（通信与信息系统专业论文）智能ip电话系统的设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 本论文在分析i p 电话发展、国内外应用现状、i p 电话主要技术问题和i p 电话相关标准的基础上，指出了现有i p 电话的不足。设计并实现了一个具有 多功能并可与p s t n 电话相通的局域智能i p 电话系统。 f 现有i p 电话应用主要集中在电信级的商业应用上，其次是以纯软件为基 础的简单个人应用，企业，团体的应用支持还比较少。对工矿企业、公司、 政府机关等应用场合，山于位罱相对集中且i , q 部机构之间有密切而频繁的工 作联系，常常需要有控制地进行个别或群体话音通信本论文提出并研制的 新型智能i p 电话系统就适应了这种应用要求。这种i p 电话系统具有组呼叫、 广播呼叫、多级优先、加密通话，动态重组，遥毙，复活等特色。 论文首先给出了该智能i p 电话系统的总体结构。然后，讨论了智能i p 电 话语音接口卡的设计与实现，主要介绍了振铃检测模块、信号音判断模块、 摘挂机模块、模拟话音模块、p c m 编解码模块，数据缓冲模块、地址选择模 块和控制模块的电路原理。接着，论文讨论了智能i p 电话相关软件的设计与 实现，其中主要有：语音卡虚拟驱动程序v x d 的实现；声卡语音的采集与播 放的实现：语音数据传输的实现，包括r t p 协议的实现和u d p 传输的实现； 语音数据滤波，静音消除；语音压缩与解压g 7 2 3 1 的实现，网络繁忙程度检 测的实现和加密传输等。最后论文进行了总结并提出了今后工作的设想。 关键词：i p 电话；智能电话：语音卡：计算机网络 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t b a s e do nt h ea n a l y s i so fi pp h o n ed e v e l o p m e n t ，a p p l i c a t i o ns t a t u s ，k e y t e c h n o l o g ya n dt h er e l a t e ds t a n d a r d s ，t h et h e s i sp o i n t so u tt h ed e f i c i e n c yo ft h e c u r r e n ti pp h o n et e c h n o l o g y a sar e s u l t ，a ni n t e l l i g e n tl o c a li pp h o n ew h i c hc a n a l s ob ec o n n e c t e dt op s t ni sp r o p o s e da n dr e a l i z e d f o re n t e r p r i s e s ，c o m p a n i e s ，g o v e r n m e n td e p a r t m e n t sa n do t h e ra p p l i c a t i o n a r e a s ，w h e r et h ei n t e r n a lo r g a n i z a t i o n sa n do f f i c e sa r er e l a t i v ec e n t r a l i z e da n d c l o s e d ，i ti sf r e q u e n t l yr e q u i r e dt om a i n t a i nag r o u pc o m m u n i c a t i o ni na c o n t r o l l a b l em o d e ，i na d d i t i o nt op e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n s t h ei pp h o n es y s t e m p r o p o s e di n t h i st h e s i sc a nm e e tt h e s er e q u i r e m e n t s t h i si pp h o n es y s t e mh a s f o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ：g r o u pc a l l ，b r o a d c a s tc a l l ，p r i o r i t yc a l l ，e n c r y p t e dv o i c e ， d y n a m i cr e g r o u p i n g ，r e m o t ed i s a b l e e n a b l ea n ds oo n t h es y s t e ma r c h i t e c t u r ei si n t r o d u c e df i r s t l y t h e nt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o n o fi pp h o n ei n t e r f a c ec a r da r eg i v e n t h ef o l l o w i n gm o d u l e sa r ed i s c u s s e di n d e t a i l s ：b e l ld e t e c t i o nm o d u l e ，s i g n a lw a v ed e t e c t i o nm o d u l e ，h a n go na n do f f m o d u l e ，a n a l o gw a v em o d u l e ，p c me n c o d e r d e c o d e rm o d u l e ，d a t ab u f f e rc a r d m o d u l ee t c n e x tt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h er e l a t e di n t e l l i g e n ti pp h o n e s o f t w a r ea r ep r e s e n t e d i ti n c l u d e sd u m m yd r i v e rv x do fs p e e c hc a r d ，c o l l e c t i o n a n dp l a ys o u n dc a r d ，t r a n s f e ro fs p e e c hd a t ab a s e do nr t pp r o t o c o la n du d p p r o t o c o l ，s p e e c h d a t a f i l t e r , v o i c ea c t i v i t yd e t e c t i o n ，g 7 2 3 ：1 s p e e c h e n c o d e r d e c o d e r ，n e t w o r kt r a f f i cd e t e c t i o n ，e n c r y p t i o nt r a n s m i s s i o na n ds oo i l a t l a s t ，t h et h e s i sc o n c l u d e sw i t hs o m es u g g e s t i o nf o rf u t u r ed e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：i pp h o n e ，i n t e l l i g e n tp h o n e ，v o i c ei n t e r f a c ec a r d c o m p u t e rn e t w o r k s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1l p 电话技术的研究现状 i p 电话的基本思想足：首先，将模拟话浙经数字化、压缩以后形成数据包， 再以数据包的形式在i n t e l i l e ll 以存储一转发n 勺交换方式传输到被叫端，被叫 端将接收到的数字话音解压，最后经数摸转换还原为模拟话音。i p 网络电话 主要有：p ct op c 、p ct op h o n e 和p h o n et op h o n e 三种形式。 1 1 1i p 电话发展历程及其优缺点 i p 网络电话的发展大致经历了三个时期： 国外7 0 年代起就开始研究计算机网络一l 的话音通信，当时主要是基于 a r p a n e t 网络平台进行研究和实验的。1 9 7 4 年8 月首次分组话音通信实验， 在南加州大学和林肯实验室之间进行。1 9 7 4 年1 2 月线性预测编码( l p c l i n e a r p r e d i c t i o nc o d i n g ) 声码器首次用于分组话音通信实验。1 9 7 5 年1 月又首次 在美国实现了使用( l p c ) 声码器的分组话音电话会议。在这些研究的基础上， i n t e r n e t 工程任务组i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 于1 9 7 7 年颁发了 关于分组话音通信协 义的讨论文件r f c 7 4 l 。 在当时的条件下，主要因为网络速度慢，话音质量不能令人满意。但通 过实验至少表明，在基于t c p i p 的网络上进行话音通信是可能的。 由于在广域网上进行分组话音通信的时机尚不成熟，8 0 年代的研究主要 集中在局域网上的话音通信。这期间主要研究了分组时延的原因、分组话音 通信协议、链路利用率和话音分组同步等问题。 国内以南京通信工程学院为代表的一些高校和科研单位也自8 0 年代中期 开始进行局域网上分组话音的通信研究，对汉语话音的通。断模型、最佳话音 分组长度、话音分组丢失率的分布规律等问题作了深入的研究。 9 0 年代后，随着i n t e r n e t 在全球范围内的兴起和普及、话音编码技术的发 展以及电子技术的发展，i p 分组话音通信技术获得了突破性的进展和实际应 用。1 9 9 5 年2 月i p 电话第一次作为i n t e r n e t j - 的应用而出现。 1 9 9 6 年，经过各国专家的数年努力，1 t u t 通过了局域网上支持可视电 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 话通信的网络协议，即著名的h 3 2 3 协议。这一协议的推出，成为i p 网络电 话系统的公共规范，极大地推动了i p 电话的发展，使之进入公用电话网服务。 有关i p 网络电话的技术研究，应用研究和标准化工作正在继续深入的进 行，其主要目标是进一步确保话音质量、完善网络管理、解决不同运营商之 间的互操作性问题以及向i p 网络上的多媒体通信演进f l ”】。 与传统的p s t n 电话相比有如下一些优点 2 - 3 , 8 1 5 , 2 9 3 2 3 5 - 4 0 】： ( 1 ) 充分利用网络资源：传统电话直接传输模拟话音信号，采用电路交换， 其占用的带宽为6 4 k b i t s 。而i p 电话传输经a i d 转换，压缩以后的数据报分 组，属于分组交换，只需6 - 8 k b i t s ( 或更低) 从而提高资源利用率，节省带宽， 降低成本。 ( 2 ) 容易开发增值业务：i p 电话网可以方便的利用计算机网的智能模块，灵 活地控制和接续，容易进行各种增值业务的开发。 ( 3 ) 信息容量大：i p 电话网络可同时支持语音，数据，图象的( 实时) 传输， 将来可以提供全面的多媒体业务。其传播信息容量大、形态多样、迅速方便， 电话网很难实现这一点。 ( 4 ) 符合三网合一发展方向：i p 技术是通信领域的新潮流，它符合未来电话 网、广播电视网，数据网三网合一的发展方向，其市场前景十分可观。 ( 5 ) 服务廉价：i p 电话的最大优势就是廉价。通过i n t e r n e t 打长途电话的成 本仅相当于普通电话的十分之一。 ( 6 )具有开放性：传统电话管理具有垄断性，而i p 电话是建立在开放的 i n t e r n e t 平台之上的，无垄断可言。 i p 电话虽具有以上优越性，但仍存在不足，其缺点主要表现在： ( i ) 电信级i p 电话设备投资高：i p 电话是一项全新的服务，即使在已有的 i n t e r n e t 基础上构建电信级i p 电话系统也需添罱一些复杂昂贵的设备。但对于 企业用户来说，由于其适用的范围和提供的业务不同，这个问题基本不存在。 ( 2 ) 通话质量较差：出于i n t e r n e t 是为数据通信而设计的，没有服务质量保 证，当语音包在一个无服务质量保证的网络中传输时，不可避免有时延，并 且还会出现包丢失、包到达顺序错位，网络抖动等现象，从而导致语音失真。 ( 3 ) 通话条件不方便：必须要借助多媒体计算机，或者要进行二次拨号等。 ( 4 ) i p 电话的优势未得到充分发挥：目前i p 电话的热点是其对于国内和国 际长途通话时的低价格，但是i p 电话与传统p s t n 电话相比，其优势和竞争 力还在于i p 电话所具有的多媒体，智能化应用，以及统一消息，i p 传真，语 音信箱等诸多增值业务开发和应用 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 1 1 2j p 电话的关键技术 i p 电话是一项涉及计算机网络、信令1 办议、数字信号处理等多个领域的 综合性技术，和其直接相关的关键技术有如下四项7 1 9 1 。 1 话音处理技术 主要解决两个问题。一是在保证一定话音质量的前提下，尽可能降低编 码比特率，以提高网络带宽利用率，充分发挥分组通信的优越性。二是在i p 网络环境下保证一定的通话质量。前者主要是低比特率编码技术，包括静音 检测：后者包括丢包补偿和回波抵消技术。 话音编码需要考虑三个方面的问题：编码比特率、话音质量和算法复杂 度。一般蜕来，这些指标是有矛盾的。一个铂效的编码算法，实际上是在给 定的应用环境下，针对性能要求确定上述指标的某种折衷组合。p s t n 中广泛 应用的是波形编码类型的p c m 话音编码，i p 电话采用的主要是参数编码称 作声码器技术。这种技术虽然早就提出，但是出于其算法复杂，直至9 0 年代 微电子业推出d s p 专用芯片后刁得以实用。目前，i p 电话推荐使用的两种 i t u t 定义的低比特率编码标准是：8 k b s 的g 7 2 9 a 和5 3 6 3 k b s 的g 7 2 3 1 编码。它们都是中低复杂度编码算法，话音分组长度在3 0 m s 以下，话音质量 较好。高性能的d s p 芯片和高速时分总线是实现高密度大容量i p 电话网关设 备的关键。 在i p 网络中，出于线路误码、路由故障和网络拥塞等原因造成分组丢失 是不可避免的。在基于线路预测编码原理的声码器中，一般采用内插的方法 导出并插入丢失分组的近似估计值，以提高通话的可懂度。在i p 电话涉及i p 网络和p s t n 互通的情况下，回波抵消技术至关重要，特别在长途通信时， 出于固有的参数编码算法时延再加上路山器n 勺转发时延，单向时延一般可达 1 5 0 m s 以上，高性能的网关应具有此功能。 2 网络通信协议 统一的协议是i p 电话实现全网互通、走向商用的关键。从功能上划分， 应定义如下四类协议。 首先是呼叫控制协议，相当于电信网中的信令，其目的是控制呼叫的建 立和释放，用于传送地址信息、用户状态信息和d t m f 信号等，这些信号以 控制分组形式发送，要求采用可靠的传送方式传递，如果发生差错可通过重 发机制校f 。 其次是承载控制协议，其目的是控制话音承载通道的建立和释放。对于 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 无连接的i p 网络来说，呼叫方之间并无物理连接存在，通道建立实际上就是 交换端口号码、端口类型、话音编码和速率等媒体传送信息。 再次是实时控制协议。出于话音分组需要实时传送，不允许有大的时延， 因此均采用较简单的u d p 作为运输层协议，实时控制协议介于话音净荷和 u d p 之削，其作用类似a t m 适配话音仿真通信的a a l l 。例如可传送分组的 时间戳、分组序号等信息，以支持q o s 监视和接收端对错序话音分组的重排 序功能，并提供多个媒体流复用传送机制。i pr 乜话采用i e t f 定义的r t p 协 议适配分组话音数据。 最后是会议电话控制协议。和传统电话网相比，i p 电话用于会议电话特 别有利，它在任一时刻只需要传送当前讲话糟的话音分组，从而获得很高的 网络资源利用率，因此定义会议控制协议对于i p 电话十分必要。 3 网络管理和安全技术 i p 网络一般只提供基于s n m p 的简单管理，当i p 电话用于公众网络服务 时，则必须根据网络运营的要求提供完善的管理功能。首先是直接和呼叫相 关的管理功能，包括带宽管理、用户登记和状态管理以及互通环境下的地址 翻译功能。其次是网络运营管理，包括灵活的计费功能、话务统计功能、故 障管理功能和运营商问互操作功能。这些功能实现应充分借鉴已有的通信网 管理技术。 安全管理是i p 电话有别于传统电话的一项重要功能，由于i p 网是一个开 放式网络，因此必须防止网络资源被无偿地欺骗使用、网络受到恶意攻击以 及用户业务信息被泄漏等情况，其功能包括用户鉴权、授权、信息加密和不 可抵赖性保护等。 4 终端技术 除了基于p c 的i p 终端以外，随着宽带接入网的发展和家庭局域网的普 及，i p 电话网有望直接到户，此时有必要开发能直接接入以太网的专用i p 电 话机。它具有内建的话音编解码和协议处理功能，同时具有很强的价格竞争 力。 除此之外，有两类i p 网络技术对于保证i p 话音通信服务质量至关重要。 一是q o s 技术，最值得重视的是区分服务( d i f f s e r v ) 技术，通过合理的业务 分类、调度和排队为不同优先级的数据流提供不同等级的服务。i p 电话业务 应赋予高优先级，同时也应支付较高的费用。二是i p 光传送技术。包括i po v e r s d h 和i po v e l - d w d m ，通过加大网络基础带宽减少话音分组丢失和传送时 延。这两项技术虽然并非i p 电话的专项技术，但却是i p 电话能够作为公众基 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 础服务所必须的阮2 7 ，34 3 引。 1 1 3i p 电话的相关标准 制定标准的组织 目前参与i p 电话技术标准开发和推广的组织超过2 0 家，其中组要的有 【4 6 92 3 3 0 j i t u t - - i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ( 国际电联标准化部门) i t u ts g l 6 研究组主要从事多媒体终端和安全问题的研究，它主要的 工作就是制定h 3 2 3 系列建议。 e t s i e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d si n s t i t u t e 欧洲电信标准协会 工程组主要任务是规定套业务互操作性要求，确定接口和功能方面的 体系结构，对呼叫控制程序、信息流和协议作出规定，研究端到端服务质量 参数及e 1 6 4 地址与i p 地址间的转换，同时规定计费和安全方面的问题。目 的是向各类网络运营者提供面向业务的解决方案。其工作基于h 3 2 3 和现有 电路交换网标准。 i e t fi n t e r n e t 工程任务组 制定新的信令协议，包括会话初始化协议s i p ( s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c 0 1 ) 、 i n t e r n e t 和p s t n 的网络互通。 i m t c i n t e r n a t i o n a lm u l t i m e d i a t e l e c o n f e r e n c e c o n s o r t i u m 国际多媒体电信 会议联合会 有来自北美、欧洲和亚太地区的1 5 0 多个成员组成，旨在建立开放的国 际标准，推动交互式多媒体远程会议解决方案的应用和实现。其中v o l p 论坛 不定期地进行一些活动来制定标准2 ”。 i t u t 主要侧重电信标准，e s t i 侧重商业实现，i e t f 侧重i p 标准，i m t c 侧重互操作性。出于i p 电话技术标准的开发涉及多个领域，这几家开发组织 之间建立了良好的协作关系，其它机构主要是发展、充实、实现和推广这些 标准。 在国内，中国i p 标准研究组也在加紧研究i p 电话的中国标准。 主要相关协议 目前，i p 电话的相关协议主要分为两大类：传输协议和呼叫建立控制协 议。在i p 网络上承载实时业务( 话音，视频等) 所采取的传输方式基本上都是利 用了i e t f 的r t p 协议，但在呼叫建立和控制方面则有不同的选择，其代表即为 h 3 2 3 和s i p 协议。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 ( 1 ) 传输协议： r t p ( r e a l t i m et r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 实时i 办议：是一种普通用途实时数据 流协议。但是r t p 本身并不提供任何机制保证实时传输，也不保证任何服务 质量( q o s ) 。而是依赖于低层协议提供这些服务。r t p 提供了时间标签和控制 不同数据流同步等特性的机制，接收端可以重组发送端的数据包，可以提供 接收端到发送端的服务质量反馈，具有较强的时间特征，从这个意义上讲， 它是一种实时传输协议。 r t c p ( r e a l t i m et r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 实时控制协议：负责监视网 络服务质量、通信带宽以及网上传送的信息，并将其通知给发送端。若可用 的带宽一旦变窄，r t c p 立即将该信息通知发送端，发送端根据此信息进行调 整发送。 r s v p ( r s s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 资源预留协议该协议在声音、视频及数据 的实时传输时，提供服务质量保证的协议。在现有i n t e r n e t 上实现带宽预留， 为实时性音频、视频业务保留带宽，并设置队列管理方法。它装在网络接点 上，用以保证端到端的传输带宽。并且r s v p 与网络层无关。r s v p 可以按不 同的应用分配带宽，能有效地减少传输延迟和时延抖动。保证音频、视频数 据的实时传输。 d h c p ( d i r e c t o r yh o s tc o n f i g u r a t i o np i 。o t o c 0 1 ) 它允许计算机与计算机设 备从d h c p 服务器提取诸如i p 地址之类的配置信息。 l d a p ( l i g h t w e i g h td i r e c t o r ya c c e s sp r o t o c 0 1 ) 寻找u r l 的目录访问协议。 m v i p ( m u l t iv e n d o ri n t e g r a t i o np r o t o c 0 1 ) 完成不同硬件产品间的通讯 s c t p ( s i m p l ec o m p u t e rt e l e p h o n ep r o t o c 0 1 ) 提供智能数字电话设备接口 的协议。 ( 2 ) 控制信令协议： 控制信令保证电话呼叫的顺利实现和话音质量，并可提供各种高级电话业 务。目前被广泛接受的v o l p 控制信令体系包括i t u t 的h 3 2 3 和i e t f 的会 话初始化协议s i p 。 h 3 2 3 协议是i p 电话协议组中最常用的 议，是承载v o i p 的协议平台。 i t u t 于1 9 9 6 年初首次发稚h 3 2 3 协议，1 9 9 8 年通过h 3 2 3 v 2 1 4 7 1 ，h 3 2 3 v 3 可能很快会推出。h 3 2 3 协议最初是为x 2 5 网或a t m 网提出的，但现在已广 泛应用于i n t e r n e t 中。h 3 2 3 信令协议结构如图1 1 所示。其中阴影部分显示 了协议栈中与i p 电话联系紧密的协议子集。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 揽顿音蝴粹籼数据 g7 1 1 h2 6 l g 7 2 2 h 2 2 5 ，溱 t 1 2 0 g 7 2 3 终端劐 h2 2 5 h 2 f i 3g 7 2 8 + ， 美印韵 叶叫 g ? 2 9j j 倍= 鸯! 捕令 r h pr 1 c pr t pr 1 c 产 u i ) pt c p 图1 - ih 3 2 3 信令胁议结构 h 3 2 3 协议定义了在无q o s 保证的分组网络中进行多媒体通信所需的协 议和规程。这样的分组网络包括：l a n 、w a n 、i n t r a n e t 、i n t e r n e t 以及使用 p p p 等分组协议通过p s t n 或i s d n 的拨号连接或点对点连接的网络。 i t u t 将h 3 2 3 定义为“多媒体分组通信系统”。因此h 3 2 3 不仅能发送 和接收话音，而且可以支持多种视频业务( 如电视会议) ，以及数据业务( 如 电子自板，文件传输等) 。v o l p 中应用h 3 2 3 仅应用了其承载v o l p 的功能。 h 3 2 3 协议描述了i p 电话系统的基本构成和各部分的功能。它支持点对点通 信及在m c u 支持下的多点通信协议。 h 3 2 3 协议中有关i p 电话的重要标准及其功能如表1 1 表1 ii p 电话阱议 协议功能 h 3 2 3 定义企局操作和过程 h 2 2 5 0 定义注册，入场t 状态( r a s ) 信令控制和q 9 3 1 媒体流打包与同步 t 1 2 0 多点数据会议系列标准 t 3 8 定义实时传真协议 h g c p 定义媒体网关控制防议 h 2 4 5 定义媒体通道打开关闭以及其它命令，请求与指示 h 4 5 0 x 定义补充服务 g x x 定义语音压缩和解压标准 h 2 3 5 疋义糸统认让，朋蹬与元豫任爱尘惟架 h 3 2 3 协议栈中各相关i 办议之间的关系盘图卜2 示。耵u t 推荐的在i p 电 话中使用的语音编码及压缩标准如表l 一2 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 话音的分组传输。为了保证其实时性，要求网络提供充足的带宽，因此对目 前的i p 网络，话音压缩技术是i p 话音通信成功与否的关键所在 低延迟码激励线性预测技术l d c e l p ( l o wd e l a y c o d ee x c i t e dl i n e a r p r e d i c t i o n ) 是高度优化的1 6 k b i t sc e l p ( c o d ee x c i t e dl i n e a rp r e d i c t i o n ) 算法，可 用较小的端对端延时高质量地再现话音i t u t 将该方式选作1 6 k b i t s 速率的 标准方式，即g 7 2 8 。 广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一： i 税姗o 卜_ ：篆i 糌柞f 4 $ 1 i t 0 ii 杆坝c 0 d h 延迟卜一 卜mi 系统拧制 l l2 2 5 0 同域阿 j 叠 接口 h2 4 5 挖制 l 控制接口l 呼叫控制 h 2 2 5 0 吣掩制 l l 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一j 图i 2h 3 2 3 办议栈l i j 各相关协议的关系 共轭结构代数码激励线性预测技术c s a c e l p , 是i t u t 的8 k i t s 语音编码 标准，即g 7 2 9 。 目前h 3 2 3v 2 选择g 7 2 3 1 作为缺省的话音编码标准 表1 2i p 电话语音编弼标准 协议编码比特率帧长复杂度颁布 方案( k b i t s )o n s )( m i p s j 质量延迟 时间 g 7 1 1p c m6 40 1 2 5 很低非常好可忽略 1 9 7 2 g 7 2 6a d p c m4 0 1 3 2 1 2 40 1 2 5 8 好( 4 0 k ) 非常低 1 9 9 0 差( 1 6 k 1 g 7 2 8 l d - c e l p1 6 0 6 2 5 低 1 9 9 2 9 4 g 7 2 3 i m p c - m l q 6 4 5 33 0 4 0 好低 1 9 9 5 g 7 2 3 m p c - m l q 6 4 5 32 ( ) 好| 一般高 g 7 2 9c s a c e l p 8 1 03 0 好低 1 9 9 5 g 7 2 9 ac s ，a c e l p8j o 一般低 1 9 9 6 g 7 2 26 4 ，5 8 4 8o 1 2 51 9 9 8 s i p 协议是出i e t f 推出的会话初始化协议，是基于文本的。它只提供与 呼叫的建立和控制功能相关的协议。是应用层控制信令协议。它被用来创建、 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 修改以及终止一个或多个参与者参加的会话进程，可以在会话中邀请其他会 话者加入【4 2 1 。 s i p 协议是个f 在发展和研究中的协议。它借鉴了其他i n t e r n e t 的标准 和协议的设计思想，坚持简练、开放、兼容和可扩展原则，并且充分注意到 i n t e r n e t 开放而复杂的网络环境下的安全问题。同时，它也考虑了对传统p s t n 的各种业务，包括智能网业务和i s d n 业务的支持。 s i p 协议独立于其他会议控制协议，设计l 独立于下层传输层协议，可方 便灵活地扩展其他附加功能。它不象h 3 2 3 提供所有的通信协议。因此，它 更简单，更灵活。但s i p 协议还处于标准化阶段，支持的厂家还比较少。 中国i p 标准研究组认为由于s i p 协议需要相对智能的终端，因此s i p 协 议的普遍使用有待于i n t e r n e t 上的p c 数量与电话网上的话机数量具有可比性。 1 2 i p 电话在国内外的应用现状 1 2 1 国外i p 电话的应用 在国外越来越多的i s p 、电信公司、新的i p 电话公司甚至有线电视公司 正在或将要通过i p 网络电话从传统电信经营者手中争得越来越多的利润和市 场份额。比较有影响的国外i p 电话运营商有：美国的a t t ，美国i d t 通信 公司t 1 2 22 1 。 在发达国家，由于其有很好的电信基础设施、电信服务和几乎没有限制 的政策，使他们的1 p 网络电话发展较快【i ”。i d c 最近的一份报告表明，i p 网 络电话在欧洲开始进入主流市场，在未来数年内，欧洲i p 网络电话通话量的 年增长率将达到1 9 2 ，由占总通话量的0 0 1 到2 0 0 4 年的3 5 ，收入由1 9 9 9 年的1 1 0 0 万美圆增长到2 0 0 4 年的2 5 亿美圆。英国的i p 电话业务在该地区保 持领先地位。英国的c a b l ea n d w i r e l e s s 公司已决定在2 0 0 1 年内国际长途电话 全部采用i p 电话。美国a t & t 公司在电话号码前加了四位数，以示与普通电 话区别以此方式推动i p 电话的普及。 同时，出现了许多i p 网络电话的新应用引人关注的是日本t e l e c o m 和 爱立信( r 本) 公司在2 0 0 0 年9 月成功地在第三代移动通信方式w - c d m a 上进行了v o l p 实验，结果证明：传输声音的过程中保证了足够的品质。 但是，至今仍有一些国家不同意发展i p 网络电话，比如泰国【2 2 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 1 2 2 国内l p 电话的应用 1 9 9 9 年，中国电信、中国联通、中国吉通、中国网通获得了开展i p 电 话业务实验的许可证。1 9 9 9 年4 月2 8 同，中国电信率先在北京、上海、广州 等1 4 个城市开通i p 电话实验网，随后中国吉通、中国联通、中国网通也先后 建成i p 电话网。目前个运营商的i p 电话网以覆盖全国数十个大中城市，可通 达欧洲、北美和亚洲近两百个国家和地区。2 0 0 0 年4 月1 日信息产业部批准 正式开放i p 电话业务，i p 电话在中国蓬勃发展 2 4 , 2 5 , 3 3 l 。1 9 9 9 年和2 0 0 0 年i p 电话业务结比较构如图1 3 所示。国内各运营商市场格局比较如图1 4 所示。 目前i p 电话业务的主要用户是计帐卡用户，随着业务的进一步开展，主 叫用户、集团大客户，移动用户都将成为l p 电话的庞大用户群，发展前景不 可估量。个人消费者使用i p 电话的情况比较如图1 5 所示。 在中国i p 电话网上使用的设备有v o c a lt e c ，c i s o c ，c l a r e n t ，3 c o m ，华 为等公司的网关和关守，m i n d 、p o r t a l 、w a c o s 等公司的计费系统。国内i p 电话设备市场分靠情况如图1 - 6 所示。 图1 - 4 幽内各运营商市场格局比较 图i 5 个人消费者使用i p 电话的情况比较 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 图i 一6l i 幽i p 电- i 再设备市场分布情况 在电信级应用大力发展的同时，纯软件的产品也不断涌现出来如： n e t m e e t i n g ，i p p h o n e 5 ，n e t 2 p h o n e ，c o o l a u d i o ，m e d i a r i n gt a l k 9 9 等主要针对个人应用的软件。但在国内通过这些i p 电话软件拨打市内或长途 电话的用户极少。 1 3现有i p 电话系统存在的问题及解决思路 通过以上分析，不难看出：现有i p 电话产品，无论是软件产品还是硬件 产品，其主要应用仍然是以电信级点到点的话音通信为主。对于工矿企业、 公司、政府机关等应用场合，由于位置相对集中且内部机构之间有密切而频 繁的工作联系，需要有控制地进行个别或群体间话音通信，现有i p 电话无法 提供完善的功能满足这一要求。 针对团体间有控制通话的需要，有人提出了i p 会议电话的模型【2 0 1 ，i p 会 议电话可以满足团体内简单的话音通信需求但是它不具备智能通信的诸多 功能，不能满足有复杂要求的团体内或团体问的指挥和调度通信。这些复杂 的功能比如有组呼、广播呼叫、多级优先级、动态重组、遥毙、加密通话等。 为此，我们提出了智能i p 电话模型，它可以很好地完成这些复杂功能，能满 足企业级的应用。 1 4本文的研究内容和结构 在对现有i p 电话技术及其应用进行深入研究的基础上，本硕士论文提出 了一种智能i p 电话系统，它能够满足团体问有控制通话的需求。在本系统的 设计和实现过程中，作者主要完成了如下工作： ( 1 ) 完成了智能i p 电话系统语音卡的硬件设计和制作。智能i p 电话系统语 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 音卡是该智能i p 电话系统中局域网网与p s t n 网的接口，主要完成媒体转换 的工作，实现i p 电话网关的部分功能。 ( 2 ) 完成了智能i p 电话系统语音卡驱动程序的编制。在w i n d o w s 9 x 系统中， 操作系统不提倡应用程序直接与外围硬件设备打交道，而是通过w i n d o w s 的 v x d 与硬件设备通信。作者完成了语音卡的v x d 驱动程序，实现了语音卡与 上层软件的通信。 ( 3 ) 完成了智能i p 电话系统系统软件的设汁，系统软件包括服务器端和客户 端软件。其中主要有：通过w i n d o w s 的低层啻频函数实现了话音数据的采集 与播放；通过c + + b u i l d e r 中t n m u d p 组件实现话音数据的网络传输，通过 t s e r v e r s o c k e t t 和t c l i e n t s o c k e t 组件的实现了控制信令的传输。利用c + + b u i l d e r 提供的桌面数据库工具和s q l 语言实现了智能i p 电话系统如：动态 重组、遥毙，复活，监听等智能功能。 ( 4 ) 实现了r t p 协议。在将语音数据封装为u d p 包之前，先将语音数据封 装为r t p 包，以保证实时性。 ( 5 ) 移植了梁宏斌同学编制的i d e a 加解密模块，实现了本系统对音频数据 加密传输。 ( 6 ) 实现了( 3 7 2 3 i 协议的语音压缩与解压缩g 7 2 3 1 协议的语音压缩与解 压缩是i t u t 推荐的i p 电话语音压缩与解压缩算法，本文用软件实现了该协 议。 ( 7 ) 借鉴了孟锐同学编制的相关软件模块，在本系统中实现了网络繁忙程度 的检测。 本论文第二章对智能i p 电话系统的总体结构和智能功能进行了描述：第 三章详细说明了语音卡的硬件设计：第四章详细介绍了语音采集、语音传输、 语音卡v x d 的设计以及智能l p 电话智能调度功能的实现；第五章是有关网络 繁忙程度检测、i d e a 加密算法的实现，g 7 2 3 1 算法实现以及r t p 协议的实 现：最后，在第六章给出了本硕士论文的结论与展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 第2 章智能ip 电话系统总体设计 2 1 系统功能特色 首先，本系统具有现有i p 电话软件所具有的功能，比如能实现点到点的 p ct op c 、p ct op h o n e 的功能。其次，本i p 电话系统还具有部分i p 电话软件 不具备的p h o n et op c 的通话，白板，数据传输，发送语音电子邮件等功能。 此外，本系统最主要的特色在于下述智能特性： ( i ) 组呼 通话组是该系统中进行通信的基本单位，一个组所拥有的用户数可多可 少。每个用户在通话时总是处在某个组中。一个用户可以相对静止地长期属 于某一个组，也可以在需要通话时以通话对象所在的组决定自己的组。对不 属于任何组的用户需要进行组通信时，可通过申请加入某一组或组成一个新 组。 ( 2 ) 动态重组 在某些时候，需要将属于某个组的用户再分为几个组，或将属于某个组的 部分用户组成一个新的组，或将分属于不同组的用户组织到一起。重组是一 个重要的控制功能，重组是具有重组权限的用户( 一般是系统管理员或部门 负贵人) 通过软件的相关设置来完成的，也可以在需要重组时向系统管理员 申请。 ( 3 ) 限制性个别通话 除组呼以外，用户可以与另一终端进行个别通话。比如一群人处于组 呼方式时，允许某些人进行组内或组外私下交谈，而其他人只能处于指定 的组呼公共通话模式。不能说小话。个别通话可以被高优先级的用户打断 或终止。也可以对拨出号码进行限制，如有些用户不能对外线通话。 ( 4 ) 多级优先 系统提供了多级优先的功能，以便在l i ) | | 络拥塞时，保证最高优先权的用 户能够得到服务。高优先级用户可以强行中断优先级低的组和个别通话，以 释放系统带宽，保证高优先级的通话，保证通话质量。优先级的分配可由系 统管理员通过系统管理终端加以控制。系统中紧急呼叫的优先权总是最高的。 ( 5 ) 通话组扫描监听 只要权限许可，用户可以按预先设簧好的用户名单，对他们进行扫描监 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 听。当然，这样的权限应受到严格限制。 ( 6 ) r 【l 话互连 系统中不仅可以实现一般的p c 到电话和电话到p c 的点到点通话，p s t n 电话也能实现组呼，组呼时充当一个终端。但是由于普通p s t n 电话的功能 实在太少，它不是一个智能终端，所以上述的很多功能它都不能实现。 ( 7 ) 语音留言 当有呼叫到来时，如果你不想打断你观在的工作，可以预先设定为请留 言。这样当有呼叫时，他将听到请帮言的提示。并自动记录来电的地址，在 需要时可回呼。 ( 8 ) 遥毙 系统管理员或高优先级用户可以取消某个用户或某组用户的通话资格。用 户一旦被遥毙便无法加入任何一个组进行通话，即被遥毙的用户既不能发起 呼叫，也不能接收呼叫。 ( 9 ) 加密通话 用户在通话时刊以选择加密通话方式，这种方式下话音数据经过加密处 理以后传输到接收方，接收方经过解密处理后再播放。这样可以避免他人截 获或偷听你们的谈话。 ( 1 0 ) 通话质量检测与控制 可根据当前网络流量情况，动态确定最大允许同时通话的用户数目，以 保证q o s ，缓解系统拥塞。 ( 1 i ) 个性化提示信息 用户可对不同的接入用户设置不同的提示震铃音，依震铃音可判断呼叫 者，以决定是否立即按听。 2 2 系统的总体结构 2 2 1 网络环境 由于条件的限制，实际上作者是通过移动通信研究所的局域网进行的研 究和实现，网络的结构如图2 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第15 页 图2 i 智能i p 电话系统结构 为简化起见，该实验系统中省去了独立刚关和关守。网关和关守的功能 山服务器和终端的p c 机来完成。控制功能在服务器上实现，对媒体转换若用 p c 机做终端，则在p c 机上完成，若是普通p s t n 电话接入则在服务器上实 现媒体转换 5 , 7 1 0 , 2 1 , 2 8 j 。 2 2 2 系统软件结构 考虑到系统的扩展性，在实现中采用了多线程机制、事件驱动和消息驱 动等方式。系统软件结构如图2 2 所示。 语音发送线程执行语音采集、滤波、压缩、r t p 打包和发送过程，过程 停止时线程被挂起：语音数据接收执行数据包的接收、r t p 拆包、解压缩和 输出过程，这一过程是由消息驱动的：电话