神州数码网络教育城域网IP电话解决方案

　　一、教育城域网VOIP应用分析

　　教育系统所有的电话联系都是使用中国电信的电话网络，在其各级机构之间没有建立其它电话支撑系统。企业的通讯费用太高是困扰许多企业经营者的问题，然而这好像又是无法压缩的费用，内部高额的话务费用迫切希望能够通过现有的技术解决。而VoIP技术的日趋成熟可以解决这一困扰了行业多年的问题。通过在教委和各学校之间建立VoIP网络，可以大量节省通信费用，支持多种呼叫方式和几乎不改变用户呼叫习惯的VoIP网络为用户提供了完整的解决方案。

　　那么，教育系统如何才能降低这些费用，提高竞争力呢？除了在管理上想办法节约成本外，VoIP技术的出现为企业从技术层面降低通讯成本提供了可行性。

　　所谓VoIP(Voice over InternetProtocol)就是一种以IP电话为主，并推出相应的增值业务的技术。它通过IP包发送实现的话音业务，是建立在IP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话音进行压缩编码处理，然后把这些语音数据按IP等相关协议进行打包，经过IP网络把数据包传输到目的地，再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IP网络传送话音的目的。

　　驱使Internet话音业务飞速发展的因素是什么呢？主要因素是价格。相同通话时间，通过Internet话音服务花费的费用仅仅为通过传统话音服务花费的费用的几分之一，甚至几十分之一，其价格差异如此的悬殊，Internet电话的发展速度也就可想而知了。另一个因素是技术的发展。以往，Internet电话留给人的印象是话音质量低劣、延迟长、经常断。但随着技术的发展，这些现象将不复存在。一方面，随着ITU H.323一系列协议的推出，使得Internet电话的规范逐步完善，各厂商的设备可以互通；另一方面，Internet网络的大力兴建及硬件设备性能的提高为Internet电话的顺畅提供了保障；最后，话音压缩技术的发展也为Internet电话的发展铺平了道路。

　　目前专家普遍认为VoIP将代表电话技术未来的方向，甚至有这样的一句话：everything is over IP（一切都将基于IP）。许多人相信IP电话时代即将到来，据伦敦菲利普斯公司分析，IP电话将在2003年占全球总体电话业务的43.12%，而Frost &Sullivan调研公司在报告中预计，到2007年VoIP的通话量将占全部通话量的75%。

　　二、VoIP语音系统的优缺点

　　VoIP最大的优势是能广泛地采用Internet和全球IP互连的环境，提供比传统业务更多、更好的服务，下面是IP电话的特点：

　　支持灵活多样的业务方式支持用户采用卡付费。普通帐户和固定主叫用户等方式进行国际、国内长途业务，计费系统完整支持电话-电话、电话-PC等多种业务及智能卡号业务，以及如来电指示及遇忙转移等新型增值业务。并充分利用Internet技术优势保证通话质量。

　　优异的性能价格比IP电话最大的优点是价格上的优势，这是IP电话崛起的根本原因。系统传输成本包括本地市话费、IP网络使用费以及远端市话费，与传统电信网中昂贵的长途通信费相比，可极大地降低用户通信费用。

　　兼容原有的电话网络IP电话网关支持下的“电话到电话”方式，与传统电话相连接的是普通电话线路，完全能够实现传统的电话功能，使用方便，并具有自动识别和（PSTN与Internet用户的）网间转换、分帐、计费、语音信箱等一系列专业化服务功能。

　　提高传输效率电话网关采用国际标准算法（G.723.1、G.729a）压缩语音信号进行低速率语音编码，如G.723.1可将常规64 kb/s语音信号压缩到5.3kb/s，而仍可以保持良好的声音效果。人们打电话时约有60％的静默时间，采用静音压缩技术只传输通话过程中的实际交谈时段的数据，而将双人静默时段的带宽释放给其他话音业务，从而提高带宽利用率，节省通信资源。

　　充分利用网络资源采用IP的通信网络Internet由分组交换与无连接的分组交换相整合，因此，IP协议对通信资源的利用远远高于传统的通信网络。

　　三、VOIP技术简介

　　VoIP的普遍运用也是与VoIP网络技术的发展密不可分。VoIP采用了基于统计时分复用的IP网络为基础进行话音业务传送，采用先进的数据信号处理技术进行语音编码、语音压缩、静音监测、舒适噪音生成等等技术可以提供与电路交换方式的传统PSTN网络语音品质媲美的语音服务。技术发展到今天，目前主要有两种VoIP实施标准：ITU-T标准和IETF标准。

　　ITU-T标准：H.323协议H.323是最早被采纳的VoIP标准。H.323协议体系规定了基于分组网进行两点/多点实时媒体通信的系统逻辑组件、消息定义和通信过程。H.323协议采用了ISDN的设计思想，使用Q.931协议完成呼叫的建立和释放，明显地带有电信网可管理性和集中的特征。目前，H.323协议已经在网上得到广泛应用，国际上如ITXC和AT&T，国内如中国电信、中国联通等均采用H.323的体系结构组建IP电话运营网。与SIP比较，H.323更为成熟。

　　H.323协议的特点基于网守的概念使得H.323网络是集中控制的便于统一维护管理；但由此，一个明显的缺点是，呼叫处理时延大；网络规模也因此受到极大的限制；IETF标准：SIP该协议体系是由Level3、Bellcore和Cisico发起的业务提供商/厂商共同体提出并由IETF（Internet工程任务组：Internet Engineering Task Force）开发形成的。SIP协议具有简单，灵活性和扩展性好，以及和现有的Internet应用紧密的特点，许多人认为该协议比较容易实施，近期，特别是在美国得到快速发展，同时SIP将在第三代移动通信核心网和智能业务中得到广泛应用。目前，SIP协议还处在发展的初期阶段，很多相应的标准还没完全统一，管理功能不完善，大型的网络应用还没有。

　　应该说，H.323和SIP协议都是为构建IP电话网而逐渐形成的，两者在发展的初期是互斥的，但目前随着SIP协议的发展，特别是其在软交换中的应用，使得SIP协议有了很大的发展，目前H.323和SIP协议的互连互通也已经在制订之中。

　　另外，不管是基于H.323协议还是基于SIP协议的IP电话网架构，都需要相关的协议完成网守对媒体网关的承载控制、资源控制及管理。目前此接口使用媒体网关控制协议（MGCP: Media Gateway Control Protocol）或H.248(MeGaCo:媒体网关控制)协议。

　　H.248协议称为媒体网关控制协议，是由ITU－T第16组提出来的，应用在媒体网关和媒体网关控制器之间、媒体网关控制器与H.248/MeGaCo终端之间。

　　MGCP是IETF较早定义的媒体网关控制协议，主要从功能的角度定义媒体网关控制器和媒体网关之间的行为，实现比较简单，没有H.248那样对包和属性的详细定义，事件交互的机制也比较简单。MGCP具有实现简单等特点，但其互通性和支持业务的能力受到限制。

　　H.248／MeGaCo因其功能灵活、支持业务能力强而受到重视，而且不断有新的附件补充其能力，是目前媒体网关的主流协议，它解决了MGCP原有的缺点，操作性强，但由于该协议推出不久，业界还缺乏成熟的产品和应用实例，需进一步发展。

　　H.248和MeGaCo在协议文本上相同，只是在协议消息传输语法上有所区别，H.248采用ASN.1语法格式(ITU-T X.680 1997)，MeGaCo采用ABNF语法格式（RFC2234）。

　　VoIP的关键技术包括：

　　媒体编码技术包括流行的G.723.1、G.729、G.729A话音压缩编码算法和MPEG-II多媒体压缩技术。

　　控制信令技术包括ITU-T H.323和IETF会话初始化协议SIP[4]（Session Initation Protocol）两套标准体系，还涉及到进行实时同步连续媒体流传输控制的实时流协议TRSP。

　　分组传输技术主要采用实时传输协议RTP。

　　业务质量保障技术采用资源预留协议RSVP、服务质量Qos和用于业务质量监控的实时传输控制协议RTCP来避免网络拥塞，保障通话质量。

　　网络传输技术主要是TCP和UDP。

　　此外还涉及到分组重建技术和时延抖动平滑技术、动态路由平衡传输技术、网关互联技术（包括媒体互通和控制信令互通）、网络管理技术（SNMP）、安全认证和计费技术、IVR交互式语音响应技术等等。

　　VOIP关键技术中我们重点强调的是解决语音质量方面的技术，因为语音质量是实现VOIP的基础，关系到VOIP网络的建设成败，相信一次断断续续的语音通话是任何人都无法忍受的。影响VoIP语音质量的主要因素有：时延与时延抖动、语音编码技术、包丢失率、回声、语音电平等。

　　时延与时延抖动端到端的时延包括编解码时延，打包与解包时延，以及网络传送时延。时延的变化，即时延抖动（jitter）主要由网络引起，如果端到端的传输路径中经过的中间节点（路由器、交换机等）越多，带来的时延抖动越大。

　　语音编码技术语音编码技术在有效地利用带宽的同时，能提供高质量的语音。不同的编码技术将带来不同的语音质量，下表列出了几种编码技术MOS（mean opinion score）值（测试结果）。参考下表所列结果，G.729与G.711两种编码方案可以满足教育系统IP电话的质量要求。　　

　　另一方面，G.729的带宽要求远远低于G.711，在相同线路质量和带宽情况下，G.711数据报在线路上传输的时间要长于G.729，而且这个时间大于语音压缩成数据报的时间。因此从听觉角度分析，使用G,729和G.711压缩算法的效果基本相同。

　　综合考虑，采用G.729，既满足语音效果的要求，又节约了带宽，节省了线路的投资费用，是首选的编码压缩算法。

　　包丢失率在IP网络中存在IP包被丢失的因素有：网络传输中丢包、网络拥塞时网关设备主动丢包。当包丢失率超过10%时将会严重影响语音质量。

　　回声回声是由于通话两端的阻抗不匹配所引起。在端到端时延较大的IP网络中，回声干扰的影响尤为明显。

　　语音电平合适的语音发送与接收电平是影响通话质量的又一重要因素，因此语音网关必须具有语　音电平调节的功能。

　　从以上的分析可以看出，要提高IP电话的语音质量主要应从两方面着手。一是选用合适的语音编码压缩技术，选用高质量的语音网关及适当地网守控制方式；二是提高IP网络的服务质量（QoS），使网络时延、时延抖动及包丢失率控制在一定限度以内。

　　下面分析一下网关、网守围绕上面因素对语音质量的所做的保证。

　　网关保证语音质量的措施时延与抖动是影响语音质量至关重要的因素，网关通过下列技术可以在这两个因素上进行较好的控制：

　　静音抑制技术静音抑制，又称活动语音检测（Voice Activity Detection），它是根据人们日常谈话的语音和静默特性，检测到静音（Silence）时加以抑制，使其不占用或极少占用信道带宽，检测到突发的活动语音时才将其进行压缩编码与传输。研究表明运用VAD技术能使信道带宽的有效利用率提高约一倍。

　　抖动抑制缓冲技术抖动抑制缓冲区用于接收端，目的是平滑延迟抖动，并兼顾解码和压缩操作。

　　回声消除在IP电话设备中通常都必须采取消除回声的措施，在网关设备中通常采用业界的G.165实现回波抑制。

　　网守保证语音质量的措施网守具有带宽管理的功能，利用这个功能可以通过设定某条线路上语音的带宽来控制IP电话的呼叫过程，从而保证通话质量。举例如下：

　　某条线路带宽为1M bps，为了保证视频、数据业务的带宽，我们在网守上设定语音业务的带宽为60K bps，按照每条话路占用带宽12K bps计算，有5路以下语音时能保证通话质量，但要是超过5路通话质量就得不到保证。

　　利用网守的带宽管理功能，在网守上配置该线路峰值呼叫时需要的带宽，并对每一路呼叫进行监控。当第六路发起呼叫时，网守根据配置拒绝其建立连接，以确保其它5路的通话质量，同时也保证了视频和数据业务的开展。在教育系统IP电话网的设计中，我们可以根据不同情况在线路上确定通话数的峰值，通过网守来保证语音质量。

　　IP QoS对语音质量的保证为了保证语音质量，网络必须具有很好的QoS保证机制。可以采用Diff-Serv或RSVP进行QoS的保证：

　　要求IP网络支持Diff-Serv、RSVP模式的QoS保证机制；语音网关支持报文分类，对语音包分配高优先级别；网络设备支持CAR（Committed AccessRate）功能，实现报文的度量和流量监控；网络设备支持WFQ功能，对高优先级报文进行优先处理。

　　四、VOIP设计原则根据

　　VoIP应用的特点，对其网络设计主要考虑以下因素：

　　QoS保证话音应用对延迟、抖动、失真等等非常敏感，因为VoIP是基于统计时分复用的IP网络为基础进行话音业务传送，因此要求充分QoS保证，在具体实现方法上，可以采用多种技术手段如RSVP带宽资源预留，使用各种队列算法如CBWFQ、PQ、CQ等等保证VoIP语音数据具有较高优先级别，ToS参数设置等等。

　　高效的语音编码和解码技术普通模拟话音经过抽样、编码，通常为64K带宽，也就是G.711编码技术，要实现高效的语音传输，必须在不影响话音质量的前提下对话音数据进行压缩，在G.711基础之上，先后发展如下编码技术：G.726/G.727（16、24、32Kbps），G.728（16Kbps），G.729、G.729A、G.729B、G.729AB（8Kbps），G.723.1（5.3/6.4Kbps）等等，高效的压缩技术使得话音对带宽占有越来越少，而话音质量控制在可接收范围之内，促进了VoIP技术的应用。

　　智能的选择语音压缩技术不同VoIP设备之间在建立呼叫前能够自动协商所使用的语音压缩技术，动态选择双方支持的语音压缩编解码标准，从而能够建立呼叫连接，实现VoIP通讯。

　　语音呼叫与本地网连接VoIP语音网络能够实现IP网络内部的通讯，实现与本地电信网的连接（即通常所称的落地）可以提升VoIP网络的价值，能够实现更丰富的呼叫应用，为用户带来更多便利的服务。

　　VoIP网络的呼叫可管理性对于VoIP的不同应用方式要提供灵活方便的控制手段，而且配置过程尽可能简单易懂，并且针对落地的呼叫方式，需要提供认证及提醒功能。针对用户的不同需求，可以支持多种灵活的连接方式，实现不同的呼叫过程。

　　网络的可靠性网络中单点故障不会使局部网络失去与整个网络的连接，多点故障不会造成整个网络被分成几个互不相连的部分。

　　网络的标准化和易扩展性网络的结构，技术和产品的标准化，结构的易扩展，技术和产品的可连续性，在满足用户当前应用的基础之上，充分保证用户投资。

　　网络的模块化结构VoIP网络的的物理结构、逻辑结构和地址空间实现模块化，要和当前PSTN网络类似，为用户提供良好的使用界面，便于网络的构建、维护和扩展。

　　网络的易管理和维护性全网可进行统一或分布管理，网络维护简单有效；网络的实用性根据现在的需求和可以预见的需求增长情况设计VoIP网络，不追求空洞的技术先进性，避免追求高档和最新技术花费的巨大代价。充分利用现有资源，挖掘原有设备的潜力，实现与VoIP网络的连接。

　　五、城域网VOIP解决方案　　

　　VOIP带宽分析针对当前可用的语音编码方法的综合比较，一般选择G.729作为VoIP编解码协议标准。G.729是一种高效的语音压缩国际标准，速率为8K bps,加上包头等的开销单向语音的速率可达11.2K bps。IP电话为双工通信，但考虑到通信时每个方向至少有60%时间处于静音状态，可以采用VAD技术进行静音压缩，每路语音需12K bps带宽。G.729技术十分成熟，语音质量较好，得到了广泛的应用。

　　市教委VOIP连接PBX提供E1或E&M中继线路，连接语音网关的对应中继接口。语音网关根据不同的设备形式，采用不同的连接方式：

　　语音网关采用地市广域网路由器＋语音卡方式：语音卡内置于语音网路由器。

　　纯语音网关方式：将语音网关以太网接入地市教委以太网交换机。

　　推荐地市教委的语音网关采用第１种连接方式，即语音卡内置于语音网路由器，具有更好的性价比。另外，如果设置地市级网守，将网守的以太网口接入地市教委以太网交换机。

　　区县教委VOIP连接有PBX的区县教委，组网形式和连接方式同地市教委设计方案。无PBX或即将淘汰原有PBX的县教委，可采用IP电话终端方式组建区、县教委电话网络，这种情况下需配置本地呼叫管理系统，呼叫管理系统接受上级网守的管理，IP电话终端和呼叫管理系统直接挂接在县教委以太网交换机上；也可采用IP PBX的形式组建区、县教委电话网络，IP PBX的以太网接口直接接入县教委以太网交换机。

　　神州数码用于市教委和区县教委接入的DCR-3660、DCR-2600系列路由器全面支持H.323 VoIP功能，能够灵活提供E&M、FXO、FXS等多种语音接口方便与各类PBX和传统语音设备的连接，并提供等位拨号等针对教育网络定制开发的特性功能，是构建低成本、高性能教育系统IP语音网络和数据网络的可靠保证。

　　同时，DCR-3660、DCR-2600系列路由器为增强教育城域网VoIP管理，提供内置H.323网守功能，可以在区县教委提供免费本地网守，减轻市教委网守的压力。

　　中小学校VOIP连接一般用户数量较少，可采用广域网路由器＋FXS语音卡的方式，直接由语音网关提供模拟电话接口，作为中小学电话网解决方案。

　　神州数码的蓝箱产品除了可以完成路由器的广域网接入功能、本地交换网的接入，同时还可以通过灵活的语音模块完成VOIP的功能。神州数码用于中小学接入的DCR-1700、DCR-2500V系列路由器提供低成本的H.323 VoIP功能，DCR-1700能够灵活提供E&M、FXO、FXS等多种语音接口方便与各类PBX和传统语音设备的连接，DCR-2500V内置2个FXS IP电话接口，完全满足一般中小学的IP语音需求。

　　神州数码路由器VoIP的特点静音压缩自动检测静音状态，取消静音在网络上的传输，从而减少网络上的无效负载，该技术同舒适噪音相结合，能够获得更好的通话效果。

　　舒适噪音由于静音压缩带来通话间断现象，为满足人的听觉感官的需要，自动向本地用户发送舒适的背景声。

　　头部压缩支持PPP、FR、HDLC上的CRTP协议；支持RFC2507及RFC1144定义的TCP/IP头部压缩。

　　语音调谐可以通过命令调谐语音端口的输入输出增益，改善通话效果。

　　服务质量QoS一直是Internet上传送实时语音的关键技术，我们的QoS支持CQ、PQ、WFQ、WRED等先进的排队策略。我们的VoIP应用默认情况下使用最适用于实时应用的WFQ策略。

　　资源预留支持RSVP协议，保证语音传输的带宽需求。

　　语音平滑跟踪著名网络实验室的最新研究成果，按照权威的Jitter Buffer算法论文，并根据自身实践，设计了一套行之有效的Jitter Buffer控制策略，成功解决了由于网络传输拥塞和语音分片不均等原因造成的语音抖动，在多项应用中证明了其良好的效果。

　　Gatekeeper实现了嵌入式的Gatekeeper软件，便于VoIP网络的集中管理维护，同时基于Windows的GUI界面的版本也在研发进行中，不久将投向市场。

　　FAXoIP对传统的FAX的支持是神州数码语音产品的又一特色，支持FRF.11及T.38两种格式的FAX编码方式，同时还支持原有的直通模式的传真技术。

　　增值服务实现了基于标准的H.450系列协议的增值服务。

　　安全认证使用AAA技术和Radius协议进行安全认证，保障信息的安全性。

　　记账功能基于Radius协议的与Gatekeeper软件集成的记账系统，使用便捷。

　　IVR功能利用交互式语音响应技术交互式完成认证、转接、计费等工作。