VOIP實(shí)現(xiàn)原理及關(guān)鍵技術(shù)

1 VOIP的基本 原理與實(shí)現(xiàn)形式

IP電話系統(tǒng)把普通電話的模擬信號轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可聯(lián)入因特網(wǎng)傳送的IP數(shù)據(jù)包，同時(shí)也將收到的IP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成聲音的模擬電信號。經(jīng)過IP電話系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換及壓縮處理，每個(gè)普通電話傳輸速率約占用8-11kbit/s帶寬，因此在與普通電信網(wǎng)同樣使用傳輸速率為64kbit/s的帶寬時(shí)，IP電話數(shù)是原來的5-8倍。VOIP的核心與關(guān)鍵設(shè)備是IP電話網(wǎng)關(guān)。IP電話網(wǎng)關(guān)具有路由管理功能，它把各地區(qū)電話區(qū)號映射為相應(yīng)的地區(qū)網(wǎng)關(guān)IP地址。這些信息存放在一個(gè)數(shù)據(jù)庫中，有關(guān)處理軟件完成呼叫處理、數(shù)字語音打包、路由管理等功能。在用戶撥打IP電話時(shí)，IP電話網(wǎng)關(guān)根據(jù)電話區(qū)號數(shù)據(jù)庫資料，確定相應(yīng)網(wǎng)關(guān)的IP地址，并將此IP地址加入IP數(shù)據(jù)包中，同時(shí)選擇最佳路由，以減少傳輸時(shí)延，IP數(shù)據(jù)包經(jīng)因特網(wǎng)到達(dá)目的地IP電話網(wǎng)關(guān)。對于因特網(wǎng)未延伸到或暫時(shí)未設(shè)立網(wǎng)關(guān)的地區(qū)，可設(shè)置路由，由最近的網(wǎng)關(guān)通過長途電話網(wǎng)轉(zhuǎn)接，實(shí)現(xiàn)通信業(yè)務(wù)。

目前VOIP系統(tǒng)一般由IP電話終端、網(wǎng)關(guān)（Gateway）、網(wǎng)守（Gatekeeper）、網(wǎng)管系統(tǒng)、計(jì)費(fèi)系統(tǒng)等幾部分組成。IP電話終端包括傳統(tǒng)的語音電話機(jī)、PC、IP電話機(jī)，也可以是集語音、數(shù)據(jù)和圖象于一體的多媒體業(yè)務(wù)終端。由于不同種類的終端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)源結(jié)構(gòu)是不同的，要在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上傳輸，這就要由網(wǎng)關(guān)或者是通過一個(gè)適配器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，形成統(tǒng)一的IP數(shù)據(jù)包。IP電話網(wǎng)關(guān)提供IP網(wǎng)絡(luò)和電話網(wǎng)之間的接口，用戶通過PSTN本地環(huán)路連接到IP網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并壓縮打包，成為可以在因特網(wǎng)上傳輸?shù)腎P分組語音信號，然后通過因特網(wǎng)傳送到被叫用戶的網(wǎng)關(guān)端，由被叫端的網(wǎng)關(guān)對IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行解包、解壓和解碼，還原為可被識別的模擬語音信號，再通過PSTN傳到被叫方的終端。這樣，就完成了一個(gè)完整的電話到電話的IP電話的通信過程。網(wǎng)守實(shí)際上是IP電話網(wǎng)的智能集線器，是整個(gè)系統(tǒng)的服務(wù)平臺，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理、配置和維護(hù)。網(wǎng)守提供的功能有撥號方案管理、安全性管理、集中帳務(wù)管理、數(shù)據(jù)庫管理和備份、網(wǎng)絡(luò)管理等等。網(wǎng)管系統(tǒng)的功能是管理整個(gè)IP電話系統(tǒng)，包括設(shè)備的控制及配置，數(shù)據(jù)配給，撥號方案管理及負(fù)載均衡、遠(yuǎn)程監(jiān)控等。計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的功能是對用戶的呼叫進(jìn)行費(fèi)用計(jì)算，并提供相應(yīng)的單據(jù)和統(tǒng)計(jì)報(bào)表。計(jì)費(fèi)系統(tǒng)可以由IP電話系統(tǒng)制造商提供，也可以由第三方制作，但此時(shí)需IP電話系統(tǒng)制造商提供其軟件數(shù)據(jù)接口。

在實(shí)現(xiàn)方式上，VOIP有電話機(jī)到電話機(jī)、電話機(jī)到PC、PC到電話機(jī)和PC到PC等4種方式。最初VOIP方式主要是PC到PC，利用IP地址進(jìn)行呼叫，通過語音壓縮、打包傳送方式，實(shí)現(xiàn)因特網(wǎng)上PC機(jī)間的實(shí)時(shí)話音傳送，話音壓縮、編解碼和打包均通過PC上的處理器、聲卡、網(wǎng)卡等硬件資源完成，這種方式和公用電話通信有很大的差異，且限定在因特網(wǎng)內(nèi)，所以有很大的局限性。電話到電話即普通電話經(jīng)過電話交換機(jī)連到IP電話網(wǎng)關(guān)，用電話號碼穿過IP網(wǎng)進(jìn)行呼叫，發(fā)送端網(wǎng)關(guān)鑒別主叫用戶，翻譯電話號碼／網(wǎng)關(guān)IP地址，發(fā)起IP電話呼叫，連接到最靠近被叫的網(wǎng)關(guān)，并完成話音編碼和打包，接收端網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)拆包、解碼和連接被叫。對于電話到PC或是PC到電話的情況，是由網(wǎng)關(guān)來完成IP地址和電話號碼的對應(yīng)和翻譯，以及話音編解碼和打包。

2 VOIP的關(guān)鍵技術(shù)

傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)主要是用來傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，采用的是盡力而為的、無連接的技術(shù)，因此沒有服務(wù)質(zhì)量保證，存在分組丟失、失序到達(dá)和時(shí)延抖動等情況。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對此要求不高，但話音屬于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，對時(shí)序、時(shí)延等有嚴(yán)格的要求。因此必須采取特殊措施來保障一定的業(yè)務(wù)質(zhì)量。VOIP的關(guān)鍵技術(shù)包括信令技術(shù)、編碼技術(shù)、實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)、服務(wù)質(zhì)量（QOS）保證技術(shù)、以及網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)等。

2.1 信令技術(shù)

信令技術(shù)保證電話呼叫的順利實(shí)現(xiàn)和話音質(zhì)量，目前被廣泛接受的VOIP控制信令體系包括ITU-T的H.323系列（華為公司產(chǎn)品采用）和IETF的會話初始化協(xié)議SIP。

ITU的H.323系列建議定義了在無業(yè)務(wù)質(zhì)量保證的因特網(wǎng)或其它分組網(wǎng)絡(luò)上多媒體通信的協(xié)議及其規(guī)程。H.323標(biāo)準(zhǔn)是局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、Intranet和Internet上的多媒體提供技術(shù)基礎(chǔ)保障。H.323是ITU-T有關(guān)多媒體通信的一個(gè)協(xié)議集，包括用于ISND的H.320，用于B-ISDN的H.321和用于PSTN終端的H.324等建議。其編碼機(jī)制，協(xié)議范圍和基本操作類似于ISDN的Q.931信令協(xié)議的簡化版本，并采用了比較傳統(tǒng)的電路交換的方法。相關(guān)的協(xié)議包括用于控制的H.245，用于建立連接的H.225，用于大型會議的H.332，用于補(bǔ)充業(yè)務(wù)的H.450.1、H.450.2和H.450.3，有關(guān)安全的H.235，與電路交換業(yè)務(wù)互操作的H.246等。H.323提供設(shè)備之間、高層應(yīng)用之間和提供商之間的互操作性。它不依賴于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，獨(dú)立于操作系統(tǒng)和硬件平臺，支持多點(diǎn)功能、組播和帶寬管理。H.323具備相當(dāng)?shù)撵`活性，支持包含不同功能的節(jié)點(diǎn)之間的會議和不同網(wǎng)絡(luò)之間的會議。H.323建議的多媒體會議系統(tǒng)中的信息流包括音頻、視頻、數(shù)據(jù)和控制信息。信息流采用H.225建議方式來打包和傳送。

H.323呼叫建立過程涉及到三種信令：RAS(Registration Admission Status）信令，H.225呼叫信令和H.245控制信令。

RAS信令用來完成終端與網(wǎng)守之間的登記注冊、授權(quán)許可、帶寬改變、狀態(tài)和脫離解除等過程；

H.225呼叫信令用來建立兩個(gè)終端之間的連接，這個(gè)信令使用Q.931消息來控制呼叫的建立和拆除，當(dāng)系統(tǒng)中沒有網(wǎng)守時(shí)，呼叫信令信道在呼叫涉及的兩個(gè)終端之間打開；當(dāng)系統(tǒng)中包括一個(gè)網(wǎng)守時(shí)，由網(wǎng)守決定在終端與網(wǎng)守之間或是在兩個(gè)終端之間開辟呼叫信令信道；

H.245控制信令用來傳送終端到終端的控制消息，包括主從判別、能力交換、打開和關(guān)閉邏輯信道、模式參數(shù)請求、流控消息和通用命令與指令等。H.245控制信令信道建立于兩個(gè)終端之間，或是一個(gè)終端與一個(gè)網(wǎng)守之間。

此外，H.323不支持多點(diǎn)發(fā)送（Multicast）議，只能采用多點(diǎn)控制單元（MCU）構(gòu)成多點(diǎn)會議，因而同時(shí)只能支持有限的多點(diǎn)用戶。H.323也不支持呼叫轉(zhuǎn)移，且建立呼叫的時(shí)間比較長。

2.2 編碼技術(shù)

話音壓縮編碼技術(shù)是IP電話技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。目前，主要的編碼技術(shù)有ITU-T 定義的G.729、G.723等。其中G.729可將經(jīng)過采樣的64Kbit/s話音以幾乎不失真的質(zhì)量壓縮至8Kbit/s。由于在分組交換網(wǎng)絡(luò)中，業(yè)務(wù)質(zhì)量不能得到很好保證，因而需要話音的編碼具有一定的靈活性，即編碼速率、編碼尺度的可變可適應(yīng)性。G.729原來是8Kbit/s的話音編碼標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在的工作范圍擴(kuò)展至6.4-11.8Kbit/s，話音質(zhì)量也在此范圍內(nèi)有一定的變化，但即使是6.4Kbit/s，話音質(zhì)量也還不錯(cuò)，因而很適合在VOIP系統(tǒng)中使用。G.723.1采用5.3/6.3kbit/s雙速率話音編碼，其話音質(zhì)量好，但是處理時(shí)延較大，它是目前已標(biāo)準(zhǔn)化的最低速率的話音編碼算法。

此外，靜音檢測技術(shù)和回聲消除技術(shù)也是VOIP中十分關(guān)鍵的技術(shù)。靜音檢測技術(shù)可有效剔除靜默信號，從而使話音信號的占用帶寬進(jìn)一步降低到3.5kbit/s左右；回聲消除技術(shù)主要利用數(shù)字濾波器技術(shù)來消除對通話質(zhì)量影響很大回聲干擾，保證通話質(zhì)量。這點(diǎn)在時(shí)延相對較大的IP分組網(wǎng)絡(luò)中尤為重要。

2.3 實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)

實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)主要是采用實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP。RTP是提供端到端的包括音頻在內(nèi)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送的協(xié)議。ＲＴＰ包括數(shù)據(jù)和控制兩部分，后者叫RTCP。RTP提供了時(shí)間標(biāo)簽和控制不同數(shù)據(jù)流同步特性的機(jī)制，可以讓接收端重組發(fā)送端的數(shù)據(jù)包，可以提供接收端到多點(diǎn)發(fā)送組的服務(wù)質(zhì)量包饋。

2.4 QOS保障技術(shù)

VOIP中主要采用資源預(yù)留協(xié)議（RSVP）以及進(jìn)行服務(wù)質(zhì)量監(jiān)控的實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議RTCP來避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，保障通話質(zhì)量。

2.5 網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)

VOIP中網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)主要是TCP和UDP，此外還包括網(wǎng)關(guān)互聯(lián)技術(shù)、路由選擇技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)以及安全認(rèn)證和計(jì)費(fèi)技術(shù)等。由于實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP提供具有實(shí)時(shí)特征的、端到端的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，因此VOIP可用RTP來傳送話音數(shù)據(jù)。在RTP報(bào)頭中包含裝載數(shù)據(jù)的標(biāo)識符、序列號、時(shí)間戳以及傳送監(jiān)視等，通常RTP協(xié)議數(shù)據(jù)單元是用UDP分組來承載，而且為了盡量減少時(shí)延，話音凈荷通常都很短。IP、UDP和RTP報(bào)頭都按最小長度計(jì)算。VOIP話音分組開銷很大，采用RTP協(xié)議的VOIP格式，在這種方式中將多路話音插入話音數(shù)據(jù)段中，這樣提高了傳輸效率。

來源：網(wǎng)絡(luò)通信中國