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IP电话技术及其应用

2014/06/30 Tang

1、前言

随着光网络的飞速发展和数字传输技术的应用,原来在数据通信网络中被视为应用“瓶颈”的宽带和服务质量得到一一解决,推动了IP技术的飞速发展,带动各种应用向IP靠拢,IP电话(又称IP PHONE或VOIP)业务就是其中的一种典型应用。

2、IP电话概述

IP电话是一种通过Internet技术或通过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:一种是通过Internet网络进行的网络语音通信,我们称之为网络电话;另一种是利用IP技术,电信运营商之间通过专线点对点连结进行的语音通话,有人称之为廉价电话或经济电话。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公司所采纳。后者相对于前者来说投资较大,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。该方式多为电信运营商所采纳。

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IP包,同时,IP技术允许多个用户共用同一宽带资源,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价格的下降,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。

IP电话

3、IP电话技术原理
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,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受地,再把这些语音数据包串起来,经过解码解压处理后,恢复成原理的语音信号。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8-11Kbits/s宽带,因此在与普通电信网同样使用传输速率为64Kbits/s的宽带时,IP电话数是原理的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,并将次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数据包因特网到达目的地IP电话网关。对于因特网未延伸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网转接,实现通信业务。

4、IP电话基本结构

IP电话的的基本结构由网关(GW)和网守两部分构成。网关的主要功能是信令处理、H.323协议处理、语音编解码和路由协议处理等,对外分别提供与PSTN网连接的中继接口以及与IP网络连接的接口。网守的主要功能是用户认证、地址解析、宽带管理、路由管理、安全管理和区域管理。一个典型的呼叫过程是:呼叫由PSTN语音交换机发起,通过中继接口接入到网关,网关获得用户希望呼叫的被叫号码后,向网关发出查询信息,网关查找被叫网守的IP地址,并根据网络资源情况来判断是否应该建立连接。如果可以建立连接,则将被叫网关的IP地址通知给主叫网关,主叫网关在得到被叫网关的IP地址后,通过IP网络与对方网关建立呼叫连接,被叫侧网关向PSTN网络发起呼叫并由交换机向被叫用户振铃,被叫摘机后,被叫侧网关和交换机之间的语音通道被连通,网关之间则开始利用H.323协议进行能力交换,确定通话使用的编解码,在能力交换完成后,主被叫方即可开始通话。

5、IP电话种类
IP电话就要四种:PC到PC、电话到电话、电话到PC、PC到电话。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、语音压缩、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,这种方式和共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,并完成语音编码和打包,接受端网关实现拆包、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,以及语音编解码和打包。
(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,以及语音编解码和打包。

6、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、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,但语音属于实时业务,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。

6.1信令技术

信令技术保证电话呼叫的顺利实现和语音质量,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Intemet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类似于ISDN的Q.931信令协议的简化版本,并采用了比较的电路交换的方法。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.323,用于补充业务的H.450.1、H.450.2、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、组播和宽带管理。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、宽带改变、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用来传送终端到终端的控制信息,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、流空消息和通用命令与指令等。H.45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提供了窄道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,因而同时智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.3253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(SIPNiform Resource Locators)这样易于实现和测试,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以发出一个呼叫。与H.323相比SIP还有建立呼叫快,支持传送电话的特点。

6.2 编码技术

语音压缩编码技术是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语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的语音编码标准,现在的工作范围扩展至6.4~11.8Kbit/s,语音质量也在此范围内有一定的变化,但即使是6.4 Kbit/s,语音质量还不错,因而很适合在VoIP系统中使用。G723.1采用5.3/6.3Kbit/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。

6.3 实时传输技术

实时传输技术主要是采用实时传送协议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征的机制,可以让接受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。

6.4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来避免网络拥堵,保障通话质量。

6.5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、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,语音净荷通常都很短。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中,这样提高了传输效率。此外,静音检测技术和回音消除技术也是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,从而使话音的占用宽带进一步降低到3.5 Kbit/s: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。

7、结论

IP电话以其低廉的长途电话费始终受到人们的欢迎,同时,在IP电话技术日趋完善的今天,越来越多种类的IP电话、智能电话应运而生得到了广大用户的认可,IP电话有了自己的发展空间,也得到了快速发展。

相信无论是在国外还是在国内,作为给用户提供的一种选择,IP电话业务还将会有更大的发展。

IP电话

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