[VOIP]浅谈VoIP技术

关键词：VoIP　QoS　分组语音

一、IP 电话的基本概念和原理

IP 电话也称为VoIP（Voice over IP，基于IP的语音通信），是建立在Internet 上的新型数字化传输技术，随着Internet 在全球范围内的兴起和语音编码技术的发展，VoIP获得了突破性的进展和实际应用，而且正在逐步占领传统电话业务的市场。这种技术利用TCP/ IP协议簇在IP网上传送具有一定服务质量的语音业务，其业务主要有Internet 或Intranet上的语音业务，Web上实现的IVR（交互式语音应答）业务等等。IP电话基本原理是：通过语音压缩算法对语音信号进行压缩编码处理，然后把这些语音数据按TCP/ IP标准进行打包，经过网络把数据包发送到接收地；接收端把这些语音数据包串起来，经过解码、解压缩处理后恢复成原来的语音信号，从而达到由互联网传送语音的目的。

二、IP 电话系统的组成

如图1所示，IP 电话系统有四个基本组件：终端设备（Terminal）、网关（Gateway）、网守（Gatekeeper）和管理服务器。

VoIP的终端可以有多种类型，包括传统的语音电话、ISDN 终端、PC，也可以是集语音、数据和图像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IP数据包。在未来，终端的发展趋势应当是标准和规格统一的，以减少数据转换带来的开销。

IP电话的核心与关键设备是IP网关。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IP地址。这些信息存放在一个数据库中，其中的数据接续处理软件将完成呼叫处理、数字语音打包、路由管理等功能。在用户拨打长途电话时，网关根据电话区号数据资料，确定相应网关的IP地址，并将此IP地址加入IP数据包中，同时选择最佳路由，以减少传输时延，最后IP数据包经Internet到达目的网关。

网守是一个H. 323实体，它能够为局域网或广域网的H. 323 终端、网关，提供地址解析、访问控制、身份验证、安全检查、区域管理、呼叫控制信令以及呼叫管理功能，有时它也具有带宽控制和管理、路由控制和计费等功能。在一个由网守管理的域内，对所有的呼叫来说，网守不仅提供呼叫控制业务并且起到了中心控制点的作用，在许多场合下可称之为一个虚拟交换机。

管理服务器是为网络管理人员提供的管理工具，可以实现对VoIP网络体系中各种组件的管理工作。网管服务器提供良好的用户界面，使网管人员可以方便地控制所有的系统组件，包括网关、网守等。网管服务器的功能包括设备的控制及配置，数据配给，拨号方案管理、负载均衡及远程监控等。

三、VoIP的关键技术

传统IP网主要用于数据传输业务，它采用尽力而为的无连接技术，因此服务质量没有保证，存在分组丢失、失序到达和时延抖动等问题。数据业务对时延不敏感，但话音传输属于实时业务，对时序、时延等有严格要求，因此必须采取特殊措施来保障一定的业务质量。目前，在VoIP 系统中，采用信令技术、编码技术、实时传输技术、服务质量（QoS）保证技术以及网络传输技术等关键技术，以改善上述质量问题。

1. 信令技术

信令技术可为电话呼叫成功和话音质量提供保证，目前广泛采用的VoIP 控制信令体系包括ITU-T的H.323系列、IETF的会话初始化协议（SIP）和媒体网关控制协议（MGCP）。

H.323系列标准是有关多媒体通信的协议集，包括用于控制的H.245，用于建立连接的H.225.0，用于补充业务的H.450.1、H.450.2和H.450.3，以及有关安全的H.235 等。该协议集为设备之间、高层应用之间和提供商之间提供互操作性。它不依赖网络结构，独立于操作系统和硬件平台，支持多点功能、多播和带宽管理。由于具有相当的灵活性，H.323支持包含不同功能的节点之间和不同网络之间的会议。H.323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。信息流采用H.225.0建议方式进行打包和传送。H.323呼叫建立过程涉及到三种信令：注册、许可和状态（RAS）信令，H.225.0呼叫信令和H.245控制信令。其中，RAS信令用于完成终端与网守之间的登记注册、授权许可和带宽改变等过程；H.225.0呼叫信令用于在两个终端之间建立连接，利用Q.931 消息控制呼叫建立和拆除，当系统没有网守时，在呼叫涉及的两个终端之间打开呼叫信令信道，当系统有网守时，由网守决定在终端与网守之间或是在两个终端之间开辟呼叫信令信道；H.245 控制信令用于传送终端到终端的控制消息，包括主从判别、能力交换、打开和关闭逻辑信道、模式参数请求、流控消息和通用命令与指令等，其信道可在两个终端之间或终端与网守之间建立。此外，H.323不支持多点发送协议，只能采用多点控制单元（MCU）构成多点会议系统，因而同时支持的多点用户数非常有限。H.323也不支持呼叫转移。

与可提供所有通信协议的H.323相比，SIP则是较简单的会话初始化协议，只提供会话或呼叫建立和控制功能，可用于多媒体会议、远程教学及Internet电话等领域。SIP既支持单点发送又支持多点发送，会话参与者和各种媒体可随时加入到一个已存在的会议。SIP还可用于呼叫人或机器设备，如呼叫媒体存储设备以便记录某个会议，或呼叫点播电视服务器以便向会议播放视频信号。

IETF于1998 年提出媒体网关控制器协议（MGCP），它是VoIP领域的重要信令协议。MGCP是无状态协议，该标准定义的功能是：从外部呼叫控制部件（如媒体网关控制器MGC）来控制VoIP媒体网关（MG）。媒体网关控制器是外部设备，在地理上可与媒体网关分开。媒体网关控制器与媒体网关之间的基本呼叫流存在于它们的基本构造状态机中，这样在系统设计时，状态管理的负担就从MG转移到MCG。

2. 编码技术

话音压缩编码技术是VoIP技术的重要组成部分。为了很好地保证业务质量，在话音编码时，需要使编码速率、编码尺度等具有可变和可适应性，即能使编码具有一定的灵活性。目前，主要的编码技术有ITU-T定义的G.729、G.729.a、G.723.1等。其中，G.729将经过采样的64kbit/s话音以几乎不失真的质量压缩至8kbit/s；G.723.1采用5.3/6.3kbit/s双速率话音编码，其话音质量好，但处理时延较大，它是目前已标准化的最低速率话音编码算法。

此外，静音检测技术和回声消除技术也是十分关键的VoIP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3.5kbit/s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的回声干扰问题，以保证通话质量。

3. 实时传输技术

实时传输技术主要采用实时传输协议（RTP）。RTP 提供端到端（包括音频在内）的实时数据传输。该协议分为数据和控制两部分，后者为实时传输控制协议（RTCP）。RTP提供时间戳、顺序号和控制不同媒体流同步机制，因此接收端可重组发送端的数据包，RTP还提供接收端到多点发送组的服务质量反馈。

4. QoS保障技术

VoIP主要采用资源预留协议（RSVP）和用于服务质量监控的实时传输控制协议，以避免网络拥塞和保障通话质量。

5. 网络传输技术

VoIP网络传输技术主要有传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP），此外还包括网关互联技术、路由选择技术、网络管理技术、安全认证和计费技术等。RTP提供具有实时特征的端到端数据传输业务，因此可用RTP来传送话音数据。RTP报头包含装载数据的标识符、序列号、时间戳和传送监视等信息，通常可用UDP分组来承载RTP数据单元，为了尽量减少时延，话音净荷通常很短。IP、UDP和RTP报头都按最小长度计算。VoIP话音分组开销很大，在采用RTP的VoIP格式中，将多路话音插入话音数据段可提高传输效率。

四、存在问题与发展前景

IP电话发展到现在，已经取得很大的进展，有了许多成功的范例。但是，就其技术本身来说，仍然有一些问题未能得到很好的解决。

第一个是业务质量问题。在现在的网络条件下，必须在时延和分组丢失之间进行权衡。

第二个是计费问题。目前网关可为本地用户计费，但PC到PC方式尚不能按呼叫计费，而且IP 网的实时业务计费方式尚无标准。

第三是IP 地址/ 电话号码映射问题。这必须采用动态分布数据库技术，其映射方式也尚无标准。

第四是增值业务和人机关系问题。目前基于PC的电话厅开展多媒体信息检索、话音邮件、白板书写、号码簿服务等增值业务，但由于接入带宽限制，家庭用户很难使用。而且为了接收呼叫，PC不能关机，始终连网，也不能移动或无绳化。此外，使用网关结构可用普通电话，使用方便，但增值业务实现困难。

第五是和现有IN的互通问题。这涉及到如何提供IN业务及如何和IN互通。目前ITU和其他标准化组织正在这方面进行积极的探索，并提出了一些概念模型。

若能较好地解决上述问题，再加上IP电话的诸多优势，如采用压缩编码、静音检测、统计复用而带来的资源节省，成本大幅度降低；可做完全加密，提供用户身份认证，人机接口智能化，支持先进业务，在不改为网络前提下可扩展成多媒体通信，IP电话的发展前景将是非常令人瞩目的。

从市场驱动来看，IP 技术很好地支持了今后的电信业务，包括话音和数据业务。IP网可快速而灵活地引入新的复杂的业务，而且由于IP over SDH、IP over WDM 和IP over Optical 等技术的成熟更使IP网容易建设，使新的运营者容易切入电信业务，可结束电信垄断。VoIP允许新的通信方式提供多媒体内容，这将是推动IP发展的最终决定性因素。

下一世纪的网将可能是主要基于IP的网络。IP电话会获得巨大发展，分流PSTN 电话业务。与此同时，ATM电话将投入商用，出现IP、ATM和PSTN互通和互补，话音业务和非话业务相融合的局面，形成未来的多业务网（Mulit-service Network）。

参考文献

[1] Nicklas Beijar．Signaling Protocols for Internet Telephony:Architectures based on H. 323 and SIP．Helsinki University of Technology，Laboratory of Telecommunications Technology，Otakaari 5 A ，02150 ESPOO

[2] ITU - T Recommendation H. 323．Packet based multinedia Communication Systems[S]，1998

[3] J . Rosenberg , H. Schulzrinne , et al．SIP Session initiation protocol ，Internet Draft，Internet Engineering Task Force，Feb 2002，Work in progress

[4] 谢晓尧，李可．Voice over Internet 技术研究[J]．电子产品世界，2000（10）:23～26

[5] 陆璐． IP 电话标准，网络构成与应用．现代电信科技，2002（6）