漫谈VoIP相关技术

IP电话已经是我们生活中不可缺少的一部分，它对普通大众来讲意味着用更少的费用打更久的电话，记得一家电信运营商IP电话的广告词就是“长话不必短说”。那么什么是IP电话呢？

IP是国际互联网协议（Internet Protocol）的简称，IP电话是按照国际互联网协议规定的网络技术内容、利用Internet作为语音传输媒介而实现语音通信的一种全新的通信服务。研究IP电话的国际标准化组织主要包括国际电信联盟电信标准部（ITU-T）、欧洲电信技术标准所（ETSI）、因特网工程任务组（IETF）、国际多媒体电视会议联合会（IMTC）等。

信息产业部《电信业务分类目录》中指出，IP电话业务泛指利用IP网络协议，通过IP网络提供或通过电话网络和IP网络共同提供的电话业务。IP电话业务在此特指由电话网络和IP网络共同提供的Phone-Phone以及PC-Phone的电话业务，其业务范围包括国内长途IP电话业务和国际长途IP电话业务。IP电话业务在整个信息传递过程中，中间传输段采用IP包方式。

IP电话的产生

1、IP电话的雏形是计算机与计算机之间的通信

最初是一些电脑和网络的爱好者为了能够节省长途电话费用，利用双方的电脑与调制解调器，安装声卡及相关软件，加上话筒和扬声器，双方约定时间同时上网，然后进行通话。

2、IP电话逐渐实现计算机与普通电话之间的通信

连接到互联网的计算机安装声卡和话筒及扬声器，并且要安装IP电话的软件。电话机用户方，应当具备拨号上本地网IP电话网关(GW:Gateway)的功能。PC呼叫远端电话时先通过Internet登陆到GW，通过认证后，输入电话号码由网关发起呼叫。

电话呼叫远端PC时，拥有固定的IP地址的PC要已经在GW上注册，电话向网关呼叫，通过网关呼叫被叫PC。但是由于当时PC并不如现在普及，所以并不是所有的人都有条件使用IP电话。

3、普通电话与普通电话之间的IP电话通信。

要实现IP电话的快速普及，就要实现普通电话之间通过IP网络进行通信。普通电话用户需要拨打并接入本地IP电话网关，通过认证后，确认后键入被叫号码，主叫与被叫电话通过网关透过Internet网络或者IP网络进行连接，远端的网关通过本地PSTN呼叫被叫电话，从而完成一次呼叫。

IP电话网络的基本结构

IP电话的系统一般应有三部分组成：电话终端(Phone Terminal)、网关(Gateway)和关守(Gatekeeper)。电话终端可以指通过PSTN连接到网关的普通模拟电话机，也可以指通过IP网络连接到网关的IP电话机。

网关完成语音压缩，将64Kbit/s的语音信号压缩成低码率的语音信号；完成寻址与呼叫控制；完成IP网络与PSTN网络的互通等等。

网守负责用户注册与管理，将不同的被叫号码对应相应的网关IP地址；对接入号码的进行鉴权，防止非法用户接入；进行呼叫记录、提供计费数据；完成区域管理，管理网关和电话终端等。一些大的IP电话网络还有多级网守，在网络结构中位于最高层次的叫做顶级关守，负责管理下级网守和跨网守呼叫的建立等等。

IP电话传输过程

与传统电话不同，IP电话是以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。IP电话的传输过程分为下列几个阶段。

语音信号是模拟的，要通过IP方式来传输语音，首先要对语音信号进行模拟数据转换，目前采用的语音编码标准主要有ITU-T G.711等。发收双方的语音编码器必须实现相同的算法，这样才能在收方顺利还原。

1、模拟语音-数据转换 

语音信号是模拟的，要通过IP方式来传输语音，首先要对语音信号进行模拟数据转换，目前采用的语音编码标准主要有ITU-T G.711等。发收双方的语音编码器必须实现相同的算法，这样才能在收方顺利还原。 

2、封装IP包

语音信号进行数字编码后，需要把语音包以特定的帧长进行压缩编码，压缩后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。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，并通过网络逐个节点转发到目的地。

3、传输

在这个IP传输通道中，全部IP网络被看成一个从输入端接收语音包，然后在一定时间内将其传送到网络输出端。时间可以在某个范围内变化，反映了网络传输中的抖动。网络中的各个网络节点检查每个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数据流的任何拓扑结构或访问方法。 [Page]

4、IP包-数据的转换

收端VoIP设备接收这个IP数据并开始处理。IP网络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。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

最后，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网络上的传输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。

影响IP电话通话质量的因素

语音编码质量、延时和延时抖动、回声、丢包率是决定IP电话通话质量的四大关键因素。

现在的网关设备对回声和抖动都采取了相关的抑制措施，所以这两方面对用户的影响已经不大，所以延时就成为影响IP电话质量的最主要原因。延时对IP电话影响严重的主要原因是：

1、语音应用对时延有一定要求，听觉对400毫秒以下反应并不敏感。但若超过400毫秒，就会感到断断续续，超出正常语音通信所能接受的范围。

2、分组传输的速度：就信息本身而言，是以光速传输的。通过光缆、线缆连接，甚至无线方式和卫星方式连接，仅在传输过程的时延也在可接受的范围之内。

3、而在IP网络中，各种数据流量的处理，如路由、排队等迟滞，是造成IP传输延迟的主要原因。

所以延迟产生的主要原因是网络的流量与拥塞程度，尤其当延迟大于300或者400毫秒时，还原后的语音听觉将较难接受。网关解决延迟问题需要面临的问题很多，难度较大，如何提高通话质量成了IP电话的技术难题。

解决方式主要有：

首先IP电话接入国外Internet网的网络应当有足够的出口带宽，或者国内IP电话网络各节点之间要有足够的带宽，网关设备与国外Internet的联接或者国内IP网络各节点之间应有多条路由的自动选择机制，以便在电路拥塞时，可以自动选择路由，减少延迟。

第二，不断采用最新的语音压缩技术，这样语音所占的频带将大幅度下降，有利于提高网络使用率，也会提高通话质量。

第三，优先传输语音数据，其次传输对实时性要求不高的数据。语音传输的优先级应高于数据信息的传输，这样也可以减少延迟，提高IP电话的质量。

IP电话的标准

目前IP电话尚无一个完全统一的标准，IP电话协议基本上有二大类，即H.323和SIP协议，这二个协议在呼叫建立与控制方面有着不同的方案。在一个IP电话系统内要使用同一种协议，如果要实现跨越不同协议的网络，需要设立专门的网关来进行处理。H.323协议已有多年的发展，国内各个运营商提供的IP电话业务，以及各种企业IP语音设备都是采用H.323协议。

随着IP电话业务的兴起，IP电话国际业务运行组织----IP国际电话联盟组织也相应出现。在目前IP电话尚无一个完全统一标准的情况下，他们负责国际间IP电话的网络互通及业务互通，同时制定国际IP电话的路由选择、计费、结算等规范。

IP电话的发展方向

今后一段时间IP电话的发展特点是：技术更加成熟、标准更加完善和统一、全球网络实现互通、语音质量更好、更多的电信运营商开始提供IP电话业务、IP电话在语音通信中的话务量比例将继续大幅度提高、单一的IP电话将向多媒体业务过渡。

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，在降低设备投资的同时，减少设备管理和维护工作，节约成本。对大众用户而言，除资费低廉外，IP电话技术使得电话的接入范围极大地扩展，弱化乃至消除了时间和距离的概念，接入终端日趋多样和简易化。

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，而在于它能将基于互联网的新业务和传统电话智能网业务的优势结合起来，提供各种包括语音、视讯在内的综合业务和功能，更大的满足人们的通信需求，促进交流与沟通。 [Page]