通信交換網(wǎng)絡體制經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已從模擬交換體制、電路交換+分組交換體制過渡到基于網(wǎng)絡互聯(lián)和話音、數(shù)據(jù)及多媒體業(yè)務融合的IP交換體制。采用分組話音方式的VoIP話音已成為當前IP交換網(wǎng)絡的主要話音通信方式。

　　【摘要】分組話音為當前IP交換網(wǎng)絡的主要話音通信方式，結(jié)合工程實踐的實際情況，對分組話音在窄帶無線信道的傳輸協(xié)議進行了設計和分析。針對窄帶無線信道帶寬有限、誤碼率較高的特點，采用了抗誤碼能力強的同步碼設計和級聯(lián)信道編碼設計，選取合適的聲碼話編碼并進行合理組包，使得分組話音對信道的適應性大大增強，在工程設計上有良好的實用意義。

　　【關(guān)鍵詞】分組話音,AMBE聲碼話,無線組網(wǎng),傳輸協(xié)議

　　1引言

　　在通信網(wǎng)絡中，存在有線信道和無線信道、寬帶信道和窄帶信道等多種信道，不同信道的特性有差異，需要針對不同信道設計相應的傳輸協(xié)議。本文結(jié)合工程實踐的實際情況，設計一種基于窄帶無線信道的分組話音傳輸協(xié)議，并進行通信效能分析。

　　2分組話音在窄帶無線信道上的傳輸特性

　　2.1窄帶無線信道特性

　　本文在工程實踐中采用無線傳輸設備的基帶方式進行透明傳輸，其信道速率為16kbit/s。

　　2.2分組話音特性

　　分組話音是利用數(shù)據(jù)分組包方式來傳輸聲碼數(shù)字話音信息的技術(shù)，其信息的發(fā)送、接收方式與數(shù)據(jù)報文相近。當信道帶寬足夠時，可以在任意信道上傳輸。

　　考慮到窄帶無線信道的傳輸能力，本文在工程實踐中采用AMBE聲碼話體制，其信息速率為2400bit/s，每20ms產(chǎn)生一幀（6byte）話音數(shù)據(jù)，每秒共300byte數(shù)據(jù)。

　　為了匹配窄帶無線信道的傳輸特性，在信道傳輸時，對聲碼話進行分組處理，將25幀AMBE聲碼話音數(shù)據(jù)組成一個分組包，則分組包內(nèi)有效話音數(shù)據(jù)為25×6byte=150byte。

　　3分組話音傳輸協(xié)議的設計和分析

　　針對窄帶無線信道的特性，本文在協(xié)議封裝、位同步碼、幀同步碼和信道編碼等方面對分組話音的傳輸協(xié)議進行設計，提高分組話音在窄帶無線信道下的通信效能。

　　3.1分組話音收發(fā)流程及協(xié)議封裝設計

　　分組話音無線組網(wǎng)發(fā)送流程及協(xié)議封裝如圖1所示，其接收流程和協(xié)議解包為圖1的逆過程。

　　分組話的聲碼話采用AMBE編碼，速率為2400bit/s，每20ms產(chǎn)生一幀（6byte）話音數(shù)據(jù)。為了匹配窄帶無線信道（16kbit/s）的傳輸特性，在信道傳輸時，對聲碼話進行分組處理，將25幀聲碼話音數(shù)據(jù)組成一個150byte的分組話音包進行傳輸，此時發(fā)話方將有25幀×20ms=500ms的延時（話音緩沖）。

　　如圖1所示，該150byte分組話音經(jīng)過協(xié)議各層封包、信道編碼、幀同步和位同步后，在窄帶無線信道信道傳輸?shù)男畔��?264bit。在窄帶無線信道16kbit/s傳輸速率條件下，傳輸一個分組話音包的時間為7264bit/16kbit/s

　　=454ms。該傳輸時間小于發(fā)送方的話音緩沖時間500ms，因此可在窄帶無線信道上正常傳輸一路分組話音。

　　3.2位同步碼設計及抗誤碼能力分析

　　設信道比特誤碼率為Pe（隨機誤碼），則位同步碼能夠正確實現(xiàn)同步的概率Paa為：

　　Paa（Pe）=1-[1-（1-Pe）m]n-m（1）

　　其中，n表示位同步碼長度，m表示位同步碼檢測誤碼容限（即連續(xù)檢測到m位認為是位同步）。

　　在本協(xié)議中，位同步碼為“101010101010……”碼流（簡稱“AA”碼）。在接收方對“AA”碼進行連續(xù)跟蹤搜索時，當連續(xù)檢測到32bit“AA”碼時即可實現(xiàn)位同步。在實際應用中，為了保證位同步碼的抗誤碼能力以及考慮到窄帶無線信道的處理反應時間和收發(fā)轉(zhuǎn)換時間對位同步碼的損失因素，位同步碼長度n取800bit（50ms*16kbit/s）。

　　取n=800，m=32，按式（1）計算，其結(jié)果表1所示：

　　表1位同步成功率

　　信道誤碼率Pe位同步成功率Paa/%

　　1×10-2100.00

　　1×10-1100.00

　　2×10-145.59

　　可見，該位同步碼對高誤碼率信道的適應性很好，當誤碼率不大于1×10-1時，位同步率很高。

　　3.3幀同步碼設計及抗誤碼能力分析

　　幀同步碼在無線傳輸過程中由于會受到噪聲的干擾，使幀同步中的某些碼元產(chǎn)生差錯，致使在接收端不能正確檢測出幀同步碼，而造成同步丟失，稱為漏同步。

　　由于信息碼流是隨機的，有可能出現(xiàn)與幀同步碼相同結(jié)構(gòu)的情況，在接收端會誤認為是幀同步碼而被檢測出，而造成同步的錯誤指示，稱為假同步。

　　因此，幀同步的設計主要應該考慮以下幾個方面：

　　◆提高傳輸效率——碼長盡可能短；

　　◆提高同步的可靠性和抗干擾能力（減少漏同步和虛同步的概率）——碼長盡可能長；

　　◆能被快速準確識別——碼型具有良好的相關(guān)特性，不易被信息流中的隨機比特混淆而出現(xiàn)虛同步。

　　（1）漏同步概率

　　設信道比特誤碼率為Pe，幀同步碼的碼元長度為n，幀檢測誤碼容限為m（即m位及以下的錯碼認為是幀同步），則幀同步碼組碼元n中所有不超過m個錯誤碼元的碼組均能被識別。

　　（2）正確同步概率Pmec

　�。�2）

　　其中，n表示幀同步碼碼元長度，m表示誤碼容限，r表示誤碼個數(shù)。

　�。�3）漏同步概率Pmfd

　　Pmfd（Pe）=1-Pmec（Pe）（3）

　�。�4）虛同步概率虛同步與幀同步的碼型、碼長、信息碼中“0”和“1”出現(xiàn)的概率有關(guān)。虛同步概率就是計算數(shù)據(jù)流中能判為同步碼組的組合數(shù)與所有可能的碼組數(shù)之比。一般數(shù)據(jù)流中比特“0”和“1”為等概率（1/2）出現(xiàn)，n比特數(shù)據(jù)流中碼的碼組組合總數(shù)為2n個，其中能被判為同步碼組的組合數(shù)與誤碼容限m有關(guān)。

　　虛同步概率Pmes為：

　　（4）

　　其中，n表示幀同步碼碼元長度，m表示誤碼容限，r表示誤碼個數(shù)。

　　（5）局部自相關(guān)函數(shù)

　　幀同步碼型可以自相關(guān)函數(shù)作為碼型性能的度量標準，碼組應該具有尖銳的自相關(guān)函數(shù)以便于識別。

　　設幀同步是一個n位比特長度的碼組X1X2…Xn，其自相關(guān)函數(shù)定義為：

　　（5）

　　其中，n表示幀同步碼碼元長度；j表示錯開的位數(shù)，j取負數(shù)時與取正結(jié)果一樣；Xi取值+1（“1”）和-1（“0”）。

　　在本協(xié)議中，選取長度小、相關(guān)性好的幀同步碼，其序列為：0x（9b，b5，7a，90，69，4f，4f，26）。該序列長度為64bit，誤碼容限選擇12，該序列的性能分析如下：

　　取n=64，m=16，按式（2）、式（3）和式（4）計算，其結(jié)果如表2所示：

　　表2幀同步成功率

　　信道誤碼率

　　Pe幀同步成功率

　　Pmec/%漏同步概率

　　Pmfd/%虛同步概率

　　Pmes

　　5×10-2100.000.003.867×10-5

　　6×10-2100.000.00

　　7×10-2100.000.00

　　8×10-2100.000.00

　　9×10-2100.000.00

　　1×10-199.990.01

　　2×10-187.4612.54

　　該序列幀同步碼的局部自相關(guān)函數(shù)圖如圖2所示：

　　圖2幀同步碼局部自相關(guān)函數(shù)R（j）與j的關(guān)系圖

　　由表2可見，該幀同步碼對高誤碼率信道的適應性較好，虛同步概率很低。當誤碼率低于1×10-1時，幀同步率仍然很高。由圖2可見，該碼型具有較尖銳的峰值，自相關(guān)性較好。

　　3.4信道編碼設計及抗誤碼能力分析

　　在窄帶無線信道上，誤碼通常包括隨機誤碼和突發(fā)誤碼。BCH碼只能對隨機誤碼進行糾錯，RS碼則適合對突發(fā)誤碼進行糾錯，因此通常把兩種編碼級聯(lián)和交織，這種級聯(lián)碼對克服隨機誤碼和突發(fā)誤碼的組合非常有效。如果級聯(lián)碼要糾正某個錯誤模式，則通過BCH碼不能糾正的字節(jié)錯誤模式必須構(gòu)成RS碼字可糾正的錯誤模式。分散的隨機錯誤由BCH進行糾正。突發(fā)錯誤可能只影響相對較少的幾個字節(jié)，這可以通過RS進行糾正。

　　根據(jù)信道編碼的特性，監(jiān)督字符數(shù)越多，可糾正的錯誤就越多。在本協(xié)議中，采用BCH（16，8，2）碼和兩組RS（200，100，50）碼構(gòu)成級聯(lián)碼，以獲得更大的抗誤碼性能。該編碼的結(jié)構(gòu)表示如圖3所示，首先把200byte的數(shù)據(jù)分為兩列，每列100byte，按列分兩次進行RS（200，100，50）編碼，形成每列200byte的兩組碼字，兩組RS碼字進行交織，這樣可獲得更大的抗突發(fā)誤碼性能。然后RS碼字的每個字節(jié)進行BCH（16，8，2）編碼。發(fā)送時按照行順序發(fā)送，該級聯(lián)碼的編碼效率為200byte/（200byte×4）=25%。

　　圖3BCH（16，8，2）碼和RS（200，100，50）碼級聯(lián)結(jié)構(gòu)

　　BCH（16，8，2）碼可以糾正一個碼字（16bit）中的2bit的錯誤，設信道比特誤碼率為Pe（隨機誤碼），則一個碼字能夠正確譯碼的概率PBCH為：

　�。�6）

　　其中，n表示BCH碼碼元長度，m表示誤碼容限，r表示誤碼個數(shù)。

　�。�1-PBCH）可近似地認為是BCH解碼后字符的錯誤概率，RS（200，100，50）碼最多能糾正50個字符錯誤，故RS碼字能夠正確譯碼的概率PRS為：

　　PRS（7）

　　其中，n表示RS碼碼元長度，m表示誤碼容限，r表示誤碼個數(shù)。

　　兩組RS碼字都能正確譯碼時整個數(shù)據(jù)包能夠正確接收，因此數(shù)據(jù)包譯碼成功概率Pp為：

　　Pp（PRS）=P2RS（8）

　　在式（6）中取n=16，m=2，在式（7）中取n=200，m=50。

　　計算結(jié)果如表3所示：

　　表3BCH（16，8，2）碼和RS（200，100，50）碼級聯(lián)碼數(shù)據(jù)包譯碼成功率

　　信道誤碼率

　　PeBCH正確譯碼率

　　Pbch/%RS正確譯碼率

　　PRS/%數(shù)據(jù)包譯碼成功率

　　Pp/%

　　5×10-295.71100.00100.00

　　6×10-293.27100.00100.00

　　7×10-290.31100.00100.00

　　8×10-286.89100.00100.00

　　9×10-283.0699.8699.72

　　1×10-178.9292.3985.35

　　可見，該碼的編碼效率雖然較低（25%），但對高誤碼率信道的適應性較好，當信道誤碼率低于9×10-2時，數(shù)據(jù)包譯碼成功率很高。在信道誤碼率為1×10-1時，成功率仍可達到85%左右。

　　3.5分組話音傳輸綜合效能分析

　　由于話音有為人主觀識別的信息，因此可通過話音質(zhì)量（MOS）評估、掉字率和話音可懂度來分析窄帶無線信道條件下分組話音的綜合效能。在窄帶無線信道條件下，與數(shù)據(jù)業(yè)務的傳輸特性不同，分組話音的正常通信無須信道完全正確傳輸，即信道糾錯譯碼后仍存在不大的誤碼時，話音仍可正常通信。

　　在本協(xié)議中，分組話音的掉字率Pw主要與以下因素有關(guān)：

　�。�1）位同步碼同步成功率Paa；

　　（2）幀同步碼同步成功率Pmec；

　�。�3）分組話報文包頭傳輸成功率Psec。

　　當以上任一部分傳輸失敗時，分組話音報文會整包丟失或出錯，導致連續(xù)500ms話音信息丟失，產(chǎn)生掉字。

　　（1-Pp）可近似地認為是BCH+RS級聯(lián)碼譯碼后報文的錯誤概率，則分組話報文包頭傳輸成功率Psec近似為：

　　（9）

　　其中，n表示分組話報文總長度，n=200；m表示分組話報文包頭長度，m=28；Pp表示數(shù)據(jù)包譯碼成功率。

　　分組話音的掉字率Pw為：

　　Pw（Pe）=1-Paa·Pmec·Psec（10）

　　當分組話報文中AMBE聲碼話信息部分（共150byte）的個別字節(jié)因信道誤碼錯誤不會造成整包分組話報文的丟失，單個字節(jié)的錯誤只會造成20ms/6byte=3.33ms話音的錯誤，對話音的可懂度影響很小。分組話音的可懂概率Pd近似為：

　�。�11）

　　其中，n表示分組話報文總長度，n=200；m表示分組話報文中AMBE聲碼話信息長度，m=150；Pp表示數(shù)據(jù)包譯碼成功率。

　　計算結(jié)果如表4所示：

　　由表4可知，當信道誤碼率在9×10-2以下時，分組話音通話正常，話音清晰可懂，話音質(zhì)量為4～5分；當信道誤碼率在1×10-1時，分組話音通話正常，話音可懂，偶有噪聲或掉字現(xiàn)象，話音質(zhì)量為3分左右。

　　4結(jié)束語

　　本文結(jié)合工程實踐的實際情況，對分組話音在窄帶無線信道的傳輸協(xié)議進行了設計和分析。針對窄帶無線信道帶寬有限、誤碼率較高的特點，采用了抗誤碼能力強的同步碼設計和級聯(lián)信道編碼設計，選取合適的聲碼話編碼并進行合理組包，使得分組話音對信道的適應性大大增強。在保證較低話音延時和較優(yōu)話音質(zhì)量的前提下，可使信道誤碼率達到9×10-2，基本達到窄帶無線信道話音組網(wǎng)應用的極限，為分組話音在窄帶無線信道上的傳輸提供了一套可行的方案。

　　參考文獻：

　　[1]ShuLin，DanielJCostelloJr.差錯控制編碼[M].晏堅，何元智，潘亞漢，等譯.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

　　[2]黨百振.一種二級級聯(lián)糾錯編碼的設計與分析[J].移動通信，2013（14）：74-77.

　　[3]張輝.現(xiàn)代通信原理與技術(shù)（第二版）[M].西安：西安電子科技大學出版社，2008.

　　[4]趙慧玲，梁勇，吳江.分組話音技術(shù)與網(wǎng)絡實現(xiàn)方案[M].北京：人民郵電出版社，2011.

---

轉(zhuǎn)載請注明來自：http://www.jinnzone.com/tongxinlw/26520.html