VoIP

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VoIP(Voice Over Internet Phone)

目录

什么是VoIP[1]

  VoIP通常被称为IP电话,是Voice Over IP的缩写,从广义上讲,只要在话音的呼叫过程中涉及到了IP协议,就可以把这类呼叫统称为VoIP。VoIP业务一般是指在以IP协议为网络层协议的计算机网络中进行的话音电信。由于IP电话业务在整个信息传递过程中,中间传输段采用IP包方式,信息根据IP协议分成一个一个分组进行传输,每个分组上都有目的地址与分组序号,分组沿不同的途径到达目的地,到目的地后再还原成原来的信号

VoIP的特点[1]

  VoIP技术是通过对模拟话音信号进行数字化编码和压缩处理后生成压缩帧,然后转换为IP数据包在IP网络上进行传输,从而实现在IP网络上进行话音电信的目的。由于VoIP技术的应用促进了网络资源的利用,降低了话音业务的实现成本,从而节约用户电信的费用。IP电话业务具有下述特点:

  (1)由于目前的IP网是为非实时数据业务设计的,因此在IP层面并不支持差错检出和纠错的能力,IP网这种“尽力而为”的特点,使得VoIP无法具有和传统电话一样高的可靠性和良好的话音质量,特别是在IP网络发生拥塞时,话音质量难以保证。

  (2)由于采用了复用技术,VoIP业务中的话音信息的传送不需要占用固定信道,同时压缩技术的采用,甚至可以将话音信息压缩到8kbit/s,即使加上相应的开销,其带宽也不过为十几kbit/s,比其话音传送所占用的带宽相对较低。

  (3)IP电话采用信道利用率较高,由打包所带来的各种协议开销使实际的信道利用率平均在60%左右。

  (4)由于IP网络的异步时分复用和存储转发的特点,使得VoIP的话音信息传送延时一般较长,可达百毫秒量级,由于IP网络中节点性能的不确定性,也使得分组信息的时延并不固定,并且在传输过程中可能出现分组信息丢失的现象。

  (5)由于IP协议属于无连接电信方式,因此不需要复杂的信令开销,但这种特点也使得电信的服务服务质量(QoS)难于有效地保证

  (6)紧急呼叫等安全问题还有待进一步解决。

VoIP的种类[1]

  (1)电话到电话(Phone-Phone)的VoIP业务

  是指电话网中的一台普通电话机到电话网中的另一台普通电话机通过IP网络进行通话。这种业务相当于把传统电话业务将IP网络作为中继网络。由于IP网络复用的特点,能够使得长途的中继成本迅速降低。对用户而言,这种电话与传统电话的使用方法基本一样,不需要任何附加的软、硬件设备。在网络上,为了实现IP网和传统电信网的连接,将传统网的话音信号转换成数据分组,在IP网和传统电信网之间需要配置IP电话网关,这些网关负责话音信号与话音分组间的转换。其结构如图所示。

电话到电话(Phone-Phone)的VoIP业务

  由于这种类型的VoIP业务涉及到不同网络,所以要在电信网络上增设互通功能即网关设备。它需解决的主要问题包括:网关功能结构、PSTN和IP电话系统的信令互通、编号与寻址、拨号方式(二次或者一次拨号)、选路(即IP网内如何选定下一跳IP电话网关)等技术内容。

  (2)PC-PC的VoIP业务

  PC-PC的VoIP最早是指利用PC机在IP网上实现通话,连接在IP网上的计算机配置传声器、耳机、话音采集卡和IP电话软件后,相互之间就可以进行话音电信,这就是VoIP产生的最初模型;随着网络的发展和技术的进步,目前的PC-PC则泛指所有能直接提供IP接口的终端间的电信,包括计算机或IP电话终端。其结构如图所示。

PC-PC的VoIP业务

  PC-PC的VoIP电话将是未来电信发展的一个方向:为了能够实现不同PC终端间的电信,对这类VoIP业务的技术研究应当包括网络的体系架构和部件功能、呼叫控制协议、网络用户管理和资源管理、编号与寻址、网络的服务质量、媒体信息的封装算法等内容。

  (3)PC到电话和电话到PC的VoIP业务

  由于呼叫的双方中,有一方采用了IP直接到终端的方式,因此在电信网只需要在电话一侧引入网关即可,这种VoIP可以实现PC终端通过IP网发送和接收来自传统电话网的呼叫,分组话音经IP网传输后到达IP电话网关(或用户),网关负责分组话音与传统话音信号之间的转换,然后再经过传统电信网到被叫用户或从传统电话网到电话网关经过IP网到PC终端。

  从某种意义上讲,这种类型的VoIP也可以理解为这是一种传统电信同IP网互通时的一种模式。因此对这类VoIP业务的研究除了要研究上面提到的技术外,还要额外考虑与互通相关的内容,包括不同终端设备间编号和地址的转换等问题。

PC到电话和电话到PC的VoIP业务

VoIP的关键技术[2]

  VoIP完全建立在IP网络的基础上。传统的IP网络主要用来传输数据业务,采用面向无连接技术,提供尽力而为的服务,存在丢包、失序到达和时延抖动等弱点。语音通信属于实时业务,对时序和时延等有严格的要求,因此必须采取特殊措施来保证一定的服务质量。VoIP的关键技术包括信令技术、编码技术、实时传输技术、服务质量保证技术以及网络传输技术等。

  1.信令技术

  信令技术是顺利完成电话呼叫和保证话音质量的前提。目前VoIP的主要信令体系包括国际电信联盟电信标准化部门(ITU-T)制定的H.323系列和互联网工程任务组(Intemet Engineering Task Force,IETF)制定的SIP。与H.323相比,SIP的主要优点在于它的简单性、灵活性和易扩展性。SIP仅用于初始化呼叫,而不是传输多媒体数据,因而带来的附加传输代价很小。因特网体系结构模型如图所示。从图中可以看出SIP在因特网协议栈中处于第5层,与HTTP、FTP和SMTP在同一层面。SIP是基于文本的协议,可以集成到任何HTTP网页上,这有助于SIP的加快实施。目前,在因特网上基于SIP的应用相当广泛,如Microsoft已经选择SIP作为其实时通信策略,并在Microsoff XP、Pocket PC和MSN Messenger中进行了部署。Microsoft同时宣布CE.net的F一个版本将使用基于SIP的VoIP应用接口层,并承诺向用户PC提供基于SIP的语音和视频呼叫。SIP的统一资源定位符(Uniform Resource Iocator,URI)甚至可以嵌入到W曲或其他超文本链路中,用户只需用鼠标一点即可发出一个呼叫。SIP还具有建立呼叫快、支持传送电话号码等特点。

因特网体系结构

  2.语音处理技术

  语音压缩编码技术是VoIP技术的重要组成部分。目前,主要有ITU-T定义的G.729、G.723/G.723.1以及iIBC等。由于在IP网络中无服务质量保证,因而需要语音的编码具有一定的灵活性,即编码速率和编码尺度应具有可变性和适应性。G.729语音编码标准早期是8kbit/s,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相应的变化。G.723.1定义了一种同时支持两种速率的语音编码方法,这两种速率分别是6.3kbit/s和5.3kbit/s。iIBC依靠线性预测码(Iinear-Predictive Coding)算法,支持的两种基本速率是15.2kbit/s和13.3kbit/s。iIBC是一种专为包交换网络实时语音通信设计的编解码方案,优于目前流行的G.729和G.723.1编码,它对丢包进行了特殊处理。

  3.计算机电话集成(Computer TeIephony Integrity,CTI)技术

  CTI是通过一些硬件和软件将计算机与电话集成为一体,它是IP电话技术的基础。目前,CTI的构成可分为两种方式:(1)PC与电话综合,以PC为基础,交换网络与计算机网络并未综合在一起;(2)PC与电话间没有直接联系,而是采用CIient/Server结构,将性能卓越的CTI服务器连接到用户级交换机(Private Branch Exchange,PBX)、大型计算机的数据库或分布式结构的服务器上。第2种方式所使用的软件较为复杂,但当用户人数较多时,可以降低每个使用者的成本

  4.实时传输技术和QoS保障技术

  数据包的实时性是保证语音通信最重要的因素。实时传输协议(ReaI-time Transfer ProtocoI,RTP)是为保证实时性而采用的主要传输技术。RTP是包括音频在内的端到端实时数据传输协议,它包括数据传输和控制两部分,控制部分即实时传输控制协议(ReaI-time Transfer ControI ProtocoI,RTCP)。RTP提供时间标签和不同数据流的同步机制,可以保证接I{支端重组实时的数据包。除此之外,VoIP网络中提供QoS保障的途径还有过度建设、优先级、队列、避免拥塞和传输整形等。VoIP中主要采用资源预留协议(Resourcere Ser Vation ProtocoI,RSVP)来保证语音数据包的优先级,并采用随机早期检测技术和加权技术来避免网络拥塞,保障通话质量。

  5.网络管理技术

  网络管理技术是IP电话从试验走向运营的保障。IP电话网络管理系统主要包括呼叫管理系统(CaII Management System,CMS)、流量分析系统(Traffic AnaIysis System,TAS)、网络管理系统(Network Management System,NMS)和网络监视系统。对一个实时性要求很高的通信系统来说,其网络质量直接影响通信质量。通过网络管理技术,可以迅速处理网络故障,保证网络及各个节点稳定、高效运行。

面向VoIP的Wi-Fi网络[3]

  VoIP业务既可以利用有线方式承载,也可以通过无线网络传输,现在,人们对采用802.11网络传输分组语音和数据也非常感兴趣。采用802.11网络传输语音业务又被称为基于无线局域网的语音业务(VoWLAN)、VoFi和VoWi-Fi。这主要归因于基于无线网络的语音业务有下列优点:

  • 企业正在考虑采用基于802.11网络的无线语音业务来降低蜂窝电话上的开销,这是因为有些员工虽然暂时不在座位上,但仍然处于企业内部。
  • 如果手机能够同时支持蜂窝接入和Wi-Fi,那么用户就可以只使用一部电话机;在家里替代有线的家用电话;出门时在提供Wi-Fi的地方可以替代蜂窝电话。

  在真正普及之前,基于无线网络的语音业务还必须面对很多来自技术和商业方面的障碍,其中包括以下方面:

  • 在呼叫过程中实现WLAN和蜂窝网络之间的无缝漫游。
  • 在Wi-Fi网络上提供足够的语音质量和容量。
  • 提高手机上的电池寿命。
  • 与蜂窝运营商进行竞争。为了能够与Wi-Fi和其他固定无线业务竞争,蜂窝运营商们正在开发和实施更高速、更广泛的通信技术
  • 保证用户手机信号在同一无线局域网内部的各个接入点之间漫游时没有延迟。
  • 在全球的各个提供商之间签订计费和漫游协议。

  Skype、Vonage、BT Telcom(英国通信)和Net2Phone以及其他宽带VoIP运营商正在尝试利用其宽带因特网业务提供语音业务,它们都处在测试和实施802.11手机的不同阶段。有线电视和传统的电话公司也正希望在未来能够提供Wi-Fi手机业务,这些Wi-Fi手机将可以在蜂窝网络和WLAN网络上使用。

参考文献

  1. 1.0 1.1 1.2 龚双瑾,刘多,张雪丽等著.下一代网关键技术及发展.国防工业出版社,2006
  2. 黄永峰,李建庆等编著.下一代网络核心控制协议:SIP及其应用.人民邮电出版社,2009
  3. (美)Annabel Z.Dodd著.通信技术导论 第4版.清华大学出版社,2006
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