IP电话vop技术杨兴志.docx

1、IP电话vop技术杨兴志IP（VOIP）电话技术 通信工程 杨兴志前 言 随着因特网的飞速发展，起源于因特网的IP电话也在蓬勃发展。IP电话因其依托于IP网络进行语音通话而得名。由于因特网也是基于IP协议平台的信息传送网络，因此，目前常用的因特网电话就是IP电话的一种。据专家预测，IP电话将是未来语音通信的主角。随着IP电话的日益普及，IP电话市场越来越引起运营者和广大消费者的关注。目前，我国已有中国电信、联通、吉通、网通和中国移动等五家运营商可以经营IP电话业务，市场规模不断扩大。 近几年，全球IP网络的发展也异常火爆，已由初期的IP电话软件时期进入到IP电话网关时期。加上年初光电总局批复利

2、用IP网络传送视频节目，因特网迅猛的发展速度几乎正在冲击着世界上所有的电信运营商，影响着他们的发展思路和运营策略。IP电话的诞生和发展与因特网是密不可分的。正是由于因特网在全球的迅猛发展，使得通信变得更加简便和灵活，并大幅度降低了广大企事业以及个人用户的国际和国内直拨电话费用，通话质量稳步提高，这使IP电话逐渐成为通信业务的新贵，逐渐成为下一代（NGN）网络业务种重要的一种。 目录1、VOIP简介12、IP电话的概念13、IP电话的应用形式24、IP电话业务发展现状分析25、VOIP的关键技术36、VOIP的基本原理与实现形式37、VOIP的主要技术48、IP电话的服务质量分析69、影响IP电

3、话服务质量的四个参数610、提高IP电话服务质量的主要途径711、移动IP技术的分析与研究812、与传统IP的区别813、包括的重要概念8摘 要本文从IP电话概念、网络协议、主要技术原理、发展现状多个层面系统地介绍了IP电话与IP电话网络技术。主要内容包括：IP电话的概念、应用形式、主要特点及国内外发展现状分析；IP电话网络结构、通信过程、涉及的主要技术及原理、通信协议及标准；IP电话的服务质量分析（OOS）分析，提高IP电话语音质量的主要途径；移动IP技术的分析与研究。关 键 词 IP电话 技术 原理 协议 标准 服务质量 移动IP技术一、VoIP简介1、IP电话的概念IP电话是一种利用In

4、ternet技术或网络进行语音通信的新业务。从网络组织来看，目前比较流行的方式有两种：一种是利用Internet网络进行的语音通信，我们称之为网络电话；另一种是利用IP技术，电信运行商之间通过专线点对点联结进行的语音通信，有人称之为经济电话或廉价电话。两者比较，前者具有投资省，价格低等优势，但存在着无服务等级和全程通话质量不能保证等重要缺陷。该方式多为计算机公司和数据网络服务公司所采纳。后者相对于前者来讲投资较大，价格较高，但因其是专门用于电话通信的，所以有一定的服务等级，全程通话质量也有一定保证，该方式多为电信运行商所采纳。本文主要讨论第一种方式。2、IP电话的应用形式基于运营行业的应用由于

5、分组交换技术给传统的交换方式带来了强有力的冲击，使得业务提供商开始建造基于INTERNET协议（IP协议）的全球网络，电信行业正面临着基础技术的转换。开始把语音通信的传统电路交换网络向新的使用IP的分组交换网络转换。同时开辟新的IP电话业务。基于企事业的应用对于一个企业来说，减少支出，节约成本，是非常重要的。利用已经拥有的资源，进一步的开发利用，充分发挥设备的功效，将会给企业带来更多的帮助。目前大多数企业都已建设了数据网、电话网等多个互相独立的专用网络。利用VOIP技术，把语音技术附加在数据网络传输上，尤其是拥有租用数据传输线路的企业，采用这一技术，具有更好的经济性。所以说VoIP技术可应用在

6、拥有租用线路业务的企业中，可很好的在数据专线上进行语音传输。3、IP电话业务发展现状分析IP电话业务在全球迅速开展近些年随着竞争的加剧和IP电话(VoIP)技术日益成熟，以及Internet接入技术的多样化，IP电话业务迅速增长。有关数据表明，2004年3月，全国IP电话国内通话时长达到173亿分钟，同比增长54.1%；国际通话时长达到2.23亿分钟，同比增长54.5%。而同期普通国内长途电话通话时长为128亿分钟，同比下降6%；国际电话通话时长为1.04亿分钟，同比下降0.8%。IP电话话务量仍在不断增长，并且大大超过了普通长途电话。TeleGeography的报告称，1998年全球IP电话

7、呼叫仅有1.5亿分钟，不到国际话务总量的0.2%；而到2002年，跨境IP电话业务流量增长到近190亿分钟，约占全球国际话务量的11%。据IDC预测，美国IP电话市场将从2003年的2.81亿美元增长到2007年的67亿美元；著名咨询公司Analysys预测，到2007年西欧的IP电话业务收入至少可以达到25亿欧元，在电信市场占据15%的份额，并指出IP电话将取代传统交换系统，最终话音质量可以与其相媲美，甚至更好。IP电话的推动因素 对运营商而言，与传统电话业务相比，IP电话业务的优势主要有：低廉的资费；便于开发和提供新的业务；综合提供话音、数据、视频等业务；降低运营支出；降低投资成本；终端号

8、码具有可携带性。对商业用户而言，利用IP技术，能使对网络和带宽等资源的利用率更高，可以促进话音、数据的融合，在大大降低设备投资的同时，减少设备管理和维护工作，降低人员及培训费用，大大削减成本；利用IP电话，商业用户能够使用包括话音、传真、视频及E-mail的各种融合应用，支持员工随时随地、轻松地访问网络，简化通信管理；桌面多媒体应用以及电话会议、视频会议等交流方式，增强了员工、客户以及合作伙伴间交流及协同工作的能力，显著提高了工作效率。 尤其需要指出的是，IP电话真正的价值和竞争优势不在于价格，而在于它能将基于Web的新业务和传统电话智能网业务的优势结合起来，提供创新的综合业务和功能，开拓更为

9、广阔的、新的市场空间。 IP电话带来的问题和挑战 在IP电话火热发展的同时，也应该注意存在的一些问题。尤其是，IP电话在给人们带来收益的同时，还给用户、运营商、管制者带来了一些挑战，对设备提供商而言，产品的互操作等问题是必须注意的。 二、VoIP的关键技术1、VoIP的基本原理与实现形式VoIP是建立在技术上的分组化、数字化传输技术，其基本原理是：通过语音压缩算法对语音数据进行压缩编码处理，然后把这些语音数据按等相关协议进行打包，经过网络把数据包传输到接收地，再把这些语音数据包串起来，经过解码解压处理后，恢复成原来的语音信号，从而达到由网络传送语音的目的。电话系统把普通电话的模拟信号转换成计算

10、机可联入因特网传送的数据包，同时也将收到的数据包转换成声音的模拟电信号。经过电话系统的转换及压缩处理，每个普通电话传输速率约占用带宽，因此在与普通电信网同样使用传输速率为的带宽时，电话数是原来的倍。目前VoIP系统一般由电话终端、网关（）、网（关）守（）、网管系统、计费系统等几部分组成。电话终端包括传统的语音电话机、电话机，也可以是集语音、数据和图象于一体的多媒体业务终端。由于不同种类的终端产生的数据源结构是不同的，要在同一个网络上传输，这就要由网关或者是通过一个适配器进行数据转换，形成统一的数据包。电话网关具有路由管理功能，它把各地区电话区号映射为相应的地区网关地址，提供网络和电话网之间的接

11、口，用户通过本地环路连接到网络的网关，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，再通过传到被叫方的终端。这样，就完成了一个完整的电话到电话的电话的通信过程。关守实际上是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。关守提供的功能有拨号方案管理、安全性管理、集中帐务管理、数据库管理和备份、网络管理等等。网管系统的功能是管理整个电话系统，包括设备的控制及配置，数据配给，拨号方案管理及负载均衡、远程监控等。计费系统的功能是对用

12、户的呼叫进行费用计算，并提供相应的单据和统计报表。计费系统可以由电话系统制造商提供，也可以由第三方制作，但此时需电话系统制造商提供其软件数据接口。在实现方式上，VoIP有电话机到电话机、电话机到、到电话机和到等种方式。最初方式主要是到，利用地址进行呼叫，通过语音压缩、打包传送方式，实现因特网上机间的实时话音传送，话音压缩、编解码和打包均通过上的处理器、声卡、网卡等硬件资源完成，这种方式和公用电话通信有很大的差异，且限定在因特网内，所以有很大的局限性。电话到电话即普通电话经过电话交换机连到电话网关，用电话号码穿过网进行呼叫，发送端网关鉴别主叫用户，翻译电话号码网关地址，发起电话呼叫，连接到最靠近

13、被叫的网关，并完成话音编码和打包，接收端网关实现拆包、解码和连接被叫。对于电话到或是到电话的情况，是由网关来完成地址和电话号码的对应和翻译，以及话音编解码和打包。 2、VoIP的主要技术传统的网络主要是用来传输数据业务，采用的是尽力而为的、无连接的技术，因此没有服务质量保证，存在分组丢失、失序到达和时延抖动等情况。数据业务对此要求不高，但话音属于实时业务，对时序、时延等有严格的要求。因此必须采取特殊措施来保障一定的业务质量。VoIP的关键技术包括信令技术、编码技术、实时传输技术、服务质量（）保证技术、以及网络传输技术等。信令技术信令技术保证电话呼叫的顺利实现和话音质量，目前被广泛接受的VoIP

14、控制信令体系包括的系列和的会话初始化协议。的系列建议定义了在无业务质量保证的因特网或其它分组网络上多媒体通信的协议及其规程。标准是局域网、广域网、和上的多媒体提供技术基础保障，提供设备之间、高层应用之间和提供商之间的互操作性。它不依赖于网络结构，独立于操作系统和硬件平台，支持多点功能、组播和带宽管理；具备相当的灵活性，支持包含不同功能的节点之间的会议和不同网络之间的会议。建议的多媒体会议系统中的信息流包括音频、视频、数据和控制信息，其呼叫建立过程涉及到三种信令：（注册：、许可：和状态：）信令，呼叫信令和控制信令。虽然提供了窄带多媒体通信所需要的所有子协议，但的控制协议非常复杂。此外，不支持多点

15、发送（）协议，只能采用多点控制单元（）构成多点会议，因而同时只能支持有限的多点用户。也不支持呼叫转移，且建立呼叫的时间比较长。是一种比较简单的会话初始化协议。它不像那样提供所有的通信协议，而是只提供会话或呼叫的建立与控制功能。可以应用于多媒体会议、远程教案及电话等领域。既支持单点发送（）也支持多点发送，会话参加者和媒体种类可以随时加入一个已存在的会议。可以用来呼叫人或机器设备，如呼叫一个媒体存储设备记录一个会议，或呼叫一个点播电视服务器向会议播放视频信号。 是一种应用层协议，可以用或作为其传输协议。与不同的是：是一种基于文本的协议，用规则资源定位语言描述（ ），这样易于实现和调试，更重要的是灵

16、活性和扩展性好。由于仅作于初始化呼叫，而不是传输媒体数据，因而造成的附加传输代价也不大。的甚至可以嵌入到页或其它超文本链路中，用户只需用鼠标一点即可发出一个呼叫。与相比，还有建立呼叫快，支持传送电话号码的特点。 编码技术 话音压缩编码技术是电话技术的一个重要组成部分。目前，主要的编码技术有 定义的、（）等。其中可将经过采样的话音以几乎不失真的质量压缩至。由于在分组交换网络中，业务质量不能得到很好保证，因而需要话音的编码具有一定的灵活性，即编码速率、编码尺度的可变可适应性。原来是的话音编码标准，现在的工作范围扩展至，话音质量也在此范围内有一定的变化，但即使是，话音质量也还不错，因而很适合在系统中

17、使用。.采用双速率话音编码，其话音质量好，但是处理时延较大，它是目前已标准化的最低速率的话音编码算法。此外，静音检测技术和回声消除技术也是中十分关键的技术。静音检测技术可有效剔除静默信号，从而使话音信号的占用带宽进一步降低到左右；回声消除技术主要利用数字滤波器技术来消除对通话质量影响很大回声干扰，保证通话质量。这点在时延相对较大的分组网络中尤为重要。 实时传输技术 实时传输技术主要是采用实时传输协议。是提供端到端的包括音频在内的实时数据传送的协议。包括数据和控制两部分，后者叫。提供了时间标签和控制不同数据流同步特性的机制，可以让接收端重组发送端的数据包，可以提供接收端到多点发送组的服务质量包馈

18、。 保障技术 VoIP中主要采用资源预留协议（）以及进行服务质量监控的实时传输控制协议来避免网络拥塞，保障通话质量。 网络传输技术 VoIP中网络传输技术主要是和，此外还包括网关互联技术、路由选择技术、网络管理技术以及安全认证和计费技术等。由于实时传输协议提供具有实时特征的、端到端的数据传输业务，因此VoIP中可用来传送话音数据。在报头中包含装载数据的标识符、序列号、时间戳以及传送监视等，通常协议数据单元是用分组来承载，而且为了尽量减少时延，话音净荷通常都很短。、和报头都按最小长度计算。VoIP话音分组开销很大，采用协议的VoIP格式，在这种方式中将多路话音插入话音数据段中，这样提高了传输效率

19、。三、IP电话的服务质量分析1、影响IP电话服务质量的四个参数VoIP应用的服务质量主要受到四个性能参数的影响：端到端时延（Endto End Delay）、时延抖动（DelayJitter）、帧擦除（FrameErase）以及失序的包传输（Out of Order Packet Delivery）。端到端时延端到端时延是影响交互式语音通信质量的最重要因素之一。它必须被控制在一个合理的值以内，否则收听的一方会误认为说话的一方还没有开始讲话而开口，但恰好此时另一方的通话也到了，从而发生冲突。对用户来说，严格的端到端时延应该是指语音信息从说话方的嘴到收听方的耳朵所经历的时延，但我们通常只考虑承载语

20、音信息的包从发射系统到接收系统所经历的时延。根据不同的网络负载状况，端到端的时延会发生变化。时延抖动在VoIP中，时延抖动一般是指语音流中两个连续的语音包的端到端时延的差值。时延抖动对需要规则化传输包的VoIP等应用（其他还包括视频播放等）的性能有着显著的影响。具体来说，它对语音包按照原始序列和周期模式进行重建的工作具有负面的作用。此时最大时延抖动是衡量性能的一项重要指标。由于IP包本身就存在着时延抖动，想在网络中消除语音包的时延抖动是不可能的。因此设法减轻时延抖动的不利影响就成为VoIP应用需要解决的一个主要问题。通常的方式是在接收端采用抖动缓存，在将包输出为声音流之前对时延抖动进行吸收。也

21、就是说，在收到语音包之后并不立即进行播放，而是暂时保留在缓存中，直到预定的播放时间到来，再将缓存中积累的包进行规则播放，从而将时延抖动减少到最小。帧擦除帧擦除是指承载语音帧的包没有及时到达接收端。这可能是由于几个原因造成的：包在通过网络传输的过程中被破坏，包由于网络拥塞（网络节点的队列已满）而被丢弃，包由于网络的故障而丢失，或者仅仅由于到达接收端太晚而无法包括在重放语音中并被丢弃。帧擦除可能是某一个帧的丢失，也可能是一次丢失一整块连续的帧。很高的帧擦除和很高时延的共同结果可能会导致本已存在的由语音丢失造成的对语音的破坏持续更长的时间。失序的包传输每个语音帧都有一个序列号，包括在RTP（实时传输

22、协议）的头部，用于标示包在流中的正确顺序。如果在沿网络路径传输的过程中出现了失序的包，到达接收端的语音帧的顺序就会发生改变。失序的包传输严重地影响着VoIP应用的服务质量。在极端的情况下，接收方无法恢复失序的帧，从而引起语音质量的下降。通常采取的解决办法同样是在接收系统中使用抖动缓存，在等待预定的播放时间到来的时候，可以对失序到达的包进行有序的调整，恢复在发送端的顺序。2、提高IP电话服务质量的主要途径电路交换网络部分电路交换网处理时延目前一般指PSTN网和GSM网的处理时延。对于PSTN网，是指固定电话到PSTN网关口局之间的处理时延。对于GSM网，是指移动电话到GSM网关口局之间的处理时延

23、。PSTN网和GSM网的信令接续时延很小，PSTN网的语音传输时延也很小，这些基本上都可以忽略；但GSM网的语音传输时延不能忽略。电路交换网与网关之间的信令配合主要指交换机至网关以及网关至交换机呼叫是否能够转接，呼叫处理程序是否符合正确的呼叫流程。如果呼叫流程不正常，电路交换网和本地网关之间的信令配合无法完成，用户就无法接入网关或者到达被叫网关的呼叫无法落地，从而导致用户端到端的呼叫就不能接通，会降低呼叫接通率。网关部分网关设备跨接在电路交换网和IP网之间，负责不同网络之间的信令和控制信息的转换以及媒体信息的变换和复用，主要完成接入认证功能、呼叫处理与控制功能、语音处理功能、计费采集功能等。语

24、音传输时延和语音质量评分与网关的语音处理技术密切相关，要求网关采用合适的编码压缩算法，必须设有输入缓冲去抖动功能，具有回声控制机制，具有静音压缩的功能。另外网关还要负责计费采集的功能，网关作为计费采集点需将采集的数据送到网守，由网守负责将计费信息送到计费/认证中心，因此要求网关应能在通话开始时正确采集计费信息，并在通话结束时正确向计费/认证中心传递计费信息。计费差错率受到网关的计费采集处理功能的影响。网守部分网守处于高层，提供对网关和呼叫的管理功能，是VoIP业务网络系统中的重要管理实体。网守的主要功能有：地址解读、接入控制、带宽管理、区域管理等四项基本功能；此外，还能提供呼叫控制信令、呼叫管

25、理等。网守对网关进行统一管理，维护，配置和开发，负责完成用户信息和网关信息的收集与管理，提供地址解读，呼叫处理功能等。所以语音传输时延和语音质量评分不受到网守性能的影响，但它会影响到呼叫建立时延、呼叫接通率质量指标。用户的地址解读表存放在网守中，网关通过向网守发送地址解读消息来完成地址解读功能，因此地址解读时间过长会加大呼叫建立的时间。如果呼叫地址解读失败或无法正常工作，用户的呼叫就无法接通，从而影响呼叫接通率的指标值。如果网守使用了带宽管理和路由管理的功能，也会影响呼叫建立时延、呼叫接通率的指标值。计费/认证中心部分计费/认证中心负责接收计费采集点采集的用户计费信息，根据费率生成计费账单，接

26、受由网守发起的用户接入认证请求，对用户使用的IP电话权限进行认证，并支持卡号用户的漫游认证。可见，呼叫建立时间和呼叫接通率会受到认证中心的认证功能影响，计费差错率受到计费中心的计费处理功能的影响。承载的IP网络部分承载的IP网络基于 TCP/IP协议进行数据包的分组交换，是面向无连接网络，其传输特性无法得到保证。每个节点尽其最大的努力，对每个分组独立进行路由转发，并在网络中独立传递，达到同一目的地分组的路由不一定相同，到达时间也是不固定且非实时的，最后在目的节点缓冲区重新组成数据。因此数据包传送所需时延无法保证，途中的丢包更无法控制，同时还会造成IP包传输过程的时延抖动。传统的IP网络传送实时

27、的VoIP业务能力较差，它构成了影响VoIP业务各项服务质量的主要因素。在VoIP业务中，因此就要求运营商必须提供高质量的承载IP网络。综合分析根据上述分析，提高IP电话的服务质量是一个非常重要的课题。除了降低电话交换网络时延、提高网关的语音处理技术和以及提高网守、计费认证中心处理功能及高质量的网络外，根据现行微电子技术发展，可以提高各个部分的中心处理能力和存储转发能力，对路由网络的安全和冗余备份要有提高，对IP骨干网络部分、终端接入部分的核心处理可以采用新型的CPU处理，全网接口部分都采用光纤接入。四、移动IP技术的分析与研究无线网络技术的发展已经改变了人们语音通信的方式，随着无线数据协议的

28、发展，数据通信也正发生着与语音通信一样的变革。人们开始寻求移动的数据业务，研究移动IP技术成为业界研究的重点，而且在IMT2000中已明确规定，第三代移动通信系统必须支持移动IP分组业务。 1、与传统IP的区别传统IP技术的主机使用固定的IP地址和TCP端口号进行相互通信。在通信期间，它们的IP地址和TCP端口号必须保持不变，否则IP主机之间的通信将无法继续。移动IP主机在通信期间可能需要在网路上移动，它的IP地址也许会经常发生变化。若采用传统方式，IP地址的变化会导致通信中断。为解决这一问题，移动IP技术引用了处理蜂窝移动电话呼叫的原理，使移动节点采用固定不变的IP地址，一次登录即可实现在任

29、意位置上保持与IP主机的单一链路层连接，使通信持续进行。2、包括的重要概念 移动代理(MobilityAgent)移动代理分归属代理(HomeAgent)和外区代理(ForeignAgent)两类，它们是移动的IP服务器或路由器，能知道移动节点实际连接在何处。其中，归属代理是归属网上的移动IP代理，它至少有一个接口在归属网上。其责任是当移动节点离开归属网，连至某一外区网时，截收发往移动节点的数据包，并使用隧道技术将这些数据包转发到移动节点的转交节点。归属代理还负责维护移动节点的当前位置信息。外区网代理位于移动节点当前连接的外区网络上，它向已登记的移动节点提供选路服务。当使用外区代理转交地址时，外区代理负责解除原始数据包的隧道封装，取出原始数据包，并将其转发到该移动节点。对于那些由移动节点发出的数据包而言，外区代理可作为已登记的移动节点的缺省路由器使用。移动IP地址 移动IP节点拥有两个IP地址。第一个地址称为归属地址（HomeAddress），这是用来识别端到端连接的静态地址，也是移动节点与归属网连接时使用的地址。不管移动节点连至网络何处，其归属地址保持不变。第二个地址是转交地址（CareofAddress），转交地址就是隧道终点地址。它可能是外区代理转交地址，也可能是