网络电话技术简单全面介绍

什么是网络电话?
网络电话是一项革命性的产品,它可以透过网际网络做实时的传输及双边的对话。你可以透过当地的网际网络服务提供商 (ISP) 或电话公司以市内电话费用的成本打给世界各地的其它网络电话使用者。从通勤上班族至家庭使用者、学生、网际网络流览者、游戏玩家及祖父母等人,网络电话提供给一个完全新的、容易的、经济的方式来和世界各地的朋友及同事通话。
网络电话和传统电话有何不同?
网络电话和传统电话于架构上有明显的不同。传统电话是透过公用交换电话网的电路交换网络来提供声音,网络电话是利用网关(Gateway) 技术,将语音封包透过网际网络送出。每一个封包都加密并附有地址及目的地。这些封包到达目的地时会重组再转换成一般的通话声音。网络电话透过网际网络比透过电路交换网络所传输的资料多很多。一条传统电话的语音频道需要64Kbps,然而网络电话每一语音频道依据使用的压缩技术最多只使用10-15Kbps之频宽,而且可以和其它数据资料共同使用同一条线路,可以降低成本及提高线路的使用率。
网络电话的语音品质如何?
网络电话提供与一般电话相同音质 (Toll Quality) 的服务不再是遥不可及的梦想。为达成这目标,大部份网络电话网关器使用工业级标准及高品质语音编译码技术,例如 G.723.1,G.729A及更先进的算法,它可以较低频宽却更好的音质来透过网际网络传送全双工的语音(电话)及资料(传真)。


网络电话网关器的主要功能是什么?
网络电话网关器扮演公众电网络及网际网络间的桥梁,它把电话语音转换成IP封包再传送至网际网络,同时也负责将语音的封包转回一般的电话语音。它主要的功能包括有语音的压缩/解压缩、封包化、封包遗失补正、回音的消除、计费、与网络流量的监控等。网关器有时也包括网关管理的功能,如安全查验、用户授权、保存通话记录资料、频宽的动态管理、提供实时性的网络资源管理、平衡流量、及提供接口来与现有的系统相通等。
VoIP的原理及技术
通过因特网进行语音通信是一个非常复杂的系统工程,其应用面很广,因此涉及的技术也特别多,其中最根本的技术是VoIP (Voice over IP)技术,可以说,因特网语音通信是VoIP技术的一个最典型的、也是最有前景的应用领域。因此在讨论用因特网进行语音通信之前,有必要首先分析VoIP的基本原理,以及VoIP中的相关技术问题。

一、 VoIP的基本传输过程传统的电话网是以电路交换方式传输语音,所要求的传输宽带为64kbit/s。而所谓的VoIP是以IP分组交换网络为传输平台,对模拟的语音信号进行压缩、打包等一系列的特殊处理,使之可以采用无连接的UDP协议进行传输。

为了在一个IP网络上传输语音信号,要求几个元素和功能。最简单形式的网络由两个或多个具有VoIP功能的设备组成,这一设备通过一个IP网络连接。VoIP模型的基本结构图如图2-18所示。从图中可以发现VoIP设备是如何把语音信号转换为IP数据流,并把这些数据流转发到IP目的地,IP目的地又把它们转换回到语音信号。两者之音的网络必须支持IP传输,且可以是IP路由器和网络链路的任意组合。因此可以简单地将VoIP的传输过程分为下列几个阶段。
1、语音-数据转换
语音信号是模拟波形,通过IP方式来传输语音,不管是实时应用业务还是非实时应用业务,道貌岸首先要对语音信号进行模拟数据转换,也就是对模拟语音信号进行8位或6位的量化,然后送入到缓冲存储区中,缓冲器的大小可以根据延迟和编码的要求选择。许多低比特率的编码器是采取以帧为单位进行编码。典型帧长为10~30ms。考虑传输过程中的代价,语间包通常由60、120或240ms的语音数据组成。数字化可以使用各种语音编码方案来实现,目前采用的语音编码标准主要有ITU-T G.711。源和目的地的语音编码器必须实现相同的算法,这样目的地的语音设备帮可以还原模拟语音信号。
2、原数据到IP转换
一旦语音信号进行数字编码,下一步就是对语音包以特定的帧长进行压缩编码。大部份的编码器都有特定的帧长,若一个编码器使用15ms的帧,则把从第一来的60ms的包分成4帧,并按顺序进行编码。每个帧合120个语音样点(抽样率为8kHz)。编码后,将4个压缩的帧合成一个压缩的语音包送入网络处理器。网络处理器为语音添加包头、时标和其它信息后通过网络传送到另一端点。语音网络简单地建立通信端点之间的物理连接(一条线路),并在端点之间传输编码的信号。IP网络不像电路交换网络,它不形成连接,它要求把数据放在可变长的数据报或分组中,然后给每个数据报附带寻址和控制信息,并通过网络发送,一站一站地转发到目的地。
3、传送
在这个通道中,全部网络被看成一个从输入端接收语音包,然后在一定时间(T)内将其传送到网络输出端。T可以在某全范围内变化,反映了网络传输中的抖动。网络中的同间节点检查每个IP数据附带的寻址信息,并使用这个信息把该数据报转发到目的地路径上的下一站。网络链路可以是支持IP数据流的任何拓结构或访问方法。?HD@GgI~"e,[`L@g`+~,A]RlCFwww.66wen.comg, ;-8'_  Iyd Q_^?
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4、 IP包-数据的转换
目的地VOIP设备接收这个IP数据并开始处理。网络级提供一个可变长度的缓冲器,用来调节网络产生的抖动。该缓冲器可容纳许多语音包,用户可以选择缓冲器的大小。小的缓冲器产生延迟较小,但不能调节大的抖动。其次,解码器将经编码的语音包解压缩后产生新的语音包,这个模块也可以按帧进行操作,完全和解码器的长度相同。若帧长度为15MS,,是60MS的语音包被分成4帧,然后它们被解码还原成60MS的语音数据流送入解码缓冲器。在数据报的处理过程中,去掉寻址和控制信息,保留原始的原数据,然后把这个原数据提供给解码器。


5、数字语音转换为模拟语音
播放驱动器将缓冲器中的语音样点(480个)取出送入声卡,通过扬声器按预定的频率(例如8KHZ)播出。简而言之,语音信号在IP网络上的传送要经过从模拟信号到数字信号的转换、数字语音封装成IP分组、IP分组通过网络的传送、IP分组的解包和数字语音还原到模拟信号等过程。整个过程如图2-19所示。
二、推动VOIP发展的动力由于相关的硬件、软件、协议和标准中的许多发展和技术突破,使得VOIP的广泛使用很快就会变成现实。这些领域中的技术进步和发展为创建一个更有效、功能和互操作性更强的VOIP网络起着推波助澜的作用。表2-2简单列出了这些领域中的主要发展。从表中可以看出,推动VOIP飞速发展乃至广泛应用的技术因素可以归纳为如下几个方面。
1、数字信号处理器先进的数字信号处理器(DIGITAL SIGNAL PROCESSOR ,DSP)执行语音和数据集成所要求的计算密集的任各。DSP处理数字信号主要用于执行复杂的计算,否则这些计算可能必须由通用CPU执行。它们的专门化的处理能力与低成本的结合使DSP很好地适合于执行VOIP系统中的信号处理功能。
单个语音流上G.729语音压缩的计算开销开常大,要求达到20MIPS,如果要求一个中央CPU在处理多个语音流的同时,还执行路由和系统管理功能,这是不现实的,因此,使用一个或多个DSP可以从中央CPU卸载其中的复杂语音压缩算法的计算任务。另外,DSP还适合于语音的活动检测和回声取消这样的功能,困为它们实时处理语音数据流,并能快速访问板上内存,因此。在本章节中,比较详细地介绍如何在TMS320C6201DSP平台来实现语音编码和回声抵消的功能。
MULTILINK PPP 帧中继数据整流形
SIP基于优先级的COS
PACKET OVER SONETIP和ATMQOS/COS的集成
协议和标准软件硬件 H.323加权公平排队法 DSP MPLS标记交换加权随机早期检测高级ASICRTP, RTCP 双漏斗通用信元速率算法 DWDM RSVP 额定访问速成率 SONET DIFFSERV, CAR CISCO快速转发 CPU处理功率 G.729, G.729A:CS-ACELP 扩展访问表 ADSL,RADSL,SDSL FRF.11/FRF.12 令牌桶算法 MULTILINK PPP 帧中继数据整流形 SIP 基于优先级的COS PACKET OVER SONET IP和ATM QOS/COS的集成。
2、高级专用集成电路专用集成电路(APPLICATION-SPECIFIC INTEGRATED CIRCAIT, ASIC)发展产生了更快、更复杂、功能更强的ASIC。ASIC是执行单一应用或很小的一组功能专门的应用芯片。由于集中于很窄的应用目标,故它们可以对特定的功能进行高度的优化,通常双通用CPU快一个或几个数量级。就像精简指令集计算机(RSIC)芯片集中于快速执行扔限数目的操作一样,ASIC被预先编程、使其能更快地执行有限数目的功能。一旦开发完成,ASIC批量生产的成本并不高,被用于包括路由器和交换机这样的网络设备,执行路由查表、分组转发、分组分类和检查以及排队等功能。ASIC的使用使设备的性能更高,而成本更低。它们为网络提供增加的宽带和更好的QOS支持,所以对VOIP发展起着很大的促进作用。
3、IP传输持术传输电信网大多采用时分多路复用方式,因特网须采用的是统计复用变长分组交换方式,二者相比,后者对网络资源利用率高,互连互通简便有效、对数据业务十分适用,这是因特网得以飞速发展的重要原因之一。但是,宽带IP网络通信对QOS和延迟特性提出了苟刻的要求,因此,统计复用变长分组交换的技术发展为人们所关注。目前,除已问世的新一代IP协议--IPV6外,世界因特网工程任务组(IETF)提出了多协议标记交换技术(MPLS),这是一种基于网络层选路的各种标记/标签的交换,能提高选路的灵活性,扩展网络层选路能力,简化路由器和基于信元交换的集成,提高网络性能。MPLS既可以作为独立的选路协议工作,又能与现有的网络选路协议兼容,支持IP网络的各种操作、管理和维护功能,使IP网络通信的QOS、路由、信令等性能大大提高,达到或接近统计复用定长分组交换(ATM)的水平,而又比ATM简单、高效、便宜、适用。IETF还地抓紧新的分组理理持术,以便实现QOS选路。其中正在研究"隧道技术"就是为了实现单向链路的宽带传送。另外,如何选择IP网络传输平台也是近年来研究的一个重要领域,先后出现了IP OVER ATM、IP OVER SDH、IP OVER DWDM等技术,目前公认的宽带网络分析模型如图2-20所示。