电话技术与软交换课件

IP电话技术与软交换,目录,第一章 IP电话概述 第二章 IP电话技术基础 第三张 语音处理技术 第四章 基于H.323协议的IP电话技术 第五章 基于SIP的IP电话技术 第六章 IP电话的服务质量 第七章 ATM语音技术 第八章 采用分离网关的IP电话系统和软交换体系结构 第九章 媒体网关控制协议H.248 第十章 信令传输协议(SIGTRAN),第一章 IP电话概述,本章主要介绍了IP电话的定义和IP电话业务的几种类型，IP电话网的结构，IP电话通信的一般过程，IP电话的关键技术。对IP电话与传统电话的特性进行了比较，说明了选择因特网传送语音业务的原因。最后介绍了ITUT和IETF关于IP电话的相关协议和我国国内标准化组织关于IP电话的标准。,1.1 IP电话网的结构和处理过程,1.1.1 IP电话的定义： IP电话是在IP网上传送的具有一定质量的语音业务。它采用的技术统称Volp(Voice over IP)，即在IP网上传送语音。由于计算机网络采用的是分组交换技术，其传送的数据单元都是由控制部分和数据部分封装而成的独立的数据包，通常称之为“分组”(Packet)，因此从更一般的意义上来说，IP电话是采用分组技术传送的语音业务。用分组网络传输语音主要有三种方式：帧中继语音技术、ATM语音技术和IP语音技术，其中IP语音技术应用得最为广泛。,1.1.2 IP电话的业务类型,1. PC到PC PC到PC是指利用PC机到PC机在IP网上通话，它是IP电话的最初模型。其实现方式是用户首先与IP网实现连接，打开IP电话客户端应用软件，然后按照提示选择被叫用户或被叫用户的IP地址，接通后，双方开始通话。语音信号在发话端的PC机上进行压缩后经IP网络传送到被叫方的PC机上，被叫方PC机对语音包进行解压缩，完成语音信号的恢复。如图1.1.1所示。,图1.1.1 PC到PC,2. PC到电话 PC到电话实现的基本原理为：用户首先打开客户端软件，输入被叫号码，客户端软件根据号码查找相应的网关，然后再由网关向被叫用户发起呼叫，被叫摘机后双方进入通话状态。如图1.1.2所示。,图1.1.2 PC到电话,3. 电话到电话 电话到电话是指电话网中的一台普通电话机经过IP网与电话网中另一台普通电话机通话。由于电话机是直接与电话网连接的，要将语音信号转移到IP网上进行传输，必须在两种机制的网络之间安装转换设备，这种设备即为IP电话网关，如图1.1.3所示。这种通过Internet网从普通电话到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,图1.1.3 电话到电话,4. 电话到PC 电话到PC是指电话用户拨网关的号码，接入到网关设备，经过网关接入被叫PC，这时需要解决PC的E.164电话号码的分配。从目前的使用情况看，电话到电话和PC到电话的应用比较多。 1.1.3 IP电话网的结构 IP电话网的基本组成框图如图1.1.4所示。由图可见，IP电话网由网关、网守等设备组成。 网关是IP电话网的接入设备，位于电话交换网与IP网之间，是电话交换网的终结点，也是IP（分组）交换网的起始点，为用户提供IP电话业务，完成信令转换及媒体转换。 网守是IP电话网的管理设备，它提供地址解析、接入认证、带宽管理和资源管理等功能。,图1.1.4 IP电话网的结构,1.1.4 IP电话通信的一般过程,1. 用户使用IP电话通信的过程 2. IP电话通信的呼叫建立的一般处理过程 3. IP语音分组的基本处理过程,图1.1.5 IP语音分组的基本处理过程,1.2 IP电话的关键技术,1.2.1 语音处理技术 低比特率语音编码 静音检测 分组丢失补偿 回波抵消 处理语音时延抖动的技术,图1.2.1 回波产生机理,1.2.2 IP语音通信协议 语音通信控制协议 语音信息传送协议 实时控制协议 1.2.3 安全技术 IP电话系统的安全性包括以下几个方面：身份认证(Authentication)，授权(Authorization)，加密，不可抵赖性保护核数据完整性。 1.2.4 服务质量保障技术,1.3 IP电话与传统电话的比较,1.3.1 传统电话 历史最为悠久、目前得到广泛应用的固定电话网和移动电话网采用的是电路交换技术。电路交换方式的基本特征是将电路作为传输、复用和交换的基本单位。所谓电路，在采用同步时分复用方式的线路上指的是具有固定比特率的一个时隙。在基于电路交换方式的通信网中采用同步时分复用方式。在这种方式下，首先将时间划分为等长的基本时间单位，一般称之为帧。每个帧再细分为时隙，时隙一般是等长的。时隙可以依其在帧中的不同位置予以编号。例如，在PCM一次群中，每125?s为一帧，每帧划分为32个时隙，记为时隙O，时隙1，时隙31。对于一条高速数字信道，采用上述的时间分割方法后，每个编号相同的时隙可以被看成具有恒定速率的低速数字子信道，即上面所说的电路。这些数字子信道是靠其在时间轴上的时间位置来识别的。图1.3.1示意性地表示了同步时分复用中的帧和隙。,图1.3.1 同步时分复用 中的帧和时隙,在传统的电话通信中，一次通信包括三个过程：建立电路、通话和释放电路，其中电路的建立和释放需要信令的支持。它的基本特点是为通话双方固定地分配一条具有固定带宽的通信子信道，在数字电话网中通信子信道的带宽为64?kbit/s。在采用电路交换方式时，一旦建立连接，在整个通信期间，该连接始终占用某一时隙，即使用户没有信息要传递，该时隙也不能用于其他的通信。 1.3.2 IP电话 IP电话是在因特网上采用以IP包（分组）为单位的包交换方式传送的语音业务，采用分组交换技术。 1.分组交换（Packet Switching）是利用存储转发的方式进行交换的。分组交换机首先将从终端设备送来的数据报文接收、存储，而后将报文划分为一定长度的分组，并以分组为单位进行传输和交换。在每个分组中都有一个310个字节的分组头，在分组头中包含有分组的地址和控制信息，以控制分组信息的传输和交换。 分组交换有虚电路（面向连接）和数据报（无连接）两种方式。 2. 因特网的数据传输特性,1.4 国际和国内IP电话的标准,1.4.1 国际标准化组织及标准的发展 ITU-T(国际电信联盟电信标准局),表1.4.1 ITUT关于IP电话的协议,IETF(Internet工程任务组),表1.4.2 IETF开发的主要协议,1.4.2 国内标准化组织关于IP电话的标准,IP电话在我国已经取得了迅速的发展。为了适应我国IP电话的迅速发展，在国内主要IP业务设备制造商和科研部门的提议下，信息产业部IP标准研究组作为国内第一家协调和制定IP技术相关标准的标准化组织于1999年成立。IP标准研究组制定了一整套完整的IP电话标准。它们包括：“IP电话传真业务总体技术要求”，“IP电话网关设备技术规范”，“IP电话网关设备测试方法”，“IP电话网关设备互通技术规范”，“IP电话网守设备技术要求和测试方法”，“IP电话/传真业务总体技术要求（第二阶段）”，“No.7信令与IP的信令网关设备技术规范”，“流控制传送协议（SCTP）”，“No.7信令与IP互通适配层技术规范消息传递部分（MTP）第三级用户适配层（M3UA）”，“No.7信令与IP互通适配层技术规范消息传递部分（MTP）第二级对等适配层（M2PA）”等。另外还有一些配套的标准正在制定中。 在本书的第2章将介绍RTP协议；在第3章将介绍有关语音编码标准，在第4章将介绍H.225.0协议和H.245协议；在第5章将介绍SIP协议和SDP协议；在第9章将介绍H.248协议。在第10章将介绍SCTP协议和M3UA协议。,第2章 IP电话技术基础,本章首先介绍了计算机网络协议的概念及开放系统相互通信的过程，然后介绍TCP/IP协议栈的结构，详细说明了IP协议的功能和IP路由选择过程，Internet传输层的几个协议，TCP协议和UDP协议的功能，以及TCP连接建立和释放的过程。最后介绍了实时传输协议RTP。,2.1 计算机网络协议结构,2.1.1 分层协议概念 计算机网络是一种非常复杂的系统，其中既涉及通信技术又涉及计算机技术；在通信技术中涉及不同的分组交换技术，在计算机技术中涉及异种机器、异种操作系统。计算机网络既要保证不同通信技术和不同计算机系统之间的互通，又要保证这种互通的可靠性和效率。总之，计算机网络要解决的问题纷繁复杂。为了对问题进行简化，人们利用“分而治之”的思想，对计算机网络进行模块划分，保证一次只处理一个模块。这就为网络协议的设计和实现提供了极大的方便。按照层次结构思想，对计算机网络的模块化结果是一组从上到下单向依赖的协议族，又叫协议栈(Potocol Stack)。协议栈这一术语非常准确地表达了各层协议之间的关系。 2.1.2 协议包含的主要内容 消息类型和格式、编码； 各种操作对应的消息收发顺序； 收到消息后节点应采取的动作； 相邻层之间的层间原语类型和参数。,2.1.3 OSI参考模型简介,图2.1.1 OSI参考模型,OSI中各层的基本功能,(1) 物理层 物理层是最低的一层，它和物理传输媒介有直接的关系，它定义了设备之间的物理接口，为它的上一层(数据链路层)提供一个物理连接，以便透明地传送比特流。在物理层上传送数据的单位是比特(bit)。 (2) 数据链路层 数据链路层的功能是负责在两个相邻节点的线路上以帧为单位的可靠传输。数据链路层将物理层上透明传送的比特流划分为数据帧，并对每个数据帧进行差错检测及差错校正，并提供流量控制功能。 (3) 网络层 网络层提供系统之间的连接，它负责将两个终端系统经过网络中的节点用数据链路连接起来，实现两个终端系统之间数据帧的透明传输。网络层的主要功能是寻址和路由选择。 (4) 传输层 传输层可以看作是用户和网络之间的接口，它利用低三层提供的网络服务并向高层提供端到端的透明数据传送，它根据发端和终端的地址定义一个跨过网络的逻辑连接，定义主机中的端口地址，并完成端到端(而不是第二层处理的一段数据链路)的差错控制和流量控制功能。,(5) 会话层 会话层的作用是协调两端用户(通信进程)之间的对话过程。例如，确定数据交换操作方式(全双工、半双工或单工)，确定会话连接故障中断后对话从何处开始恢复等。 (6) 表示层 表示层负责定义信息的表示方法。表示层将欲交换的数据从适合于某一用户的抽象语法变换为适合于OSI系统内部使用的传送语言。表示层的典型服务有：数据翻译(信息编码、加密和解密)、格式化(数据格式的修改及文本压缩)和语法选择(语法的定义及不同语言之间的翻译 )等。 (7) 应用层 应用层确定进程之间通信的性质以满足用户的需要，负责用户信息的语义表示，并在两个通信进程之间进行语义匹配。 以上7层功能按其特点又可分为低层功能和高层功能，低层包括13层的全部功能，其目的是保证系统之间跨过网络的可靠信息传送；高层包括47层的功能，是面向应用的信息处理和通信功能。,2.1.4 开放系统相互通信的过程,图2.1.2 开放系统互连环境中的通信过程,当发送进程有一组数据要送给接收进程时，它将这组数据送给应用层实体；应用层在数据上加上一个控制头7H，7H中包括应用层的同层协议所需的控制信息，然后应用层将7H和数据一起送往表示层；表示层将7H和数据一起看作是上一层的数据单元，然后加上本层的控制信息，交给会话层；依此类推。不过数据到了第二层(数据链路层)后，控制信息分成两部分，分别加到上层数据单元的头部和尾部形成本层的数据单元送往物理层，由于物理层是比特流的传送，所以不再加上控制信息。 当这一串比特流经网络的物理媒体传送到目的站时，就从物理层依次上升到应用层。每一层根据本层的控制信息进行必要的操作，然后将控制信息剥去，将剩下的数据部分上交给更高的一层。最后，把发送进程发送的数据交给目的站的接收进程。 在协议术语中，从上层接收到的数据体称为服务数据单元(SDU：Service Data Unit)，加上本层头部后成为本层的协议数据单元(PDU:Protocol Data Unit)。在不同的协议栈和不同协议层中，协议数据单元可有不同的名称，如帧、分组、段、报文等，数据体也可称为净荷(Payload)或用户数据。有时，两个终端系统之间的通信可能经过一个或多个中间节点转接，这些中间节点叫作中继系统，它具有13层的功能。每当数据传送到中继节点时，就从该节点的物理层上升到网络层，完成路由选择后，再回到物理层传送到下一个节点，最后传到终端系统，从物理层上升到应用层后到达应用进程。经过一个或多个中间节点转接的过程如图2.1.3所示。,图2.1.3 经过一个或多个中间节点转接的过程,说明一点，在分层协议结构中，相邻层间的接口点称为服务接入点(SAP：Service Aceess Point)。一般说来，每层协议可为上一层多个协议实体提供服务，每个协议实体代表一类协议功能，例如在应用层可对应为多种不同的应用。因此，每层可有多个SAP，每个SAP有其对应的地址。这样从协议的角度看，每个物理节点可视作多个逻辑节点，至该节点的连接实际上可为一个多重连接。SAP的概念示于图2.1.4。,图2.1.4 SAP的概念,2.2 因特网协议结构,2.2.1 TCPIP的技术思想 2.2.2 TCPIP协议栈结构,图2.2.1 TCPIP的网络体系结构,TCPIP模型由四个层次组成： 1. 应用层 2. 传输层 3.网络层 4.网络嵌入层,图2.2.2 计算机网络的5层模型,2.3 IP协议,TCPIP网络层协议的核心是IP(Internet Protocol)协议，又叫网间网协议或网际协议。在计算机网络通信过程中，IP层协议起着核心的作用：其一，提供无连接的数据报传输机制，虽然不能保证传输的可靠性却简单有效；其二，利用IP地址和IP数据报将各种物理网络技术统一起来，达到屏蔽低层细节，向上提供一致性的目的。IP层协议的主要功能是IP数据报传送及在网间的路由选择，即IP路由选择。另外，与IP相关的协议和内容有IP地址、地址解析、差错控制协议和路由选择协议等。,2.3.1 IP数据报头部的格式,图2.3.1 IP数据报的格式,图2.3.2 服务类型字段格式,2.3.2 IP地址,1. IP地址的概念 从概念上来说，地址是系统中某个对象的标识符。在物理网络中，各站点都有一个机器可以识别的地址，该地址称为物理地址（也叫硬件地址或MAC地址）。在互联网中，统一通过上层软件（IP层）提供一种通用的地址格式，在统一管理下进行分配，确保一个地址对应一台主机；这样，全网的物理地址差异就被IP层屏蔽，一般将IP层所用的地址称为互联网地址，或IP地址。它包含在IP数据报的头部。 IP地址指定的不是一台计算机，而是该计算机到IP网络的一条连接。 2. IP地址的格式,图2.3.3 IP地址的格式,3. 子网（Subnet）编码 分类地址存在缺陷。 子网划分技术：是指将较大的分类地址（A/B 类）空间划分成多个小的子网。 子网掩码（32 位）定义地址中网络前缀所占的比特数，高位对应于网络号的比特为1，对应于主机号的比特为0。例如：任意B类网络189.23.0.0，其掩码为：0xFFFF0000（可表示为255.255.0.0）。在网络地址后给出子网掩码中1的位数，如网络189.23.0.0可表示为：189.23.0.0/16。 4. 超网,图2.3.4 包含2048个地址的地址范围,2.3.3 域名系统,在采用TCP/IP协议的因特网中，所实现的层次型名字管理机制叫做域名系统。 为保证域名系统在全球的通用性，国际因特网规定了一组正式的通用标准标号，作为第一级域的域名，如表2.3.1所示。,表2.3.1 第一级域的域名,2.3.4 逻辑地址和物理地址 每个节点的IP地址是该节点的逻辑地址，IP地址是由IP网络层处理的地址。而物理地址是每个节点硬件编码到网卡里的唯一标识，通常叫MAC地址。 2.3.5 地址解析协议(ARP) 如果同一网络上的两台主机想要通信，它们还必须知道对方的硬件地址(MAC或网卡地址)，这样才能使用数据链路层协议将数据包放到帧里，在局部的物理介质上传输。但是，TCPIP应用程序在指定目的主机时通常使用逻辑的IP地址，而不是物理的硬件地址。这样，为了让TCP/IP应用可以使用下层的数据链路层协议，必须有一个过程让发送主机能够获得与目的主机的IP地址相对应的硬件地址。 地址解析协议(ARP)使主机能够动态地获得远端主机硬件地址与IP地址的映射。ARP假设每台主机知道它自己的硬件地址和IP地址。这样，如果一台主机需要知道另一台主机的硬件地址，它简单地向网络上的所有主机广播一帧包含目的主机IP地址的ARP请求。目的主机接收到广播后，识别自己的IP地址，并且向源主机单点发送一帧ARP响应，将目的主机的硬件地址告诉源主机。当发出请求的主机收到目的主机的ARP响应后，它在自己的ARP缓存中存储这个硬件地址到IP地址的映射。ARP缓存的使用避免了主机将来与该目的主机通信时另外的ARP请求。,2.3.6 IP路由选择,1. IP路由选择算法,图2.3.5 IP路由选择的算法,2路由表,图2.3.6 一个典型的用RIP创建的路由表,3. IP路由选择示例,图2.3.7 数据报转发示例的拓扑结构,2.4 TCP协议和UDP协议,2.3.7 IP路由协议 1. 路由选择协议的基本概念 2. 开放式最短路径优先协议(OSPF) 3. 边界网关协议(BGP.4) 2.4.1 传输层地址 传输协议在计算机之间提供端到端的通信。Internet传输层有三个传输协议，分别是传输控制协议TCP、用户数据报协议UDP和流控制传送协议SCTP。 在IP网络中，一个完整的进程通信地址由以下几个部分组成：协议、本机地址、本地端口、远端地址、远地端口。 在TCP/UDP中，端口号用16位二进制数表示。TCP和UDP均允许长达16比特的端口值，TCP和UDP分别可以提供216个不同的端口。 TCP/IP将端口分为保留端口和自由端口两部分，每1个标准的服务器都有一个全局公认的保留端口号，自由端口号动态分配。,2.4.2 传输控制协议(TCP),1. TCP的主要功能： 传输控制协议(TCP)可以向其上各层提供可靠的、基于流的连接。TCP协议承载于IP协议之上，是TCPIP协议的重要组成部分。下面简要说明TCP协议的主要特点： 流：TCP数据组织成字节流，操作流如同操作一个文件。 可靠分发：在收发数据时TCP为数据流提供序列号。这样TCP可以根据序列号的连续性确定数据包是否丢失。另外TCP提供重传机制，保证数据流的可靠传送。 动态适应网络：TCP动态学习网络时延特性，随时调整发送速率，以保证吞吐量最大并且网络不过载。 流量控制：TCP管理数据缓存及相关流量，使数据缓存不会溢出。,2. TCP段的头部结构,TCP段的结构如图2.4.1所示。TCP段由TCP头部和数据两部分组成，是封装在IP数据包的数据部分。TCP头部的长度是4字节的整数倍，包括20字节的固定部分和长度不定的任选部分。,图2.4.1 TCP段的结构,3. TCP连接和释放过程 4.确认与超时重载 TCP建立在不可靠的IP协议之上，IP不能提供任何可靠性机制，TCP的可靠性完全由自己本身实现。TCP采用的可靠性技术主要是确认与超时重传。 5. TCP的拥塞控制 TCP是通过控制发送窗口的大小控制拥塞。决定发送窗口大小的因素有两个：一是接收方所通告的窗口大小(即在确认中所指出的接收缓冲区大小)；二是发送端的拥塞窗口限制，又叫拥塞窗口。发送窗口的大小是两者中的最小者，即： 发送窗口=min(接收方通告窗口，拥塞窗口)。 在非拥塞状态下，拥塞窗口和接收方通告窗口大小相等。一旦发现拥塞，TCP将减小拥塞窗口。,图2.4.3 TCP连接建立的三次握手过程,2.4.3 UDP协议,1. UDP的功能 用户数据报协议(UDP)在RFC768中定义。该协议建立在IP协议之上，同IP协议一样，提供无连接的数据包传输。相对于IP协议，它唯一增加的能力是提供协议端口以保证进程通信。UDP的优点在于高效性。 2. UDP包头封装 源端口：表示发送进程的端口或应答端口，为可选字段。如果传输主机不提供源端口，该域应填0。 目标端口：目的计算机的端口，用于区分目标主机中不同进程。 长度：数据包的长度，包括包头和数据。 校验和：UDP的校验和是可选的。该值为0时表示没有计算校验和。由于IP校验和不涵盖数据域，UDP校验和提供一种途径验证到达的数据包是否包含错误。,2.5 RTP协议和RTCP协议,实时传输协议(RTP)协议实际上包含两个相关的协议：RTP协议和RTCP协议。前者用于传送实时数据，如语音和图像数据。RTP本身不提供任何保证实时传送数据和服务质量的能力，而是通过提供负荷类型指示、序列号、时戳、数据源标识等信息，使接收端能根据这些信息来重新恢复正确的数据流。RTCP协议用来传送监视实时数据传送质量的统计数据，同时可以在会议业务中传送与会者的信息。,图2.5.1 RTP数据的封装结构,2.5.1 实时传输协议(RTP),图2.5.2 RTP头部格式,2.5.2 RTP控制协议(RTCP),图2.5.3 发送者报告SR包的格式,图2.5.4 接收机报告RR包的格式,第3章 语音处理技术,本章首先讨论了影响语音编码算法的几个因素，然后阐释了波形编码和参数编码的基本原理，并详细介绍了在IP电话系统中得到广泛应用的G.729编码和G.723.1编码主要的性能指标及带宽计算，最后介绍了消除时延抖动、消除回声和静音抑制的相关技术。,3.1语音编解码的基本指标,1. 比特率 比特率是选择语音编解码算法的基本因素。降低语音编解码比特率可以减少语音在网络中的流量，以便充分利用网络的带宽资源。在传统电话中使用得最广泛的PCM编码是固定比特率编码，比特率为64?kbit/s。目前我国IP电话系统比较广泛采用的压缩语音编解码是G.729编码和G.723.1编码。G.729编码的比特率为8?kbit/s，G.723.1编码的比特率是6.3?kbit/s和5.3?kbit/s。 2. 时延 时延包含算法时延、处理时延、打包时延、传输时延和抖动缓冲时延。 3. 复杂度 复杂度是指对语音信号编解码时处理的复杂程度。复杂度决定了编解码器硬件的成本和功耗，也影响到编解码器的实时性。 4.语音质量 设计编码器时，要综合考虑语音质量与编码速率(带宽)之间的关系。一般来说，高速率编码算法质量较好，占用带宽大；反之，低速率编码算法质量较差，但占用带宽小。,3.2语音编码的基本原理,3.2.1波形编码 1.PCM编码 (1) 抽样模拟信号在时间上和幅度上都是连续的，通过抽样，将时间上连续的模拟信号变为时间上离散的抽样值。 (2) 量化量化是指用有限个度量值来表示抽样后的信号的幅度值，将信号的幅度值就近归入邻近的度量级。即将幅度上连续的抽样值变换为幅度上离散的量化值。 (3) 编码每个量化值采用数字码字表示就称之为编码。 2. 低速率波形编码技术 (1) 差分编码技术 降低编码比特率的基本思路是利用语音抽样信号之间的相关性。差分编码技术不是对抽样值本身进行编码，而是对相邻的抽样差值进行编码，由于抽样差值较小，所需的比特率可以下降，这就是差分脉冲编码(DPCM)。产生差分信号最简单的方法是直接存储前一次的输入采样值，然后用模拟减法器获得差值，经量化编码后发送出去。这是差分编码技术的基本思想。,(2) 自适应量化 在不同的条件下语音能量的差别很大。为了获得尽可能小的量化信噪比，应该对小信号采用较小的量化步长，对大信号采用较大的量化步长进行量化。这就要求能根据输入信号的幅度变化动态地调整量化步长，使量化器范围和输入信号的动态范围相匹配，减小量化噪声，从而进一步降低编码比特率。这就是自适应量化技术。 (3) 自适应线性预测 差分编码调制之所以能降低比特率是因为它编码的对象是差分信号，其功率较原信号低。由于差分编码采用的是固定预测系数，不能很好地适应语音的不平稳特性，为此必须采用自适应技术动态调整预测系数，才能进一步降低编码比特率。这就是自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)技术。 自适应线性预测的基本原理是根据语音波形的时间相关性确定预测系数，使差分信号的方差为最小，时间相关性则是以自相关函数来度量的。由于语音信号的自相关函数大体是随音节而变化的，也就是在一个音节时间内自相关函数基本不变，只是从一个音节至另一音节时才有较明显的变化，因此自适应预测都采用音节适应算法。,3.2.2 参数编码,1. 参数编码的基本原理 参数编码器又称声码器(Vocoder)，是根据对声音形成机理的分析，着眼于构造语音生成模型，发送的主要信息就是该模型的参数(相当于语音的主要特征)，而不是具体的语音波形幅值。 2. 语音信号产生的数学模型,图3.2.1 语音生成的数字模型,3. 低速率语音编码器减少编码比特率的几种措施 (1) 尽量减少语音信号中的冗余度 (2) 充分利用人耳的听觉特性来减少编码信息 (3) 静音压缩 4. 线性预测合成分析编码器 线性预测合成分析 (LPAS)编码器是应用得最广泛的参数编码器，其原理结构如图3.2.2所示。,图3.2.2 LPAS编码器结构,线性预测合成分析使用的基本算法编码过程如图3.2.3所示。在编码过程中，使用一个闭环优化过程来决定激励信号，然后用这个激励信号去激励一个长时预测合成滤波器和一个短时预测合成滤波器，从而产生一个听觉上优化了的合成语音信号。激励信号是从一个采样数据块中遵循最小均方差的原则选取的，误差信号为原始语音信号与解码语音信号之差，并通过加权滤波器滤波。,图3.2.3线性预测合成分析编码算法的基本流程,3.3 G.729和G.723.1语音编解码器,在我国IP电话系统中采用的编解码器是G.729、G.729A和G.723.1等参数语音编解码器。 3.3.1 G.729声码器 1. 性能特点 G.729编码的主要性能指标有如下几点： 编码比特率：编码比特率是8kbit/s，另外，最近的G.729附件还包含了静音抑制处理； 算法时延：帧长为10ms，由2个子帧组成，前视5ms，算法时延15ms； 处理复杂度： G.729为20MIPS，所需RAM的容量为3k，G.729A的处理复杂度为10.5MIPS，所需RAM的容量为2k； 语音质量：G.729的MOS评分为3.92分，G.729A的MOS评分为3.7分。,2. G.729编码器的结构,图3.3.1 G.729编码器的结构,3. G729编码后参数的比特排列顺序和打包结构,图3.3.2 舒适静音的格式,表3.3.1 G.729编码后参数的比特排列,4. G.729编码数据在因特网中传送时所需带宽估算,G.729编码数据在因特网中是封装在RTP数据包的负载中传送的。RTP数据的封装结构如图3.3.3所示。由图可见，G.729编码数据在IP网络中传送时所占的带宽不仅包含音频编码所占的带宽，还包含RTP头部、UDP头部、IP头部和数据链路层头部所占的带宽。下面在不考虑静音压缩和数据链路层头部所占的带宽的情况下，简单估算一下在IP网络中传送一路G.729语音所占的带宽。 由于G.729编码数据每10ms传送一次，每秒需传送100个语音包，每个语音包都包含12字节的RTP头部、8字节的UDP头部和20字节的IP头部，则每1路G.729语音所占的带宽为 （20+8+12）8100+8000=40000bit/s=40kbit/s ,图3.3.3 RTP数据的封装结构,5. G.729解码器 G.729解码器的结构如图3.3.4所示，其解码过程基本上是编码的逆过程。首先，从压缩比特流中取得各参数的索引，再从这些索引中得出一帧语音的编码器参数，包括LSP系数、2个部分基音延迟、2个固定码本向量、2套自适应和固定码本延迟，这些参数被用来生成激励信号和合成滤波器参数。LSP系数经插值后，形成每个子帧的LP滤波器。然后，对每个子帧进行如下处理： 自适应和固定码本向量乘以各自的增益系数得到激励信号； 激励信号经过线性预测合成滤波器得到重构的语音； 重构后的语音信号经过高通滤波器并乘以相应的比例因子，再经过后置滤波器处理，得到原语音信号。,图3.3.4 G.729解码器,3.3.2 G.723.1声码器,1. 性能特点 G.723.1是双速率LPAS声码器，和G.729相比，线性预测和激励生成的基本原理相同，其主要区别是6.3?kbit/s模式固定码本激励信号的空间划分有所不同。另一点差别是基音预测方法。另外，G.723.1帧较长，比特率较低，其代价是时延加大。G.723.1的复杂度介于G.729和G.729A之间，语音质量和G.729相仿。 2. G.723.1的编码顺序和打包结构,表3.3.3 G.723.1编码5.3?k编码时的比特排列顺序,3. G.723.1编码数据在因特网中传送所需带宽估算 下面在不考虑静音压缩和数据链路层头部所占的带宽的情况下，简单估算一下在IP网络中传送一路G.723.1语音所占的带宽。由于G.723.1编码数据每30?ms传送一次，每秒大约传送33个语音包，每个语音包都包含12字节的RTP头部、8字节的UTP头部和20字节的IP头部，则每1路G.723.1（比特率为6.3?kbit/s）语音所占的带宽为 （20+8+12）833+630016860bit/s=16.86kbit/s 则每1路G.723.1（比特率为5.3?kbit/s时）语音所占的带宽为 （20+8+12）833+530015860bit/s=15.86kbit/s ,表3.3.3 G.723.1编码5.3?k编码时的比特排列顺序,3.4 其他语音处理技术,消除时延抖动的方法 回声消除 静音抑制,图3.4.1 抖动缓存概念,图3.4.2 消抖动缓存器示例,第4章 基于H.323协议的IP电话技术,本章首先介绍了H.323协议栈的结构和基于H.323协议的IP电话系统的结构，说明了IP电话网中主要设备的功能。然后介绍了RAS协议、RADIUS协议、呼叫信令协议H.225.0和媒体控制协议H.245，最后介绍了网关与电话网配合的No.7信令流程、IP电话网络中的非快速呼叫建立流程、快速呼叫建立流程和呼叫释放的流程。,4.1 H.323协议栈结构,H.323协议是一个框架性协议，它由一系列协议组成。图4.1.1给出了H.323协议栈的结构。,图4.1.1 H.323协议栈的结构,4.2 基于H.323协议的IP电话系统的结构,H.323协议是目前在IP电话系统中应用得最广泛的协议，我国的几家主要的IP电话运营商经营的IP电话系统都是基于H.323协议的IP电话系统。IP电话系统的结构如图4.2.1所示。,图4.2.1 IP电话系统的结构,4.2.1 网关,网关位于公用交换电话网与IP网的接口处，它是电话用户使用IP电话的接入设备，是电路交换的终结点也是分组交换的起始点。 网关设备的主要功能是： 1. 接入认证与授权 2. 呼叫处理与控制 3. 语音处理功能 4. 接口功能 5. 计费功能 6. 其他功能,4.2.2 网守,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，在业务量大的地区可根据需要再增加第三级结构，即二级网守。 网守的主要功能如下： (1) 接入认证与授权。 (2) 地址解析。 (3) 支持H.323、H.225、H.245、H.235协议和RADIUS协议。 (4) 带宽管理。 (5) 呼叫控制。 (6) QoS管理功能 (7) 操作维护功能。,4.2.3 计费体系结构 IP电话网的计费和结算系统由结算中心、计费中心、计费采集点组成。按照IP电话网的网络体系结构，结算中心体系也应相应采用等级结构，如顶级结算中心、一级结算中心和二级结算中心。 4.2.4 网络管理中心 网络管理采用集中管理方式，设置网络管理中心完成各项管理功能。网管中心对各个设备进行管理，被管理的设备为网关、网守、计费/认证中心等。网管中心和被管设备之间的网管信息模型采用一致的MIB库，其内容至少包括系统信息、配置信息、告警信息、性能统计信息等。 网管中心应实现的管理功能为配置管理、性能管理、故障管理和安全管理等。,4.2.5 各接口之间采用的协议,1. 网关与电路交换网采用的信令 网关与电路交换网采用的信令有： No.7信令系统的电话用户部分TUP或综合业务数字网用户部分ISUP； PRI接口可采用ISDN用户网络接口信令Q.931； 中国1号信令(数字线路信令和多频互控信令MFC）。 2. 网关与网关之间的协议 （1） 网关与网关之间的信令协议： 呼叫控制信令采用H.225.0呼叫控制协议； 媒体控制信令采用H.245协议。 H.225.0协议和H.245协议在TCP协议支持下工作。 （2） 传送语音信息采用的协议： 语音编码采用G.729A或G.723.1； 语音信息封装在RTP数据包的负载中传送，传输层协议是UDP。 3. 网关与网守之间的协议: 网关与网守之间的通信协议采用注册、许可和状态协议RAS，RAS协 议在UDP协议支持下工作； 在网守转发信令模式时，在网关和网守之间传送呼叫控制信令，采用H.225.0呼叫控制协议。,4. 网守与计费/认证中心之间的协议 网守与计费/认证中心之间的通信采用授权、认证和计费协议RADIUS。 5. 各设备与网络管理中心的协议 由于目前大部分与IP有关的设备只支持简单网络管理协议SNMP，所以网管接口选择SNMP协议。 4.2.6 H.323系统的地址 在H.323系统中采用了以下类型的地址： (1) 网络地址 每个H.323实体（如网关、网守）至少有一个网络地址（IP地址），它可以唯一标识网络上的H.323实体 (2) TSAP标识 TSAP是传送层业务接入点，引入TSAP标识的目的是使单个H.323实体上的多个传送连接共享一个网络地址，它与TCPUDPIP环境下的端口号十分类似。对于每一个网络地址，每个H.323实体可以有多个TSAP标识。一些TSAP标识是静态分配的，如端点的呼叫信令通路TSAP标识、网守的RAS通路TSAP标识等；而H.245控制通路、音频通路、视频通路、数据通路的TSAP标识则是动态分配的。 (3) 别名地址(Alias) 端点可以有一个或多个与它相关的别名地址，一个别名地址可以描述端点或描述端点召集的会议。别名地址为端点寻址提供了另一种方式。别名可以有多种形式，如E.164号码、H.323标识等等，但无论用什么形式，别名地址在一个域内必须唯一。,4.3 信令协议,4.3.1 注册、许可和状态协议(RAS) 在IP电话系统中，RAS协议主要用于网关和网守之间的通信。网关可利用RAS信令搜寻其归属网守，向网守登记其自身信息，主要是别名和呼叫控制信道运输层地址；在呼叫开始时向网守查询用户的权限，要求网守完成地址翻译，给出被叫网关的地址，为呼叫分配带宽；在呼叫结束后将计费信息报告网守等。网守之间也可利用RAS信令交换地址解析信息。RAS消息在UDP协议支持下工作。 1. 主要的RAS消息 RAS消息有以下几组，通常每组有三个消息：请求(Request)、证实(Confirm)和拒绝(Reject)。,(1) GRQGCFGRJ查找关守及响应 (2) RRQRCFRRJ登记请求及响应 (3) ARQACFARJ接入请求及响应 (4) DRQDCFDRJ断开连接请求及响应 (5) LRQLCFLRJ定位请求及响应 (6) IRQIRR信息请求与响应 (7) BRQBCFBRJ带宽请求及响应 (8) URQUCFURJ注销登记请求及响应,2. 信令过程 (1) 查找网守和网关注册 网关查找网守和注册的流程如图4.3.1所示。 (2) 接入认证与地址解析,图4.3.1 网关查找网守和注册的流程,4.3.2 接入认证、授权和计费协议,1. RADIUS数据格式定义 RADIUS数据包的格式定义如图4.3.2所示。每个RADIUS数据包都有一个长度固定的包头，包含编号、标识符、数据包长度和认证字段。数据包的内容为一个或多个属性字段。,图4.3.2 RADIUS数据包的格式定义,(1) 编号：编号字段占一个字节，用来说明数据包的类型。 (2) 标识字段：1Byte，用于请求和响应间的匹配，一次交互中的请求和响应具有相同的标识字段值。 (3) 长度字段：2Byte，表示包括代码、标识、长度、认证和属性字段在内的长度。 (4) 认证字段：16Byte，用于验证服务器的响应和密码隐藏算法。 (5) 数据包的内容：包含一个或多个属性，每一个属性数据的格式都由类型、长度和值三部分组成，属性数据格式定义如图4.3.3所示。,图4.3.3 属性数据的格式,2. 在IP电话中常用的RADIUS数据包 (1) 接入请求(AccessRequest) 当代码域的值为1时，该包是接入请求包。接入请求包由客户端发向RADIUS服务器，传递的信息用于用户身份的认证。当从一个有效的客户端得到一个接入请求包时，服务器要作出相应的响应。 (2) 允许接入(AccessAccept) 允许接入包由服务器发向客户端表明身份认证通过，允许用户接入。当客户端收到允许接入包后，首先要认证包的认证域，确认包的有效性，如果无效，包会被丢掉。允许接入包中代码域的值是2，标识域的值同请求包中的一样，包中的认证域是经过MD5加密的16位的字符串。 (3) 拒绝接入(AccessReject) 当身份认证失败，服务器向客户端发出拒绝接入包。拒绝接入包中代码域的值是3，标识域的值同请求包中的一样，包中的认证域是经过MD5加密的16位的字符串。 (4) 计费请求(AccountingRequest) 计费请求包由客户端发向RADIUS计费服务器，提供计费信息。如果完成了计费信息的记录，服务器会发给客户端一计费响应包，否则不作任何响应。计费请求包中代码域的值是4，标识域是一个唯一的数，与此对应的响应包的标识域的值同这个值一样。包的认证域是一个16位的随机数，不同的标识号对应于不同的随机数。 (5) 计费响应(AccountingResponse) 计费信息记录完成后，服务器发给客户端一个计费费响应包。计费响应包中代码域的值是5，标识域的值同请求包中的样；包中的认证域是经过MD5加密的16位的字符串。,4.3.3 呼叫信令协议H.225.0,1. 呼叫信令协议的结构 呼叫信令协议H.225.0是H.323系统的核心协议之一，主要用于呼叫控制。在任何呼叫开始之前，首先必须在端点之间建立呼叫联系，同时建立H.245控制信道，这是H.225呼叫信令协议的主要功能。H.225.0呼叫控制消息是基于TCP进行传送的。,图4.3.4 ISDN用户网络接口信令协议的分层结构,2. 呼叫信令消息 呼叫信令消息用于呼叫建立、释放等过程。呼叫信令消息的内容、格式主要采用Q.931消息。Q.931消息的结构如图4.3.5所示。,图4.3.5 Q.931消息的结构,4.3.4 媒体控制协议H.245,1. 媒体控制协议H.245的主要功能 H.245是H.323系统的另一个核心协议，用于媒体信道控制。包括能力交换，打开关闭逻辑信道、模式选择和流量控制等功能。 2. H.245消息 (1) H.245消息分类 (2) 在IP电话系统中常用的消息 终端能力集请求消息TCS/证实消息TCSA/拒绝消息TCSR 打开逻辑通道请求OLC/响应OLCA消息/拒绝消息OLCR 关闭逻辑通道CLC请求/响应CLCAck消息 结束会话消息ESC（End Session Command）,3. H.245信令过程 (1) H.245的能力交换 (2) 打开逻辑通路信令过程 节点A和节点B之间建立单向逻辑信道的流程如图4.3.6所示。 节点A向节点B发送打开逻辑信道消息OLC，设该消息的参数为： 前向逻辑通道的通道号=1； RTP会话ID=5； 前向逻辑信道参数为：媒体类型=G.729音频； 接收RTCP接收者报告RR的RTCP端口号=7771； 使用静默抑制。 节点B同意建立该逻辑信道，回送打开逻辑信道响应消息OLCA，该消息的主要参数为： 前向逻辑通道的通道号=1； 接收媒体信息的RTP端口号=9344； 接收RTCP发送者报告SR的RTCP端口号=9345。 ,图4.3.6 节点A和节点B之间建立单向逻辑信道的流程,4.4主要的信令过程,4.4.1 PSTN（ISDN）与网关的信令配合 1. 网关与PSTN采用电话用户部分信令时的信令流程 (1) 交换机至网关正常呼叫处理流程 对于记账卡方式业务，呼叫处理流程如图4.4.1所示。,图4.4.1 记账卡方式业务呼叫处理流程（TUP）,对于主叫号码方式的IP电话业务来说，当用户输入接入码(以二次拨号为例)时，如果交换机发送IAM，那么网关应后向发送GRQ消息，向交换机请求主叫用户号码，交换机应将主叫号码放在GSM中传给网关。如图4.4.2所示。 (2) 网关至交换机正常呼叫处理程序 当被叫用户是电话网内的一个普通用户时，呼叫需要通过IP网再连接到电话网。此时的呼叫流程如图4.4.3所示。,图4.4.2 ZK(主叫号码 方式的信令流程（TUP）,图4.4.3 ZK(网关至交换机 正常呼叫处理程序（TUP）,2. 网关与PSTN采用ISDN用户部分信令时的信令流程 (1) 交换机至网关正常呼叫处理程序 对于记账卡方式业务，信令流程如图4.4.4所示。 对主叫号码方式的IP电话业务，当用户输入接入码(以二次拨号为例)时，如果交换机发送的IAM中不包含主叫用户号码，那么网关应后向发送INR消息，向交换机请求主叫用户号码，交换机收到请求消息后，应将主叫号码放入INF中送给网关。如图4.4.5所示。,图4.4.4 记账卡方式 业务信令流程（ISUP）,图4.4.5 主叫号码方式 的信令流程图（ISUP）,(2) 网关至交换机正常呼叫处理程序 当被叫用户是电话网内的一个普通用户时，呼叫需要通过IP网连接到电话网。网关至交换机的呼叫流程如图4.4.6所示。 3. 网关与PSTN（ISDN）采用PRI接口时的信令流程 交换机至网关的正常呼叫建立和释放流程见图4.4.7。,图4.4.6 网关至交换机 正常呼叫处理程序（ISUP）,图4.4.7 交换机至网关的正常 呼叫建立和释放流程（Q.931）,4.4.2 在IP电话网中的信令流程,1. 呼叫建立的几个阶段 采用H.323技术的商用IP电话网络中，通信的建立采用呼