit/s時(shí)，GTalk發(fā)生了很明顯的變化，傳輸速率降低到了35 kbit/s。這個(gè)變化使得其PESQ MOS分?jǐn)?shù)與Skype相比有所提高，而Skype的傳輸速率則接近信道容量。當(dāng)信道容量變?yōu)?0 kbit/s時(shí)，兩者間差異不大。當(dāng)信道容量為20 kbit/s時(shí)，Skype首次優(yōu)于Gtalk，當(dāng)信道容量為15 kbit/s時(shí)，Skype的PESQ MOS分?jǐn)?shù)比GTalk高5.5%。通過(guò)觀察知道，在容量為20 kbit/s時(shí)兩者的傳輸率相同，但PESQ MOS分?jǐn)?shù)卻不一致，合理的解釋就是GTalk出現(xiàn)了很嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)情況（如圖4所示）。

圖2　吞吐量隨信道容量變化狀況

圖3　PESQ MOS隨信道容量變化狀況

圖4　平均抖動(dòng)隨信道容量變化狀況

　　4.2　時(shí)延影響

　　網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置為信道容量50 kbit/s且沒(méi)有丟包和抖動(dòng)發(fā)生。確定幾個(gè)等級(jí)范圍，其中時(shí)延為1 ms、10 ms、100 ms時(shí)通話是可以接受的，時(shí)延為500 ms、1 000 ms時(shí)語(yǔ)音質(zhì)量就變得不可接受。對(duì)于Skype，時(shí)延對(duì)其服務(wù)質(zhì)量的影響更為明顯，如圖5所示，傳輸率從37.5 kbit/s降為19.36 kbit/s。然而，對(duì)于GTalk其傳輸率則沒(méi)有明顯變化。由圖6可知，在時(shí)延為1 ms、10 ms、100 ms時(shí)Skype的PESQ MOS高于GTalk，在時(shí)延為500 ms、1 000 ms時(shí)GTalk則略優(yōu)于Skype。

圖5　不同時(shí)延下吞吐量的變化狀況

圖6　PESQ MOS隨時(shí)延的變化狀況

　　4.3　丟包影響

　　設(shè)置信道容量為50 kbit/s，時(shí)延為25 ms，沒(méi)有抖動(dòng)，丟包率分別定為0、1%、5%、10%、30%、40%。如圖7所示，GTalk對(duì)于丟包發(fā)生，沒(méi)有適應(yīng)性機(jī)制�？梢栽O(shè)想Skype對(duì)數(shù)據(jù)流增加了冗余信息來(lái)減少丟包對(duì)語(yǔ)音質(zhì)量的影響，這就解釋了在丟包率為1%、5%、10%時(shí)傳輸率的增長(zhǎng)。然而，Skype的這些適應(yīng)機(jī)制并沒(méi)有使得PESQ MOS分?jǐn)?shù)比GTalk高，如圖8所示。在丟包率為5%時(shí)，Skype添加了過(guò)多的冗余，消耗了過(guò)多的網(wǎng)絡(luò)帶寬，而PESQ MOS并沒(méi)有期待中的提高。

圖7　不同丟包率下的吞吐量的變化狀況

圖8　不同丟包率下的PESQ MOS變化狀況

　　4.4　抖動(dòng)影響

　　設(shè)置信道容量為50 kbit/s，沒(méi)有丟包，時(shí)延為100 ms，抖動(dòng)為0 ms、20 ms、40 ms、60 ms、80 ms。但是測(cè)量數(shù)據(jù)沒(méi)有顯示出任何適應(yīng)性的跡象。在本實(shí)驗(yàn)中抖動(dòng)只是改變了接收端的緩沖區(qū)大小，對(duì)數(shù)據(jù)流傳送沒(méi)有任何影響，并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果也顯示PESQ MOS或者說(shuō)語(yǔ)音質(zhì)量與抖動(dòng)沒(méi)直接關(guān)系，具體的實(shí)驗(yàn)圖示不再贅述。

　　4.5　實(shí)驗(yàn)分析

　　雖然實(shí)驗(yàn)比較了VoIP的兩個(gè)應(yīng)用GTalk與Skype，但目的不是要分出它們的優(yōu)劣，而是要找出普遍存在問(wèn)題，給VoIP的應(yīng)用開(kāi)發(fā)商提出建議。

　　采用不同的編解碼方式，其對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)質(zhì)量可能不同。即使是使用相同的編解碼方式，也可能會(huì)表現(xiàn)出不同的語(yǔ)音質(zhì)量。對(duì)于VoIP的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，具有高效的適應(yīng)機(jī)制來(lái)適應(yīng)復(fù)雜可變的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境相當(dāng)重要，適應(yīng)性好的應(yīng)用會(huì)更有優(yōu)勢(shì)，例如，當(dāng)帶寬有限時(shí)，GTalk始終保持一個(gè)較高的傳輸率，從而產(chǎn)生了嚴(yán)重的抖動(dòng)和PESQ MOS分?jǐn)?shù)的下降。另一方面，Skype在有較高時(shí)，傳輸率有明顯的下降，導(dǎo)致業(yè)務(wù)質(zhì)量更糟。

　　數(shù)據(jù)流中添加冗余信息可能會(huì)產(chǎn)生好的效果，如圖7、8所示，當(dāng)丟包率小于10%時(shí)，Skype可以使PESQ MOS的分?jǐn)?shù)保持在3分之上，GTalk沒(méi)有采用適應(yīng)性機(jī)制，從而其語(yǔ)音質(zhì)量隨著丟包率而線性下降。但是，也需要對(duì)添加冗余信息的量度有一個(gè)把握，否則會(huì)產(chǎn)生不好的效果，因此還需要進(jìn)一步地提出更有效的冗余設(shè)計(jì)方案來(lái)適應(yīng)可變網(wǎng)絡(luò)。

5、結(jié)束語(yǔ)

　　本實(shí)驗(yàn)比較了P2P VoIP的兩個(gè)應(yīng)用Skype和Gtalk，討論了它們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)狀況變化時(shí)的動(dòng)態(tài)適應(yīng)策略，并且通過(guò)PESQ MOS方法評(píng)估了它們語(yǔ)音質(zhì)量的優(yōu)劣。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知：在理想的網(wǎng)絡(luò)狀況下，Skype表現(xiàn)得更好一些（兩者PESQ MOS的分?jǐn)?shù)差別為0.1），總體而言它們的語(yǔ)音質(zhì)量還是較為接近。在網(wǎng)絡(luò)有較長(zhǎng)的時(shí)延時(shí)，Skype有不必要的適應(yīng)性。當(dāng)丟包情況發(fā)生時(shí)，GTalk沒(méi)有實(shí)施任何機(jī)制來(lái)提高其性能，與此同時(shí)，Skype使用數(shù)據(jù)冗余機(jī)制來(lái)對(duì)抗丟包以提高其語(yǔ)音質(zhì)量。在抖動(dòng)情況發(fā)生時(shí)，兩者都沒(méi)有很好的機(jī)制來(lái)提高其適應(yīng)性。當(dāng)有較長(zhǎng)的時(shí)延時(shí)，PESQ MOS并不是最佳的評(píng)估語(yǔ)音質(zhì)量的方法。所以，盡管實(shí)驗(yàn)中包含有時(shí)延對(duì)語(yǔ)音質(zhì)量的影響結(jié)果，但這可能不是十分準(zhǔn)確，有待于進(jìn)一步研究。另外，以上的實(shí)驗(yàn)是Skype與GTalk分別進(jìn)行，之間沒(méi)有相互影響，若是VoIP的具體應(yīng)用需要競(jìng)爭(zhēng)相同的網(wǎng)絡(luò)資源時(shí)，它們的表現(xiàn)情況如何研究者需要進(jìn)一步的研究。

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