IP電話的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用

東南大學(xué)移動(dòng)通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 宋鐵成 張 華 沈連豐

摘 要 在闡述與IP電話相關(guān)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上，分析比較了IP電話的通話方式，最后設(shè)計(jì)和研制了一種基于IP技術(shù)的新一代分布式PBX系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞 IP電話 關(guān)鍵技術(shù) PBX系統(tǒng)

以話音通信為目的而建立的PSTN電話網(wǎng)采用電路交換技術(shù)，可以充分保證通話質(zhì)量，但通話期間始終占用固定帶貢。以數(shù)據(jù)通信為目的建立起來的Internet采用分組交換技術(shù)，所有業(yè)務(wù)共享線路，大大提高了網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率，但由于數(shù)據(jù)包是非實(shí)時(shí)的，所以，Internet通常不保證語音傳輸?shù)馁|(zhì)量。然而人們一直在尋求利用廉價(jià)的Internet進(jìn)行語音傳輸?shù)姆椒ǎ�因此IP電話應(yīng)運(yùn)而生。近年來，隨著H.323協(xié)議的誕生，IP電話迅速從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用，并以其價(jià)廉及尚可接受的質(zhì)量擠占了一部分長途電信市場。隨著對IP電話通話質(zhì)量要求的不斷提高，人們正在加緊研究和解決與之相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，以太網(wǎng)（Ethernet）電話機(jī)的出現(xiàn)將進(jìn)一步加快IP電話發(fā)展的進(jìn)程。通過IP＆PSTN網(wǎng)關(guān)（Gateway）可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)電話與PSTN電話用戶互連互通，可以組合出多種具體的通話方式。

本文歸納了與IP電話相關(guān)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，分析比較了IP電話的通話方式，給出了一種剛剛研制成功的基于IP技術(shù)的新一代分布式PBX系統(tǒng)。隨著與IP電話相關(guān)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的相繼被解決和正在被突破，本文給出的IP PBX系統(tǒng)將會(huì)有越來越廣泛的應(yīng)用。

1 IP電話的關(guān)鍵技術(shù)

眾所周知，IP電后時(shí)工作原理是先將語音信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、編碼、壓縮和打包，然后通過Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸，到接收端則相應(yīng)進(jìn)行拆包、解壓、譯碼和數(shù)模轉(zhuǎn)換，從而恢復(fù)出語音信號(hào)。與IP電話通話質(zhì)量有關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)可以歸納為以下7個(gè)方面。

（1）語音壓縮技術(shù)。IP電話的技術(shù)基礎(chǔ)是語音壓縮技術(shù)。在語音壓縮的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面，1972年制定了64 kbit／s PCM（脈沖編碼調(diào)制）方式；1986年制定了32 kbit／s ADPCM（自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制）方式；1991年制定了16 kbit／s LD-CELP（低延時(shí)碼激勵(lì)線性預(yù)測）方式； 1995年11月，經(jīng)過較長時(shí)間的研究，ITU（國際電聯(lián)）批準(zhǔn)了語音壓縮標(biāo)準(zhǔn)G.729，采用8 kbit／s CS-ACELP（對稱結(jié)構(gòu)代數(shù)碼激勵(lì)線性預(yù)測）方式。目前用于IP電話的標(biāo)準(zhǔn)是G.723．1，速率為5．3／6．3kbit／s。

另外，4.8 kbit／s、2.4 kbit／s和1 kbit／s的語音壓縮技術(shù)雖有報(bào)道，但尚無國際標(biāo)準(zhǔn)。

（2）靜噪抑制技術(shù)。又稱語音激活技術(shù)，是指檢測到通話過程中的安靜時(shí)段即停止發(fā)送語音包的技術(shù)。大量研究表明，在一路全雙工電話交談中，只有36％～40％的信號(hào)是活動(dòng)的或有效的。當(dāng)一方在講話時(shí)，另一方在聽，而且講話過程中有大量顯著的停頓。通過靜噪抑制技術(shù)，可以大大節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬。

（3）回聲抵消技術(shù)，在PBX或局用交換機(jī)側(cè)，有少量電能未被充分轉(zhuǎn)換而沿原路返回，形成回聲。如果打電話者離PBX或局用交換機(jī)不遠(yuǎn)，回聲返回很快，人耳聽不出來，但當(dāng)回聲返回時(shí)間超過10 ms時(shí)，人耳就可以聽到明顯的回聲了。為了防止回聲，一般采用回聲抵消技術(shù)。因?yàn)橐话鉏P網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)很容易達(dá)到40～50 ms，所以回聲抵消技術(shù)對IP電話系統(tǒng)十分重要。

（4）語音抖動(dòng)處理技術(shù)。IP網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)特征就是網(wǎng)絡(luò)延時(shí)與網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)，它們可以導(dǎo)致IP通話質(zhì)量明顯下降。網(wǎng)絡(luò)延時(shí)是指IP包在網(wǎng)絡(luò)上平均的傳輸時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)是指IP包傳輸時(shí)間的長短變化。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上的語音延時(shí)超過200 ms時(shí)，通話雙方更傾向于采用半雙工通信。另一方面，如果網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)較嚴(yán)重，那么有的話音包因遲到而被丟棄，會(huì)產(chǎn)生話音的斷續(xù)及部分失真，嚴(yán)重影響語音質(zhì)量。為了防止這種抖動(dòng)，人們采用抖動(dòng)緩沖技術(shù)，即在接收端設(shè)置一個(gè)緩沖池，語音包到達(dá)時(shí)首先進(jìn)行緩存，然后系統(tǒng)以穩(wěn)定平滑的速率將語音包從緩沖池中取出并處理，再播放給受話者。

（5）語音優(yōu)先技術(shù)。語音通信對實(shí)時(shí)性要求較高，在帶寬不足的IP網(wǎng)絡(luò)中，一般需要語音優(yōu)先技術(shù)，即在IP網(wǎng)絡(luò)路由器中必須設(shè)置語音包的優(yōu)先級(jí)最高。這樣，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)對語音的影響均將得到明顯改善。

（6）IP包分割技術(shù)。有時(shí)網(wǎng)絡(luò)上有長數(shù)據(jù)包，一個(gè)包上千字節(jié)，這樣的長包如不加以限制，在某些情況下也會(huì)影響語音質(zhì)量。為了保證IP電話的通話質(zhì)量，應(yīng)將IP包的大小限制為不超過2556字節(jié)。

（7）VoIP前向糾錯(cuò)技術(shù)。為了保證語音質(zhì)量，有些先進(jìn)的VoIP網(wǎng)關(guān)采用信道編碼以及交織等技術(shù)。IP包在傳送過程中有可能損壞或被丟失，采用前向糾錯(cuò)技術(shù)可以減少傳輸過程中的錯(cuò)碼積累。當(dāng)然，對丟、錯(cuò)包率均較低的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，可以不必采用該技術(shù)。

2 IP電話的通話方式

通常，將IP電話通話方式分為：PC到PC、PC到PHONE和PHONE到PHONE。

以太網(wǎng)（Ethernet）電話是一種基于H.323協(xié)議格式的終端，它占用一個(gè)獨(dú)立的IP地址，能直接接入網(wǎng)絡(luò)。它是一種IP專用電話機(jī)，可以直接連在Internet上而完全代替PC進(jìn)行通話。由于以太網(wǎng)電話機(jī)的出現(xiàn)，IP電話將得到更廣泛的應(yīng)用，所以，下面敘述的IP電話的終端不再指PC，而僅指以太網(wǎng)電話機(jī)和普通電話機(jī)。

利用PSTN和Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)語音通信可以有多種組合方式。①是純PSTN網(wǎng)中的話音業(yè)務(wù)，與IP電話元關(guān)；②是純IP網(wǎng)中的話音業(yè)務(wù)，類似前述的“PC到PC”，但雙方終端均為以太網(wǎng)電話機(jī)且直接連接在Internet上；③是以太網(wǎng)電話機(jī)與普通電話機(jī)之間的通話，類似前述的“PC到PHONE”，但雙方均可以是主叫方；④是普通電話之間利用Internet傳輸進(jìn)行的通話，即前述的“PHONE到PHONE”，也是中國電信。聯(lián)通、吉通和網(wǎng)通等正式運(yùn)營的IP電話的模式；⑤是指以太網(wǎng)電話機(jī)之間借助PSTN傳輸進(jìn)行通話，可能應(yīng)用于有PSTN連接而尚無Internet連接的兩地以太網(wǎng)電話機(jī)之間的通話，也可以是通話建鏈時(shí)先通過PSTN得到被叫方的IP地址再通過Interet進(jìn)行通話的建鏈過程。由此可見，③④⑤是混合式的IP電話業(yè)務(wù)，通過互連功能（IWF）提供信令適配、媒介控制和媒介適配，可以保證IP和PSTN的互連互通。

必須說明的是，在Internet上的連接均是以IP地址為基礎(chǔ)的，例如上面的“方式②”，其實(shí)質(zhì)是以太網(wǎng)電話機(jī)以IP地址為電話號(hào)碼通過Internet建立起的通信。但是，人們不太習(xí)慣IP地址為電話號(hào)碼而更習(xí)慣于傳統(tǒng)的電話號(hào)碼，這是必須解決的另一問題。

3 基于IP技術(shù)的PBX系統(tǒng)

目前，前述的7個(gè)關(guān)鍵問題有的已經(jīng)被解決，有的正在被解決或不久的將來一定能夠被解決，使得IP電話及基于IP技術(shù)的各種系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。東南大學(xué)移動(dòng)通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室從1999年開始與香港通訊科技中心合作，在香港特區(qū)政府“創(chuàng)新與科技基金”（ITF，Innovation and Technology Fund）的資助下，共同設(shè)計(jì)和研制了一種基于IP技術(shù)的新一代分布式PBX系統(tǒng)。該系統(tǒng)能有效解決語音與數(shù)據(jù)相互融合的需求，可以利用Internet獨(dú)立組網(wǎng)進(jìn)行語音通信和數(shù)據(jù)通信，通過系統(tǒng)管理將IP地址映射成系統(tǒng)中的電話號(hào)碼，也可以通過網(wǎng)關(guān)與PSTN網(wǎng)互連互通。該系統(tǒng)具有良好的開放性和可擴(kuò)充性，能夠滿足更廣泛的需求。

我們研制的基于IP技術(shù)的PBX系統(tǒng)的框圖，主要由4部分組成：呼叫管理（CallManager）、PBX Hub、PBX網(wǎng)關(guān)（Gateway）、以太網(wǎng)（Ethernet）電話。

以太網(wǎng)（Ethernet）電話占用一個(gè)獨(dú)立的IP地址，能直接接入網(wǎng)絡(luò)。它主要完成以下功能：實(shí)現(xiàn)語音信號(hào)的A／D和D／A轉(zhuǎn)換。完成對數(shù)據(jù)信號(hào)的壓縮與解縮、按照H.323協(xié)議完成對數(shù)據(jù)的打包和拆包處理以及處理相應(yīng)的控制和呼叫信令。

PBX HUB實(shí)際上是一個(gè)H.323終端，占用一個(gè)IP地址�？紤]到IP地址資源有限，以及兼容現(xiàn)有模擬電話，PBX HUB提供了8個(gè)模擬電話的端口分配各自獨(dú)立的ID。它比以太網(wǎng)電話多了一個(gè)與模擬電話的接口模塊，其它處理都是相同的。

PBX網(wǎng)關(guān)主要完成IP網(wǎng)與PSTN網(wǎng)之間信令和協(xié)議的轉(zhuǎn)換。一個(gè)網(wǎng)關(guān)提供8個(gè)連向中心局的線路接口。其結(jié)構(gòu)除了增加向中心局的硬件接口，在軟件上還必須支持各種電話信令標(biāo)準(zhǔn)。

呼叫管理器（Call Manager）類似于H.323網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)閘，實(shí)際上是一個(gè)控制中心。它除了完成網(wǎng)閘的基本功能外，還有傳統(tǒng)PBX的功能以及更多的增值功能。它是運(yùn)行在NT服務(wù)器上的一個(gè)軟件，管理著整個(gè)系統(tǒng)的資源，實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理、呼叫處理、用戶管理、數(shù)據(jù)庫管理、計(jì)費(fèi)管理、系統(tǒng)維護(hù)等功能，也正是通過它才能實(shí)現(xiàn)前面提到各種IP電話通話方式。同時(shí)，它還提供了一個(gè)強(qiáng)大的語音信箱功能，以提高服務(wù)質(zhì)量，以及協(xié)調(diào)用戶操作過程。

該系統(tǒng)目前已經(jīng)完成研發(fā)工作，并成功地進(jìn)行了本地（南京-南京）和異地（南京-香港）的通話試驗(yàn)，預(yù)計(jì)不久可將產(chǎn)品推向市場。

4 結(jié)束語

IP電話的快速發(fā)展對傳統(tǒng)電話網(wǎng)的沖擊和影響是巨大的。盡管IP電話還存在諸如業(yè)務(wù)質(zhì)量不能保證、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、各廠商設(shè)備之間不兼容以及計(jì)費(fèi)等問題，但隨著IP電話的正式商用、關(guān)鍵技術(shù)的逐漸突破以及最新標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)系統(tǒng)的不斷推出，IP電話及其基于IP技術(shù)的各種網(wǎng)絡(luò)必將得到更為廣泛的應(yīng)用。

由東南大學(xué)移動(dòng)通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和香港通訊科技中心共同研究開發(fā)的基于IP技術(shù)的新一代分布式PBX系統(tǒng)，可以靈活地構(gòu)成各種應(yīng)用方案。例如，若用戶在原有Intranet的基礎(chǔ)上，增加一些PBX HUB、以太網(wǎng)電話、至少一個(gè)網(wǎng)關(guān)以及一臺(tái)裝有Call Mannger軟件的計(jì)算機(jī)，就可以很好地將語音和數(shù)據(jù)相互融合，首先在小范圍內(nèi)構(gòu)成電話網(wǎng)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)網(wǎng)的“二網(wǎng)合一”；除此之外，還有多種的應(yīng)用方案。