网络电话的实现设计.doc

1、IP 电话简介1 目标近年来,随着我国国民经济的迅速发展和改革开放的进一步深人，国内和国际间的信息交流日益频繁。目前这种交流主要是通过电话进行的，但长途电话费用昂贵，尤其是国际间的通话费，更使得寻常百姓望而却步。但近几年，随着因特网技术的飞速发展，一种新兴的廉价电话服务方式IP Phone(因特网电话)悄然走入人们的生活，仅需付现在长途通话费用的 1/10 便可以享用同普通电话同样质量的语音服务。因此，发展因特网电话有很大的优势，将成为语音通话中的强有力的竞争对手。2 IP 电话原理IP 电话是利用因特网作为传输媒体实现计算机与计算机、普通电话与普通电话、计算机与普通电话之间进行话音通信的技术

2、。图1 表示两个远地节点（A 地和 B 地）间的 IP 电话的通信模式，其中LPSTN(Local Public Service Telephone Network)代表本地电话网。它和人们所普遍使用的电话不同,普通电话是采用程控交换技术，通过公共电话网(PSTN)传送模拟话音信号，而且通话双方一旦建立连接，便独占一条电路通道，直到通话完毕拆除连接。而 IP 电话则是采用包(IP 包)交换技术，借助因特网传送经过语音编码处理的数字信号，在双方通话期间所建立的通道上,可同时传送其它多媒体数据(视频、图像、文本等)。IP 电话的基本工作原理是：由专门的设备或软件将呼叫方的话音信号采样并数字化，经过

3、压缩，打包成可在IP 网络传输的 IP 数据包，通过 IP 路由机制传给到对方。对方的专门 IP 电话设备或软件在接收到语音 IP 包后进行解压缩，还原成模拟信号传到电话听筒。在普通电话之间进行 IP 语音通信，必须通过在电话网和因特网间配置 IP 网关来实现。IP 网关是将电话网与因特网融合，实现二者间互通的核心设备，实现电话网的信令协议与 IP 数据网协议的相互转换。IP 网关由硬件层、软件模块层、维护管理层、控制接口层组成(图 2 所示)，其中软件模块层又包括语音信号处理、PSTN 呼叫控制、IP 呼叫管理、IP 呼叫控制、数据传输、DSP 管理软件包等。而语音信号处理包括语音压缩技术、

4、编码算法、回波抵消和 DTMF 检测功能。由于 IP 电话利用了分组交换和统计复用技术，实现了语音、数据的综合传输，从而克服了传统电话对紧缺通信带宽的高额消耗(一路电话话音占用 64KbsP 带宽)，它只需要 6 一 8Kbps(甚至低于2.4Kbps),大大节省了通信带宽，使得整个网络的运营成本大幅度降低。这对于渴望减少巨额国际传统电话费的公司来说，用 Internet传输语音流带来的好处是显而易的。Telephone TelephonePC PCIP GatewayIP GatewayA地 B地InternetLPSTN LPSTN图 1 IP 电话的通信模式网关控制接口维护、管理与计费I

5、P 呼叫管理数据传输PSTN呼叫控制DSP管理软件G723.1G.729a回波抵消DTMF 检测IP 呼叫控制 （H.323） RTP/RTCP硬件平台图 2 IP 电话网关的组成3 IP 电话的关键技术以上分析的是 IP 电话的工作原理，下面结合 IP 电话的工作原理介绍其使用的关键技术。3.1 话音压缩技术 IP 电话技术的基础是话音压缩技术，ITU 于 1995 年 11 月通过的G.729 是 IP 电话采用的话音压缩标准。G.729 算法被称作 CS 一ACELP(Conjugate Structured 一 Algebraic Code Excited linear Predict

6、ive)即对生结构代数码激励线性预测，它是在标准 PCM 或线性 PCM 话音采样的基础上，每 10ms 生成一个 10 字节的话音帧，可以将普通话音编码成 8Kbps 的传输话音，话音质量与 32Kbps 的ADPCM(G.724)相同。CS 一 ACELP 也是为先进的定点运算数字处理器设计的。3.2 回声消除技术在 PBX 或局用交换机侧，有少量电信号的能量未被充分转换，沿原路返回，形成回声。如果打电话者离 PBX 或交换机不远，回声返回很快，人耳感觉不出来。但当回声返回时间超过 10ms 时，回声就会严重影响通话质量。为了消除回声，一般采用回声消除技术，在处理器中有特殊的软件代码监听回

7、声信号，并将它从听话人的语音信号中消除。对于 IP 电话设备，回声消除技术特别重要，因为利用 IP 网进行长途通话，时延很容易达到 40ms 一 50ms。3.3 静噪抑制技术在实际的电话通话过程中，由于当一方在讲话时，另一方在听，而且讲话过程中有大量显著的停顿，只有 36%-40%的信号是活动或有效的，大部分是停顿时间。利用静噪抑制技术，可以检测出双方通话过程中的停顿时段，并在该时段停止发送语音包。从而可以节省大量宝贵的网络带宽资源，用于其它话音或数据通信。3.4 话音抖动处理IP 网络的一个特征就是网络延时与网络抖动，为了防止语音抖动，人们采用抖动缓冲技术，即在接收方设定一个缓冲池，话音包

8、到达时首先进人缓冲池暂存，系统以稳定平滑的速率将话音包从缓冲池中取出、解压、然后播放给受话者。这种缓冲技术可以在一定限度内有效处理话音抖动，并提高音质。3.5 话音优先技术由于话音通信实时性要求较高，为了提供高音质的 IP 电话通信，在广域网带宽不足(拥挤)的 IP 网络上，一般需要话音优先技术。当WAN 带宽低于 512Kbps 时，一般在 IP 网络路由器中设定话音包的优先级为最高，路由器一旦发现话音包，就会将其插入到 IP 包队列的最前面，以便优先发送。这样，网络的延时与抖动情况对话音通信的影响均将得到改善。另一种技术是采用资源预留协议(RSVP)为话音通信预留带宽。只要有话音呼叫请求，

9、网络就根据规则为话音通信预留出设定带宽，直到通话结束才释放带宽。今天的技术已经做到平均每条话音中继线的通信量仅占 1Kbps一 2Kbps，为 64Kbps 广域网带宽的 3%。而传统电话网中，一路话音要占 64Kbps，这正是 IP 电话比传统电话省钱的原因。3.6 IP 包分割技术因特网上的 IP 数据包，可达到千字节以上。若用来传送语音，则会严重影响话音质量。为此，需要根据网络带宽，分割 IP 语音包的大小。理论和实践证明，表 1 可作为实际 IP 包的分割原则。表 1 广域网带宽与语音 IP 包大小的关系广域网带宽（Kbps） 最大 IP 语音包（byte）56/64 256128 5

10、12256 1024512 20481544 6144从上表看出，如果 WAN 链路为 256Kbps，为更好地保证 IP 电话的音质，应将 IP 包大小限制为不超过 1024 字节。3.7 VoIP 前向纠错技术高级 VoIP(Voice over IP)网关采用另一项保证音质的技术前向纠错技术 FEC(Forward Error Correction)。IP 包在传送过程中有可能损坏或被丢失/丢弃，如果话音包丢失/损坏率较低，IP 电话的音质不会受到明显损害。由于公共 Internet 网络往往有较高的丢包率，因此不足以维持高质量的话音通信。因此，FEC 技术就能够发挥重要作用。FEC 技

11、术有两级，第一级是 Intra-Packet，第二级是 Extra-Packet。第一级是在同一包内加冗余数据，以便接收方纠错、恢复、还原话音数据，保证音质。第二级是在每一个话音包中存放后续包的冗余数据，以便接收方从已经接收到的包中恢复出错或丢失的话音包。FEC 可以吸收 10%一 20%的丢包率，保持高音质。但是 FEC 要多消耗多达 30%的网络带宽，因此在企业网内部一般不采用 FEC。4 IP 电话的三种通话方式IP 电话根据终端设备不同，可分为 PC-PC、Phone-Phone、PC-Phone(Phone-PC)三种通话方式，如图 3 所示（注意，这里的 PC 并不一定指个人的电脑

12、，它可以是直接在 IP 网络上的任何 IP 语音终端）。I P 网络I P 网络P S T N P S T NI P 网络P S T N( a ) P C - P C( b ) P h o n e - P h o n e( c ) P C - p h o n eP C 机电话机P C 机网关网关电话机电话机P C 机网关图 3 IP 电话的三种通话方式4.1 PC-PCPC-PC 结构如图 3(a)，是 Internet 电话的最初形式。PC 用户为通信终端，以 Internet 为传输网络。在 PCPC 方式中，可以有两个或更多个需要通话的用户同时开启多媒体计算机，这些计算机可以通过局域网，

13、也可以通过拨号上网的方式连接到 Internet 上。其中语音采样、编解码和打包等工作均通过 PC 机上的处理器、声卡、网卡等硬件资源来完成。根据呼叫方是否知道对方 IP 地址，PCPC 的通信方式分两种。第一种是呼叫方知道被呼叫方 IP 地址，通过被呼叫方的 IP 地址直接与被呼叫方通话；第二种是呼叫方不知道对方的 IP 地址，这时呼叫方需首先与关守(Gate Keeper)进行连接，通过关守得到被叫方的 IP 地址，然后再与被呼叫方通话。4.2 Phone-PhonePhone Phone 结构如图 3(b) ，是使用常规电话作为用户终端，通过 PSTN(Public Switched T

14、elephone Network，公共电话交换网络)和 Internet 来传送语音。这也是 IP 电话最普遍的方式。由于语音的传输要经过 PSTN 和 Internet 两种不同的网络，因此需要连接这两种网络的网关以及关守等设备，因此这种结构也称为网关结构，这也是真正投入商业运营的电信级 IP 电话系统。在实现语音通信时，主叫方首先通过 PSTN 与发送网关建立连接，发送网关通过识别主叫身份，检查权限以及计费信息等（通过关守的辅助进行），对主叫方进行响应。主叫方通过验证后输入被叫方电话号码；发送网关根据被叫方电话号码，通过关守的辅助，与接收网关建立连接，接收网关把相应信息通过 PSTN 传送

15、到被叫方。这样主叫方与被叫方就可以进行通话了。在通话过程中，语音信号通过 PSTN 传输到发送网关后被数字化。发送网关通过关守找到接收网关的 IP 地址，并根据 H.323 协议对语音信号进行编码、打包等处理，形成可以在 Internet 上传输的 IP 数据包，然后发送给接收网关。接收网关接收由发送网关送来的 IP 数据包，对其进行解包、解码等操作，将其转换为模拟语音信号后，通过 PSTN 传送到被叫方。4.3 PC-PhonePC-Phone(Phone-PC)的结构也称为混合结构如图 3(c)，是介于PCPC 和 PhonePhone 之间的一种结构。在这种结构中，语音通信终端分别为普通

16、 PSTN 电话和 Internet 上的 PC。由于语音通信是在异种网络间进行的，所以网关也是必需的，它完成通信协议、传输格式的转换以及语音编解码和打包等工作。5 IP 电话的市场发展及趋势IP 电话最早是由 Voca1Tec 公司于 1995 年初推出的 Internet Phone 客户软件，由于 IP 电话蕴涵无限商机，使得在其诞生后的短短 3 年时间里，在欧美等发达国家得到了迅速发展，业务量已占据整个电话通讯量的 10%多。1998 年,美国 IP 电话市场产值达到 18 亿美元。与历经一百多年发展的传统电话业务相比，其发展速度之快，令人惊叹。面对信息技术的迅猛发展，人们普遍认为，未

17、来最重要的信息传输是数据传输，各种服务都将以数据为基础，而话音仅仅是一种服务。从长远的观点来看，由于 IP 电话和传统电话相比具有优越的性能价格比，且 IP 电话中还可以加人智能，创造许多增殖业务，如：音频/视频会议、Web 电话、语音邮件等优势，使得 IP 电话替代传统电话成为技术发展的必然趋势。但另一方面，由于人类耗费巨额投资经过近 20 年的发展建立起来的程控电话交换网的用户已经深人到普通家庭，目前更具有语音实时传输和完备的网络服务质量管理体制的优势,使得 IP 电话在未来 10 年之内，尚不可能完全替代传统电话。近几年内的发展趋势是：因特网电话不断占领传统电话的市场，促使传统电话长途话

18、费不断降低，直至 IP 电话的语音质量和使用方便性方面完全达到或超过传统电话。鉴于在发达国家，大型的电信运营商不再投资于传统的电路交换设备，而大量投资在数据交换产品，建立世界范围之内的 IP 电话网络。我国也于 1999 年 5 月 17 日，由中国电信首次推出在全国 25个大城市开通的 IP 电话试验业务，通过试验解决 IP 运营的关键技术。待运行稳定后，将在国内外更大范围逐步开放 IP 电话业务，以便在即将到来的与国外 IP 电话运营公司的竞争中，立于不败之地。6 总结IP 电话是一种利用 Internet 技术或网络进行语音通信的新业务，是一项革命性的技术，增值业务更趋向网络化，不能以传统电信的思维去理解它，需要有新生的力量去推动它，IP 电话只有在大规模的商用进程中才能得到真正的考验和验证，同时不断的发展和演进，人们也才能体会真正意义上的技术价值。