|
2003-4-3 ·来源：天极网 邓永红
当今的Internet不断地在变化着自己的方向和位置，网中流动的信息所代表的内容已从原来单纯的"数据"不断向"多媒体"演变。网络中信息流量在不断增涨，而基于Internet的各种业务的发展更是非常迅速，IP电话（又称IP
PHONE或VoIP）就是其中之一。
一、IP电话的概念
IP电话是一种利用Internet技术或网络进行语音通信的新业务。从网络组织来看，目前比较流行的方式有两种：一种是利用Internet网络进行的语音通信，我们称之为网络电话；另一种是利用IP技术，电信运行商之间通过专线点对点联结进行的语音通信，有人称之为经济电话或廉价电话。两者比较，前者具有投资省，价格低等优势，但存在着无服务等级和全程通话质量不能保证等重要缺陷。该方式多为计算机公司和数据网络服务公司所采纳。后者相对于前者来讲投资较大，价格较高，但因其是专门用于电话通信的，所以有一定的服务等级，全程通话质量也有一定保证。该方式多为电信运行商所采纳。
IP电话与传统电话具有明显区别。首先，传统电话使用公众电话网作为语音传输的媒介；而IP电话则是将语音信号在公众电话网和Internet之间进行转换，对语音信号进行压缩封装，转换成IP包，同时，IP技术允许多个用户共用同一带宽资源，改变了传统电话由单个用户独占一个信道的方式，节省了用户使用单独信道的费用。其次，由于技术和市场的推动，将语音转化成IP包的技术已变得更为实用、便宜，同时，IP电话的核心元件之一数字信号处理器的价格在下降，从而使电话费用大大降低，这一点在国际电话通信费用上尤为明显，这也是IP电话迅速发展的重要原因。
二、IP电话的基本原理
IP电话（又称IP PHONE或VoIP）是建立在IP技术上的分组化、数字化传输技术,其基本原理是：通过语音压缩算法对语音数据进行压缩编码处理,然后把这些语音数据按IP等相关协议进行打包,经过IP网络把数据包传输到接收地,再把这些语音数据包串起来,经过解码解压处理后,恢复成原来的语音信号,从而达到由IP网络传送语音的目的。IP电话系统把普通电话的模拟信号转换成计算机可联入因特网传送的IP数据包,同时也将收到的IP数据包转换成声音的模拟电信号。经过IP电话系统的转换及压缩处理,每个普通电话传输速率约占用８～11kbit/s带宽,因此在与普通电信网同样使用传输速率为64kbit/s的带宽时,IP电话数是原来的5～8倍。
IP电话的核心与关键设备是IP电话网关。IP电话网关具有路由管理功能,它把各地区电话区号映射为相应的地区网关IP地址。这些信息存放在一个数据库中,有关处理软件完成呼叫处理、数字语音打包、路由管理等功能。在用户拨打IP电话时,IP电话网关根据电话区号数据库资料,确定相应网关的IP地址,并将此IP地址加入IP数据包中,同时选择最佳路由,以减少传输时延,IP数据包经因特网到达目的地IP电话网关。对于因特网未延伸到或暂时未设立网关的地区,可设置路由,由最近的网关通过长途电话网转接,实现通信业务。
三、IP电话的种类
IP电话就有4种：电话到电话、电话到PC、PC到电话和PC到PC。具体如下：
（1）PC到PC：最初IP电话方式主要是PC到PC,利用IP地址进行呼叫,通过语音压缩、打包传送方式,实现因特网上PC机间的实时话音传送,话音压缩、编解码和打包均通过PC上的处理器、声卡、网卡等硬件资源完成,这种方式和公用电话通信有很大的差异,且限定在因特网内,所以有很大的局限性。
（2）电话到电话： 电话到电话即普通电话经过电话交换机连到IP电话网关,用电话号码穿过IP网进行呼叫,发送端网关鉴别主叫用户,翻译电话号码/网关IP地址,发起IP电话呼叫,连接到最靠近被叫的网关,并完成话音编码和打包,接收端网关实现拆包、解码和连接被叫。
（3）电话到PC ：电话到PC是由网关来完成IP地址和电话号码的对应和翻译,以及话音编解码和打包。
（4）PC到电话：PC到电话也是由网关来完成IP地址和电话号码的对应和翻译,以及话音编解码和打包。
四、IP电话的关键技术
传统的IP网络主要是用来传输数据业务,采用的是尽力而为的、无连接的技术,因此没有服务质量保证,存在分组丢失、失序到达和时延抖动等情况。数据业务对此要求不高,但话音属于实时业务,对时序、时延等有严格的要求。因此必须采取特殊措施来保障一定的业务质量。IP电话的关键技术包括：信令技术、编码技术、实时传输技术、服务质量（QoS）保证技术、以及网络传输技术等。
1．信令技术
信令技术保证电话呼叫的顺利实现和话音质量,目前被广泛接受的VoIP控制信令体系包括ITU－T的H.323系列和IETF的会话初始化协议SIP。
ITU的H.323系列建议定义了在无业务质量保证的因特网或其它分组网络上多媒体通信的协议及其规程。H.323标准是局域网、广域网、INTRANET和Internet上的多媒体提供技术基础保障。H.323是ITU－T有关多媒体通信的一个协议集,包括用于ISDN的H.320,用于Ｂ－ISDN的H.321和用于PSTN终端的H.324等建议。其编码机制,协议范围和基本操作类似于ISDN的Q.931信令协议的简化版本,并采用了比较传统的电路交换的方法。相关的协议包括用于控制的H.245,用于建立连接的H.225.0,用于大型会议的H.332,用于补充业务的H.450.1、H.450.2和H.450.3,有关安全的H.235,与电路交换业务互操作的H.246等。H.323提供设备之间、高层应用之间和提供商之间的互操作性。它不依赖于网络结构,独立于操作系统和硬件平台,支持多点功能、组播和带宽管理。H.323具备相当的灵活性,支持包含不同功能的节点之间的会议和不同网络之间的会议。H.323建议的多媒体会议系统中的信息流包括音频、视频、数据和控制信息。信息流采用H.225.0建议方式来打包和传送。
H.323呼叫建立过程涉及到三种信令：ＲＡS信令（R=注册：Registration、A=许可：Admission和S=状态：Status）,H.225.0呼叫信令和H.245控制信令。其中ＲＡS信令用来完成终端与网守之间的登记注册、授权许可、带宽改变、状态和脱离解除等过程；H.225.0呼叫信令用来建立两个终端之间的连接,这个信令使用Q.931消息来控制呼叫的建立和拆除,当系统中没有网守时,呼叫信令信道在呼叫涉及的两个终端之间打开；当系统中包括一个网守时,由网守决定在终端与网守之间或是在两个终端之间开辟呼叫信令信道；H.245控制信令用来传送终端到终端的控制消息,包括主从判别、能力交换、打开和关闭逻辑信道、模式参数请求、流控消息和通用命令与指令等。H.245控制信令信道建立于两个终端之间,或是一个终端与一个网守之间。
虽然H.323提供了窄带多媒体通信所需要的所有子协议,但H.323的控制协议非常复杂。此外,H.323不支持多点发送（Multicast）协议,只能采用多点控制单元（ＭＣＵ）构成多点会议,因而同时只能支持有限的多点用户。H.323也不支持呼叫转移,且建立呼叫的时间比较长。与H.323相反,SIP是一种比较简单的会话初始化协议。它不像H.323那样提供所有的通信协议,而是只提供会话或呼叫的建立与控制功能。SIP可以应用于多媒体会议、远程教学及Internet电话等领域。SIP既支持单点发送（Unicast）也支持多点发送,会话参加者和媒体种类可以随时加入一个已存在的会议。SIP可以用来呼叫人或机器设备,如呼叫一个媒体存储设备记录一个会议,或呼叫一个点播电视服务器向会议播放视频信号。
SIP是一种应用层协议,可以用UDP或TCP作为其传输协议。与H.323不同的是：SIP是一种基于文本的协议,用SIP规则资源定位语言描述（SIP
Uniform Resource Locators）,这样易于实现和调试,更重要的是灵活性和扩展性好。由于SIP仅作于初始化呼叫,而不是传输媒体数据,因而造成的附加传输代价也不大。SIP的URLL甚至可以嵌入到web页或其它超文本链路中,用户只需用鼠标一点即可发出一个呼叫。与H.323相比,SIP还有建立呼叫快,支持传送电话号码的特点
2．编码技术
话音压缩编码技术是IP电话技术的一个重要组成部分。目前,主要的编码技术有ITU－T 定义的G.729、G.723(G.723.1)等。其中G.729可将经过采样的64kbit/s话音以几乎不失真的质量压缩至8kbit/s。由于在分组交换网络中,业务质量不能得到很好保证,因而需要话音的编码具有一定的灵活性,即编码速率、编码尺度的可变可适应性。G.729原来是8kbit/s的话音编码标准,现在的工作范围扩展至6.4～11.8kbit/s,话音质量也在此范围内有一定的变化,但即使是6.4kbit/s,话音质量也还不错,因而很适合在VoIP系统中使用。G723.1采用5.3/6.3K
bit/s双速率话音编码,其话音质量好,但是处理时延较大,它是目前已标准化的最低速率的话音编码算法。
4．实时传输技术
实时传输技术主要是采用实时传输协议RTP。RTP是提供端到端的包括音频在内的实时数据传送的协议。RTP包括数据和控制两部分,后者叫RTCP。RTP提供了时间标签和控制不同数据流同步特性的机制,可以让接收端重组发送端的数据包,可以提供接收端到多点发送组的服务质量反馈。
5．服务质量（QoS）保证技术
IP电话中主要采用资源预留协议(RSVP)以及进行服务质量监控的实时传输控制协议RTCP来避免网络拥塞,保障通话质量。
6．网络传输技术
IP电话中网络传输技术主要是TCP和UDP,此外还包括网关互联技术、路由选择技术、网络管理技术以及安全认证和计费技术等。由于实时传输协议RTP提供具有实时特征的、端到端的数据传输业务,因此IP电话中可用RTP来传送话音数据。在RTP报头中包含装载数据的标识符、序列号、时间戳以及传送监视等,通常RTP协议数据单元是用UDP分组来承载,而且为了尽量减少时延,话音净荷通常都很短。IP、UDP和RTP报头都按最小长度计算。VoIP话音分组开销很大,采用RTP协议的IP电话格式,在这种方式中将多路话音插入话音数据段中,这样提高了传输效率。此外,静音检测技术和回声消除技术也是IP电话中十分关键的技术。静音检测技术可有效剔除静默信号,从而使话音信号的占用带宽进一步降低到3.5ｋbit/s左右；回声消除技术主要利用数字滤波器技术来消除对通话质量影响很大回声干扰,保证通话质量。
五、基于有线电视网络的IP电话
传统的光纤有线电视网络以光纤同轴电缆混合(HFC)作为传输媒介，为用户提供单向广播式的电视业务，随着社会的进步和技术的发展，HFC网络从单向到双向，从单纯的电视广播业务向高速数据、电话、视频等多业务发展。
1996年，多家美国公司和加拿大公司组成了多媒体电缆网络系统(MCNS)联合组织，旨在为电缆上的数据传输提供一个标准。1997年3月，国际电联(ITU)接受DOCSIS作为Cable
Modem标准，即ITUJ112。目前，DOCSIS标准已经成为电缆数据传输事实上的工业标准。DOCSIS10规范标准规定，采用50～750MHz频谱间的1个6MHz用于下行数据流传输，采用64QAM或256QAM的调制方式，为用户提供27Mbps和38Mbps共享数字带宽。上行数据频谱则位于5～42MHz之间，采用16QAM或DPSK调制方式，为用户提供320kbps-10Mbps的数字带宽。
1999年4月，MCNS发布了DOCSIS1.1规范，在DOCSIS1.0的基础上，改进了QoS，以支持IP电话和其他连续比特流业务。符合DOCSIS1.1规范的双向HFC
Cable Modem接入系统，为开发IP数据包形式的语音和视频应用提供了1个基础平台。由于是基于现有的Cable
Modem接入系统，这些新业务增加的成本较低，为用户的话音通信需求提供了一个省钱的选择，同时也为下一代实时多媒体业务提供了1个宽带平台。
采用基于DOCSIS1.1规范的数据电缆网络IP电话系统，不改变现有的HFC Cable Modem接入网的体系结构，而且易于升级，满足不断增长的用户数量。对于用户来说，可以使用现有的普通话机，就可以与IP网络以及PSTN网络的其他电话用户进行话音通信，与PSTN的话音质量相比，基于Cable
Modem的IP电话和话音质量与之相当甚至比之更好。
基于DOCSIS1.1规范的数据电缆网络的IP电话网络系统由3个网络组成，即符合DOCSIS标准的HFC接入网、可管理的IP骨干网、公用电话网PSTN。Cable
Modem头端系统(CMTS)在DOCSIS HFC接入网和可管理的IP骨干网之间提供连接，信令网关(SG)和媒体网关(MG)在IP骨干网和公用电话网PSTN之间提供互联。
DOCSIS HFC接入网在用户端设备Cable Modem和头端设备CMTS之间提供高速、可靠和安全的数据传输，它符合DOCSIS1.1规范，提供QoS保证。接入网的功能组件包括多媒体终端适配卡(MT)、Cable
Modem和CMTS。可管理的IP骨干网提供如下几个功能：首先，网络中有一些功能组件，负责信令、媒体流、快速提供和服务质量的建立，IP骨干网为这些功能组件提供互联。其次，可管理的IP骨干网提供了DOCSIS
HFC接入网与其他IP骨干网、DOCSIS HFC接入网与公用电话网PSTN之间的互联。
可管理的IP骨干网包括以下功能组件：呼叫管理服务器(CMS)、广播服务器(ANS)、运营支持系统服务器(OSS)、信令网关(SG)、媒体网关(MG)和媒体网关控制器(MGC)。具体如下：
1．多媒体终端适配器(MTA)
多媒体终端适配器(MTA)是用于话音通信的一种客户端设备，它包括1个到用户端设备CPE(如电话)的用户侧接口和到网络中呼叫控制组件的网络侧信令接口。MTA提供编解码、媒体传输和呼叫信令所要求的信令和封装功能。MTA驻留在用户侧并通过HFC接入网接到其他网络组件。MTA必须支持网络呼叫信令(NCS)协议。MTA有2种形式，1种是外置式，它是1个独立的用户端设备，与电话和Cable
Modem均有接口；另1种是嵌入式，将MTA集成到DOCSIS1.1的Cable Modem中。
2．电缆调制解调器(Cable Modem)
电缆调制解调器(Cable Modem)是在DOCSIS 1.1中定义的网络组件，Cable Modem是通过DOCSIS协议在电缆网络上提供数据传输功能的用户调制解调器，在网络中，Cable
Modem负责处理媒体流，提供服务如将业务流量分类，稳定速率，队列按优先权排队等。
3．HFC接入网
IP语音业务在HFC接入网上传送，接入网是由Cable Modem、CMTS以及DOCSIS媒体访问控制层(MAC)和物理层(PHY)组成的双向共享介质系统。
4．Cable Modem头端系统(CMTS)
CMTS为HFC接入网中的Cable Modem之间提供数据通信连接，也提供到广域网的连接。CMTS位于电缆电视的前端或者与分布式集线器(HUB)连接。CMTS提供以下功能：
(1)给Cable Modem提供所要求的QoS；(2)根据Cable Modem请求和网络QoS策略分配上行带宽；(3)将来自网络侧接口的数据包进行分组，并根据定义了的过滤规则分配一定的QoS级别；(4)修正接收到的电缆数据包的ToS字段并强迫ToS字段置位；(5)根据网络运营商的策略修改下行数据包IP头中的ToS字段；(6)根据流量规范的要求，完成流量整形和修正；(7)用分配的QoS将下行数据包传送到DOCSIS电缆网；(8)用安排的QoS将上行的数据包传送到骨干网；(9)通知和预留必要的骨干QoS以完成预留的服务；(10)用网络事件消息记录每次呼叫中资源的利用情况。
5．呼叫管理服务器(CMS)
呼叫管理服务器(CMS)为网络中的MTA，CMTS和PSTN网关提供了呼叫控制和信令相关的服务。呼叫管理服务器(CMS)由以下逻辑组件构成：
(1)呼叫代理(CMS/CA)：在MGCP中，CMS被称为呼叫代理(CA)，在网络中，CA是指使用NCS协议负责给MTA提供信令服务的CMS中的控制组件。(2)网关控制器(CMS/GS)：呼叫管理服务器(CMS)的QoS管理组件，负责协调QoS的授权和控制。
6．PSTN网关
网络通过使用PSTN网关实现MTA与现有PSTN网络的连通。PSTN网关包括以下3个组件：
（1）媒体网关控制器（MGC）：媒体网关控制器(MGC)接收和调制网络与PSTN之间的呼叫信令信息，它维护和控制与PSTN互联所要求的所有呼叫状态。MGC控制媒体网关(MG)，指示它创建、修改、删除IP网络上支持的媒体流连接，MGC也指示MGC产生、检测事件和信令。
（2）媒体网关(MG)：媒体网关(MG)提供了PSTN和IP网之间的承载链路的连通性，每个承载链路称为一个终端点，MGC指示MG与网络上的其他终端点建立连接。MGC也指示MG侦测和产生与呼叫状态相关的事件和信令。
（3）信令网关(SG)：信令网关处于网络边缘，它发送和接收电路交换网络的信令，完成网络呼叫信令(NCS)和SS7间的转换，从而实现与PSTN的互通。
7．运营支持系统(OSS)
运营支持系统主要由DHCP、DNS、SNMP、TFTP/HTTP、RKS(Record Keeping Server)、SYSLOG等服务器组成，为运营商提供故障管理、性能管理、用户管理、安全管理、计费管理和配置管理等功能，保证网络系统可靠运行，以支持运营商提供的各种业务。
有线电视HFC网络是一个宽带网络，具有实现用户宽带接入的基础。1998年3月，ITU组织接受了MCNS的DOCSIS标准，确定了在HFC网络内进行高速数据通信的规范，为电缆调制解调器（Cable
Modem）系统的发展提供了保证。由于在HFC的数据通信系统Cable Modem中采用了IP协议，所以很容易开展基于IP的业务，IP电话是其中最有价值的业务之一。IP电话以其低廉的长途电话费受到人们的欢迎,得到了快速发展,相信,无论是国外还是在国内,作为给用户提供的一种选择,IP电话业务必将得到迅猛发展，同时也为有线电视事业发展带来了发展机遇。
|
