语音voip技术原理及呼叫流程

  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。

  的核心与关键设备是 电话网关。  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。这些信息存放在一个数据库中有关处理软件完成呼叫处理、数字语音打包、路由管理等功能。在用户拨打 电话时  电话网关根据电话区号数据库资料确定相应网关的 地址并将此 地址加入 数据包中同时选择最佳路由以减少传输时延  数据包经因特网到达目的地 电话网关。对于因特网未延伸到或暂时未设立网关的地区可设置路由由最近的网关通过长途电话网转接实现通信业务。

目前  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。  电话网关提供 网络和电话网之间的接口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   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。

二、   的关键技术

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。   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  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。   是有关多媒体通信的一个协议集包括用于 的    用于 的   和用于终端的   等建议。其编码机制协议范围和基本操作类似于 的   信令协议的简化版本并采用了比较传统的电路交换的方法。相关的协议包括用于控制的    用于建立连接的      用于大型会议的   用于补充业务的     、      和      有关安全的    与电路交换业务互操作的   等。    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。信息流采用     建议方式来打包和传送。    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。其中信令用来完成终端与网守之间的登记注册、授权许可、带宽改变、状态和脱离解除等过程     呼叫信令用来建立两个终端之间的连接这个信令使用  消息来控制呼叫的建立和拆除当系统中没有网守时呼叫信令信道在呼叫涉及的两个终端之间打开当系统中包括一个网守时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    控制信令用来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。    控制信令信道建立于两个终端之间或是一个终端与一个网守之间。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。与   相反   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、远程教学及      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。表为      、    和   的部分性能比较。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。  保障技术  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  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 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。   话音分组开销很大采用协议的  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。

VoIP的原理及技术

通过因特网进行语音通信是一个非常复杂的系统工程其应用面很广因此涉及的技术也特别多其中最根本的技术是VoIP (Voice over IP)技术可以说 因特网语音通信是VoIP技术的一个最典型的、也是最有前景的应用领域。因此在讨论用因特网进行语音通信之前有必要首先分析VoIP的基本原理 以及VoIP中的相关技术问题。

一、 VoIP的基本传输过程

传统的电话网是以电路交换方式传输语音所要求的传输宽带为64kbit/s。而所谓的VoIP是以IP分组交换网络为传输平台对模拟的语音信号进行压缩、打包等一系列的特殊处理使之可以采用无连接的UDP协议进行传输。

为了在一个IP网络上传输语音信号要求几个元素和功能。最简单形式的网络由两个或多个具有VoIP功能的设备组成这一设备通过一个IP网络连接。VoIP模型的基本结构图如图2-18所示。从图中可以发现VoIP设备是如何把语音信号转换为IP数据流并把这些数据流转发到IP目的地 IP目的地又把它们转换回到语音信号。两者之音的网络必须支持IP传输且可以是IP路由器和网络链路的任意组合。因此可以简单地将VoIP的传输过程分为下列几个阶段。图2-18 VoIP的模型结构

1、 语音-数据转换

语音信号是模拟波形通过IP方式来传输语音不管是实时应用业务还是非实时应用业务道貌岸首先要对语音信号进行模拟数据转换也就是对模拟语音信号进行8位或6位的量化然后送入到缓冲存储区中缓冲器的大小可以根据延迟和编码的要求选择。许多低比特率的编码器是采取以帧为单位进行编码。典型帧长为10~30ms。考虑传输过程中的代价语间包通常由60、 120或240ms的语音数据组成。数字化可以使用各种语音编码方案来实现 目前采用的语音编码标准主要有ITU-T G.711。源和目的地的语音编码器必须实现相同的算法这样目的地的语音设备帮可以还原模拟语音信号。

2、 原数据到IP转换

一旦语音信号进行数字编码下一步就是对语音包以特定的帧长进行压缩编码。大部份的编码器都有特定的帧长若一个编码器使用15ms的帧则把从第一来的60ms的包分成4帧并按顺序进行编码。每个帧合120个语音样点抽样率为8kHz 。编码后将4个压缩的帧合成一个压缩的语音包送入网络处理器。 网络处理器为语音添加包头、时标和其它信息后通过网络传送到另一端点。语音网络简单地建立通信端点之间的物理连接一条线路 并在端点之间传输编码的信号。 IP网络不像电路交换网络它不形成连接它要求把数据放在可变长的数据报或分组中然后给每个数据报附带寻址和控制信息并通过网络发送一站一站地转发到目的地。

3、 传送

在这个通道中全部网络被看成一个从输入端接收语音包然后在一定时间t 内将其传送到网络输出端。 t可以在某全范围内变化反映了网络传输中的抖动。 网络中的同间节点检查每个IP数据附带的寻址信息并使用这个信息把该数据报转发到目的地路径上的下一站。 网络链路可以是支持IP数据流的任何拓结构或访问方法。

4、 IP包-数据的转换

目的地VoIP设备接收这个IP数据并开始处理。 网络级提供一个可变长度的缓冲器用来调节网络产生的抖动。该缓冲器可容纳许多语音包用户可以选择缓冲器的大小。小的缓冲器产生延迟较小但不能调节大的抖动。其次解码器将经编码的语音包解压缩后产生新的语音包这个模块也可以按帧进行操作完全和解码器的长度相同。若帧长度为15ms 是60ms的语音包被分成4帧然后它们被解码还原成60ms的语音数据流送入解码缓冲器。在数据报的处理过程中去掉寻址和控制信息保留原始的原数据然后把这个原数据提供给解码器。

5、 数字语音转换为模拟语音

播放驱动器将缓冲器中的语音样点480个取出送入声卡通过扬声器按预定的频率例如8kHz播出。简而言之语音信号在IP网络上的传送要经过从模拟信号到数字信号的转换、数字语音封装成IP分组、 IP分组通过网络的传送、 IP分组的解包和数字语音还原到模拟信号等过程。整个过程如图2-19所示。 图2-19 VoIP传输的基本过程

二、 推动VoIP发展的动力

由于相关的硬件、软件、协议和标准中的许多发展和技术突破使得VoIP的广泛使用很快就会变成现实。这些领域中的技术进步和发展为创建一个更有效、功能和互操作性更强的VoIP网络起着推波助澜的作用。表2-2简单列出了这些领域中的主要发展。从表中可以看出推动VoIP飞速发展乃至广泛应用的技术因素可以归纳为如下几个方面。

1、 数字信号处理器

先进的数字信号处理器Digital Signal Processor ,DSP执行语音和数据集成所要求的计算密集的任各。 DSP处理数字信号主要用于执行复杂的计算否则这些计算可能必须由通用CPU执行。它们的专门化的处理能力与低成本的结合使DSP很好地适合于执行VoIP系统中的信号处理功能。

单个语音流上G.729语音压缩的计算开销开常大要求达到20MIPS如果要求一个中央CPU在处理多个语音流的同时还执行路由和系统管理功能这是不现实的因此使用一个或多个DSP可以从中央CPU卸载其中的复杂语音压缩算法的计算任务。另外 DSP还适合于语音的活动检测和回声取消这样的功能困为它们实时处理语音数据流并能快速访问板上内存因此。在本章节中比较详细地介绍如何在TMS320C6201DSP平台来实现语音编码和回声抵消的功能。推动VoIP的主要技术进展

协议和标准软件硬件

H.323加权公平排队法DSP

MPLS标记交换加权随机早期检测高级ASIC

RTP, RTCP双漏斗通用信元速率算法DWDM

RSVP额定访问速成率SONET

Diffserv, CAR Cisco快速转发CPU处理功率

G.729, G. 729a:CS-ACELP扩展访问表ADSL RADSL SDSL

FRF. 11/FRF. 12令牌桶算法

Multilink PPP帧中继数据整流形SIP基于优先级的CoS

Packet over SONET IP和ATM QoS/CoS的集成

协议和标准软件硬件H.323加权公平排队法DSP MPLS标记交换加权随机早期检测高级ASIC RTP, RTCP双漏斗通用信元速率算法DWDM RSVP额定访问速成率SONET Diffserv, CAR Cisco快速转发CPU处理功率G.729,

G.729a:CS-ACELP扩展访问表ADSL RADSL SDSL FRF. 11/FRF. 12令牌桶算法Multilink PPP帧中继数据整流形SIP基于优先级的CoS Packet over SONET IP和ATM QoS/CoS的集成

2、 高级专用集成电路

专用集成电路Application-Specific Integrated Circait, ASIC发展产生了更快、更复杂、功能更强的ASIC。 ASIC是执行单一应用或很小的一组功能专门的应用芯片。由于集中于很窄的应用目标故它们可以对特定的功能进行高度的优化通常双通用CPU快一个或几个数量级。就像精简指令集计算机

RSIC芯片集中于快速执行扔限数目的操作一样 ASIC被预先编程、使其能更快地执行有限数目的功能。一旦开发完成 ASIC批量生产的成本并不高被用于包括路由器和交换机这样的网络设备执行路由查表、分组转发、分组分类和检查以及排队等功能。 ASIC的使用使设备的性能更高而成本更低。它们为网络提供增加的宽带和更好的QoS支持所以对VoIP发展起着很大的促进作用。

3、 IP传输持术

传输电信网大多采用时分多路复用方式 因特网须采用的是统计复用变长分组交换方式二者相比后者对网络资源利用率高互连互通简便有效、对数据业务十分适用这是因特网得以飞速发展的重要原因之一。但是宽带IP网络通信对QoS和延迟特性提出了苟刻的要求因此统计复用变长分组交换的技术发展为人们所关注。 目前除已问世的新一代IP协议--IPV6外世界因特网工程任务组IETF提出了多协议标记交换技术MPLS 这是一种基于网络层选路的各种标记/标签的交换能提高选路的灵活性扩展网络层选路能力简化路由器和基于信元交换的集成提高网络性能。 MPLS既可以作为独立的选路协议工作又能与现有的网络选路协议兼容支持IP网络的各种操作、管理和维护功能使IP网络通信的QoS、路由、信令等性能大大提高达到或接近统计复用定长分组交换ATM的水平而又比ATM简单、高效、便宜、适用。 IETF还地抓紧新的分组理理持术以便实现QoS选路。其中正在研究"隧道技术"就是为了实现单向链路的宽带传送。另外如何选择IP网络传输平台也是近年来研究的一个重要领域先后出现了IP over ATM、 IP over SDH、 IP over DWDM等技术 目前公认的宽带网络分析模型如图2-20所示。

图2-20宽带IP网络的分层模型

第一层是基层础提供高速的数据传输骨干。 IP层向IP用户提供高质量的具有一定服务保证的IP接入服务。用户层提供接入形式IP接入和宽带接入和服务内容形式。在基础层 以太网作为IP网络的物理层是理所当然的事情但是IP overDWDM却上最新技术并具有很大的发展潜力。

密集波分多路复用Dense Wave Division MultipLexing,DWDM为光纤网络注入新的活力并在电信公司铺设新的光纤主干网中提供惊人的带宽。 DWDM技术利用光纤的能力和先进的光传输设备。波分多路复用的名称是从单股光纤上传送多个波长的光LASER而得来的。 目前的系统能够发送和识别16个波长而将来的系统能够支持40~96全波长。这具有重要意义 因为每增加一个波长就增加了一个信息流。因此可以将2.6Gbit/s OC-48网络扩大16倍而不必铺设新的光纤。

大多数新的光纤网络以9.6Gb i t/s的速度运行OC-192在与DWDM结合时在一对光纤上产生150Gbi t/s以上的容量。另外 DWDM提供了接口的协议和速度无关的特征在一条光纤上可同时支持ATM、 SDH和千兆以太网信号的传输这样和现在已建成的各种网络都可以兼容 因此DWDM既可以保护已有的设资还可以以其巨大带宽为ISP和电信公司提供了功能更强的主干网并使宽带成本更低和访问性更强这对VoIP解决方案的带宽要求提供强有力的支持。增加的传输速率不仅可以提供更粗的管道使阻塞的机会更少而且使延时降低了许多 因此可以在很大程度上减少IP网络上的QoS要求。

4、 宽带接入技术

IP网络的用户接入已成为制约全网发展的瓶颈。从长期发展看用户接入的终极目标是光纤到户FTTH 。光接入网从广义上讲包括光数字环路载波系统和无源光网络两类。前者主要在美国结合开放口V5. 1/V5.2在光纤上传送其综合系统显示了很大的生命力。后者主要在目本和德国。 日本坚持不懈攻关十多年采取一系列措施将无源光网络成本降低至与铜缆和金属双绞线相近的水平并大量使用。特别是近年ITU提出以ATM为基础的无源光网络APON 将ATM与无源光网络优势互补接入速率可达622M bit/s对宽带IP多媒体业务发展十分有利且能减少故障率和节点数目扩大覆盖范围。 目前ITU已完成了标准化工作各厂家正在积极研制不久会有商品上市将成为面向21世纪的宽带接入技术的主要发展方向。

目前主要采用的接入技术有:PSTN、IADN、ADSL、CM、DDN、 X.25和Ethernet以及宽带无线接入系统列等。这些接入技术各有特点其中发展最快的是ADSL和CM CM(Cable Modem)采用同轴电缆传输速率高、抗干扰能力强但是不能双向传输无统一标准。 ADSLAsymmetrical Digital Loop独享接入宽带 充分利有现有电话网提供非对称的传输速率用户侧的下载速率可以达到8Mbit/s用户侧的上载速率可以达到1M bit/s。 ADSL为企业和各个用户提供必要的宽带并极大地降低成本。使用较低成本的ADSL地区环路现在公司能以更高的速度访问因特网和基于因特网服务供应商的VPN允许更高的VoIP呼叫容量。

5、 中央处理单元技术

中央处理单元CPU在功能、功率和速度方面继续发展。这使多媒体PC能够广泛应用并提高了受CPU功率限制的系统功能的性能。 PC处理流式音频和视频数据的能力在用户中期待已久所以在数据网络上传送语音呼叫理所当然成为下一步的目标。这个计算功能使先进的多媒体桌面应用和网络组件中的先进功能都支持语音应用。

目前主要采用的接入技术有:PSTN、 IADN、ADSL、CM、DDN、 X.25和Ethernet以及宽带无线接入系统列等。这些接入技术各有特点其中发展最快的是ADSL和CM CM(Cable Modem)采用同轴电缆传输速率高、抗干扰能力强但是不能双向传输无统一标准。 ADSLAsymmetrical Digital Loop独享接入宽带 充分利有现有电话网提供非对称的传输速率用户侧的下载速率可以达到8Mbit/s用户侧的上载速率可以达到1M bit/s。 ADSL为企业和各个用户提供必要的宽带并极大地降低成本。使用较低成本的ADSL地区环路现在公司能以更高的速度访问因特网和基于因特网服务供应商的VPN允许更高的VoIP呼叫容量。

VoIP的技术优点

VoIP技术目前还没有完全成熟VoIP在IP话音业务提供中的应用也还处在初始阶段其所能提供的话音业务在诸多方面还远无法与PSTN相比较。然而凭借其灵活开放性及良好的发展势头 VoIP技术也展示了PSTN所无法比拟的鲜明特点。

首先通过VoIP技术的应用可以大大降低运营商在网络管理与维护上的投入也降低了业务成本用户从而可以享受更为低廉的服务价格。这是因为一方面 IP设备的价格低于程控交换机而传输速度则超出程控交换机这降低了设备的投入。另一方面 IP网络中可以有效的实现话音与数据的共同传输从而使得业务运营商不必同时维护两个独立的网络。这不仅直接降低了管理成本也间接地降低了运营商的人力资源成本。

其次基于VoIP技术的IP网络可以支持更多的新型增值业务为运营商创造新的业务来源。例如话音与EMA I L的结合话音与演示板结合的网络实时演示综合话音数据以及视频的远程视频会议等。另外 由于IP设备的灵活结构其在网络中投入使用的周期大为缩短使得业务供应商可以在新业务开发出来后迅速地推向市场并吸引用户。

第三与程控交换机设备不同 IP设备具有较高的可扩展性。这样运营商可以在初始阶段投入少量资金而建立一个适于小业务量的网络并随着业务量的增长而逐步扩展网络设备的处理能力。例如多个IP路由器可以以堆叠或菊花链的方式连接起来模拟成一个大型路由器而工作。这样就降低了初始投资风险保护了运营商的利益。

最后在PSTN网络中用户的呼叫独占一个连接这样即使在一段时间内这一连接上并无话音信息通过如对话中的沉默 资源仍不能为其它用户所用而呼叫用户也仍需为其总连接时间付费。在VoIP网络中一方面可以通过话音信息的压缩而有效地降低资源占用量另一方面不同用户通过复用的方式共享资源沉默的连接所占用的资源可以为其它连接利用这就大大提高了资源利用

率。同时压缩后的话音信息以IP数据包的形式在网络中传递业务供应商可以按照实际的数据流量收费而不是按照连接时间的长短收费有利于降低用户的通话费用。

VOIP主要优点

1 、消除长途话费。企业成功使用VOIP语音网关之后能够完全消除公司各分部之间高昂的跨国跨区长途话费。新一代VOIP的外线打出功能还将覆盖面由公司内部各点之间扩大到城市与城市 国家与国家之间。

2 、清晰、稳定、低延时的话音质量。

3 、先进的拨号规划。先进的拨号规划和地址对应功能令其轻而易举的连接到PBX交换机上灵活且多样化的拨号通达各个目的地。

4 、节省带宽资源。 电路交换电话消耗的带宽为64kbit/s而IP电话只需8-10kbit/s从而节省了带宽降低了成本。

5 、便于集成智能。 VOIP电话网集成了计算机网的智能模块可以灵活地控制信令和连接有利于各种增值业务的开发。

6 、开放的体系结构。 IP电话的协议体系是开放式的有利于各个厂商产品的标准化和之间的互相连通。

7 、多媒体业务的集成。 IP电话网络同时支持语音、数据、 图象的传输为将来全面提供多媒体业务打下了基础。