（通信与信息系统专业论文）基于voip技术的模块化接入设备的研制.pdf

辩东葳空筑天大学硬士学位论文 摘要 ￥o l p 怒势在l p 嬲络中送行诱誊转赣瓣技术。本谈题以垒监缀v o i p 按謇受纂戳，辑割嚣发了一兮鬃残化、耀终诧垒渡痰帮专惩邋德系绫浆壤 块化接入设备。该接入设备既可作为系统的用户终端，也酉作为转接设备， 它配置予外部模拟避傣设备与以太嘲的接口处，完成网络接黝、离散控制 信号转袋、谮音鼗字纯以基多爨溪蠢合蔽熬功戆。零文密黯v o i p 疆零辩 特熹及俄势遴露了练述之后，缓遮了该集藏遴债系统嚣耩粲隧及模块倔接 入设备的总体性能指标，详细介绍了模块化接入设备的研制方案。在系统 硬譬 聱分，主要讨论了餐嫒搏筑藏模埃及羧弱黪设计秘蜜联。在系绞教捧 郄分，依据数据交羧熬过程，分爨次潮述了整个设套豹簿大部傍款待( 主 机软件和d s p 软件) 的设计原理和辫法思路；随聪论文探讨了在使用v o i p 技术进行模块他接入设备的研制过稷中所遇到的关键技术问题，以及在蒸 察凌孛掰采塌弱缮凌方滚。囊瓣，为避一多爨罄该模块缘接入设备鹁洼裁 稳岛了一鏊浚迸设慧。 搂入 关键翊：v o i p ，溪鬻遂售，蕊教售号按剿，嶷裁逶蕊聚绞，撰块佬 蒸，v o i p 技术的模块化按入设备的研制 a b s t r a c t v o l pi st h e t e c h n o l o g yt h a t l e t sg ov o ic e t h r o u g hi pp a c k e t s a n d ，i nd e f i n i t iv e t h r o u g hi n t e r n e t t h i s p a p e rp r e s e n t s t h e a r c h i t e c t u r eo fm o d u l a r iz a t i o ni n t e r f a c ee q u i p m e o ta sav i t a lp a r t o fa n i n t e g r a t e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi ne n t e r p r i s es i z e ，w h i c h p r o v i d e db yc e r t a i ne n t e r p r i s e ，a n dw h i c hb a s e sn ot h e t e c h n o l o g y o fv o i pi ne n t e r p r is es i z e i ta c t sa sat e r m h a lo ft h i ss y s t e m o ra ni n t e r f a c e1i n k i n gt h ea n a l o go o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n ta n dt h e e t h e r n e t ，t of u n c t i o no fn e t w o r ki n t e r f a c e ，d i s c r e t es i g n a lp r o c e s s ， v o ic ea d ，d aa n dm i x t h i sp a p e rf i r s to u t l i n e st h ec h a r a c t e r i s t i c a n d a d v a n t a g e o f v o l p ，f o l l o w i n g a d e s c r i p t i o no ft h is s y s t e m in f r a s t r u c t u r ea n dt h ee q u i p m e n t ，a tn e x t f o c u s i n go nt h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r eo ft h ee q u i p m e n t t h ed e s i g no fh a r d w a r ep a r t sa n dt h e a p p l ic a t i o no fin t e r f a c e si nt h ee q u i p m e n ta r ei n t r o d u c e di nd e t a i l i nh a r d w a r es e c t i o n ，a n dt h es o f t w a r ed i v i d e di n t ot w om a i n l yp a r t s i se x p o u n d e dl a y e r e da c c o r d i n gt ot h ep r o c e s so fd a t at r a n s f e ri n s o f t w a r es e e ti o n a n d t h e n p r o v i d e st h et e c h n 0 1 0 9 y p r o b l e m s i n v o v e di nw h e n c a r r y i n go u t t h e s y s t e mo fv o l pa n ds o l u ti o n s a d o p t e di nt h ee q u i p m e n t 。a tl a s t ，s o m es u g g e s t i o n sa b o u ti m p r o v i n g t h i ss y s t e ma r eg i v e n k e y w o r d s ：v o l p ， v o i c e c o m m u n i c a t i o n ，d is c r e t e s i g n a l i n t e g r a l ，e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，m o d u l a r i z a t i o ni n t e r f a c e 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文 中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作 做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的 复印件，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 曰期： 銎辫 2 丝：2 ：弓 基于v o l p 技术的模块化接入设备的研制 注释表 v o i pg o i c eo v e ri n t e r n e tp r o t o c o l a a a s i p p t t d s p h p i p c i m o s q o s v l i l i p 语音 a u t h e n t ic a t i o l l ，a u t h o r i t ya n da c c o u n t i n g认证、授权、计费 s e s s i o ni i i i t i a t i o np r o t o c o l p u s ht ot a l k d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o y h o s t p o r ti n t e r f a c e p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t m e a no p i n i o l ls c o r e q u a li t y0 fs e r v ic e 会话初始化协议 即按即说 数字信号处理器 主机接口 外围部件互连 平均判分 服务质量 南京航空航天大学硕十学位论文 绪论 v o i p ( v o ic eo v e ri n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 又称i p ( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 电话或i p 网络电话，是一种在i p 网络中进行语音传输的技术。这种技术 不但实现了与普通电话系统相同的功能，而且还具有比普通电话更多的优 势。它首先在发送端对模拟的语音信号进行编码数字化、压缩处理成压缩 帧，再转换为i p 数据包在i p 网络上进行传输，然后在接受端将收到的数 字化的语音转换为模拟的语音信号，从而达到了在i p 网络上进行语音通 信的目的。 v o i p 最大的优势是能广泛地利用已建成的网络环境，提供比传统业 务更多、更好的服务，具有低成本、高灵活性、高效率的等优点。v o i p 技术不但能为企业减少基础设施组件费用，而且可以降低布线的复杂性， 并能增加一些附加的数据业务，v o i p 可以在i p 网络上便捷地传送语音、 传真、视频和数据等。从而达到提高公司的管理效率、降低运作成本的目 的。目前，在越来越多的跨国公司、大中型企业、政府机关、金融、证券 行业、军队、电力行业、远程教育机构中得到广泛应用。由于v o i p 在广 域网中的应用比较复杂，在这就只针对v o i p 在局域网中的应用进行讨论。 本文将以v o i p 技术在某企业专用通信网中的应用为基础，介绍该技 术在该企业局域网内的具体实现，并着重讨论该实例中的关键设备一一模 块化接入设备的研制。将分下面几个章节进行讨论。 第一章对v o i p 技术作了一个简要的综述。第二章描述了某单位利用 v o l p 技术实现的企业级专用集成通信系统以及系统中的模块化接入设备 的整个框架及性能要求。第三章详细讨论了模块化接入设备的硬件设计及 实现方法。第四章详细描述了模块化接入设备的软件实现方法。第五章主 要探讨了在具体实现该模块化接入设备过程中所遇到的一些v o i p 技术问 题以及在该接入设备中所采用的解决方法。第六章为进一步完善该模块化 接入设备提出了一些改进设想以及v o i p 技术未来发展的展望。 该模块化接入设备作为外围模拟通信设备到企业内部网络的转接模 块，实现了多种模拟语音、离散信号与网络间的数据转换。整个设备大致 由硬件和软件两大部分组成。设备硬件包括：语音模块、离散信号模块、 d s p 模块、p c i 总线接口和网络设备等；设备软件包括：d s p 软件、e p l d 配置软件和主机软件等。 基于v o i p 技术的模块化接入设备的研制 第一章v o lp 技术综述 近：年来，随着计算机技术，特别是网络技术的不断发展，电脑给个 人的工作、生活以及公司、社会的发展带来了前所未有的方便。i p 技术 的一系列优势包括接入成本低、以及其无可比拟的灵活性，已在互联网短 短的十几年迅猛发展中得到体现：另一方面，任何一个企业在今天不论其 从事的是何种行业，联系与沟通对企业内部还是外部而言都极为重要， 几乎所有的企业都会有自己的电话通信系统。如何利用现有的网络资源， 来实现灵活多变的而低廉的语音通信服务呢? 答案就是v o l p 。它可以为 大众提供了一种实惠的通信服务业务。它以i p 网络为基础，对语音进行 压缩编码、打包分组、分配路由、存储交换、解包解压等交换处理，完全 可以替代以电路交换方式为基础的传统电话网来实现语音通信。它促进了 网络资源利用，降低了语音业务成本，因此在全球范围内得到了迅速的发 展，可以说是当今世界上发展最快、普及最快的一门网络应用服务技术之 一，也是计算机网络界关注的热点之一。而这一切都是有着深刻的时代背 景的，并且是以v o i p 技术特点为支撑的。 1 1 产生背景及优势 v o i p 技术在短短的几年间得到了非常迅速的发展。i p 电话从当初的 p c 到p c 发展到今天的p c 到p c 、p c 电话、电话到电话等多种业务形式。 而i p 电话为什么会在这样短的时间里引起全球电信界及用户的关注呢? 并且诈在对传统的通信方式形成越来越大的威胁。市场的需求应该起着巨 大的推动作用，而信息技术的发展又使其成为现实。 首先是存在着用户对降低通信费用、增加服务种类的需求。这些用 户除普通的个人用户外，还包括企业用户，如跨国公司、大中型企业、政 府机关、金融、证券行业、军队、电力行业、远程教育机构等。传统的电 话业务以电路交换的结构为基础，最大缺点是只能够在专用的网络上进行 传输，专网专用，通话双方之间的电路被独占。所以传统电话业务的成本 较高，并且其业务范围也受到了地域的限制。大、中型单位一般具备自行 管理的p b x 系统，提供内部话音服务，p b x 系统与电信p s7 f n 网互连，实 南京航空航天大学硕士学位论文 现与公众网的交互，长途中继采用电信线路。小型单位直接采用电信租用 线路，实现话音业务。这些原有的方式存在长途话费昂贵、各类智能业务 依靠电信提供，无法实施行业内部的诸如语音e - m a i l 等智能话音业务的 问题。于是这种新需求催生了新技术。 另外还有三网合一的需求。基于电路交换的结构，使得p s t n 电路数 量庞大，结构复杂，成本高，补充新业务复杂；计费复杂，交换机问互通 性问题严重，也由此带来业务提供商之间的互联困难。从现实情况来看， 在电信数据业务中，i p 业务已占相当大的一部分，可以说数据承载网业 务已基本i p 化。电信网、广播电视网、计算机互联网的三网融合是一个 必然的趋势，而v o i p 技术就成为这一趋势的典型应用。在可见的未来， i p 电话将逐步取代传统电话，并最终完全实现整个系统的i p 化； 其次是国内、国际运营商对抢占通信市场的需求。技术革新带来的 市场潜力，必然吸引众多传统和新型的电信公司加入到v o i p 技术的研究、 开发和经营的队伍中。 近些年来，计算机技术及网络技术相关领域的硬件、软件等的迅速 发展和技术突破，使得v o i p 技术取代现有的通信方式的可能性成为现实。 具体而言这些技术包括有：高级专用集成电路、先进的数字信号处理器 ( d s p ) 、i p 传输技术、宽带接入技术、中央处理单元技术( c p u ) 、协议及 标准的制定等等”3 。这些领域内的技术进步和发展为创建个更有效、功 能更强、更加人性化的v o i p 技术起着重要推动的作用，推动v o i p 技术向 更高层次的发展，同时也促进了整个行业的发展。 v o i p 技术就是这种趋势下的产物，作为一项新兴的技术，它能较好 地满足各方面的需求，所以在近几年得到了长足的发展。目前，v o i p 技 术已经比较成熟，各个设备制造商也已推出i p 电话网关产品，众多电信 运营公司也f 在大规模地发展i p 电话业务，以吸引更多的普通用户。而 另一方面，在越来越多的企业中，v o i p 技术也得到了广泛应用，采用比 传统的系统更具优势的方式，实现机构内部的语音、传真、视频和数据业 务。而v o i p 的这些优势主要体现在以下几个方面： 1 网络带宽的利用率高，降低了通信的费用 传统的电话网是以电路交换方式为基础的，是一种面向连接的联网 方式，用户在通话的全部时间内始终占用端到端的固定传输带宽 6 4 k b i t s ，因而效率较低。而基于i p 分组交换网络的v o 【p 采用存储转发 技术t 是无需连接的，它对模拟的语音信号进行转换及压缩处理，使得侮 基于v o i p 技术的模块化接入设备的研制 个普通电话传输速率约占用8 l l k b i t s 带宽，因此在相同的带宽下，i p 电话数是原来的5 8 倍。v o l p 技术能极大的改善网络带宽的利用率，大 大降低通信的费用。它的广泛应用也促进了宽带多媒体的应用和发展。 2 统一的网络基础设施 v o l p 是基于以太网的，所以可以利用现有的网络设施实现单一布线 系统和单线到桌面，从而使用户的网络基础设施投入成本大大降低；同时 可以将企事业单位内部的局域网和电话网合一，减少了对各个独立系统维 护的投入，使运作管理成本降低，也使通话费用大大降低。 3 简单的终端设备维护及使用 由于网络电话是基于i p 地址的终端设备，其电话号码是与网络地址 一一对应，丽这个网络地址跟设备的物理地址是不相关的，当用户需要调 整设备的物理位置时不需要对系统配置作任何调整，只需要将网络电话 机插入网内的任何位置的网口( 如r j 4 5 ) ，而其电话号码仍保持不变。同 时对某个设备的添加、删除也非常简单，而不会影响到其他设备和整个系 统，这也使得系统具有良好的故障隔离效果。从而使网络电话系统的管理 维护的复杂度大大降低，有效的节省了运营维护成本。此外网络电话机适 用广泛的网络环境，与普通电话的使用习惯也是一致的。 4 可扩展的业务 对于系统业务的扩展( 比如增加多媒体服务) ，只需修改或是加入 相应的软件，便可以灵活地提供各种服务功能，而不需要对整系统进行更 改。而这些在传统的电话系统中是很难做到的。 s 灵活且可扩展的网络部署 在网络内部署网络电话非常灵活，只要网络可到达的地方，就可以 方便的部署网络电话系统。同时，网络电话还可以在无线局域网络上运行。 企业的小型分支结构只需要部署网络电话而不需要部署p b x 系统，即可实 现话音系统的统一管理。较大型的分支结构间，i pp b x 可通过企业的广域 数据网络进行语音交换，可节省企业的长途电话通信费用。 6 网络资源分配灵活 南京航空航天大学硕士学位论文 v o l p 产品支持内建代理服务功能，配合代理服务，可以实现局域网之 f 司和局域网内部i p 电话的互通；i p 电话可以分配保留私有网络ip 地址， 而不占用公网i p 资源，使应用和组网更加灵活。 7 网络的巩固性强 i p 网络具有节点分散，路由可选的特性，这就使得v o i p 具有故障点 自动排除的功能。从而可以保证系统在出现局部问题下的服务质量。 8 具有加密和防窃听功能 传统的通信方式灵活性较差，所以要对数据进行安全管理比较难。 而在i p 网络中，权限管理，加密以及保持数据的完整性都比较容易实现。 这对保障政府机关，银行和大型企业等重要集团用户的网络语音通信安全 有着十分重要的意义。 目前v o i p 在技术上大致经历了技术突破期( 1 9 9 5 1 9 9 6 ) 、发展期 ( 1 9 9 6 一1 9 9 9 ) 、成熟期( 2 0 0 0 ) 几个阶段“3 。目前，i p 电话已经进入成 熟期，其使用者越来越多，应用范围也越来越广泛。随着市场的进一步扩 大，技术的逐步提高，i p 电话将更加完善，不但各种服务质量将进一步 提高，服务的种类也将进一步增加。 1 2v o i p 结构原理 v o i p 技术发展到今天，其系统结构已经比较规范，下面就一些典型 的例子对其结构原理进行讨论。 1 2 1 系统解决方案案例 下图1 1 是思科( c is c o ) 公司提出的一种i p 电话系统的典型解决 方案，主要采用思科公司的网络设备构成，其中的呼叫管理中心完成了呼 叫过程的处理功能8 3 嘲。 基于v o i p 技术的模块他接入没备的磺制 图1 1思科公司i p 电话系统的典型解决方案 箕体系结构变簧出戳下a 个部分组成： l p 网络萋硪墩施一一毽旗语音鼹关、交换杌、鼹澎器以及一憋辩络 管理系统等。 邂信终端一一每个用户设罄就代表了邋信终端，它可以是一部桌面 毫落，毪可 美是逶行在令人惑瓣嚣一个较绛奄诿。 p 毫话不臻销青逮 话的所有功能，还提供其它特性，例如能接入w e b 站点，提高生产效率。 孵叫处理代理一一这一部分是思科公司该方案中的呼叫处理的核 心。爝户可以根攒公司魏援模、地理分囊及动麓要衷，姆愚科弱蜉潮管理 中心配饕成集中呼嘲处理模式、分散模式戏楚两者静缀舍。在集中部署模 式中，思科的呼口q 管理器将把念业电话特性和功能扩展到网络中的分组电 话网设备，例如i p 电话、媒体然理设备、v o i p 网关和雾媒体应用。 羧摇愚辩a v v i d ( c i s c oa r c h i t e c t a r ef o rv o i e e ，v i d e o ，a n d i n t e g r a t e dd a t a ) 的定义，i p 电话应用在物理上独立于呼叫处理和话音 处理藻础设施，丽且可以驻留猩网络的任愆位置。统一的网络基础设施不 毽能为可以提高，羔产效率豹善葶孛痊弱提供开放式乎台，还能为将继续瞧遵 企业通信发展的来著乏综合应丽髓定坚实静麓磷。 下图1 2 是举为3 t o m 公铡为企业用户提供的v o i p 解决方案例予。 6 南京航空航天大学硕十学位论文 图1 2华为3 c o m 公司针对的金融行业v o l p 语音解决方案 华为3 t o m 公司针对不同的企业提供不同的智能化语音解决方案，采 用其提供的综合访问管理服务器( c a m s ) 作为语音网安全设备的核心，可 以实现企业语音网的安全性保障。在v o i p 接入设备的选择上，在总部、 省、地市等大、中型机构，可采用华为3 t o m 公司系列语音网关设备，采 用i p 电话旁路的设计思想作为v o i p 主要建设思路：而对于在各地拥有分 支机构的中小企业，可视实际情况灵活选用网关与i a d 、i p 电话、p cp h o n e 等相结合的方式建设，整个系统简单易用，降低了企业维护的难度，而且 不仅可以充分利用企业原有的通信网络、各分机的拨打方式不变，还可以 大幅度的节省企业在通信费用上的开支。 1 2 2v o i p 的系统框图 从前面的例子中可以看出，目前v o i p 系统一般由i p 电话终端、网 关( g a t e w a y ) 、网守( g a t e k e e p e r ) 、网管系统、计费系统等几部分组 成6 川。 基于v o l p 技术的模块化接入设备的研制 网守a a a 服务器 图1 3v o i p 系统的基本框图 i ) 电话终端：包括传统的语音电话机、p c 软件电话、i p 电话机，也 可以是集语音、数据和图像于一体的多媒体业务终端。最初v o i p 方式终 端的实现方式主要是p c 到p c ，利用i p 地址进行呼叫，而现在已经发展 到了电话到电话的通信，即普通电话经过电话交换机连到i p 电话网关， 用电话号码穿过i p 网进行呼叫。对于电话到p c 或是p c 到电话的情况， 是由网关来完成i p 地址和电话号码的对应和翻译，以及话音编解码和打 包。 语音网关( g a t e w a y ) ：主要功能是提供与p s t n 网连接的中继接口 以及与i p 网络连接的接口，即实现p s t n 侧与i p 侧的协议转换，分别由 v o l p 信令接口和p s t n 信令接口完成：提供映射和转换在i p 域里的媒体 ( 如在r t p 、u d p 、i p 上传输的媒体) ，以及p s t n 域里的媒体，如p c m ， 前者由v o i p 媒体接口完成，后者由p s t n 媒体接口完成。也提供信令处理 功能，如语音压缩、网络回音消除、加密等。提供实时的呼叫控制和连接 控制功能，管理对呼叫有用的网络层资源，比如i p 网络带宽。 一个典型的通话过程就是：网关负责把模拟信号转换为数字信号并 压缩打包，成为可以在因特网上传输的i p 分组语音信号，然后通过因特 网传送到被叫用户的网关端，由被叫端的网关对i p 数据包进行解包、解 压和解码，还原为可被识别的模拟语音信号，再通过p s t n 传到被叫方的 终端。 网守( g a t e k e e p e r ) ：主要功能是为网关和终端提供呼叫控制服务， 实现用户认证、地址解析、带宽管理、路由管理、安全管理、数据库管理 和备份以及区域管理等等。网守实际上是i p 电话网的智能集线器是整 个系统的服务平台，负责系统的管理、配置和维护。 a a a 服务器：a u t h e l 3 t ic a t i o n ( 认证一验证用户是否合法用户) ； 南京航空航天人学硕士学位论文 a u t h o r iz a t i o n ( 授权一授权用户可以使用的网络服务，如可用的带宽、 时长、服务等) ；a c c o u n t i n g ( 统计一记录用户使用网络的情况，包括使 用时间、流量、服务类别等，此统计数据作为计费的依据) 。 1 3 基本传输原理 传统的电话网是以电路交换方式传输语音，通信双方须建立起一条 物理通路后才能通信。而v o i p 是以i p 分组交换网络为传输平台，对模拟 的语音信号进行数字化、压缩、打包等一系列的特殊处理，使之可以采用 无连接的u d p 协议进行传输“3 。具体的数据传输模型如图1 4 所示。 图1 4v o l p 数据传输过程 从图中可以看出v o i p 设备是如何把语音信号转换为l p 数据流，并 把这些数据流转发到目的地，目的地又把它们转换回到语音信号的。这个 过程是双向的，即：源端也是对方的目的端，目的端也是对方的源端。根 据流程中实现功能的不同，可以简单地将v o i p 的传输过程分为下列几个 阶段。 1 3 1 模拟语音数字化 原始的语音信号是模拟波形，要通过i p 方式来传输语音，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采样量化，然后 将形成的p c t t 码送入到缓冲存储区中，然后以特定的帧长进行压缩编码处 理，形成一个个的语音帧。帧长的大小是与延迟、压缩编码紧密相关的。 这个过程可以使用各种语音编码方案来实现，目前，语音编码方案主要的 有i t u t 定义的g ，7 2 9 、g 7 2 3 ( g 7 2 3 1 ) 等。如g 7 2 9 就是一种很好的 算法，它可将经过采样的6 4 k b s 话音以几乎不失真的质量压缩至8 k b s ， 而延时小于l5 毫秒。是网络语音采用较广泛的一种编码方法。源和目的 地的语音编码器必须采用相同的算法，这样目的地的语音设备才可以还原 模拟语音信号。 霉害 广窭 罱墓 基于v o l p 技术的模块化接入设备的研制 1 3 2 语音分组 语音信号编码后，将连续的几个语音帧合成个压缩的语音包送入 网络处理器。网络处理器再为语音包添加包头、时标和其它信息，然后通 过i p 网络传送到另一端。语音网络简单地建立通信端点间的物理连接， 并在端点间传输编码信号。i p 网络不会形成连接，而要求把数据放在可 变长的数据包或分组中，然后给每个数据包附带寻址和控制信息并通过 网络发送。 13 3 打包传送 所有的语音数据包在从源端到目的端的途中要经过许多路由和交 换，需要通过网络中的链路一站一站地转发，然后才能到达目的地。网络 中的中间节点检查每个i p 数据包附带的寻址信息，并使用这个信息把该 数据包转发到目的地路径上的下一站。由于i p 协议是为各种不同的网络 互联而设计的，与专用网相比它含有许多复杂的处理过程，它要求将一个 包封装到另外一个包中，而且数据在传输的过程中还要经过再打包、重寻 址和重新封装等过程。所以这一过程也会给数据传输带来一些不可预知的 延时及错误等等。这也就需要一些特殊的机制来保证通信服务的质量。 1 34 解包及解压缩 目的地的v o i p 设备接收到i p 数据包后，就开始进行解包等一系列 的处理。接收端的网络设备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，缓冲器的大小是可以设定。小的 缓冲器产生延迟较小，但不能调节大的抖动。由于各个包在传输过程中经 过了不同的路由，所以它们到达目的地的顺序有很大差别，因此接收端应 将先达到的包放到存储器里一段时间以后，等待后达到的包。当每个包到 达目的地主机( 网关、服务器或用户计算机终端) 时，要检查该包的序号并 将其放到正确的位置，然后用一个解压缩算法来尽量恢复原始信号数据， 这时通过利用时钟同步及时延处理技术来填充由发送端处理过程中导致 的空缺，或是由网络传输错误导致丢失的语音包。 1 3 5 数字语音转换为模拟语音 接下来解码器将经解压缩语音包进行解码处理，产生新的语音帧， 这个模块也是按帧进行操作的，完全和解码器的长度相同。数据经过解码 南京航空航天大学硕士学位论文 后，还原为p c m 码，这样形成的p c m 流就可通过音频设备播放话音。播放 设备将缓冲器中的语音样点取出送入模数转换设备，通过扬声器按预定的 频率( 例如8 k l q z ，即源端的采样频率) 播出。 简而言之，语音信号在i p 网络上的传送要经过语音数字化、数字语 音编码分组、语音包通过网络打包传送、语音包解包、解压缩过程及数字 语音还原到模拟信号等几个过程。在这个过程中，语音包通过网络打包传 送这个阶段是最不稳定的，因而带来的问题最多。在系统中采取的诸多保 证通信质量的技术，往往是为了弥补它所带来的问题的。 1 4v o i p 技术标准 1 4 1 现有主要标准 v o i p 技术作为一种新技术，为了在现有通信网络上进行多媒体应用， 并得到各方面的认可和应用，就必须遵循一些标准。目前在国际上，应用 的标准主要有两个，一是国际电信联盟( i t u - t ) 提出的h 3 2 3 标准，二是 因特网工程任务组( i e t f ) 提出的s i p 协议。这二者是完全平行的，它们 所要达到的目是致的一一构建i p 电话网，但使用的方法不同，因此它 们是不可能互相兼容的，二者之间只是存在互通的问题。1 国际电信联盟的h 3 2 3 建议是为多媒体会议系统而提出，并不是为 i p 电话专门提出的，只是i p 电话，特别是电话到电话经由网关的这种i p 电话工作方式，可以采用h 3 2 3 建议来完成它要求的工作。因而h 3 2 3 建 议被“借”过来作为i p 电话的标准。通过一系列的标准和协议，h 3 2 3 形成了一个完整统一的系统，支持包括音频、视频和数据会议的多媒体通 讯，规定了不同的音频、视频或数据终端协同工作所需的操作模式。h 3 2 3 基本上是一种兼顾传统呼叫流程和i p 网络特点发展而来的成熟的开放标 准体制。它提供了一种集中处理和管理的工作模式，这种工作模式与电信 网的管理方式是适配的，并且吸取了许多电信网的组网、互联和运营经验， 能够与p s t n 网，以及其他数据业务和应用网互联互通。采用h 3 2 3 技术 体制，v o i p 运营商可以基本上继承传统运营商的管理和运营模式，而这对 中国以及东南亚国家组建v o i p 大网特别重要。1 v o i p 技术的另一个发展趋势是遵循i e t f 倡导的s i p 协议。s i p 技术 基本上是以动态i n t e r n e t 网来构建i p 电话业务网的，具有简单、扩展性 好以及和现有的i n t e r n e t 应用紧密的特点，其呼叫流程与p s t n 网有所不 同。s i p 采用c 1 i e n t s e r v e r 结构的消息机制，对呼叫的控制不是通过 基于v o l p 技术的模块化接入设备的研制 协议间的协作实现，而是将对信令的控制信息封装到消息的头域中，通过 消息的传递来实现。因此s 【p 系统中的终端就比较智能化，它不只是简单 的提供数据，还提供了对呼叫的控制信息。其它各种服务器则用来进行定 位、转发或接受消息。这样，s i p 将网络设备的复杂性推向了网络终端设 备，因此更适于构建智能型的用户终端。因此，s i p 有着与h 3 2 3 完全不 同的设计思想，它是是一种分布式的控制模式，它将网络设备的复杂性向 网络边缘推。3 这两种协议都是属于网络的多媒体体系结构中的一部分“1 。协议栈如 图1 5 所示： 应用层 传输层 网络层 链路层 物理层 信令 i 质量保证( q o s ) !媒体传输 圆曰回l 回囤 l媒体封装l i ( l2 6 l ，m p e g ) l 盆蕊弋 申 _ u u r 暖躲黧黼霸黼岛黝 i p v 4 i p v 6 图1 5网络多媒体协议栈 在以h 3 2 3 标准组建的v o i p 网上，呼叫过程的寻址、组网方式与传 统电话网极其相似。但在s i p 网上则靠动态数据库的方式来寻址，甚至可 以没有长途和短途之分。s i p 模式的优点是与i n t e r n e t 紧密结合，适于 开发新的、与互联网结合的语音应用；其缺点是在组网、管理、运营、计 费方面的考虑还有待成熟，在与传统p s t n 网的互联互通方面，对一些非 正常情况的处理还有待完善，以及在组建v o i p 大网的实践方面，还有待 积累经验。 h 3 2 3 的集中式控制模式优点在于便于管理，如计费管理、带宽管理、 呼叫管理等在集中控制下实现起来比较方便，其局限性是易造成瓶颈。而 s i p 的分布式模式则不易造成瓶颈。 1 4 2 s l p 协议与h 3 2 3 协议比较 s i p 协议可以说是q 9 3 l 及h 2 2 5 与h 3 2 3 协议的相组合。这些协议 都可以用来处理呼i t i 的建立以及呼叫信令。s i p 协议与1 13 2 3 协议部可以 南京航空航天大学硕十学位论文 被用作i p 网中的信令协议。在这里可以就这两个系统的利弊作如下的比 较，以选择不同的协议满足不同的需求“。 h 3 2 3 协议s i p 协议 系统健壮，但费用高、呼叫建立时间长简单，升级方便易扩展 要求约1 2 包来实现呼口q 建立只要求约4 包来实现呼叫建立 对j 二一个会话提供基本的控制不提供 具有详细的数据交换协议( h 2 4 5 )数据交换能力不强，但能满足 v o l p 的要求 对会议能提供多点控制对于s i p 多点传送会议无要求 在建立呼叫时需要使用t c p 和u d p采用u d p 实现基本要求，可靠 传输可采用重传机制实现； u d p 不可用时，也支持t c p 实现复杂且耗时实现简单 表1 1s i p 协议与h 3 2 3 协议比较 由上面的比较可以看出，h 3 2 3 协议是一项复杂的协议( 整个文档多 达7 3 6 页) ，而且兼容性差，升级和扩展性不是很好。但是目前市场中 h 3 2 3 由于发展时间较长，因此运营较为广泛。在短期内还将占据着大部 分市场。而s i p 协议是专门为i p 电话，尤其是结合i n t e r n e t 设计的协 议，同传统的h 3 2 3 协议相比，s i p 拥有明显的优越性，使得通讯更加 轻松便捷，能够对手机、p d a 等移动设备提供良好的支持，对在线即时交 流、语音和视频数据传输等多媒体应用也能很好地完成。因此许多通讯公 司相继推出支持s i p 协议的产品，各大i p 电话厂商，如思科、朗讯、阿 尔卡特等均已推出基于s i p 协议的软硬件终端产品，微软的m s n 以及n e t m e e t i r l g 均采用s i p 作为其通讯协议。尽管h 3 2 3 协议在v o l p 中的应用 早于s i p ，但是分析家估计s i p 协议在未来的几年中将会取代h 3 2 3 协议， 成为下一代网络v o i p 的重要解决方案。可以想象，s i p 协议将成为市场 的主流，特别是在以企业为主体的小型应用群体的场合中，s i p 将成为 v o i p 解决方案和产品的一个重要标准。 1 5 企业级v o i p 的应用 v o i p 的应用主要分为两大类，即电信级和企业级i p 语音网络。它们 的应用方式和范围各不相同，我们使用i p 电话卡拨打长途电话是使用了 基于v o l p 技术的模块化接入设备的研制 电信运营商构建的i p 语音系统。这些系统规模比较庞大、复杂、功能也 比较完善，其运作也比较规范、标准，开放性好。 在企业级i p 语音市场中，目前已有越来越多的企业意识到利用v o i p 技术来改造企业内部的传统电话系统，获得更多服务、节省话费，从而大 大企业的运营成本，并提高其工作效率，以及提高企业对外的服务质量。 随着i p 语音技术的成熟和各种应用的普及，企业用户、集团用户以及智 能化住宅小区用户都将成为v o i p 技术应用的主要人群。作为企业用户， 其实不必过多地考虑信令标准的问题。因为企业通信网络与电信运营商通 信网络本身就是相互独立的系统，并且有不同的需求。企业用户在选择自 己的i p 语音系统的解决方案时，更多地关注系统对语音交换功能的支持、 数据和语音的集成能力，以及是否适应企业不同发展阶段的需求等方面的 因素。因而企业可以根据自身的实际情况，组建其内部专用的通信系统。 接下来的章节就将重点围绕一个企业级v o i p 的具体应用来展开讨论。 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章基于v o ip 技术的企业级专用集成通信系统 2 1 研发企业级专用集成通信系统的意义 在现阶段，大多数企业拥有自行管理的内部通信体制，这些体制主 要是基于模拟方式的，运营成本高，需要专用的网络支持，扩展性差，布 线问题不好解决，并且维护升级困难，难以根据企业的发展增加新的功能、 提供新的业务。因而许多企业采用v o i p 技术来解决企业发展中遇到的通 信手段改进问题。 而另一方面，某些企业对其内部的通信改造有着特殊的要求，他们 不想完全采用全新的通信体制，因为这意味着一次性投入将会很大，他们 希望在保留部分现有韵核心设备的基础上，对原有系统进行改造或是替 换，即将企业原有的模拟设备要移植到新的i p 网络中来，形成企业的专 用的通信系统。达到增减系统功能、提高系统性能，又降低了投入成本且 保持用户的操作界面基本不变的效果。本课题的研究就是在上述背景下进 行的。 2 2 某型企业级专用集成通信系统方案概述 本文所涉及到的是某单位提出的一个关于集成通信系统技术的研究 课题。该课题在其原有的模拟系统改进项目基础之上，最终实现一个集成 化、网络化的单位内部通信的系统。该系统要求采用网络化、模块化设计， 实现话音、数据和控制三网合一功能，使得系统具有构成简洁、成本低、 可靠性、维修性高等特点，且便于冗余设计。 该集成通信系统要求具有通信自动管理能力，数据链控制管理能力， 综合化信息交换系统接入能力，以及多路语音合成的能力。从而实现基于 网络的多功能语音集成通信系统。 原有的集成通信系统中，话音、数据和控制信号分别具有各自独立 的传输体制，其中话音信号及内部控制信号通过数字式t d m a 总线传输， 数据信号通过以太网传输，系统控制信号通过1 5 5 3 b 总线传输。整个系统 交连关系复杂，信号格式不统一，设备有多种接口，在全系统协同控制及 处理时，需要综合考虑各传输体制的特点，完成相应信号的转换。 本方案使用以太网构建基于单一分布式网络的通信系统。将原来的 话音总线、数据总线和控制总线统为以太网，所有话音、数据和控制信 基于v o i p 技术的模块化接入设备的研制 号均采用统一的数据包格式传输。这样简化了系统构型，统一了协议和流 程的设计。体现了企业内部通信系统的一种发展方向。由于该课题是一个 研究课题，所以整个系统的构件不是很全面，工作重点主要体现在该系统 的连通能力，也涉及到简单的系统和用户管理过程。系统方案如图2 1 所 示： 图21某专用集成通信系统示意图 在该接口关系中，以太网是系统的主体，连接各种管理设备以及各 个终端。系统中的组成设备如下表2 1 所示： 序号 设备名称数量备注 l 计算机网络 1 现有的局域网 2 通信管理计算机( m t c u ) 1 p c 机 3 数据链管理计算机( d l c u ) 1 p c 机 d 网络监视计算机 1 p c 机 5 模块化接入设备多个定制没备 6 常规收发信机多台现有酸各 7 模拟语音设备多个现有设备 表21专用集成通信系统主要组成设备 以上设备中，计算机网络可以利用企业内部现有的局域网，其他的 用于控制和管理的计算机设备，可以在普通的计算机添加相应的软件束实 现。 2 3 集成通信系统功能划分 1 6 南京航空航天大学硕士学位论文 通信自动管理计算机( m t c u ) 一一系统内部的控制和管理核心。采 用p c 机和l a n 网卡，开发通信管理软件，完成通信系统各设备的工作状 态管理，系统电磁兼容管理以及网络管理功能。 a ) 工作状态管理包括： 数据加载 系统设置 系统状态监控 数据库管理 b ) 电磁兼容管理包括： 频率管理 一 设备协同工作管理 c ) 网络管理包括： 网络健康状况 网络成员管理 数据链控制管理计算机( d l c u ) 一一系统数据链路控制和管理核心。 d l c u 采用p c 机和l a n 网卡，开发数据链管理软件，完成多数据链通道的 功能分配、链路工作方式和状态进行监控、流量分配与控制、异构数据链 路互联等功能。 a ) 数据传输设置： 对外通信链路的分配与管理 数据传输终端设备工作参数的设置和更新 b ) 数据传输状态监控： 数据传输链路状态监控 数据传输终端设备状态监控 数据链路维护 网络监视计算机一一用于网络通信的监控，该设备可以监视网络健 康状况、计算网络负荷，捕捉网络上传输的数据包，并对其进行解析，以 基于v o l p 技术的模块化接入设备的研制 此判断网络上的各种数据是否正确。网络监视计算机采用p c 机和l a n 网 卡，开发网络监视软件，监视整个网络的运转，同时可以作为m t c u 或d l c u 的备份计算机，以提高系统备份工作能力。 常规收发信机一一系统内连接外围子通信系统的外部通信设备。这 些设备主要是现有的模拟通信设各，通过模块化接入设备接入到整个通信 网络中，实现了系统对外的无线连接。连接的外部通信设备有：h f 电台、 v u h f 常规电台等。 模拟语音设备一一通过模块化接入设备接入网络的通信终端，完成 模拟语音的收发。包括拾音器和放音器，诸如普通的电话、耳机、话筒等。 模块化接入设备一一将以太网传输的话音( 多路) 、控制和数据信 息，转换为模拟信号( 主要有离散控制信号和音频信号) 送到外部通信设 备。该接入设备重要的外部接口。下面将注重介绍这一部分。 2 4 模块化接入设备概述 24 1 外部接口 模块化接入设备既可作为用户终端，也可作为转接设备，配置于外 部模拟通信设备与以太网的接口处，是综合化信息交换系统与外部模拟通 信设备的接口，完成网络接口、控制信号转换、语音数字化以及多路语音 合成的功能。