网络电话的实现设计.docx

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网络电话的实现设计

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—IPPhone（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。

2IP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。

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（LocalPublicServiceTelephoneNetwork）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、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。

图1IP电话的通信模式

网关控制接口

维护、管理与计费

PSTN

呼叫

控制

DSP

管理

软件

G723.1

G.729a

回波抵消DTMF检测

IP呼叫管理

IP呼叫

控制（H.323）

数据传输

RTP/RTCP

硬件平台

图2IP电话网关的组成

3IP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（ConjugateStructured一AlgebraicCodeExcitedlinearPredictive）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，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。

3.6IP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

256

128

512

256

1024

512

2048

1544

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。

3.7VoIP前向纠错技术

高级VoIP（VoiceoverIP）网关采用另一项保证音质的技术—前向纠错技术FEC（ForwardErrorCorrection）。

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。

4IP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，它可以是直接在IP网络上的任何IP语音终端）。

图3IP电话的三种通话方式

4.1PC-PC

PC-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PC－PC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，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，PC－PC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（GateKeeper）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。

4.2Phone-Phone

Phone－Phone结构如图3（b），是使用常规电话作为用户终端，通过PSTN（PublicSwitchedTelephoneNetwork，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。

4.3PC-Phone

PC-Phone（Phone-PC）的结构也称为混合结构如图3（c），是介于PC－PC和Phone－Phone之间的一种结构。

在这种结构中，语音通信终端分别为普通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。

5IP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InternetPhone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。