網(wǎng)絡(luò)電話的實現(xiàn)設(shè)計

1、【MeiWei_81重點借鑒文檔】 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)方式一IPPhone（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。 2IP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

2、通電話、計算機與普通電話之間進行話音通信的技術(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（LocalPublicServiceTelepho neNetwork）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

3、將 呼叫方的話音信號采樣并數(shù)字化，經(jīng)過壓縮，打包成可在IP網(wǎng)絡(luò)傳 輸?shù)腎P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、DSP管理軟件包等。而 語音信號處理包括語

4、音壓縮技術(shù)、編碼算法、回波抵消和DTMF僉測 功能。由于IP電話利用了分組交換和統(tǒng)計復用技術(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In ter net 傳輸語音流帶來的好處是顯而易的。 In ter net A地 IP Gateway LPSTN PC Teleph one B地 IP Gateway LPSTN Teleph one 圖1IP電話的通信模式 網(wǎng)關(guān)

5、控制接口 維護、管理與計費 PSTN 呼叫 控制 DSP 管理 軟件 G723.1 G.729a 回波抵消 DTMF檢測 IP呼叫管理 IP呼叫 控制 (H.323) 數(shù)據(jù)傳輸 RTP/RTCP 硬件平臺 圖2IP電話網(wǎng)關(guān)的組成 3IP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 ACELP(ConjugateStructured一 AlgebraicCodeERcitedli near

6、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舌音采樣的基礎(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PBR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 PBR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，

7、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 50ms 【MeiWei_81重點借鑒文檔】 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%勺信號是活動或有 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，為了防止語音抖 動，人們采用抖動緩沖技術(shù)，即

8、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，并提咼音質(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 WAr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)

9、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。 3.6IP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 廣域網(wǎng)帶寬(Kbps) 最大IP語音包(bRte) 56/64 256 1

10、28 512 256 1024 512 2048 1544 6144 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)。 3.7VOIP前向糾錯技術(shù) 高級VolP(VoiceoverlP)網(wǎng)關(guān)采用另一項保證音質(zhì)的技術(shù)一前向 糾錯技術(shù)FEC(ForwardErrorCorrection) 。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In ternet網(wǎng)絡(luò)往往有較高的丟包率， 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

11、，第一級是Intra-Packet ，第二級是 ERtra-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、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)接收到的包中恢復出錯或丟失的 話音包。FEC可以吸收10%r 20%勺丟包率，保持高音質(zhì)。但是 FEC 要多消耗多達30%勺網(wǎng)絡(luò)帶寬，因此在企業(yè)網(wǎng)內(nèi)部一般不采用FEC 【MeiWei_81重點借鑒文檔】 4IP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、 PC-Phone(Phone-PC三種通話方式，如圖3所示(注意，這里的 PC 并

12、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 電話機 IP網(wǎng)絡(luò) PC機 (b) Phone-Phone IP網(wǎng)絡(luò) PSTN 圖3IP電話的三種通話方式 電話機 4.1PC-PC PC-PC結(jié)構(gòu)如圖3(a)，是In ternet電話的最初形式。PC用戶為 通信終端，以In ternet為傳輸網(wǎng)絡(luò)。在PC- PC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)的方式連接到In ternet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

13、資源來完成。 根據(jù)呼叫方是否知道對方IP地址，PC- PC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，這時呼叫 方需首先與關(guān)守(GateKeeper)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。 4.2Pho ne-Pho ne Phone- 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(PublicSwitchedTelephoneNetwork ，公共電話交換網(wǎng)絡(luò))和 In ternet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PST

14、N和In ternet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I

15、P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In ternet上傳輸?shù)腎P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。 4.3PC-Pho ne PC-Phone(Phone-PC的結(jié)構(gòu)也稱為混合結(jié)構(gòu)如圖 3(c)，是介于PC- PC和Phone Phone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In ternet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

16、作。 5IP電話的市場發(fā)展及趨勢 IP 電話最早是由VocalTec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喘。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，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，

17、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 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