摘 要：IP電話采用的信道復用和基于分組交換的傳輸技術(shù)提高了線路傳輸利用率。HFC網(wǎng)雙向改造的完成和DOCSIS的不斷完善為開展IP電話增值業(yè)務(wù)提供了理想的接入網(wǎng)平臺,。本文研究了IP電話技術(shù)的現(xiàn)狀,、發(fā)展趨勢,以及IP電話的標準H.323規(guī)約、SIP,、MGCP,、RTP/RTCP和RSVP。最后介紹了一種國內(nèi)開發(fā)的HFC網(wǎng)上IP電話應(yīng)用系統(tǒng),。
關(guān)鍵詞：IP電話 QoS H.323 HFC接入網(wǎng)
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IP電話是一種利用IP網(wǎng)絡(luò)作為傳輸載體實現(xiàn)計算機－計算機,、普通電話－普通電話、計算機－普通電話之間話音通信的技術(shù),。IP電話目前還處在初級階段,，無論在標準上、設(shè)備的成熟程度上和系統(tǒng)的設(shè)計理論上與現(xiàn)有傳統(tǒng)電話相比還有很大的差距,。但是IP電話從根本上動搖了電話必須基于電路交換技術(shù)這種理論,，目前普遍認為下一代的電話網(wǎng)將會建立在統(tǒng)計復用的分組交換技術(shù)的基礎(chǔ)之上。Internet電話由于采用信道復用和基于分組交換的傳輸技術(shù),，提高了線路的利用率,，這是其收費便宜的主要原因。此外,，新的基于計算機的多媒體通信需要Internet電話技術(shù)的支持,，也促使了這一新技術(shù)的發(fā)展。當然,，受市場驅(qū)動也是Internet電話技術(shù)迅速發(fā)展的原因,。面對這一巨大市場，許多大公司像Microsoft,、Intel,、Lucent都紛紛加入了市場競爭。
這種競爭也促使了與Internet電話技術(shù)相關(guān)的技術(shù)和標準的不斷出現(xiàn),，如語音編碼技術(shù),、實時傳送協(xié)議(RTP：Real－time Transport Protocol)、資源預(yù)約協(xié)議(RSVP：Resource Reservation Protocol),、呼叫建立和控制協(xié)議等等,，為這一技術(shù)的實用化提供了良好的條件。IP電話要和普通電話競爭,，成為未來語音通信的主要手段必須解決以下幾個問題：一是語音質(zhì)量,，無論在音質(zhì)、流暢度和時延方面應(yīng)與普通電話相當,；二是呼叫和連接的建立要簡單方便,；三是要有統(tǒng)一的標準,，以便實現(xiàn)不同廠家產(chǎn)品的互通。
1 IP電話QoS 的改善
IP電話是基于Internet的,，而Internet主要的協(xié)議TCP/IP是為提供非實時數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)而設(shè)計的,，例如，對主機之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不進行檢錯和糾錯,；目前還不能實現(xiàn)帶寬管理,、流量控制等。影響IP電話質(zhì)量的因素有：編解碼方法,、時延,、時延抖動、丟包,、比特差錯和協(xié)議處理,。時延和時延抖動影響聽覺，時延還會造成回波,，時延越長所需的用于消除回波的計算機指令的時間就越長,。Internet電話的時延通常由三部分組成，即編/解碼時延,、數(shù)據(jù)包傳送時延和緩存時延,。丟包和比特差錯影響話音包的解碼，而協(xié)議處理影響著呼叫建立時間及呼叫建立成功率,、計費正確率等指標,。
為了改善網(wǎng)絡(luò)QoS，在H.323協(xié)議中,，采用RTCP(實時控制協(xié)議)對IP電話系統(tǒng)的性能進行大致的監(jiān)測,，并通過RTCP或H.245進行反饋控制。另外,，H.323對網(wǎng)閘定義了呼叫控制,、帶寬管理和帶寬控制功能，并引入了RSVP(資源預(yù)留協(xié)議),，為服務(wù)質(zhì)量保證提供一些技術(shù)手段,。ETSI對IP電話的服務(wù)質(zhì)量(QoS)問題已建立了一個框架，并提出了端到端的QoS預(yù)算,。端到端時延QoS參數(shù)決定了源宿路徑上諸如分組調(diào)度(帶寬分配),、排隊規(guī)則(緩存分配)、進程調(diào)度(CPU處理時間分配)等傳輸服務(wù)的行為,。為了提高端到端QoS,，還需要建立一套完整的網(wǎng)絡(luò)運營管理系統(tǒng),，實現(xiàn)有效的資源管理,、接納控制,、調(diào)度機制(如EDF：earliest deadline first算法)，并在各個具有管理控制職能的網(wǎng)元上設(shè)置QoS監(jiān)控功能,，用來監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的下列性能指標：帶寬占用,、信號抖動、延遲,、丟包率,、吞吐量。如在網(wǎng)關(guān)(Gateway),、網(wǎng)閘(Gatekeeper)及網(wǎng)管服務(wù)器(Network Manager)都通過各語音信道及任意IP鏈路進行QoS指標的監(jiān)控,。
由于網(wǎng)絡(luò)擁塞、緩沖區(qū)溢出,、誤碼等原因,，在無連接的IP網(wǎng)絡(luò)中時常發(fā)生丟包。VoIP技術(shù)采用的話音壓縮編碼技術(shù)算法多是以幀為單位的,，對丟失數(shù)據(jù)包比較敏感,，連續(xù)丟幀會明顯地影響接收端合成話音的可懂度、自然度和清晰度,。通常有幾種方法進行補償：其一是語音插空(interpolate),，即重放丟失分組的前一分組。其二是以增加帶寬開銷為代價,，發(fā)送冗余信息,，使對方有一定的糾錯能力。還可以根據(jù)前后語音信息的相關(guān)性,，在解碼時重構(gòu)出丟失的幀,。當丟包率不超過10%時，這些措施都是相當有效的,。
2 IP電話的信令與協(xié)議
2.1 ITU H.323
要使互聯(lián)網(wǎng)電話大量普及發(fā)展,，必須建立一個統(tǒng)一的國際標準，以使不同廠家的產(chǎn)品實現(xiàn)互通,。Intel和Microsoft已發(fā)起了一個超過100個廠商參加的組織,，該組織將數(shù)據(jù)包管理的實時協(xié)議(RTP/RTCP)及帶寬預(yù)約協(xié)議(RSVP)合在一起，并加入ITU的T.120數(shù)據(jù)會議和H.323音頻與視頻會議標準,，準備做成一個完整的互聯(lián)網(wǎng)電話協(xié)議,。
H.323v2系統(tǒng)包括用戶終端、網(wǎng)關(guān),、網(wǎng)閘(Gatekeepers),、多點控制器(Multipoint Controllers)、多點處理器(Multipoint Processors)和多點控制單元(MCU)。H.323用戶終端具有點對點或點對多點會議的語音通信能力,。網(wǎng)關(guān)完成傳輸格式(如H.225.0與H.221)和通信流程(如H.245與H.242)的轉(zhuǎn)換,，以實現(xiàn)IP網(wǎng)絡(luò)終端與電路交換網(wǎng)絡(luò)(SCN)終端之間的通信。網(wǎng)閘的功能有：地址轉(zhuǎn)換(Address Translation),；確認控制(Admission Control),；帶寬控制(Bandwidth Control)；區(qū)域管理(Zone Management),。理論上網(wǎng)閘與終端是獨立的,，物理上網(wǎng)閘可存在于終端、MCU,、網(wǎng)關(guān),、MC或其他H323設(shè)備中。
IMTC下的VoIP論壇已采用H.323作為Internet電話技術(shù)的基礎(chǔ),，H.323協(xié)議也一直在發(fā)展變化與改進完善之中,。H.323的最新版本V2與V1相比引入了包括快速連接在內(nèi)的新特性，下一版本(包括H.323v3和H.225.0v3)亦在醞釀之中,，屆時在網(wǎng)閘互通問題等方面可能會有突破,。H.323標準的內(nèi)容亦不斷豐富，如H.323 Annex D(Real Time Internet Fax),；H.323 Annex E(Call Connection over UDP),；H.323 Annex F(Single Use Terminal)；H.323 Annex G(Communication between Administrative Domains),；H.450.x(Supplementary Services),。隨著這些標準的逐步推出和完善，H.323系列的功能將更加強大,。
2.2 SIP
雖然H.323提供了多媒體通信所需要的所有子協(xié)議,，但H.323的控制協(xié)議非常復雜。此外,，H.323不支持多點發(fā)送(Multicast)協(xié)議,，只能采用多點控制單元(MCU)構(gòu)成多點會議，因而只能同時支持有限的多點用戶,。H.323在Internet內(nèi)部是一個比較好的協(xié)議,，然而由于其不支持呼叫轉(zhuǎn)移和DTMF信號傳輸，作為與PSTN的網(wǎng)關(guān)協(xié)議不太合適,。與H.323不同的是：SIP是一種基于文本的協(xié)議,，用SIP規(guī)則資源定位語言描述(SIP Uniform Resource Locators)，是一種應(yīng)用層協(xié)議,，可以用UDP或TCP作為其傳輸協(xié)議,。SIP不像H.323提供了所有的通信協(xié)議,，而是只提供了呼叫的建立與控制功能。SIP可以應(yīng)用于多媒體會議,、遠程教學及Internet電話等領(lǐng)域,，這樣易于實現(xiàn)和調(diào)試，更重要的是靈活性和擴展性好,。
2.3 MGCP
IETF制定的MGCP融合了最初由Bellcore開發(fā)的簡單網(wǎng)關(guān)控制協(xié)議SGCP和由Level3 提出的IPDC(Internet Protocol Device Control)協(xié)議。典型的MGCP網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)由一系列的網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)關(guān)控制器——呼叫代理CA(Call Agent)組成,。MGCP體系的特點在于它假定呼叫控制體系中,，呼叫控制智能不屬于任何網(wǎng)關(guān)設(shè)備，而由獨立的呼叫代理CA來承擔,。因而MGCP實際上是一個主從協(xié)議,，網(wǎng)關(guān)只能服從和執(zhí)行呼叫代理的指令。MGCP的最大優(yōu)點在于簡化用戶終端設(shè)備,，集中呼叫管理,。尤其重要的是,，網(wǎng)關(guān)間除了語音業(yè)務(wù)流外,，沒有直接的信息交換，這樣可以把網(wǎng)關(guān)做得更小更穩(wěn)定,。
MGCP目前最大的困難在于缺乏呼叫地理之間的通信協(xié)議,。如果一個呼叫涉及到兩個由不同CA控制的RGW時,，CA之間必須協(xié)同工作，才能完成接續(xù),。因此,，對于不涉及PSTN的呼叫，我們傾向于采用一個更簡單的協(xié)議——SIP來處理CA之間通信,，它的最大優(yōu)勢就在于被用來處理Internet 上的多媒體呼叫,。
H.323、SIP和MGCP都是IP電話網(wǎng)絡(luò)發(fā)展過程中不可缺少的要素,，將在相當長的時間內(nèi)繼續(xù)共存,。表1列出了H.323、SIP,、MGCP的比較結(jié)果,。
2.4 實時傳送協(xié)議RTP/RTCP、資源預(yù)約協(xié)議RSVP
Internet話音基本上是基于UDP協(xié)議來傳送的,。但UDP不反饋信道和延時情況,，信源無法知道傳送質(zhì)量，也無法調(diào)整話音編碼速率,。RTP協(xié)議正是用來解決這一問題的,。RTP提供了時間標簽和控制不同數(shù)據(jù)流同步等特性的機制，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發(fā)送組的服務(wù)質(zhì)量反饋,，具有較強的時間特征,。RTP協(xié)議從上層接收多媒體信息碼流(如G.723音頻)組裝成RTP數(shù)據(jù)包，然后發(fā)送給下層UDP,。RTCP為實時控制協(xié)議,，主要監(jiān)視延時和帶寬。一旦所傳送的多媒體信息流的帶寬變化,，接收端則通知發(fā)送端,，改變符號化識別碼和編碼參數(shù)。
由于RTP本身并不提供任何機制保證實時傳送,，也不保證任何服務(wù)質(zhì)量,，即RTP協(xié)議不能保證傳輸?shù)耐暾裕蔋.323v2終端及路由器中均采用RSVP協(xié)議實現(xiàn)資源預(yù)留,，以確保端到端間的傳輸帶寬,。RSVP協(xié)議是在best－effort環(huán)境下，為改善網(wǎng)絡(luò)對業(yè)務(wù)流的控制能力而設(shè)計的資源預(yù)留協(xié)議,，其主要目的是改善Internet網(wǎng)絡(luò)對實時媒體的QoS支持能力,。RSVP信息是作為IP數(shù)據(jù)報發(fā)出，RSVP協(xié)議本身不含數(shù)據(jù)傳輸成分,，RSVP協(xié)議所起的作用就是利用預(yù)留信息控制IP分組的傳輸方式,。
3 Cable Modem系統(tǒng)上IP電話的應(yīng)用
3.1 DOCSIS1.1對QoS 支持
電纜數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接口規(guī)范DOCSIS (Data Over Cable System Interface Specification) 是由多媒體電纜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)MCNS(Multimedia Cable network System)組織提出的，是HFC網(wǎng)實現(xiàn)雙向高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌谝?guī)范,，現(xiàn)已成為國際標準(ITU－T J112B) ,。由于Cable Modem上行速率為320Kbps～10Mbps，下行速率為27Mbps或36Mbps,，這種非對稱數(shù)據(jù)傳輸方式不僅比目前的電話線Modem或ISDN設(shè)備速率更快,，而且使用戶組網(wǎng)及管理網(wǎng)絡(luò)更加方便，具有很大的市場潛力,。1999年3月出臺的DOCSIS1.1重點增強了Cable Modem系統(tǒng)保證QoS的機制,，為Cable Modem上IP電話系統(tǒng)的實現(xiàn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。DOCSIS1.1對QoS的保證機制：
(1)數(shù)據(jù)包分類(Packet Classification)
數(shù)據(jù)包分類的基本機理類似于IPv6的流標記 (Flow Label) 功能, 即在射頻接口上由MAC層協(xié)議將需要相似路由處理的一系列數(shù)據(jù)分組都映射到同一業(yè)務(wù)流(Service Flow)中,，再按一定算法對所有業(yè)務(wù)流進行調(diào)度,，并結(jié)合流量整形(shaping), 策略(policy), 設(shè)定優(yōu)先級(prioritizing )等措施來確保QoS。
(2)數(shù)據(jù)包的分片(Fragmentation)
DOCSIS1.1的MAC層數(shù)據(jù)包分片機制使CM在CMTS的控制下能夠自適應(yīng)地將長數(shù)據(jù)包分割為多個較小的包,，分別單獨發(fā)送,。這一對IP層完全透明的過程使CMTS對上行信道帶寬進行調(diào)度時有更大的靈活性，從而能夠動態(tài)的控制整個系統(tǒng)的時延性能,。分片過程就是將分割后的MAC幀片段添上固定長度的分片頭和分片CRC進行重新封裝的過程,。
(3)凈荷報頭抑制(Payload Header Suppression,，PHS)
經(jīng)過分類器對數(shù)據(jù)包的分類匹配，需要相似路由處理的數(shù)據(jù)包都被映射到了同一個業(yè)務(wù)流中,。在此基礎(chǔ)上,，可以對屬于同一業(yè)務(wù)流的數(shù)據(jù)幀凈荷報頭中內(nèi)容相同的字段進行壓縮，以減少不必要的開銷,，從而進一步提高傳輸效率,。DOCSIS1.1的做法是：發(fā)送端實體將分類器表作用于每個輸入的數(shù)據(jù)分組，其結(jié)果將得到一個與之匹配的業(yè)務(wù)流和相應(yīng)的PHS規(guī)則, 它規(guī)定了被抑制字段的字節(jié)數(shù)PHSS,、將被抑制的字符串PHSF以及該字符串的索引值PHSI,。如果原始數(shù)據(jù)中需要抑制的字段內(nèi)容與PHSF一致，那么,，實際發(fā)送的數(shù)據(jù)包中被抑制的字段將由PHSI來替代,。接收端實體根據(jù)收到的SID和PHSI可以恢復出PHSF,，進而重構(gòu)出被壓縮的凈荷報頭,。PHS可以用于任何類型的業(yè)務(wù)流，但是它針對接受UGS調(diào)度的業(yè)務(wù)流作了專門的優(yōu)化,，PHS可以保證UGS所要求的數(shù)據(jù)分組長度固定,。
3.2基于DOCSIS數(shù)據(jù)電纜網(wǎng)的IP電話系統(tǒng)
Cable Modem系統(tǒng)上IP電話的應(yīng)用由4大部分組成：DSP、FPGA,、DSLAC和SLIC電路,。用戶線接口電路(SLIC)與雙用戶線音頻處理電路(DSLAC)構(gòu)成用戶電路完成BORSCHT功能。現(xiàn)場可編程門陣列FPGA是微處理器,、DSLAC,、兩個SLIC和DSP的接口電路。DSP負責的語音處理功能有：語音壓縮,、回聲消除,、話音活動檢測(VAD)、抖動緩沖管理,、以及音調(diào)檢測等,，支持電話機的摘機檢測，DTMF信號檢測,。微處理器負責作業(yè)調(diào)度,，內(nèi)存管理和任務(wù)間的通信，提供與電話設(shè)備的信令接口,、實現(xiàn)對IP電話的網(wǎng)管功能,、實現(xiàn)有關(guān)的協(xié)議棧如TCP/IP。
基于DOCSIS數(shù)據(jù)電纜網(wǎng)的IP電話系統(tǒng),，如圖1所示,。該系統(tǒng)由以下幾個重要功能組件構(gòu)成：
(1)CM(Cable Modem)和CMTS(Cable Modem Termination System)
對IP電話系統(tǒng)而言,，基于DOCSIS1.1的端到端QoS保證機制須由CM和CMTS來共同實現(xiàn)。此外,，用戶網(wǎng)關(guān)功能的實現(xiàn)在很大程度上有賴于CM的支持,。
(2)呼叫代理
呼叫代理包括路由數(shù)據(jù)庫、用戶數(shù)據(jù)庫,、CDR數(shù)據(jù)庫等一組數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用程序,，負責處理復雜的信令轉(zhuǎn)換控制和連接控制并進行地址轉(zhuǎn)換、網(wǎng)絡(luò)路由,。實現(xiàn)了對干線網(wǎng)關(guān)和用戶網(wǎng)關(guān)的呼叫控制,。
(3)業(yè)務(wù)支持系統(tǒng)(OSS：Operation Support System)
通過DHCP、FTFP/HTTP,、SNMP,、DNS和RKS(Record Keeping Server)等服務(wù)器，為運營商提供用戶管理,，性能管理,、故障管理、安全管理,、計費管理和配置管理功能,，保證了系統(tǒng)能夠高效、可靠地運行,。
(4)PSTN網(wǎng)關(guān)
包括媒體網(wǎng)關(guān)和信令網(wǎng)關(guān)兩個模塊,，它們在呼叫代理的控制下，媒體網(wǎng)關(guān)完成SCN和IP間的語音信息轉(zhuǎn)換,；信令網(wǎng)關(guān)則完成NCS(Network－based Call Signaling)和SS7間的轉(zhuǎn)換,，從而實現(xiàn)同PSTN的互通。
中國信息產(chǎn)業(yè)部已經(jīng)批準中國電信,、聯(lián)通,、吉通和網(wǎng)通組建IP電話業(yè)務(wù)實驗網(wǎng)。IP電話業(yè)務(wù)實驗網(wǎng)的建成將對中國電信市場帶來諸多積極的影響：推進我國網(wǎng)絡(luò)電話技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,，與世界通信技術(shù)的發(fā)展趨勢保持同步,；降低電話業(yè)務(wù)的通信費用，促進電信事業(yè)的發(fā)展,；IP電話實驗網(wǎng)的實驗運行,，在技術(shù)、業(yè)務(wù)流程,、營銷,、業(yè)務(wù)種類、服務(wù)質(zhì)量等各方面積累寶貴的經(jīng)驗,，為今后IP電話的實際應(yīng)用打下基礎(chǔ),。
HFC網(wǎng)雙向改造的完成和電纜數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接口規(guī)范DOCSIS的不斷完善為寬帶交互式多媒體業(yè)務(wù),，特別是為開展IP電話增值業(yè)務(wù)提供了理想的接入網(wǎng)平臺。HFC上的IP電話系統(tǒng)具有高的帶寬可用性,、數(shù)據(jù)處理功能和存儲能力,，并綜合了bundling和帳單功能。它獨立于電信公司的通信線路,，兼容傳真,、調(diào)制解調(diào)器、撥號形式以及用戶指令,。還支持包括呼叫等待,、三方呼叫及多點接入等等。在提供和PSTN相同的話音質(zhì)量和響應(yīng)時間的同時節(jié)省大量費用,，具有廣闊的應(yīng)用前景,。專家預(yù)測Cable Modem系統(tǒng)上的IP語音與傳真業(yè)務(wù)量在不久的將來將會超過數(shù)據(jù)通信量，成為Cable Modem系統(tǒng)的第一大業(yè)務(wù),。
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