全面講解VoIP的原理及技術

1、VoIP的原理及其技術通過因特網(wǎng)進行語音通信是一個非常復雜的系統(tǒng)工程，其應用面很廣，因此涉及的技術也特別多，其中最 根本的技術是VoIP （Voice over IP）技術，可以說，因特網(wǎng)語音通信是VoIP技術的一個典型的、也是最有前景 的應用領域。因此在討論用因特網(wǎng)進行語音通信之前，有必要首先分析VoIP的基本原理，以及VoIP中的相 關技術問題。一、VoIP的基本傳輸過程傳統(tǒng)的電話網(wǎng)是以電路交換方式傳輸語音，所要求的傳輸寬帶為64kbit/s。而所謂的VoIP是以IP分組交 換網(wǎng)絡為傳輸平臺，對模擬的語音信號進行壓縮、打包等一系列的特殊處理，使之可以采用無連接的UDP協(xié) 議進行傳輸。為了在

2、一個IP網(wǎng)絡上傳輸語音信號，要求幾個元素和功能。最簡單形式的網(wǎng)絡由兩個或多個具有VoIP功 能的設備組成，這一設備通過一個IP網(wǎng)絡連接。VoIP模型的基本結構圖如圖下圖所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn) VoIP設備是如何把語音信號轉換為IP數(shù)據(jù)流，并把這些數(shù)據(jù)流轉發(fā)到IP目的地，IP目的地又把它們轉換回 到語音信號。兩者之音的網(wǎng)絡必須支持IP傳輸，且可以是IP路由器和網(wǎng)絡鏈路的任意組合。因此可以簡單地 將VoIP的傳輸過程分為下列幾個階段。1、語音-數(shù)據(jù)轉換語音信號是模擬波形，通過IP方式來傳輸語音，不管是實時應用業(yè)務還是非實時應用業(yè)務，道貌岸首先 要對語音信號進行模擬數(shù)據(jù)轉換，也就是對模擬語音信號進行8

3、位或6位的量化，然后送入到緩沖存儲區(qū)中， 緩沖器的大小可以根據(jù)延遲和編碼的要求選擇。許多低比特率的編碼器是采取以幀為單位進行編碼。典型幀長 為1030ms?？紤]傳輸過程中的代價，語間包通常由60、120或240ms的語音數(shù)據(jù)組成。數(shù)字化可以使用各 種語音編碼方案來實現(xiàn)，目前采用的語音編碼標準主要有ITU-T G.711。源和目的地的語音編碼器必須實現(xiàn)相 同的算法，這樣目的地的語音設備幫可以還原模擬語音信號。2、原數(shù)據(jù)到IP轉換一旦語音信號進行數(shù)字編碼，下一步就是對語音包以特定的幀長進行壓縮編碼。大部份的編碼器都有特定 的幀長，若一個編碼器使用15ms的幀，則把從第一來的60ms的包分成4幀，并

4、按順序進行編碼。每個幀合 120個語音樣點（抽樣率為8kHz）。編碼后，將4個壓縮的幀合成一個壓縮的語音包送入網(wǎng)絡處理器。網(wǎng)絡 處理器為語音添加包頭、時標和其它信息后通過網(wǎng)絡傳送到另一端點。語音網(wǎng)絡簡單地建立通信端點之間的物 理連接（一條線路），并在端點之間傳輸編碼的信號。IP網(wǎng)絡不像電路交換網(wǎng)絡，它不形成連接，它要求把 數(shù)據(jù)放在可變長的數(shù)據(jù)報或分組中，然后給每個數(shù)據(jù)報附帶尋址和控制信息，并通過網(wǎng)絡發(fā)送，一站一站地轉 發(fā)到目的地。3、傳送在這個通道中，全部網(wǎng)絡被看成一個從輸入端接收語音包，然后在一定時間（t）內將其傳送到網(wǎng)絡輸出 端。t可以在某全范圍內變化，反映了網(wǎng)絡傳輸中的抖動。網(wǎng)絡中的同間

5、節(jié)點檢查每個IP數(shù)據(jù)附帶的尋址信 息，并使用這個信息把該數(shù)據(jù)報轉發(fā)到目的地路徑上的下一站。網(wǎng)絡鏈路可以是支持IP數(shù)據(jù)流的任何拓結構 或訪問方法。4、IP包-數(shù)據(jù)的轉換目的地VoIP設備接收這個IP數(shù)據(jù)并開始處理。網(wǎng)絡級提供一個可變長度的緩沖器，用來調節(jié)網(wǎng)絡產生的 抖動。該緩沖器可容納許多語音包，用戶可以選擇緩沖器的大小。小的緩沖器產生延遲較小，但不能調節(jié)大的 抖動。其次，解碼器將經編碼的語音包解壓縮后產生新的語音包，這個模塊也可以按幀進行操作，完全和解碼 器的長度相同。若幀長度為15ms，是60ms的語音包被分成4幀，然后它們被解碼還原成60ms的語音數(shù)據(jù) 流送入解碼緩沖器。在數(shù)據(jù)報的處理過程

6、中，去掉尋址和控制信息，保留原始的原數(shù)據(jù)，然后把這個原數(shù)據(jù)提 供給解碼器。5、數(shù)字語音轉換為模擬語音播放驅動器將緩沖器中的語音樣點（480個）取出送入聲卡，通過揚聲器按預定的頻率（例如8kHz）播 出。簡而言之，語音信號在IP網(wǎng)絡上的傳送要經過從模擬信號到數(shù)字信號的轉換、數(shù)字語音封裝成IP分組、 IP分組通過網(wǎng)絡的傳送、IP分組的解包和數(shù)字語音還原到模擬信號等過程。整個過程如圖下圖所示。二、推動VoIP發(fā)展的動力由于相關的硬件、軟件、協(xié)議和標準中的許多發(fā)展和技術突破，使得VoIP的 廣泛使用很快就會變成現(xiàn)實。這些領域中的技術進步和發(fā)展為創(chuàng)建一個更有效、功能和互操作性更強的VoIP網(wǎng)絡起著推波助

7、瀾的作用。 表2-2簡單列出了這些領域中的主要發(fā)展。從表中可以看出，推動VoIP飛速發(fā)展乃至廣泛應用的技術因素可 以歸納為如下幾個方面。1、數(shù)字信號處理器先進的數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor ,DSP）執(zhí)行語音和數(shù)據(jù)集成所要求 的計算密集的任各。DSP處理數(shù)字信號主要用于執(zhí)行復雜的計算，否則這些計算可能必須由通用CPU執(zhí)行。 它們的專門化的處理能力與低成本的結合使DSP很好地適合于執(zhí)行VoIP系統(tǒng)中的信號處理功能。單個語音流上G,729語音壓縮的計算開銷開常大，要求達到20MIPS，如果要求一個中央CPU在處理多個 語音流的同時，還執(zhí)行路由和系統(tǒng)管理功能，這是

8、不現(xiàn)實的，因此，使用一個或多個DSP可以從中央CPU卸 載其中的復雜語音壓縮算法的計算任務。另外，DSP還適合于語音的活動檢測和回聲取消這樣的功能，困為 它們實時處理語音數(shù)據(jù)流，并能快速訪問板上內存，因此。在本章節(jié)中，比較詳細地介紹如何在 TMS320C6201DSP平臺來實現(xiàn)語音編碼和回聲抵消的功能。2、 高級專用集成電路專用集成電路（Application-Specific Integrated Circait, ASIC）發(fā)展產生了更快、更 復雜、功能更強的ASIC。ASIC是執(zhí)行單一應用或很小的一組功能專門的應用芯片。由于集中于很窄的應用 目標，故它們可以對特定的功能進行高度的優(yōu)化，通

9、常雙通用CPU快一個或幾個數(shù)量級。就像精簡指令集計 算機（RSIC）芯片集中于快速執(zhí)行扔限數(shù)目的操作一樣，ASIC被預先編程、使其能更快地執(zhí)行有限數(shù)目的功 能。一旦開發(fā)完成，ASIC批量生產的成本并不高，被用于包括路由器和交換機這樣的網(wǎng)絡設備，執(zhí)行路由查 表、分組轉發(fā)、分組分類和檢查以及排隊等功能。ASIC的使用使設備的性能更高，而成本更低。它們?yōu)榫W(wǎng)絡 提供增加的寬帶和更好的QoS支持，所以對VoIP發(fā)展起著很大的促進作用。3、IP傳輸持術傳輸電信網(wǎng)大多采用時分多路復用方式，因特網(wǎng)須采用的是統(tǒng)計復用變長分組交換方式，二者相比，后者對網(wǎng)絡資源利用率高，互連互通簡便有效、對數(shù)據(jù)業(yè)務十分適用，這是因

10、特網(wǎng)得以飛速發(fā) 展的重要原因之一。但是，寬帶IP網(wǎng)絡通信對QoS和延遲特性提出了茍刻的要求，因此，統(tǒng)計復用變長分組 交換的技術發(fā)展為人們所關注。目前，除巳問世的新一代IP協(xié)議-IPV6外，世界因特網(wǎng)工程任務組（IETF） 提出了多協(xié)議標記交換技術（MPLS），這是一種基于網(wǎng)絡層選路的各種標記/標簽的交換，能提高選路的靈活 性，擴展網(wǎng)絡層選路能力，簡化路由器和基于信元交換的集成，提高網(wǎng)絡性能。MPLS既可以作為獨立的選路 協(xié)議工作，又能與現(xiàn)有的網(wǎng)絡選路協(xié)議兼容，支持IP網(wǎng)絡的各種操作、管理和維護功能，使IP網(wǎng)絡通信的 QoS、路由、信令等性能大大提高，達到或接近統(tǒng)計復用定長分組交換（ATM）的水

11、平，而又比ATM簡單、 高效、便宜、適用。IETF還地抓緊新的分組理理持術，以便實現(xiàn)QoS選路。其中正在研究隧道技術就是為 了實現(xiàn)單向鏈路的寬帶傳送。另外，如何選擇IP網(wǎng)絡傳輸平臺也是近年來研究的一個重要領域，先后出現(xiàn)了 IP over ATM、IP over SDH IP over DWDM等技術，目前公認的寬帶網(wǎng)絡分析模型如圖所示。第一層是基層礎，提供高速的數(shù)據(jù)傳輸骨干。IP層向IP用戶提供高質量的，具有一定服務保證的IP接入服 務。用戶層提供接入形式（接入和寬帶接入）和服務內容形式。在基礎層，以太網(wǎng)作為IP網(wǎng)絡的物理層， 是理所當然的事情，但是IP overDWDM卻上最新技術，并具有很

12、大的發(fā)展?jié)摿?。密集波分多路復用（Dense Wave Division MultipLexing,DWDM）為光纖網(wǎng)絡注入新的活力，并在電信公 司鋪設新的光纖主干網(wǎng)中提供驚人的帶寬。DWDM技術利用光纖的能力和先進的光傳輸設備。波分多路復用 的名稱是從單股光纖上傳送多個波長的光（LASER）而得來的。目前的系統(tǒng)能夠發(fā)送和識別16個波長，而將 來的系統(tǒng)能夠支持4096全波長。這具有重要意義，因為每增加一個波長，就增加了一個信息流。因此可以將 2.6Gbit/s（OC-48）網(wǎng)絡擴大16倍，而不必鋪設新的光纖。大多數(shù)新的光纖網(wǎng)絡以(9.6Gbit/s)的速度運行OC-192，在與DWDM結合時，在

13、一對光纖上產生 150Gbit/s以上的容量。另外，DWDM提供了接口的協(xié)議和速度無關的特征，在一條光纖上可同時支持 ATM、SDH和千兆以太網(wǎng)信號的傳輸，這樣和現(xiàn)在巳建成的各種網(wǎng)絡都可以兼容，因此DWDM既可以保護 巳有的設資，還可以以其巨大帶寬為ISP和電信公司提供了功能更強的主干網(wǎng)，并使寬帶成本更低和訪問性更 強，這對VoIP解決方案的帶寬要求提供強有力的支持。增加的傳輸速率不僅可以提供更粗的管道，使阻塞的 機會更少，而且使延時降低了許多，因此可以在很大程度上減少IP網(wǎng)絡上的QoS要求。4、寬帶接入技術IP網(wǎng)絡的用戶接入巳成為制約全網(wǎng)發(fā)展的瓶頸。從長期發(fā)展看，用戶接入的終極目標是光纖到戶

14、(FTTH)。光接入網(wǎng)從廣義上講包括光數(shù)字環(huán)路載波系統(tǒng)和無源光網(wǎng)絡兩類。前者主要在美國，結合開放口 V5.1/V5.2,在光纖上傳送其綜合系統(tǒng)，顯示了很大的生命力。后者主要在目本和德國。日本堅持不懈攻關十 多年，采取一系列措施，將無源光網(wǎng)絡成本降低至與銅纜和金屬雙絞線相近的水平，并大量使用。特別是近年 ITU提出以ATM為基礎的無源光網(wǎng)絡(APON)，將ATM與無源光網(wǎng)絡優(yōu)勢互補，接入速率可達622M bit/s，對寬帶IP多媒體業(yè)務發(fā)展十分有利，且能減少故障率和節(jié)點數(shù)目，擴大覆蓋范圍。目前ITU巳完成了 標準化工作，各廠家正在積極研制，不久會有商品上市，將成為面向21世紀的寬帶接入技術的主要發(fā)展方 向。目前主要采用的接入技術有:PSTN、IADN、ADSL、CM、DDN、X.25和Ethernet以及寬帶無線接入系統(tǒng) 列等。這些接入技術各有特點，其中發(fā)展最快的是ADSL和CM； CM(Cable Modem)采用同軸電纜，傳輸速率 高、抗干擾能力強；但是不能雙向傳輸，無統(tǒng)一標準。ADSL(Asymmetrical Digital Loop)獨享接入寬帶，充 分利有現(xiàn)有電話網(wǎng)，提供非對稱的傳輸速率，用戶側的下載速率可以達到8 Mbit/s，用戶側的上載速率可以達 到1M bit/s。ADSL為企業(yè)和各個用戶提供必要的寬帶，