（毕业设计）IP电话技术中的关键技术研究.doc

编号 本科毕业设计 ip 电话技术中的关键技术研究 the key technology research on the ip telephone 1 摘摘 要要 ip电话以其经济、高效率和超时代的技术发展等特点，自1995 年以来得到了迅猛发展，目前已成为数据语音通信中最有竞争力的 技术之一。全球许多国家开通了ip电话的运营业务，我国的ip电话 试运营工作也已经半年有余，ip技术正呈现出蓬勃的生命力，必定 推动信息产业的进一步发展，ip电话的发展，历经了两个初级阶段， 目前正在高速地向第三个阶段演进统一融合。 ip电话在推出后短短十年的时间以其低价、高效、灵活的特点 迅速发展起来。本文介绍了ip电话的基本结构,比较了ip电话与普通 电话的优缺点,讨论了ip电话的相关协议及关键技术,在这些基础上 进一步指出ip电话的发展趋势,相信ip将成为未来信息通信的主导技 术。 关键词关键词: : ipip 电话电话 语音信号语音信号 关键技术关键技术 2 abstract ip telephony with its characterize of economic, efficient and ultra- era has been rapidly developed since 1995, and has become one of the most competitive technology in data speech communication now。many countries in the world launch operation of the ip telephony business, our test operation of ip telephony has been working for over half a year. ip technology is creating a vibrant vitality, and will promote the further development of the ip telephony development .the development of ip telephony which undergo two initial stage, make evolved with a high speed to the third stage - unified integration. ip phones with its characterize of low, efficient, flexible developed rapidly in just 10 years after its detrusion. this paper introduces the ip phones basic structure, the excellence and shortcoming between ip telephony and ordinary telephone, discusses the relevant agreements of ip telephony and key technology, further, gives the trends of ip telephony on the above. we believe that ip telephony will become the dominant technology in communication. keywords: ip phone speech signal key technologies 3 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论 1 1.1 引言 .1 1.2 论文研究的目的及意义 .2 第二章第二章 ipip 电话概述电话概述 .5 2.1 ip 电话的由来 5 2.2 ip 电话的发展情况 6 2.3 ip 电话与传统电话的比较 8 2.4 ip 电话存在的问题 9 2.5 ip 电话的发展前景 10 第三章第三章 ipip 电话的工作原理及系统组成电话的工作原理及系统组成 .13 3.1 基本工作原理 .13 3.2 ip 电话实现的技术方案 16 3.3 系统组成 .19 第四章第四章 ipip 电话的关键技术电话的关键技术 .22 4.1 分组语音处理技术 .22 4.2 ivr 技术 26 4.3 安全技术 .27 4.4 网络管理技术 .28 4.5 实时传输技术和 qos保障技术 30 结结 论论 31 参考文献参考文献 32 致致 谢谢 34 4 第一章第一章 绪绪 论论 1.11.1 引言引言 在 1995 年以前，世界上并没有真正的 ip 电话系统。逐渐地， 研究人员和电脑爱好者开始使用特定的软件，在两台同时上网的电 脑之间传输语音信号。这种简单的使用通常效果不佳且需要双方均 在网上并拥有必需的硬件配置。基本上，他们并不涉及现存的普通 电话网络，只是一种直接通过 pcinternetpc 的传输模式，因此 它对电信传输业并没有真正的实用价值。但此后，随着 internet 传 输速度和带宽的快速提高，以及各种压缩算法和数据处理平台的出 现，人们开始通过在不同地点架设传输转接系统，以使语音通信能 通过 internet 接到一般的普通电话上。因为这种传输方式成本极为 低廉，配置极其简单，随着其通话质量的不断提高，它获得了越来 越多的注意力，出现了众多的技术方案及相关的 ip 电话公司。现在， ip 电话已经覆盖了整个美洲、欧盟，韩国、日本已经全面开放，台 湾地区正在推广。随着 ip 电话的发展，国际电信联盟已经在制定 ip 电话的相应标准。ip 电话不仅仅是为用户节省了金钱，同时为语音、 数据和图像信息集成开辟了道路。 在20世纪末网络领域最重大的事件，无疑是所有的网络都将有 一个共同的语言ip。对ip趋势的共识立刻引起了上下2个方面的 重要变革倾向。一方面，由于ip即将无所不在，网络之上的信息和 应用都将设法基于ip进行传送，voip首当其冲。从发烧友们尝试的 pc到pc的internet电话，到1998年ip电话网关产品迅速成熟，几乎所 有运营商都开始为在核心程控交换机上实现大规模的ip电话认真准 备，ip电话成为21世纪最热门的话题之一。近几年来，电信新技术 的发展日新月异，其中以因特网技术为依托的电信网络ip化的进程 尤其引人注目。ip电话作为其中的代表，在国内取得了迅速增长， 在短短几年内已覆盖了全国大部分地区，并且对传统电信业务形成 5 很大的冲击。目前国内一些新兴电信运营商的ip电话网络规模已具 有与传统电信网络全面展开竞争的潜力。 ip 电话业务虽然在国内已经取得了长足的进展，但尚存在许多 问题：其服务质量目前还无法达到传统电信网的水平；实际成本如 何评估还存在争议；由于 ip 网络本身的特点，安全始终是 ip 电话 网络的一个隐患；国内外厂家的设备尚不能完全实现互连互通，等 等。如果不能很好地解决这些问题，将会影响到 ip 电话业务下一步 的发展。本文介绍了 ip 电话技术的演进过程和发展现状；国内和国 际上采用的 ip 电话和传真的业务流程、实际方式和所涉及到的关键 技术及其差异；国内刚刚兴起的 ip 电话增值业务的技术和实现方法。 本文的作后对未来 ip 电话技术中几个很有希望的发展方向进行了描 述。目前专家普遍认为 voip 将代表电话技术未来的方向，与传统电 话相比 ip 电话可大大降低通信成本，发展前景非常广阔。许多人相 信 ip 电话时代即将到来，市场研究机构 idc 最新发布的研究报告表 明：2004 年，中国运营商级 ip 语言市场以 45 亿美元成为亚太地区 最大的 ip 语言市场 idc 预计到 2009 年，中国运营商级 ip 语言市场 达到 126 亿美元，而 frost & sullivan 调研公司在报告中预计， 到 2007 年 voip 的通话量将占全球通话量的 75%。 近年来，随着电信技术的飞速发展和管理条例的不断放宽，电 信行业发生了巨大变化，然而电信网络的基础技术和结构却始终没 有改变，电信网络仍然由专用电路交换器构成。通信技术综合化、 数字化、智能化、个人化的发展，人们在单一网络平台上实现语言、 数据、图像等多种综合业务已经成为电信网络发展的目标和必然趋 势。而 internet 中 ip 电话的出现，使语言业务在数据网上高效传 送成为可能，这种强大、经济、有效且崭新的通信手段，使得传统 电话网络和数据网正在逐渐融为一体4。 1.21.2 论文研究的目的及意义论文研究的目的及意义 近年来，1p电话迅速从实验室进人实用，并以其价廉及尚可接 6 受的质量挤占了一部长途电信市场。根据测算，ip电话的用户已从 1995年的4o万激增到1999年的1600万。近年来，一些西方国家纷纷 放开了1p电话业务，我国有关部门对ip网络电话采取了同引进其它 新技术、新业务一样的态度，始终积极跟踪、认真研究。1999年我 国进行了ip电话试验，现已有多家电信运营公司正式提供ip电话业 务，用户反应良好。随着人们对1p电话服务质量要求的不断提高， 通信专家和运营商正在加紧研究和解决与ip电话相关的关键技术。 随着与ip电话相关的关键技术的相继被解决和正在被突破，1p电话 的服务质量将不断提高，1p电话将会得到越来越广泛的应用。专家 们预言，统一未来通信的将是internet，而ip电话技术的出现和商业 应用，则开始把话音和interne网结合起来。 我国电信网装备能力已是世界通信的第二大国。据1998年统计 公布：电话交换机容量达到1.34亿门（全部数字程控化） ，容量实占 率64.75（如同工业的产销率） 。传输网建成8横8纵光缆17.3万公里， 长途自动交换机容量达到483万路端。分组交换ddn、帧中继、计 算机互联网等数据通信端口数达到61.8万个，数据用户数约为210万， 普及率达到10.64（含移动2.0） ，通信能力富余量较大。而且现 有装备的硬件和软件，一般是能支持tcpip协议的。只要在相关 地区的网段调配或增新一些网关和路由器就可以开通ip电话。总之， 我国电信网的结构和装备已具备开通ip电话的能力，而且兼备支持 扩展与发展ip电话市场巨大的潜在能力。 由于目前 ip 电话尚无一个完全统一的标准，所以现在通话双方 的系统要使用同一公司的相关产品。就 ip 电话制定的协议而言，目 前基本上有二大类，即 h.323 和 sip 协议，这二个协议在呼叫建立 与控制方面有着不同的方案。h.323 已有多年的发展，所以一般多 数厂方采用 h.323 协议。 随着 ip 电话业务的兴起，国际上应运而生一种新型的国际业务 运行组织-ip 国际电话联盟组织。在目前 ip 电话尚无一个完全统 一标准的情况下，他们负责国际间 ip 电话的网络互通及业务互通， 同时完成国际 ip 电话的路由选择、计费、结算、拆帐等工作。 7 鉴于国际上许多国家已开放 ip 电话，尤其欧洲市场已有许多国 家与地区完全开放此类业务，所以中国电信除必须在国内抓紧建设 国内 ip 电话网络外，同时应当积极成为国际级的 ip 电话网络运营 者或 ip 电话承载组织。同时，在购买网络系统时的选择显得尤为重 要。ip 网络互连技术的发展使整个社会实现网络化成为可能，形成 社会网络化，网络社会化的局面而 ip 电话开始出现之时，人们就认 为它将是传统电话业务的强劲竞争对手，ip 是英文 internet protocol 的缩写形式。ip 电话是利用 internet protocol 网际协议， 在因特网上采用数字压缩和包交换技术传输话音。它充分利用带宽， 提高线路利用率，降低了成本，为用户提供更加方便、经济的电话 服务。 8 第二章第二章 ipip 电话概述电话概述 1995年，全球第一个可以通过internet打长途电话的软件产品 “internet phone”问世，在多媒体电脑上安装该软件，就可以通 过internet和世界上任何地方安装同样软件的电脑进行通话。 ip是国际互联网协议（internet protocol）的简称，ip电话是 按国际互联网协议规定的网络技术内容开通的电话业务，中文翻译 为网络电话或互联网电话，它是利用国际互联网internet为语音传 输的媒介，从而实现语音通信的一种全新的通信技术。由于其通信 费用的低廉 （ 每分钟互联网通信费用人民币6分6厘，而普通电话 的国际通信费，每分钟需十几元人民币） ，所以也有人称之为廉价电 话。网络电话、互联网电话、经济电话或者廉价电话，这些都是人 们对ip电话的不同称谓，其实质基本都是一个意思。现在用得最广 泛，也是比较科学的叫法即“ip电话”1。 2.12.1 ipip 电话的由来电话的由来 1、 最初的 ip 电话是个人计算机与个人计算机之间的通话。 通话双方利用双方的电脑与调制解调器，再安装好声卡及相关 软件，加上送话器和扬声器，通话双方必须同时用在线 pc 上相同的 软件和语音压缩声卡进行通话；然后进行通话。 在这一阶段，只能完成双方都知道对方网络地址及必须约定时 间同时上网的点对点的通话，在普通的商务领域中就显得相当麻烦， 因而，不能商用化或进入公众通信领域。 2、 随着 ip 电话的优点逐步被人们认识，许多电信公司在此基础上 进行了开发，从而实现了计算机与普通电话之间的通话。 计算机一方，一般需要能上国际互联网（internet）的普通计 算机（pc），一台调制解调器（modem），计算机上同样应该装有声 卡和送话器及扬声器，并且要安装 ip 电话的软件。 9 电话机用户方，应当具备拨号上本地网 ip 电话的网关 （gateway）的功能。计算机（pc）方呼叫远端电话： 先通过 internet 登陆到网关，进行账号确认，提交被叫号码，然后由网关 完成呼叫。 电话呼叫远端计算机（pc）：计算机（pc）应当向 internet 提 供一个固定的地址，并且在电话所在网关上进行登记，电话向网关 呼叫，通过网关自动呼叫被叫计算机（计算机平时不能关机）。 这一类 ip 电话，拥有电话机的一方，可以不必安装计算机及相 关软件与设备。目前，国内有些计算机客户与国外进行 ip 电话的通 话已可以采用这种方式。但是，这种方式仍旧十分不方便，无法满 足公众随时需要的通话方式。 3、 在以上方式的基础上，国际上许多大的电信公司又推出了普通 电话与普通电话之间的通话。 普通电话客户通过本地电话拨号上本地的互联网电话的网关 （gateway） ，输入账号、密码，确认后键入被叫号码，这样本地与 远端的网络电话通过网关透过 internet 网络进行连接，远端的 internet 网关通过当地的电话网呼叫被叫用户，从而完成普通电话 客户之间的电话通信。 作为网络电话的网关，一定要有专线与 internet 网络相连， 即是 internet 网上的一台主机，目前双方的网关必须用相同一家公 司的产品。这种通过 internet 网从普通电话-普通电话的通话方 式就是人们通常讲的 ip 电话，也是目前发展得最快而且最有商用化 前途的电话。 2.22.2 ipip 电话的发展情况电话的发展情况 自 2000 年 4 月正式开通以来，我国 ip 电话发展保持较高的发 展速度。根据统计，今年上半年我国 ip 电话业务总量超过了 80 亿 分钟，是 2000 年全年业务量的 2 倍多。 10 电信资费进行了结构性调整后，ip 电话也相应地进行了价格调 整，虽然减少了与普通固定电话的价格优势，但其价格优势仍然较 为明显。今年上半年以来，我国 ip 电话仍然保持了较为快速的增长 势头。 但受电信资费结构性调整的影响，我国 ip 电话业务结构发生相 应的变化，各种业务包括国内长途、国际长途和港澳台 ip 电话所占 份额不同。电信资费下调后，国际长途比例下降较大，这是因为 ip 电话国际长途和普通国际长途的价格差距缩小很多，同时人们开始 习惯使用 ip 电话方式进行沟通，另一个重要原因就是在电信业务中， 国内长途仍然是最主要的业务。 ip 电话对长途电话的分流与冲击，使在我国长途电话业务市场 形成了实际上的多元化竞争格局。虽然各运营商的业务体系不尽相 同，但在 ip 电话业务方面，各自都推出相近的整体方案。事实上， ip 电话业务的引入，使我国传统话音业务市场出现了激烈的竞争， 打破了电信话音业务市场由中国电信垄断的局面4。 驱使 internet 话音业务飞速发展的因素是什么呢？主要因素是 价格。相同通话时间，通过 internet 话音服务花费的费用仅仅为通 过传统话音服务花费的费用的几分之一，甚至几十分之一，其价格 差异如此的悬殊，internet 电话的发展速度也就可想而知了。另一 个因素是技术的发展。以往，internet 电话留给人的印象是话音质 量低劣、延迟长、经常断。但随着技术的发展，这些现象将不复存 在。一方面，随着 itu h.323 一系列协议的推出，使得 internet 电 话的规范逐步完善，各厂商的设备可以互通；另一方面，internet 网络的大力兴建及硬件设备性能的提高为 internet 电话的顺畅提供 了保障；最后，话音压缩技术的发展也为 internet 电话的发展铺平 了道路。 ip 电话的发展非常迅速，是在近一两年来如火如荼，随着它的 普及，给电信行业带来的冲击和影响越来越大，引发了有关业务划 分、承担社会责任等许多问题，引起全球各国电信管制者和相关部 门的普遍关注。 11 中国的 ip 发展同样非常迅速，引起业界各方的关注。ip 电话 表现形式多种多样，从终端形式上说，voip 可以是从 pc-pc 的呼叫， 或 pc-电话的呼叫，也可以是交互型网络游戏者“控制器”之间的 对话，从通话传输网络看，可以是全部在 ip 网上传送基于公众 互联网或专用互联网，可以是部分在 ip 网上传送、部分在 pstn 上 传送，在呼叫者号码识别方面，可使用传统电话的号码，也可使用 自己的特殊编号，从提供商不同又可分为传统电信运营商、独立 ip 电话提供商、公司内部使用和个人用户自助式 ip 电话等多种服务形 式。ip 业务分类的多样性，给中国按照业务类型进行监管的方式带 来挑战。 2.32.3 ipip 电话与传统电话的比较电话与传统电话的比较 ip 电话与传统电话相比较，有许多不相同的地方。语音传输的 媒介是完全不同的，ip 电话的传输媒介为 internet 网络，而传统 电话为公众电话交换网。它们的交换方式也是完全不同的，ip 电话 运用的是分组交换技术，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，到目的地后再还原成原 来的信号，而且分组可以沿不同的途径到达目的地，而传统电话用 的是电路交换的方式，它没有 ip 电话交换的这些功能。 从占用信道或带宽上讲，ip 电话有信息才传送，反之不传送， 这样，其语音信息不占用固定信道，使用压缩技术后，其话音信息 可以压缩到 8kbit/s，而传统电话一般要占用 64kbit/s 的固定信道， 而且只要不挂机，传统电话始终占用这一信道，所以 ip 电话的带宽 远远低于传统电话。 从费用上讲，ip 电话的费用组成是：internet 通信资费市内 电话通话资费ip 电话相关设备费用，由于 internet 资费我国仅 每分钟 6 分 6 厘，市话费也相当便宜，加上 ip 电话所占带宽比较低 的原因，所以与传统的国际长途电话费的成本比较相对较低，也有 一些国家或地区对传统的国际长话要加收一定的税金，所以，国际 12 长话费相对较高6。 从话音质量上讲，ip 电话相对传统电话的语音质量较差，其中 有带宽、延迟等因素，尤其在网络拥塞时，通话质量可能难以保证。 从话音质量上讲，ip 电话相对传统电话的语音质量较差，其中有带 宽、延迟等因素，尤其在网络拥塞时，通话质量可能难以保证。ip 电话与传统电话的比较如下表：3 表 2-1 ip 电话与传统电话的比较 性能 品种ip 电话传统电话 传输媒体 互联网（internet）公众电话网 （pstn） 交换方式分组交换电路交换 带宽利用率高（不独占路由，每个 话务占带宽为 8k/bps） 低（每次通信独占 一条 64k/bps 路由） 使用费低高 话音质量低高 提供的功能 多 少 2.42.4 ipip 电话存在的问题电话存在的问题 ip电话以低廉的价格颇得用户好感的同时，由于技术方面的原 因。通话效果远远不如传统的国际国内长途，因此又影响着它的进 一步推广。事实上ip电话的优势与劣势是相统一的。由于ip电话采 用数字压缩和ip包交换传输技术，与传统的电路交换方式相比，节 约了传输带宽，提高了线路利用率，大大降低了成本。但由于上网 的人多，便很容易造成拥塞，有时输入卡号、密码后，确认时间较 慢，出现话音延迟等情况。通话质量比传统的国际、国内长途电话 要稍微差些，这也是ip电话目前在许多发达国家也尚不能广泛应用 的主要制约因素。目前ip电话主要存在的问题有： 13 2.4.12.4.1 互通问题互通问题 由于国际标准化工作尚未最终完成，不同协议间无法实现互通。 由于认证、授权等定义存在模糊性，没有定义统一的网管、计费接 口，各厂家往往针对自己的技术特点使用内部标准制造ip电话产品， 不同厂商生产的网关、网守间很难实现互联互通。ip电话运营商之 间的业务互通和结算也是亟待解决的问题。随着h323v3的制订和 中国ip电话技术体制的颁布，国内外各ip电话设备厂家产品的互通 性将得到较大的改善。osp是一个致力解决ip电话运营商间的通用结 算的协议。它通过一套基于最少花销、最佳路由和最好质量的路由 算法，选择最佳的呼叫路由，动态平衡话音业务，提供不同运营商 间的路由策略和计费分账。同时，in0w（一个由多家ip电话设备制 造商组成的解决互联互通的组织）现在也致力于解决不同厂商的ip 电话产品互联互通及用户认证、计费、结算等问题7。 2.4.22.4.2 服务质量问题服务质量问题 影响ip电话服务质量最主要的原因是时延抖动引起话音质量下 降。传输时延可分为固定时延和可变时延。网关设备将带来一定的 固定时延（编解码、压缩、分组都需要时间），固定时延可控制在 50到150ms。可变时延则与路由及网络拥塞情况有关。语音与数据混 合传输，在网络比较繁忙、负载较重的情况下，时延较大。一般要 求时延在250ms以内才能达到类似pstn 的质量或好的无线条件下移 动电话的质量。时延问题可以通过三种途径来解决，一是增加网络 的带宽：二是选择合适的路由，绕过那些负载过重的路由器，直接 连到主干网进行中继传输；三是在网络中实现qos的资源预留协议 （rsvp）、区分服务（diffserv）、数据包保护等技术。 2.4.32.4.3 实时传输问题实时传输问题 实时传输是网络电话普及的一个瓶颈技术，一方面，通话质量 对于延时和丢帧相当敏感，当语音的延时超过300ms 时，通话双方 会有感觉，而超过1s时，便不能正常通话了。这对于现在的网络结 构和状况都是一个考验。由于过去的网络对实时传输协议支持甚少， 而且很多地区的网络状况不容乐观，形成制约网络电话发展的又一 14 障碍3。 2.52.5 ipip 电话的发展前景电话的发展前景 1） ip电话向多媒体化发展。随着第三代移动通信网络的全面 覆盖和宽带网络用户数量的不断扩大，ip将会提供语音、数据、视 频等多项内容的融合。 2） ip电话市场重点将由行业用户转向重点用户群体。目前， ip低廉乃至免费的价格引起企业的广泛兴趣，建一个全局性的语音 ip电话，全局范围内使用会减少大量的语音话费，是普通电话所无 法比拟的。 3） ip电话的种类将从单一到多种。ip电话的大部分业务是电 话到电话的业务，目前其他业务模式如电话到pc，pc到电话，ip到 pc等也在快速发展。这四种方式的综合运用将给予ip产品供应商和 市场运营商更大的空间。 4） ip电话与宽带和无线的结合。这也是一个综合的技术和业 务趋势，inmax、wi2fi等无线技术正在从数据业务领域侵入到语音 业务领域，将产生一系列崭新的技术与应用模式，而对第三代移动 通信市场的发展带来严重的冲击。 随着 ip 技术的发展，其市场逐渐扩大，巨大的潜在需求吸引了 众多的运营商和设备制造商加入这一领域的经营与竞争。当前在全 球已经形成了 ip 电话经营商和新业务提供商，并已为用户提供 ip 业务。专家分析，这些 ip 电话经营商和新业务提供商主要来自 isp、电信公司、新的专业 ip 电话公司，另外还有有限电视公司， 他们正在或将要从传统的电信经营商手中争得越来越多的利润和市 场份额，扩大他们的经营范围。一些小公司在亚洲各国尚未对 ip 业 务进行管制或法规还不够完善时，也在积极开办 ip 业务，乘机获得 市场利润与份额。 随着市场竞争的日趋激烈，ip 电话经营商除了提供有竞争力的 价格之外，还必须引导用户的潜在需求，提供多种增值服务，例如 15 统一传信、ip 电视电话等服务。统一传信是让用户通过一部电话或 pc 接入 email、传真和寻呼消息。这种一体化的消息接入服务现在 尽管还不普遍，但是经营 ip 电话网络的业内人士认为，在今后几年 内它将会成为重要的服务方式。一些 ip 电话厂商目前正在开发能提 供一体化消息的产品。 ip 电话最突出的特点是显著降低网络运营成本。目前，许多企 业并行两到三条网络一条用作语音传送，一条用作视频会议， 另一条用于数据传输，这种复杂结构直接带来网络维护的高成本。 基于数据网，ip 电话系统可以有效地把这些网络整合，减少了企业 在话路设备、电话系统安装和维护上的投资。同时，因为企业内部 的通话是在数据网上进行，不占用电信服务商的资源，因而降低了 话费支出，特别是对于那些分支多，地域分散的大型企业，长途话 费的节省就更加显著。ip 电话另一特点是灵活方便。由于 ip 电话 技术将语音与数据网络融为一体，减少了布线，安装时只要将 ip 电 话机与数据线连接即可，无需识别哪个是语音线。此外，当座位发 生变动时，只要把 ip 电话机与新地点的数据线连上，就可以和先前 一样办公。而在传统电话网络中，移机则需要通过专业工程师的 “跳线”来调整。更方便的是，这种移动在部署 ip 电话的分支机构 间可以畅通无阻。这对于那些实行弹性工作时间、人员移动性大、 或是座位变换频繁的企业而言，受益会更显著。 ip 电话系统的日益成熟，让越来越多的企业和电信服务商不再 局限于使用传统电话网，而是更多的采用 ip 电话应用和服务。ip 电话正在成为企业重要的信息传输和沟通载体，尽管要让传统电话 网上的所有语音流量都通过数据网络进行传输还需要时间，但 ip 电 话折射出的生命力预示这一领域会是企业应用的发展方向。ip 电话 的使用时代已提前到来，所以企业已经开始着手升级他们的系统， 不愿因为固化于传统设备而落后于时代发展。 16 第三章第三章 ipip 电话的工作原理及系统组成电话的工作原理及系统组成 3.13.1 基本工作原理基本工作原理 ip 电话（ internet protocol phone）也称作 voip （voiceover ip，于 ip 协议的语音通信），利用 ip 网络实现语音通信的一种先 进通信手段，一种完全基于 ip 网络的语音传输技术。其基本传输方 法是：利用语音网关，交换平台，守等设备将模拟信号数字化，过 语音压缩算法对语音数据进行压缩编码处理，后按 ip 等相关协议进 行打包，过 ip 网络传输到目的地，的地接收到数据包后，数据重组， 压缩后再还原成模拟信号。这样就通过 ip 网络传送了语音信号。传 统电话以电路交换方式传输语音，ip 电话则以分组交换方式传输语 音，实现原理如图 3.1 所示。首先发送端的语音信号接收器、模数 转换器对模拟语音信号进行 8 位或 16 位的量化，成 pcm（pulse code modulation）数字语音数据，缩编码器将 pcm 语音数据转化 为某种格式的语音数据，减少语音信号的冗余度，低 ip 电话对传输 信道的带宽要求，码后的语音数据按照一定的协议进行处理，后封 装成 ip 语音包发送至 ip 网络；接收端从 ip 网络接收 ip 语音包后， 行解包、解码、数模转换等处理，构模拟语音信号，通过播放器重 现发送端语音。 17 ip 网络 封装成 ip 包 压缩编码器 模数转换器 接收器 解析 ip 包 压缩解码器 数模转换器 播放器 发送端 接收端 图3.1 ip 电话实现原理图 ip电话使用voip技术在宽带网连接上提供语音通信。这种语音 通信可以转接到公共互联网上，也可以转接到专用的ip干线网络。 由专门设备或软件将呼叫方的话音传真信号采样并数字化，压缩， 打包，经过ip网络传输到对方，对方的专门设备或软件接收到话音 包后，解压缩，还原成模拟信号送给电话听筒或传真机。经过ip电 话系统的转换及压缩处理，每个普通电话传输速率约占用8到 1lkbits带宽，因此在与普通电信网同样使用传输速率为 64kbits的带宽时，ip电话数是原来的5至8倍。在企业网中。一般 都使用ip电话网关（voip phonefax ip gateway）。网关实现普 通电话网络与ip网络的转换，各ip电话网关由统一的规则进行管理。 ip电话网关具有路由管理功能，它把各地区电话区号映射为相应的 地区网关ip地址。这些信息存放在一个数据库中。在用户拨打ip电 18 话时，ip电话网关根据电话区号数据库资料，确定相应网关的ip地 址，并将此ip地址加入ip数据包中。同时选择最佳路由，把ip数据 包经因特网送达目的ip电话网关。对于因特网未延伸到或暂时未设 立网关的地区，可设置路由，由最近的网关通过长途电话网转接， 实现通信业务。普通电话通过信令来控制用户的呼叫建立、连接、 通话、释放连接等过程。与此类似，ip电话也必须通过电话信令来 控制这些过程，即ip电话要传送2类数据：信令数据和语音数据。与 传统的pstn电话所不同的是，ip电话是通过网络进行传输的。它通 过分组交换的方式来实现，因此tcp/ip协议是其所应遵守的基本协 议。但是tcp/ip协议是一个庞大而复杂的体系结构，几乎涵盖了网 络上所有的应用，对于ip电话这一特定的应用，实现整个tcp/ip协 议是完全没有必要的。所以在实现的过程中，可以针对电话这一特 定的要求简化tcp/ip协议。图3.2是一个简化了的tcp/ip协议的分层 结构示意图。 语音数据 udpicmptcp ip pppsliparp modemrs232ethernet 图 3.2 ip 电话实现原理框图 19 图 3.2 在遵循 osi 的 7 层结构的基础上，对 tcp/ip 协议机制 进行了适当的简化。在网络接口层，基于带宽及接口复杂程度的考 虑，我们选择 ethernet 网卡作为接入网络的接口，并采用 arp 的方 式对电话进行寻址。网络层仍然用 ip 数据报的方式封装从上层传来 的数据包，它包括传输层的 udp 及 icmp 两种数据包，这两种数据 包分别传送信令数据和语音数据。与 tcp 的传输方式相比，udp 的传输方式在网络压力不太大的情况下传输效率会更高。 lcd键盘 编、解码mcu 以太网卡 eprom ram ethernet 图 3.3 ip 电话的实现框图 图 3.3 是 ip 电话的实现框图：以单片机为核心，包括存储、 输入输出、与网络的接口及语音的编解码部分。 3.23.2 ipip 电话电话实现的技术方案实现的技术方案 3.2.13.2.1 基于软件基于软件 利用软件在pc机上实现ip电话是早期的一种方法，也是目前最 易实现的一种方式。它相当于一种联机应用，用户使用专用的客户 20 端ip电话软件，在配备麦克风、音箱、声卡等设备就可通过ip网实 现这种应用。其通话原理是：利用internet 电话软件把送入话筒的 语音进行编码压缩、分组，变成ip 数据报，经internet 网络传送， 接受端利用软件进行解码还原成原来的信号后送到扬声器中。其中 话音编码、回波消除和呼叫处理由主机cpu 完成。 这种纯软件电话方案的显著优点是可以支持多媒体通信，主要 适用于计算机用户。能方便的实现电视会议、白板、数据通信等功 能，也可以实现点对点或点对多点的会议通信。然而，这种方案有 很大的局限性：第一，由于话音压缩编码和回波消除算法在主机上 运行，要求主机的性能很高；第二，由于主机处理得非实时性，通 常会导致时延太长；第三，呼叫双方必须使用同一种软件；第四， 由于属于联机应用，在呼叫前双方必须预先约好；第五，只限于pc 机用户，不利于ip电话作为一项业务开展；第六，话音质量差。 3.2.23.2.2 基于基于dspdsp的计算机插卡的计算机插卡 dsp（数字信号处理器） 方案可将话音编码、回波消除、话音 压缩等算法放在dsp卡上进行，减轻了主机cpu的负担，从而比纯软 件方案显著的改善了话音质量。 另外，主机可以插入多块dsp卡提 供多路话音通道，同时由于dsp可以处理全双工话音信号，减少了话 音时延。 通信中较典型的有：quicknet technologies的 phonejack，micom的多端口dsp 卡。这类卡一般都支持电话机的摘 机检测，dtmf 信号检测，呼叫进程信号音产生（如拨号音、忙音、 回铃音等） 以及振铃信号发生等功能，来模拟pbx（用户交换机） 一侧用户电路功能。此外，还支持实时语音编/ 解码。作为 internet 的终端用户，这是一种比较好的解决方案。但如作为 internet与pstn 的网关，却有一些力不从心。这主要是因为容量太 小，无法形成一种业务。 3.2.33.2.3 基于基于internetinternet 电话网关电话网关 为了克服只能在pc机上打ip的缺点，ip电话公司开始开发一种 称作internet电话网关itg（ internet telephong gateway）的产 21 品。采用网关，可以把psin与internet连在一起，使得普通电话具 有internet电话的优越功能。 itg是解决普通pstn电话用户通过internet打长途电话的最佳方 案。由于itg对于呼叫方和被叫方都是本地电话，因而itg可以把 internet电话费用低的优点扩展到普通的pstn用户。具体而言，基 于itg的ip电话通信过程有三个阶段。 3.2.43.2.4 呼叫建立呼叫建立 首先，主叫通过特服号拨入本地itg，本地itg的pstn中继接口 收到呼叫信息后，选择空闲通道建立连接，然后，本地itg要求主叫 输入其账号（用户名、密码等），以便交给认证中心完成对用户身 份的认证。若认证失败，则中止会话请求，否则，本地itg将主叫的 电话号码传递给认证中心，完成电话号码到ip地址的翻译，并将此 ip地址反送给本地ipg，然后，本地itg就可通过此ip地址与远方 itg（被本地itg）建立连接，并将电话号码、口令等信息传送给远 方itg。远方itg将验证源itg身份，检查可用的线路资源。然后根据 获得的信令帧形成信令信号，传送给被叫方电话局的交换机，由交 换机传送振铃信息给被叫。这样，主被叫间就建立了话音通信。 3.2.53.2.5 语音传输语音传输 连接建立后，pstn 首先将获取的说话方的语音数字化，然后采 用双方本地itg协商的语音参数的压缩编码算法进行压缩，添入时间 标记，形成ip 分组以便在internet上传输。在受话方，从网卡上来 的语音经排序、解压缩后形成语音信息，传送给受话方。这样，双 方就实现了语音通信。 3.2.63.2.6 呼叫终止呼叫终止 当通信的一方传送呼叫终止信号（如挂机），相应的internet 电话网关将被释放所占用的干线通道，并向通信的另一网关发送终 止信号。接受方网关收到信号后也释放所占用的干线通道。此后， 就可断开两个网关间的tcp 连接，整个会话过程结束13。 22 3.33.3 系统组成系统组成 ip电话系统由终端设备（te）、网关（gateway）、多点控制 单元（mcu ）和网闸（gatekeeper）4个基本组件组成如图3.4所示。 终端设备是指ip电话的客户终端，可以是软件（如 microsoft的netmeeting）或硬件（如电话机），它们直接连接在ip 网上进行实时语音和多媒体通信。 网关是通过ip网络提供电话到电话、pc到电话的话音通信关 键设备，是ip网络与pstnisdnpbx网络之间的接口设备。它完成 实时语音压缩，将64kb/s的语音信号压缩成低码率语音信号；完成 寻址和呼叫控制。 多点控制单元使ip电话在ip网络上可实现多点通信，支持诸 如网络会议之类的多点应用。 网闸又称网络管理者或关守，负责用户的注册和管理。完成 的功能有：地址映射，将电话网的e.164地址映射成相应网关的ip地 址；呼叫验证和管理，对接入用户的身份进行认证，防止非法用户 接入；呼叫记录，使运营商有详细的数据进行收费；区域管理，多 个网关可由一个网闸来管理4-5。 网守 终端 设备 ip 语音 网关 ip 网 络 ip 语音 网关 终端 设备 电路 交换 网 电 路 交 换 网 23 图3.4 ip电话系统组成 ip电话的基本结构由网关、网守和支持系统三部分构成。网关 的主要功能是信令处理、h.323协议处理、语音编解码和路由协议处 理等，对外分别提供与pstn 网连接的中继接口以及与ip网络连接 的接口。网守的主要功能是用户认证、地址解析、带宽管理、路由 管理、安全管理和区域管理。支持系统主要包括认证中心、计费中 心、网络管理中心及业务管理中心。一个典型的呼叫过程是：主叫 方拨出ip电话号码，呼叫由pstn 语音交换机发起，通过中继接口 接入到网关，网关获得用户希望呼叫的被叫号码后，向网守发出查 询信息网守查找被叫网关的ip地址，并根据网络资源情况来判断 是否能建立连接。如果可以建立连接，则将被叫网关的ip地址通知 给主叫网关，主叫网关在得到被叫网关的ip地址后，通过ip网络与 对方网关建立起呼叫连接，被叫侧网关向pstn网络发起呼叫并由语 音交换机向被叫用户振铃，被叫摘机后，被叫侧网关和语音交换机 之间的话音通道被连通，网关之间则开始利用h.245协议进行能力交 换，确定通话使用的编解码，在能力交换完成后，主被叫方即可开 始通话。 在整个 ip 电话系统中，网关设立在世界上各个地区，完成当地 电话网与 internet 的接入与转换处理等功能。网关接收到了标准电 话信号以后，经数字化、编码、压缩处理，按 ip 协议打包到 internet 上，根据传输路由，通过 internet 发送到对端网关；反 之，网关接收到 internet 传来的 ip 包，经解压处理后还原成模拟 语音信号再转到电话网系统。网关可同时接入和转出电话语音信号， 实现全双工通信。 网关因其生产厂商不同而有所不同，但基本的组成模块是一样 的，包括数据处理主机、语音模块、数据处理模块、数据接续模块 和管理软件模块等。网关具有路由管理功能，它把各地区电话区号 映射为相应地区网关的 ip 地址，这些信息存放在一个数据库中。数 据接续处理软件将完成呼叫处理、数字语音打包、路由管理等功能。 在用户拨打长途电话时，网关根据电话区号数据库资料，确定相应 24 网关的 ip 地址，并将此 ip 地址加入 ip 数据包中，同时选择最佳路 由，以减少传输时延，ip 数据包经 internet 到达目的地的网关。在 一些 internet 尚未延伸到或未设立网关的地区，可设置路由，由距 离最近的网关通过长途电话网进行转接。 网守又称为网闸，是 ip 电话网的管理设备。ip 电话网中的网 守位于 ip 网内。ip 电话网可以采用两级体系结构，即顶级网守和一 级网守，业务量大的地区可根据需要再增加第三级结构，二级网守。 其中顶级网守云可以包含多个顶级网守，当 ip 电话运营者的网络规 模不是很大时，顶级守网的功能可由其中一个一级网守完成。顶级 网守的主要职责是管理属于该运营者的所有一级网守，一级网守之 间的地址解析和认证，不同运营者 ip 电话网之间的互通，地址交换， 国际呼叫的建立与拆除。二级网守主要负责所属区域内用户的地址 解析和认证，防止非法用户的接入和非法网关的登记，负责向所属 网关提供路由信息，包括被叫网关的端口信息等，负责完成 pc 到 电话业务的呼叫建立，释放和计费信息的采费。一级网守主要负责 管理该一级网守所管辖的全部二级网守音质地址解析工作。 25 第四章第四章 ipip 电话的关键技术电话的关键技术 4.14.1 分组语音处理技术分组语音处理技术 4.1.4.1.1 1 分组语音技术分组语音技术 传统的电话网是以电路交换的方式传输语音，它需要的基本带 宽为 64kbits。而要在基于 ip 的分组网络上传输语音，就必须对 模拟的语音信号进行特殊的处理，使处理后的信号可以适合在面向 无连接的分组网络上传输，这项技术称为分组语音技术。 1、分组语音技术简述 分组语音技术是指将语音信号转换为一定长度的数字化语音包， 采用存储转发的方法，以包的形式进行交换和传输的技术。电话技 术通常需要 64kbs 以上的带宽，而分组语音需要的带宽不到 10kbs。所有分组语音系统都遵循一个共同的模式。 在这个网络的周边是被称为“语音代理”的设备或部件。这些 设备或部件的任务是将语音信息从传统的电话格式转换为适用于分 组传输的格式。然后通过网络将分组数据发送到目标的语音代理。 2、处理流程 无论对于实时的应用（如 ip 电话）还是非实时的应用（如语音 邮件） ，发送端语音都要经过模拟信号数字信号语音包的处理过 程，并在接收端对语音包进行相反的处理，从而得到与输入端相同 的语音信号。我们可以把处理流程分为发送端的处理流程和接收端 的处理流程两部分来介绍。 （1）发送端的处理流程 首先，把模拟信号转换为数字信号，并对其进行进入缓冲器前 的量化数据处理。声卡和音频设备先对模拟语音信号进行 8 位或 16 26 位量化，然后再送入缓冲器。许多低比特率的编码器对语音块（也 被称为帧）进行编码，典型帧为 1030ms，考虑到传输过程中的代 价，语音包通常由 60、120 或 240ms 长的语音数据组成。 其次， 把语音包按照特定的帧长进行编码。大部分的编码器都有特定的帧 尺寸，若一个编码器使用 15ms 的帧，则把从第一级来的 120ms 的 包分成 8 帧，并按顺序进行编码。每个帧合 120 个语音样点（抽样 频率为 8khz） 。编码后，将 8 个压缩的帧合成一个压缩的语音包送 入网络处理器。 网络处理器为语音包添加包头、时标和其他信息后 通过网络传送到另一端点。 （2）接收端的处理流程 首先，网络提供一个可