VoIP

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VoIP(Voice Over Internet Phone)

目錄

什麼是VoIP[1]

  VoIP通常被稱為IP電話,是Voice Over IP的縮寫,從廣義上講,只要在話音的呼叫過程中涉及到了IP協議,就可以把這類呼叫統稱為VoIP。VoIP業務一般是指在以IP協議為網路層協議的電腦網路中進行的話音電信。由於IP電話業務在整個信息傳遞過程中,中間傳輸段採用IP包方式,信息根據IP協議分成一個一個分組進行傳輸,每個分組上都有目的地址與分組序號,分組沿不同的途徑到達目的地,到目的地後再還原成原來的信號

VoIP的特點[1]

  VoIP技術是通過對模擬話音信號進行數字化編碼和壓縮處理後生成壓縮幀,然後轉換為IP數據包在IP網路上進行傳輸,從而實現在IP網路上進行話音電信的目的。由於VoIP技術的應用促進了網路資源的利用,降低了話音業務的實現成本,從而節約用戶電信的費用。IP電話業務具有下述特點:

  (1)由於目前的IP網是為非實時數據業務設計的,因此在IP層面並不支持差錯檢出和糾錯的能力,IP網這種“儘力而為”的特點,使得VoIP無法具有和傳統電話一樣高的可靠性和良好的話音質量,特別是在IP網路發生擁塞時,話音質量難以保證。

  (2)由於採用了復用技術,VoIP業務中的話音信息的傳送不需要占用固定通道,同時壓縮技術的採用,甚至可以將話音信息壓縮到8kbit/s,即使加上相應的開銷,其帶寬也不過為十幾kbit/s,比其話音傳送所占用的帶寬相對較低。

  (3)IP電話採用通道利用率較高,由打包所帶來的各種協議開銷使實際的通道利用率平均在60%左右。

  (4)由於IP網路的非同步時分復用和存儲轉發的特點,使得VoIP的話音信息傳送延時一般較長,可達百毫秒量級,由於IP網路中節點性能的不確定性,也使得分組信息的時延並不固定,並且在傳輸過程中可能出現分組信息丟失的現象。

  (5)由於IP協議屬於無連接電信方式,因此不需要複雜的信令開銷,但這種特點也使得電信的服務服務質量(QoS)難於有效地保證

  (6)緊急呼叫等安全問題還有待進一步解決。

VoIP的種類[1]

  (1)電話到電話(Phone-Phone)的VoIP業務

  是指電話網中的一臺普通電話機到電話網中的另一臺普通電話機通過IP網路進行通話。這種業務相當於把傳統電話業務將IP網路作為中繼網路。由於IP網路復用的特點,能夠使得長途的中繼成本迅速降低。對用戶而言,這種電話與傳統電話的使用方法基本一樣,不需要任何附加的軟、硬體設備。在網路上,為了實現IP網和傳統電信網的連接,將傳統網的話音信號轉換成數據分組,在IP網和傳統電信網之間需要配置IP電話網關,這些網關負責話音信號與話音分組間的轉換。其結構如圖所示。

电话到电话(Phone-Phone)的VoIP业务

  由於這種類型的VoIP業務涉及到不同網路,所以要在電信網路上增設互通功能即網關設備。它需解決的主要問題包括:網關功能結構、PSTN和IP電話系統的信令互通、編號與定址、撥號方式(二次或者一次撥號)、選路(即IP網內如何選定下一跳IP電話網關)等技術內容。

  (2)PC-PC的VoIP業務

  PC-PC的VoIP最早是指利用PC機在IP網上實現通話,連接在IP網上的電腦配置傳聲器、耳機、話音採集卡和IP電話軟體後,相互之間就可以進行話音電信,這就是VoIP產生的最初模型;隨著網路的發展和技術的進步,目前的PC-PC則泛指所有能直接提供IP介面的終端間的電信,包括電腦或IP電話終端。其結構如圖所示。

PC-PC的VoIP业务

  PC-PC的VoIP電話將是未來電信發展的一個方向:為了能夠實現不同PC終端間的電信,對這類VoIP業務的技術研究應當包括網路的體系架構和部件功能、呼叫控制協議、網路用戶管理和資源管理、編號與定址、網路的服務質量、媒體信息的封裝演算法等內容。

  (3)PC到電話和電話到PC的VoIP業務

  由於呼叫的雙方中,有一方採用了IP直接到終端的方式,因此在電信網只需要在電話一側引入網關即可,這種VoIP可以實現PC終端通過IP網發送和接收來自傳統電話網的呼叫,分組話音經IP網傳輸後到達IP電話網關(或用戶),網關負責分組話音與傳統話音信號之間的轉換,然後再經過傳統電信網到被叫用戶或從傳統電話網到電話網關經過IP網到PC終端。

  從某種意義上講,這種類型的VoIP也可以理解為這是一種傳統電信同IP網互通時的一種模式。因此對這類VoIP業務的研究除了要研究上面提到的技術外,還要額外考慮與互通相關的內容,包括不同終端設備間編號和地址的轉換等問題。

PC到电话和电话到PC的VoIP业务

VoIP的關鍵技術[2]

  VoIP完全建立在IP網路的基礎上。傳統的IP網路主要用來傳輸數據業務,採用面向無連接技術,提供儘力而為的服務,存在丟包、失序到達和時延抖動等弱點。語音通信屬於實時業務,對時序和時延等有嚴格的要求,因此必須採取特殊措施來保證一定的服務質量。VoIP的關鍵技術包括信令技術、編碼技術、實時傳輸技術、服務質量保證技術以及網路傳輸技術等。

  1.信令技術

  信令技術是順利完成電話呼叫和保證話音質量的前提。目前VoIP的主要信令體系包括國際電信聯盟電信標準化部門(ITU-T)制定的H.323系列和互聯網工程任務組(Intemet Engineering Task Force,IETF)制定的SIP。與H.323相比,SIP的主要優點在於它的簡單性、靈活性和易擴展性。SIP僅用於初始化呼叫,而不是傳輸多媒體數據,因而帶來的附加傳輸代價很小。網際網路體繫結構模型如圖所示。從圖中可以看出SIP在網際網路協議棧中處於第5層,與HTTP、FTP和SMTP在同一層面。SIP是基於文本的協議,可以集成到任何HTTP網頁上,這有助於SIP的加快實施。目前,在網際網路上基於SIP的應用相當廣泛,如Microsoft已經選擇SIP作為其實時通信策略,併在Microsoff XP、Pocket PC和MSN Messenger中進行了部署。Microsoft同時宣佈CE.net的F一個版本將使用基於SIP的VoIP應用介面層,並承諾向用戶PC提供基於SIP的語音和視頻呼叫。SIP的統一資源定位符(Uniform Resource Iocator,URI)甚至可以嵌入到W曲或其他超文本鏈路中,用戶只需用滑鼠一點即可發出一個呼叫。SIP還具有建立呼叫快、支持傳送電話號碼等特點。

因特网体系结构

  2.語音處理技術

  語音壓縮編碼技術是VoIP技術的重要組成部分。目前,主要有ITU-T定義的G.729、G.723/G.723.1以及iIBC等。由於在IP網路中無服務質量保證,因而需要語音的編碼具有一定的靈活性,即編碼速率和編碼尺度應具有可變性和適應性。G.729語音編碼標準早期是8kbit/s,現在的工作範圍擴展至6.4~11.8kbit/s,語音質量也在此範圍內有相應的變化。G.723.1定義了一種同時支持兩種速率的語音編碼方法,這兩種速率分別是6.3kbit/s和5.3kbit/s。iIBC依靠線性預測碼(Iinear-Predictive Coding)演算法,支持的兩種基本速率是15.2kbit/s和13.3kbit/s。iIBC是一種專為包交換網路實時語音通信設計的編解碼方案,優於目前流行的G.729和G.723.1編碼,它對丟包進行了特殊處理。

  3.電腦電話集成(Computer TeIephony Integrity,CTI)技術

  CTI是通過一些硬體和軟體將電腦與電話集成為一體,它是IP電話技術的基礎。目前,CTI的構成可分為兩種方式:(1)PC與電話綜合,以PC為基礎,交換網路與電腦網路並未綜合在一起;(2)PC與電話間沒有直接聯繫,而是採用CIient/Server結構,將性能卓越的CTI伺服器連接到用戶級交換機(Private Branch Exchange,PBX)、大型電腦的資料庫或分散式結構的伺服器上。第2種方式所使用的軟體較為複雜,但當用戶人數較多時,可以降低每個使用者的成本

  4.實時傳輸技術和QoS保障技術

  數據包的實時性是保證語音通信最重要的因素。實時傳輸協議(ReaI-time Transfer ProtocoI,RTP)是為保證實時性而採用的主要傳輸技術。RTP是包括音頻在內的端到端實時數據傳輸協議,它包括數據傳輸和控制兩部分,控制部分即實時傳輸控制協議(ReaI-time Transfer ControI ProtocoI,RTCP)。RTP提供時間標簽和不同數據流的同步機制,可以保證接I{支端重組實時的數據包。除此之外,VoIP網路中提供QoS保障的途徑還有過度建設、優先順序、隊列、避免擁塞和傳輸整形等。VoIP中主要採用資源預留協議(Resourcere Ser Vation ProtocoI,RSVP)來保證語音數據包的優先順序,並採用隨機早期檢測技術和加權技術來避免網路擁塞,保障通話質量。

  5.網路管理技術

  網路管理技術是IP電話從試驗走向運營的保障。IP電話網路管理系統主要包括呼叫管理系統(CaII Management System,CMS)、流量分析系統(Traffic AnaIysis System,TAS)、網路管理系統(Network Management System,NMS)和網路監視系統。對一個實時性要求很高的通信系統來說,其網路質量直接影響通信質量。通過網路管理技術,可以迅速處理網路故障,保證網路及各個節點穩定、高效運行。

面向VoIP的Wi-Fi網路[3]

  VoIP業務既可以利用有線方式承載,也可以通過無線網路傳輸,現在,人們對採用802.11網路傳輸分組語音和數據也非常感興趣。採用802.11網路傳輸語音業務又被稱為基於無線區域網的語音業務(VoWLAN)、VoFi和VoWi-Fi。這主要歸因於基於無線網路的語音業務有下列優點:

  • 企業正在考慮採用基於802.11網路的無線語音業務來降低蜂窩電話上的開銷,這是因為有些員工雖然暫時不在座位上,但仍然處於企業內部。
  • 如果手機能夠同時支持蜂窩接入和Wi-Fi,那麼用戶就可以只使用一部電話機;在家裡替代有線的家用電話;出門時在提供Wi-Fi的地方可以替代蜂窩電話。

  在真正普及之前,基於無線網路的語音業務還必須面對很多來自技術和商業方面的障礙,其中包括以下方面:

  • 在呼叫過程中實現WLAN和蜂窩網路之間的無縫漫游。
  • 在Wi-Fi網路上提供足夠的語音質量和容量。
  • 提高手機上的電池壽命。
  • 與蜂窩運營商進行競爭。為了能夠與Wi-Fi和其他固定無線業務競爭,蜂窩運營商們正在開發和實施更高速、更廣泛的通信技術
  • 保證用戶手機信號在同一無線區域網內部的各個接入點之間漫游時沒有延遲。
  • 在全球的各個提供商之間簽訂計費和漫游協議。

  Skype、Vonage、BT Telcom(英國通信)和Net2Phone以及其他寬頻VoIP運營商正在嘗試利用其寬頻網際網路業務提供語音業務,它們都處在測試和實施802.11手機的不同階段。有線電視和傳統的電話公司也正希望在未來能夠提供Wi-Fi手機業務,這些Wi-Fi手機將可以在蜂窩網路和WLAN網路上使用。

參考文獻

  1. 1.0 1.1 1.2 龔雙瑾,劉多,張雪麗等著.下一代網關鍵技術及發展.國防工業出版社,2006
  2. 黃永峰,李建慶等編著.下一代網路核心控制協議:SIP及其應用.人民郵電出版社,2009
  3. (美)Annabel Z.Dodd著.通信技術導論 第4版.清華大學出版社,2006
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