網(wǎng)絡(luò)電話的實現(xiàn)設(shè)計

1、IP 電話簡介1 目標近年來 , 隨著我國國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展和改革開放的進一步深人，國內(nèi)和國際間的信息交流日益頻繁。目前這種交流主要是通過電話進行的，但長途電話費用昂貴，尤其是國際間的通話費，更使得尋常百姓望而卻步。但近幾年，隨著因特網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，一種新興的廉價電話服務(wù)方式 IP Phone(因特網(wǎng)電話 ) 悄然走入人們的生活，僅需付現(xiàn)在長途通話費用的1/10 便可以享用同普通電話同樣質(zhì)量的語音服務(wù)。因此，發(fā)展因特網(wǎng)電話有很大的優(yōu)勢，將成為語音通話中的強有力的競爭對手。2 IP 電話原理IP 電話是利用因特網(wǎng)作為傳輸媒體實現(xiàn)計算機與計算機、普通電話與普通電話、計算機與普通電話之間進行話音通

2、信的技術(shù)。圖1表示兩個遠地節(jié)點（ A 地和 B 地）間的IP 電話的通信模式，其中LPSTN(Local PublicServiceTelephone Network) 代表本地電話網(wǎng)。它和人們所普遍使用的電話不同, 普通電話是采用程控交換技術(shù)，通過公共電話網(wǎng) (PSTN)傳送模擬話音信號， 而且通話雙方一旦建立連接，便獨占一條電路通道，直到通話完畢拆除連接。而IP 電話則是采用包 (IP 包) 交換技術(shù)，借助因特網(wǎng)傳送經(jīng)過語音編碼處理的數(shù)字信號，在雙方通話期間所建立的通道上 , 可同時傳送其它多媒體數(shù)據(jù) ( 視頻、圖像、文本等 ) 。IP 電話的基本工作原理是：由專門的設(shè)備或軟件將呼叫方的話

3、音信號采樣并數(shù)字化，經(jīng)過壓縮，打包成可在IP 網(wǎng)絡(luò)傳1 / 10輸?shù)?IP 數(shù)據(jù)包，通過 IP 路由機制傳給到對方。對方的專門IP 電話設(shè)備或軟件在接收到語音 IP 包后進行解壓縮，還原成模擬信號傳到電話聽筒。在普通電話之間進行 IP 語音通信，必須通過在電話網(wǎng)和因特網(wǎng)間配置 IP 網(wǎng)關(guān)來實現(xiàn)。 IP 網(wǎng)關(guān)是將電話網(wǎng)與因特網(wǎng)融合，實現(xiàn)二者間互通的核心設(shè)備，實現(xiàn)電話網(wǎng)的信令協(xié)議與 IP 數(shù)據(jù)網(wǎng)協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換。 IP 網(wǎng)關(guān)由硬件層、軟件模塊層、維護管理層、控制接口層組成 ( 圖 2 所示 ) ，其中軟件模塊層又包括語音信號處理、 PSTN呼叫控制、 IP 呼叫管理、 IP 呼叫控制、數(shù)據(jù)傳輸、 D

4、SP管理軟件包等。而語音信號處理包括語音壓縮技術(shù)、編碼算法、回波抵消和 DTMF檢測功能。由于 IP 電話利用了分組交換和統(tǒng)計復(fù)用技術(shù)，實現(xiàn)了語音、數(shù)據(jù)的綜合傳輸，從而克服了傳統(tǒng)電話對緊缺通信帶寬的高額消耗( 一路電話話音占用 64KbsP 帶寬 ) ，它只需要 6 一 8Kbps(甚至低于 2.4Kbps), 大大節(jié)省了通信帶寬，使得整個網(wǎng)絡(luò)的運營成本大幅度降低。這對于渴望減少巨額國際傳統(tǒng)電話費的公司來說，用Internet傳輸語音流帶來的好處是顯而易的。2 / 10InternetPCPCA 地B地IP GatewayIP GatewayLPSTNLPSTNTelephoneTelepho

5、ne圖 1 IP 電話的通信模式網(wǎng)關(guān)控制接口維護、管理與計費PSTNDSPG723.1IP 呼叫管理呼叫管理G.729aIP呼叫數(shù)據(jù)傳輸控制軟件回 波 抵 消控制DTMF檢測（）RTP/RTCPH.323硬件平臺圖 2 IP電話網(wǎng)關(guān)的組成3 IP 電話的關(guān)鍵技術(shù)以上分析的是 IP 電話的工作原理，下面結(jié)合 IP 電話的工作原理介紹其使用的關(guān)鍵技術(shù)。3.1 話音壓縮技術(shù)IP電話技術(shù)的基礎(chǔ)是話音壓縮技術(shù)，ITU 于 1995 年 11 月通過的G.729 是 IP電話采用的話音壓縮標準。G.729 算法被稱作CS 一3 / 10ACELP(Conjugate Structured 一 Algebr

6、aic Code Excited linear Predictive) 即對生結(jié)構(gòu)代數(shù)碼激勵線性預(yù)測，它是在標準 PCM或線性 PCM話音采樣的基礎(chǔ)上， 每 10ms生成一個 10 字節(jié)的話音幀， 可以將普通話音編碼成 8Kbps 的傳輸話音，話音質(zhì)量與 32Kbps 的ADPCM(G.724)相同。 CS一 ACELP也是為先進的定點運算數(shù)字處理器設(shè)計的。3.2 回聲消除技術(shù)在 PBX或局用交換機側(cè)， 有少量電信號的能量未被充分轉(zhuǎn)換， 沿原路返回，形成回聲。如果打電話者離 PBX或交換機不遠，回聲返回很快，人耳感覺不出來。但當回聲返回時間超過 10ms 時，回聲就會嚴重影響通話質(zhì)量。為了消除

7、回聲，一般采用回聲消除技術(shù)，在處理器中有特殊的軟件代碼監(jiān)聽回聲信號， 并將它從聽話人的語音信號中消除。對于 IP 電話設(shè)備，回聲消除技術(shù)特別重要，因為利用IP 網(wǎng)進行長途通話，時延很容易達到40ms一 50ms。3.3 靜噪抑制技術(shù)在實際的電話通話過程中，由于當一方在講話時，另一方在聽，而且講話過程中有大量顯著的停頓，只有 36%-40%的信號是活動或有效的，大部分是停頓時間。 利用靜噪抑制技術(shù)，可以檢測出雙方通話過程中的停頓時段， 并在該時段停止發(fā)送語音包。 從而可以節(jié)省大量寶貴的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，用于其它話音或數(shù)據(jù)通信。3.4 話音抖動處理IP 網(wǎng)絡(luò)的一個特征就是網(wǎng)絡(luò)延時與網(wǎng)絡(luò)抖動，為了防止語

8、音抖4 / 10動，人們采用抖動緩沖技術(shù)，即在接收方設(shè)定一個緩沖池，話音包到達時首先進人緩沖池暫存， 系統(tǒng)以穩(wěn)定平滑的速率將話音包從緩沖池中取出、解壓、 然后播放給受話者。這種緩沖技術(shù)可以在一定限度內(nèi)有效處理話音抖動，并提高音質(zhì)。3.5 話音優(yōu)先技術(shù)由于話音通信實時性要求較高， 為了提供高音質(zhì)的 IP 電話通信，在廣域網(wǎng)帶寬不足 ( 擁擠 ) 的 IP 網(wǎng)絡(luò)上，一般需要話音優(yōu)先技術(shù)。當WAN帶寬低于 512Kbps 時，一般在 IP 網(wǎng)絡(luò)路由器中設(shè)定話音包的優(yōu)先級為最高，路由器一旦發(fā)現(xiàn)話音包，就會將其插入到IP 包隊列的最前面，以便優(yōu)先發(fā)送。這樣，網(wǎng)絡(luò)的延時與抖動情況對話音通信的影響均將得到改

9、善。另一種技術(shù)是采用資源預(yù)留協(xié)議(RSVP)為話音通信預(yù)留帶寬。 只要有話音呼叫請求， 網(wǎng)絡(luò)就根據(jù)規(guī)則為話音通信預(yù)留出設(shè)定帶寬，直到通話結(jié)束才釋放帶寬。今天的技術(shù)已經(jīng)做到平均每條話音中繼線的通信量僅占1Kbps一 2Kbps，為 64Kbps 廣域網(wǎng)帶寬的 3%。而傳統(tǒng)電話網(wǎng)中，一路話音要占 64Kbps，這正是 IP 電話比傳統(tǒng)電話省錢的原因。3.6 IP包分割技術(shù)因特網(wǎng)上的 IP 數(shù)據(jù)包，可達到千字節(jié)以上。若用來傳送語音，則會嚴重影響話音質(zhì)量。為此，需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬，分割I(lǐng)P 語音包的大小。理論和實踐證明，表1 可作為實際 IP 包的分割原則。表 1廣域網(wǎng)帶寬與語音IP 包大小的關(guān)系5 /

10、 10廣域網(wǎng)帶寬（ Kbps）最大 IP 語音包（byte ）56/642561285122561024512204815446144從上表看出，如果 WAN鏈路為 256Kbps，為更好地保證 IP 電話的音質(zhì)，應(yīng)將 IP 包大小限制為不超過 1024 字節(jié)。3.7 VoIP前向糾錯技術(shù)高級 VoIP(Voice over IP)網(wǎng)關(guān)采用另一項保證音質(zhì)的技術(shù)前向糾錯技術(shù) FEC(Forward Error Correction) 。IP 包在傳送過程中有可能損壞或被丟失 / 丟棄，如果話音包丟失 / 損壞率較低， IP 電話的音質(zhì)不會受到明顯損害。由于公共Internet網(wǎng)絡(luò)往往有較高的丟包

11、率，因此不足以維持高質(zhì)量的話音通信。因此，F(xiàn)EC技術(shù)就能夠發(fā)揮重要作用。 FEC 技術(shù)有兩級，第一級是Intra-Packet，第二級是Extra-Packet 。第一級是在同一包內(nèi)加冗余數(shù)據(jù)，以便接收方糾錯、恢復(fù)、還原話音數(shù)據(jù)，保證音質(zhì)。第二級是在每一個話音包中存放后續(xù)包的冗余數(shù)據(jù)，以便接收方從已經(jīng)接收到的包中恢復(fù)出錯或丟失的話音包。 FEC可以吸收10%一 20%的丟包率，保持高音質(zhì)。但是FEC要多消耗多達 30%的網(wǎng)絡(luò)帶寬，因此在企業(yè)網(wǎng)內(nèi)部一般不采用FEC。4 IP 電話的三種通話方式IP電話根據(jù)終端設(shè)備不同，可分為PC-PC、 Phone-Phone、6 / 10PC-Phone(Ph

12、one-PC)三種通話方式，如圖3 所示（注意，這里的PC并不一定指個人的電腦， 它可以是直接在IP 網(wǎng)絡(luò)上的任何 IP 語音終端）。IP 網(wǎng)絡(luò)PC機(a) PC-PCPC機PSTNIP 網(wǎng)絡(luò)PSTN電話機電話機網(wǎng)關(guān)(b) Phone-Phone網(wǎng)關(guān)IP網(wǎng)絡(luò)PSTN網(wǎng)關(guān)電話機PC機(c) PC-phone圖 3 IP 電話的三種通話方式4.1 PC-PCPC-PC 結(jié)構(gòu)如圖 3(a) ，是 Internet電話的最初形式。 PC用戶為通信終端，以Internet為傳輸網(wǎng)絡(luò)。在PCPC 方式中，可以有兩個或更多個需要通話的用戶同時開啟多媒體計算機，這些計算機可以通過局域網(wǎng)，也可以通過撥號上網(wǎng)的方

13、式連接到Internet上。其中語音采樣、編解碼和打包等工作均通過PC 機上的處理器、聲卡、網(wǎng)卡等硬件資源來完成。根據(jù)呼叫方是否知道對方IP地址，PCPC 的通信方式分兩種。第一種是呼叫方知道被呼叫方IP地址，通過被呼叫方的IP地址直接與被呼叫方通話； 第二種是呼叫方不知道對方的IP地址，這時呼7 / 10叫方需首先與關(guān)守 (Gate Keeper) 進行連接，通過關(guān)守得到被叫方的IP 地址，然后再與被呼叫方通話。4.2 Phone-PhonePhone Phone 結(jié)構(gòu)如圖3(b)，是使用常規(guī)電話作為用戶終端，通過PSTN(Public Switched Telephone Network，

14、公共電話交換網(wǎng)絡(luò) ) 和 Internet來傳送語音。這也是IP 電話最普遍的方式。由于語音的傳輸要經(jīng)過PSTN 和 Internet兩種不同的網(wǎng)絡(luò)，因此需要連接這兩種網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)以及關(guān)守等設(shè)備，因此這種結(jié)構(gòu)也稱為網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)，這也是真正投入商業(yè)運營的電信級IP 電話系統(tǒng)。在實現(xiàn)語音通信時， 主叫方首先通過 PSTN 與發(fā)送網(wǎng)關(guān)建立連接，發(fā)送網(wǎng)關(guān)通過識別主叫身份， 檢查權(quán)限以及計費信息等 （通過關(guān)守的輔助進行），對主叫方進行響應(yīng)。主叫方通過驗證后輸入被叫方電話號碼；發(fā)送網(wǎng)關(guān)根據(jù)被叫方電話號碼，通過關(guān)守的輔助，與接收網(wǎng)關(guān)建立連接，接收網(wǎng)關(guān)把相應(yīng)信息通過 PSTN傳送到被叫方。這樣主叫方與被叫方就可以進

15、行通話了。在通話過程中，語音信號通過 PSTN 傳輸?shù)桨l(fā)送網(wǎng)關(guān)后被數(shù)字化。發(fā)送網(wǎng)關(guān)通過關(guān)守找到接收網(wǎng)關(guān)的 IP 地址，并根據(jù) H.323 協(xié)議對語音信號進行編碼、打包等處理，形成可以在 Internet 上傳輸?shù)?IP數(shù)據(jù)包，然后發(fā)送給接收網(wǎng)關(guān)。接收網(wǎng)關(guān)接收由發(fā)送網(wǎng)關(guān)送來的 IP 數(shù)據(jù)包，對其進行解包、解碼等操作，將其轉(zhuǎn)換為模擬語音信號后，通過 PSTN 傳送到被叫方。4.3 PC-Phone8 / 10PC-Phone(Phone-PC)的結(jié)構(gòu)也稱為混合結(jié)構(gòu)如圖3(c) ，是介于PCPC 和 PhonePhone 之間的一種結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，語音通信終端分別為普通PSTN 電話和 Inte

16、rnet上的 PC。由于語音通信是在異種網(wǎng)絡(luò)間進行的，所以網(wǎng)關(guān)也是必需的，它完成通信協(xié)議、傳輸格式的轉(zhuǎn)換以及語音編解碼和打包等工作。5 IP 電話的市場發(fā)展及趨勢IP 電話最早是由Voca1Tec 公司于 1995 年初推出的InternetPhone 客戶軟件，由于IP 電話蘊涵無限商機，使得在其誕生后的短短 3 年時間里，在歐美等發(fā)達國家得到了迅速發(fā)展， 業(yè)務(wù)量已占據(jù)整個電話通訊量的 10%多。 1998 年, 美國 IP 電話市場產(chǎn)值達到 18 億美元。與歷經(jīng)一百多年發(fā)展的傳統(tǒng)電話業(yè)務(wù)相比，其發(fā)展速度之快，令人驚嘆。面對信息技術(shù)的迅猛發(fā)展， 人們普遍認為， 未來最重要的信息傳輸是數(shù)據(jù)傳輸

17、，各種服務(wù)都將以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)， 而話音僅僅是一種服務(wù)。從長遠的觀點來看，由于 IP 電話和傳統(tǒng)電話相比具有優(yōu)越的性能價格比，且 IP 電話中還可以加人智能，創(chuàng)造許多增殖業(yè)務(wù)，如：音頻 /視頻會議、 Web電話、語音郵件等優(yōu)勢，使得 IP 電話替代傳統(tǒng)電話成為技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。 但另一方面，由于人類耗費巨額投資經(jīng)過近 20 年的發(fā)展建立起來的程控電話交換網(wǎng)的用戶已經(jīng)深人到普通家庭，目前更具有語音實時傳輸和完備的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量管理體制的優(yōu)勢,使得 IP 電話在未來 10 年之內(nèi)，尚不可能完全替代傳統(tǒng)電話。 近幾年內(nèi)的發(fā)展趨勢是： 因特網(wǎng)電話不斷占領(lǐng)傳統(tǒng)電話的市場， 促使傳統(tǒng)電9 / 10話長途話費不斷降低，直至IP 電話的語音質(zhì)量和使用方便性方面完全達到或超過傳統(tǒng)電話。鑒于在發(fā)達國家， 大型的電信運營商不再投資于傳統(tǒng)的電路交換設(shè)備，而大量投資在數(shù)據(jù)交換產(chǎn)品，建立世界范圍之內(nèi)的IP 電話網(wǎng)絡(luò)。我國也于 1999