网络电话的实现设计

1、【MeiWei_81重点借鉴文档】 IP电话简介 1目标 近年来，随着我国国民经济的迅速发展和改革开放的进一步深人， 国内和国际间的信息交流日益频繁。目前这种交流主要是通过电话进 行的，但长途电话费用昂贵，尤其是国际间的通话费，更使得寻常百 姓望而却步。但近几年，随着因特网技术的飞速发展，一种新兴的廉 价电话服务方式一IPPhone（因特网电话）悄然走入人们的生活，仅需 付现在长途通话费用的1/10便可以享用同普通电话同样质量的语音 服务。因此，发展因特网电话有很大的优势，将成为语音通话中的强 有力的竞争对手。 2IP电话原理 IP电话是利用因特网作为传输媒体实现计算机与计算机、普通 电话与普

2、通电话、计算机与普通电话之间进行话音通信的技术。图1 表示两个远地节点（A地和B地）间的IP电话的通信模式，其中 LPSTN（LocalPublicServiceTelepho neNetwork）代表本地电话网。它 和人们所普遍使用的电话不同，普通电话是采用程控交换技术，通过 公共电话网（PSTN）传送模拟话音信号，而且通话双方一旦建立连接， 便独占一条电路通道，直到通话完毕拆除连接。而IP电话则是采用 包（IP包）交换技术，借助因特网传送经过语音编码处理的数字信号， 在双方通话期间所建立的通道上，可同时传送其它多媒体数据（视频、 图像、文本等）。IP电话的基本工作原理是：由专门的设备或软件

3、将 呼叫方的话音信号采样并数字化，经过压缩，打包成可在IP网络传 输的IP数据包，通过IP路由机制传给到对方。对方的专门IP电话 设备或软件在接收到语音IP包后进行解压缩，还原成模拟信号传到 电话听筒。 在普通电话之间进行IP语音通信，必须通过在电话网和因特网 间配置IP网关来实现。IP网关是将电话网与因特网融合，实现二者 间互通的核心设备，实现电话网的信令协议与IP数据网协议的相互 转换。IP网关由硬件层、软件模块层、维护管理层、控制接口层组 成（图2所示），其中软件模块层又包括语音信号处理、PSTN呼叫控 制、IP呼叫管理、IP呼叫控制、数据传输、DSP管理软件包等。而 语音信号处理包括语

4、音压缩技术、编码算法、回波抵消和DTMF佥测 功能。由于IP电话利用了分组交换和统计复用技术，实现了语音、 数据的综合传输，从而克服了传统电话对紧缺通信带宽的高额消耗 （一路电话话音占用64KbsP带宽），它只需要6 一 8Kbps（甚至低于 2.4Kbps）,大大节省了通信带宽，使得整个网络的运营成本大幅度降 低。这对于渴望减少巨额国际传统电话费的公司来说，用In ter net 传输语音流带来的好处是显而易的。 In ter net A地 IP Gateway LPSTN PC Teleph one B地 IP Gateway LPSTN Teleph one 图1IP电话的通信模式 网关

5、控制接口 维护、管理与计费 PSTN 呼叫 控制 DSP 管理 软件 G723.1 G.729a 回波抵消 DTMF检测 IP呼叫管理 IP呼叫 控制 (H.323) 数据传输 RTP/RTCP 硬件平台 图2IP电话网关的组成 3IP电话的关键技术 以上分析的是IP电话的工作原理，下面结合IP电话的工作原理 介绍其使用的关键技术。 3.1话音压缩技术 IP电话技术的基础是话音压缩技术，ITU于1995年11月通过的G.729 是IP电话采用的话音压缩标准。G.729算法被称作CS 一 ACELP(ConjugateStructured一 AlgebraicCodeERcitedli near

6、Predictive)即对生结构代数码激励线 性预测，它是在标准PCM或线性PCM舌音采样的基础上，每10ms生 成一个10字节的话音帧，可以将普通话音编码成8Kbps的传输话音， 话音质量与32Kbps的ADPCM(G.724相同。CS一 ACELP也是为先进的 定点运算数字处理器设计的。 3.2回声消除技术 在PBR或局用交换机侧，有少量电信号的能量未被充分转换，沿 原路返回，形成回声。如果打电话者离 PBR或交换机不远，回声返回 很快，人耳感觉不出来。但当回声返回时间超过10ms时，回声就会 严重影响通话质量。为了消除回声，一般采用回声消除技术，在处理 器中有特殊的软件代码监听回声信号，

7、并将它从听话人的语音信号中 消除。对于IP电话设备，回声消除技术特别重要，因为利用IP网进 行长途通话，时延很容易达到 40ms 50ms 【MeiWei_81重点借鉴文档】 3.3静噪抑制技术 在实际的电话通话过程中，由于当一方在讲话时，另一方在听， 而且讲话过程中有大量显著的停顿，只有 36%-40%勺信号是活动或有 效的，大部分是停顿时间。利用静噪抑制技术，可以检测出双方通话 过程中的停顿时段，并在该时段停止发送语音包。从而可以节省大量 宝贵的网络带宽资源，用于其它话音或数据通信。 3.4话音抖动处理 IP网络的一个特征就是网络延时与网络抖动，为了防止语音抖 动，人们采用抖动缓冲技术，即

8、在接收方设定一个缓冲池，话音包到 达时首先进人缓冲池暂存，系统以稳定平滑的速率将话音包从缓冲池 中取出、解压、然后播放给受话者。这种缓冲技术可以在一定限度内 有效处理话音抖动，并提咼音质。 3.5话音优先技术 由于话音通信实时性要求较高，为了提供高音质的IP电话通信， 在广域网带宽不足（拥挤）的IP网络上，一般需要话音优先技术。当 WAr带宽低于512Kbps时，一般在IP网络路由器中设定话音包的优 先级为最高，路由器一旦发现话音包，就会将其插入到IP包队列的 最前面，以便优先发送。这样，网络的延时与抖动情况对话音通信的 影响均将得到改善。 另一种技术是采用资源预留协议（RSVP）为话音通信预

9、留带宽。只 要有话音呼叫请求，网络就根据规则为话音通信预留出设定带宽， 直 到通话结束才释放带宽。 今天的技术已经做到平均每条话音中继线的通信量仅占1Kbps 一 2Kbps,为64Kbps广域网带宽的3%而传统电话网中，一路话音 要占64Kbps,这正是IP电话比传统电话省钱的原因。 3.6IP包分割技术 因特网上的IP数据包，可达到千字节以上。若用来传送语音， 则会严重影响话音质量。为此，需要根据网络带宽，分割IP语音包 的大小。理论和实践证明，表1可作为实际IP包的分割原则。 表1广域网带宽与语音ip包大小的关系 广域网带宽(Kbps) 最大IP语音包(bRte) 56/64 256 1

10、28 512 256 1024 512 2048 1544 6144 从上表看出，如果 WAN链路为256Kbps为更好地保证IP电话 的音质，应将IP包大小限制为不超过1024字节。 3.7VOIP前向纠错技术 高级VolP(VoiceoverlP)网关采用另一项保证音质的技术一前向 纠错技术FEC(ForwardErrorCorrection) 。IP包在传送过程中有可能 损坏或被丢失/丢弃，如果话音包丢失/损坏率较低，IP电话的音质 不会受到明显损害。由于公共In ternet网络往往有较高的丢包率， 因此不足以维持高质量的话音通信。因此，FEC技术就能够发挥重要 作用。FEC技术有两级

11、，第一级是Intra-Packet ，第二级是 ERtra-Packet。第一级是在同一包内加冗余数据，以便接收方纠错、 恢复、还原话音数据，保证音质。第二级是在每一个话音包中存放后 续包的冗余数据，以便接收方从已经接收到的包中恢复出错或丢失的 话音包。FEC可以吸收10%r 20%勺丢包率，保持高音质。但是 FEC 要多消耗多达30%勺网络带宽，因此在企业网内部一般不采用FEC 【MeiWei_81重点借鉴文档】 4IP电话的三种通话方式 IP电话根据终端设备不同，可分为 PC-PC Phone-Phone、 PC-Phone(Phone-PC三种通话方式，如图3所示(注意，这里的 PC 并

12、不一定指个人的电脑，它可以是直接在IP网络上的任何IP语音终 端)。 ip网络 PC 机(a) PC-PCPC 机 电话机 IP网络 PC机 (b) Phone-Phone IP网络 PSTN 图3IP电话的三种通话方式 电话机 4.1PC-PC PC-PC结构如图3(a)，是In ternet电话的最初形式。PC用户为 通信终端，以In ternet为传输网络。在PC- PC方式中，可以有两个 或更多个需要通话的用户同时开启多媒体计算机，这些计算机可以通 过局域网，也可以通过拨号上网的方式连接到In ternet上。其中语 音采样、编解码和打包等工作均通过PC机上的处理器、声卡、网卡 等硬件

13、资源来完成。 根据呼叫方是否知道对方IP地址，PC- PC的通信方式分两种。 第一种是呼叫方知道被呼叫方IP地址，通过被呼叫方的IP地址直接 与被呼叫方通话；第二种是呼叫方不知道对方的IP地址，这时呼叫 方需首先与关守(GateKeeper)进行连接，通过关守得到被叫方的IP 地址，然后再与被呼叫方通话。 4.2Pho ne-Pho ne Phone- Phone结构如图3(b)，是使用常规电话作为用户终端，通过 PSTN(PublicSwitchedTelephoneNetwork ，公共电话交换网络)和 In ternet来传送语音。这也是IP电话最普遍的方式。由于语音的传 输要经过PST

14、N和In ternet两种不同的网络，因此需要连接这两种网 络的网关以及关守等设备，因此这种结构也称为网关结构， 这也是真 正投入商业运营的电信级IP电话系统。 在实现语音通信时，主叫方首先通过PSTN与发送网关建立连接， 发送网关通过识别主叫身份，检查权限以及计费信息等(通过关守的 辅助进行)，对主叫方进行响应。主叫方通过验证后输入被叫方电话 号码；发送网关根据被叫方电话号码，通过关守的辅助，与接收网关 建立连接，接收网关把相应信息通过 PSTN传送到被叫方。这样主叫 方与被叫方就可以进行通话了。 在通话过程中，语音信号通过PSTN传输到发送网关后被数字化。 发送网关通过关守找到接收网关的I

15、P地址，并根据H.323协议对语 音信号进行编码、打包等处理，形成可以在In ternet上传输的IP数 据包，然后发送给接收网关。接收网关接收由发送网关送来的IP数 据包，对其进行解包、解码等操作，将其转换为模拟语音信号后，通 过PSTN传送到被叫方。 4.3PC-Pho ne PC-Phone(Phone-PC的结构也称为混合结构如图 3(c)，是介于PC- PC和Phone Phone之间的一种结构。在这种结构中，语音通信终端 分别为普通PSTN电话和In ternet上的PC由于语音通信是在异种 网络间进行的，所以网关也是必需的，它完成通信协议、传输格式的 转换以及语音编解码和打包等工

16、作。 5IP电话的市场发展及趋势 IP 电话最早是由VocalTec公司于1995年初推出的 InternetPhone 客户软件，由于IP电话蕴涵无限商机，使得在其诞 生后的短短3年时间里，在欧美等发达国家得到了迅速发展， 业务量 已占据整个电话通讯量的10喘。1998年，美国IP电话市场产值达到 18亿美元。与历经一百多年发展的传统电话业务相比，其发展速度 之快，令人惊叹。 面对信息技术的迅猛发展，人们普遍认为，未来最重要的信息传 输是数据传输，各种服务都将以数据为基础，而话音仅仅是一种服务。 从长远的观点来看，由于IP电话和传统电话相比具有优越的性能价 格比，且IP电话中还可以加人智能，

17、创造许多增殖业务，如：音频 / 视频会议、Web电话、语音邮件等优势，使得IP电话替代传统电话 成为技术发展的必然趋势。但另一方面，由于人类耗费巨额投资经过 近20年的发展建立起来的程控电话交换网的用户已经深人到普通家 庭，目前更具有语音实时传输和完备的网络服务质量管理体制的优势 使得IP电话在未来10年之内，尚不可能完全替代传统电话。近几年 内的发展趋势是：因特网电话不断占领传统电话的市场，促使传统电 话长途话费不断降低，直至IP电话的语音质量和使用方便性方面完 全达到或超过传统电话。 鉴于在发达国家，大型的电信运营商不再投资于传统的电路交换 设备，而大量投资在数据交换产品，建立世界范围之内的IP电话网 络。我国也于