IP電話的關(guān)鍵技術(shù)及服務(wù)質(zhì)量

【摘　要】對IP電話與普通PSTN電話進(jìn)行了比較，介紹了兩個最具代表性的IP電話標(biāo)準(zhǔn)，歸納了與IP電話相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，分析了影響IP電話服務(wù)質(zhì)量的因素，最后，提出了改進(jìn)IP電話服務(wù)質(zhì)量的幾點考慮。
? 關(guān)鍵詞：IP電話 關(guān)鍵技術(shù) 服務(wù)質(zhì)量
　　
1　引　言
　 以話音通信為目的而建立的PSTN電話網(wǎng)采用的是電路交換技術(shù)，可以充分保證服務(wù)質(zhì)量，但通話期間始終占用固定帶寬。以數(shù)據(jù)通信為目的建立起來的Internet采用的則是分組交換技術(shù)，所有業(yè)務(wù)共享線路，從而大大提高了網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率。由于數(shù)據(jù)包是非實時的，所以，Internet通常不保證語音傳輸?shù)馁|(zhì)量。然而人們一直在尋求利用廉價的Internet進(jìn)行語音傳輸?shù)姆椒?，因此IP電話應(yīng)運而生。近年來，IP電話迅速從實驗室進(jìn)入實用，并以其價廉及尚可接受的質(zhì)量擠占了一部分長途電信市場。根據(jù)測算，IP電話的用戶已從1995年的40萬激增到1999年的1600萬。近年來，一些西方國家紛紛放開了IP電話業(yè)務(wù)，我國有關(guān)部門對IP網(wǎng)絡(luò)電話采取了同引進(jìn)其它新技術(shù)、新業(yè)務(wù)一樣的態(tài)度，始終積極跟蹤、認(rèn)真研究。1999年我國進(jìn)行了IP電話試驗，現(xiàn)已有多家電信運營公司正式提供IP電話業(yè)務(wù)，用戶反應(yīng)良好。隨著人們對IP電話服務(wù)質(zhì)量要求的不斷提高，通信專家和運營商正在加緊研究和解決與IP電話相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。隨著與IP電話相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)的相繼被解決和正在被突破，IP電話的服務(wù)質(zhì)量將不斷提高，IP電話將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。專家們預(yù)言，統(tǒng)一未來通信的將是Int ernet，而IP電話技術(shù)的出現(xiàn)和商業(yè)應(yīng)用，則開始把話音和Internet網(wǎng)結(jié)合起來。
　 本文對IP電話與普通PSTN電話進(jìn)行了比較，介紹了兩個最具代表性的IP電話標(biāo)準(zhǔn)，歸納了與IP電話相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，分析了影響IP電話服務(wù)質(zhì)量的因素，最后，提出了改進(jìn)IP電話服務(wù)質(zhì)量的幾點考慮。
2　IP電話與普通電話的比較
? 與普通PSTN電話相比，IP電話具有如下優(yōu)點：
　 ·節(jié)省帶寬。電路交換電話消耗的帶寬為64kbit／s，而IP電話只需6—8kbit／s（有時甚至低于2．4kbit／s），從而節(jié)省了帶寬，降低了成本。
　 ·通話費用低。成本的降低，使通話費用隨之下降，尤其是長距離通信。
　 ·可以方便地集成智能。IP電話網(wǎng)繼承了計算機網(wǎng)的智能模塊，可以靈活地控制信令和連接，有利于各種增殖業(yè)務(wù)的開發(fā)。
　 ·開放的體系結(jié)構(gòu)。IP電話的協(xié)議體系是開放式的，有利于各個廠商產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化以及相互之間的連通。
　 ·多媒體業(yè)務(wù)的集成。IP電話網(wǎng)絡(luò)同時支持語音、數(shù)據(jù)、圖像的傳輸，為將來全面提供多媒體業(yè)務(wù)打下了基礎(chǔ)?！?br>?　但是，IP電話的服務(wù)質(zhì)量較普通PSTN電話的服務(wù)質(zhì)量差，這一點也是很明顯的。
3　IP電話的標(biāo)準(zhǔn)
　 目前參與IP電話技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)和推廣的組織超過20家，其中最有影響力的IP電話的國際標(biāo)準(zhǔn)化組織主要有四家：國際電信聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)化部門（ITU－T）、歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（ETSI）、Internet工程任務(wù)組（IETF）和多媒體遠(yuǎn)程會議集團(tuán)（IMTC）。ITU－T側(cè)重于電信標(biāo)準(zhǔn)、ETSI側(cè)重商業(yè)實現(xiàn)、IETF側(cè)重IP標(biāo)準(zhǔn)、IMTC側(cè)重互操作性。由于IP電話技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)涉及多個領(lǐng)域，這幾家開發(fā)組織相互之間建立了比較良好的協(xié)作關(guān)系，而其他機構(gòu)主要是發(fā)展、充實、實現(xiàn)和推廣這些標(biāo)準(zhǔn)。
　 但是由于不同國際組織存在學(xué)術(shù)上的爭議以及不同設(shè)備制造商各自利益的影響，導(dǎo)致了在IP電話的標(biāo)準(zhǔn)問題上莫衷一是，眾說紛紜。下面主要介紹其中兩個最具代表性的IP電話標(biāo)準(zhǔn) ：H．323協(xié)議和SIP（會話初始化協(xié)議）。
3．1　H．323協(xié)議
　 H．323協(xié)議是ITU－T第16研究組（SG－16）為多媒體會議系統(tǒng)提出的一個建議書，并不是為IP電話專門提出的，因而它涉及的范圍遠(yuǎn)比IP電話寬。IP電話，特別是電話到電話經(jīng)由網(wǎng)關(guān)的這種IP電話工作方式，可以采用H．323協(xié)議來完成它所要求的工作，因而H．323協(xié)議被借過來作為IP電話的標(biāo)準(zhǔn)。由于目前IP電話發(fā)展很快，而IP網(wǎng)的多媒體會議系統(tǒng)發(fā)展得相對較慢，因此，為了適應(yīng)IP電話的應(yīng)用，H．323也的確專為IP電話增加了一些新的內(nèi)容（如呼叫的快速建立過程）。對IP電話來說，它不只用H．323協(xié)議，還用了一系列其它的協(xié)議，其中有H．323、H．225、H．245、H．235、H．450和H．341等。只是H．323協(xié)議是總的技術(shù)要求，因而通常把這種方式的IP電話稱為H．323 IP電話。
3．2　SIP協(xié)議
　 SIP協(xié)議是由IETF推出的會話初始協(xié)議，是一種基于文本的協(xié)議，采用SIP規(guī)則資源定位語言描述。
　 SIP協(xié)議提出了另外一套IP電話的體系結(jié)構(gòu)，是一個與H．323并列的協(xié)議。一個SIP系統(tǒng)主要由兩個部分組成：用戶代理和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器也分兩類，代理服務(wù)器（Proxy）和重定位服務(wù)器（Redirect）。
?? SIP協(xié)議的出發(fā)點是借鑒WEB業(yè)務(wù)成功的經(jīng)驗，以現(xiàn)有的Internet為基礎(chǔ)來構(gòu)架IP電話業(yè)務(wù)網(wǎng)。因此，SIP有著與H．323完全不同的設(shè)計思想，它是一個分散式的協(xié)議，它將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的復(fù)雜性向網(wǎng)絡(luò)邊緣推，使核心網(wǎng)絡(luò)仍是一個“BestEffort＂的傳送通道，這就是SIP系統(tǒng)中核心網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器可以不保留狀態(tài)（stateless）的原因（SIP消息本身含有一個呼叫的所有信息 ），因為核心網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器需要處理大量的呼叫，不保留每一呼叫的狀態(tài)，將大大提高系統(tǒng)的處理能力，為組建大規(guī)模的IP電話業(yè)務(wù)網(wǎng)奠定了基礎(chǔ)，而邊緣網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器可以是有狀態(tài)的（sta teful）。這種stateless和stateful結(jié)合的模式既可以充分發(fā)揮SIP的特點（如用戶定位和查找）又保留了Internet無連接數(shù)據(jù)報傳送的設(shè)計思路。與以H．323協(xié)議為基礎(chǔ)的IP電話相比 ，SIP協(xié)議需要相對智能的終端，即終端需要包含用戶代理客戶機和用戶代理服務(wù)器兩部分，由這兩部分實現(xiàn)呼叫請求、呼叫應(yīng)答和一些用戶的特定需要，正是因為SIP系統(tǒng)有了相對智能的終端系統(tǒng)，所以它才有可能實現(xiàn)用戶個性化需求。
4　IP電話的關(guān)鍵技術(shù)
　 眾所周知，IP電話的工作原理是先將語音信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、編碼、壓縮和打包，然后通過Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸，到接收端則相應(yīng)進(jìn)行拆包、解壓、譯碼和數(shù)模轉(zhuǎn)換，從而恢復(fù)出語音信號。與IP電話通話質(zhì)量有關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)可以歸納為以下七個方面：
4．1　語音壓縮技術(shù)
　 IP電話的技術(shù)基礎(chǔ)是語音壓縮技術(shù)。1972年制定了64kbps PCM（脈沖編碼調(diào)制）方式；19 86年制定了32kbps ADPCM（自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制）方式；1991年制定了16kbps LD－CELP（低延時碼激勵線性預(yù)測）方式；1995年11月，經(jīng)過較長時間的研究，ITU（國際電聯(lián)）批準(zhǔn)了語音壓縮標(biāo)準(zhǔn)G．729，采用8kbps CS－ACELP（對稱結(jié)構(gòu)代數(shù)碼激勵線性預(yù)測）方式。目前用于IP電話的標(biāo)準(zhǔn)是G．723．1，速率為5．3／6．3kbps。另外，4．8kbps、2．4kbps和1kbps的語音壓縮技術(shù)雖有報道，但尚無國際標(biāo)準(zhǔn)。
4．2　靜噪抑制技術(shù)
　 又稱語音激活技術(shù)，是指一旦檢測到通話過程中的安靜時段即停止發(fā)送語音包。大量研究表明，在一路全雙工電話交談中，只有36%～40%的信號是活動的或有效的。一方在講話時 ，另一方在聽，而且講話過程中有大量顯著的停頓。通過靜噪抑制技術(shù)，可以大大節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬。
4．3　回聲抵消技術(shù)
　 在PBX或局用交換機側(cè)，有少量電能未被充分轉(zhuǎn)換而沿原路返回，形成回聲。如果打電話者離PBX或局用交換機不遠(yuǎn)，回聲返回很快，人耳聽不出來。但是當(dāng)回聲返回時間超過10ms時，人耳就可以聽到明顯的回聲了。為了防止回聲，一般需要回聲抵消技術(shù)。因為一般IP網(wǎng)絡(luò)的延時很容易達(dá)到40～50ms，所以，回聲抵消技術(shù)對IP電話系統(tǒng)十分重要。
4．4　語音抖動處理技術(shù)
　 IP網(wǎng)絡(luò)的一個特征就是網(wǎng)絡(luò)延時與網(wǎng)絡(luò)抖動，它們會導(dǎo)致IP通話質(zhì)量明顯下降。網(wǎng)絡(luò)延時是指IP包在網(wǎng)絡(luò)上平均的傳輸時間，網(wǎng)絡(luò)抖動是指IP包傳輸時間的長短變化。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上的語音延時超過200ms時，通話雙方更傾向于采用半雙工通信。另一方面，如果網(wǎng)絡(luò)抖動較嚴(yán)重，那么有的話音包就會因遲到而被丟棄，于是產(chǎn)生話音的斷續(xù)及部分失真，從而嚴(yán)重影響語音質(zhì)量。為了防止這種抖動，人們采用了抖動緩沖技術(shù)，即在接收端設(shè)置一個緩沖池，語音包到達(dá)時首先進(jìn)行緩存，然后，系統(tǒng)以穩(wěn)定平滑的速率將語音包從緩沖池中取出并處理，再播放給受話者。
4．5　語音優(yōu)先技術(shù)
　 語音通信對實時性要求較高，在帶寬不足的IP網(wǎng)絡(luò)中，一般需要語音優(yōu)先技術(shù)，即在IP網(wǎng)絡(luò)路由器中必須設(shè)置語音包的優(yōu)先級最高。這樣，網(wǎng)絡(luò)延時和網(wǎng)絡(luò)抖動對語音的影響均將得到明顯改善。
4．6　IP包分割技術(shù)
　 有時網(wǎng)絡(luò)上有長數(shù)據(jù)包，一個包上千字節(jié)，這樣的長包如不加以限制，在某些情況下也會影響語音質(zhì)量。為了保證IP電話的通話質(zhì)量，應(yīng)將IP包的大小限制為不超過2556字節(jié)。
4．7　VoIP前向糾錯技術(shù)
　 為了保證語音質(zhì)量，有些先進(jìn)的VoIP網(wǎng)關(guān)采用信道編碼以及交織等技術(shù)。IP包在傳送過程中有可能被損壞或被丟失，采用前向糾錯技術(shù)可以減少傳輸過程中的錯碼積累。當(dāng)然，對丟 、錯包率均較低的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，可以不必采用該技術(shù)。
5　IP電話的服務(wù)質(zhì)量
　 服務(wù)質(zhì)量，是指為保證所提供業(yè)務(wù)的質(zhì)量達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)而采取的一系列措施的技術(shù)總稱 。IP電話的服務(wù)質(zhì)量尤為重要，因為用戶在打電話過程中，最關(guān)心的就是通話的時延和語音的質(zhì)量，高的時延和失真的語音都會令用戶無法忍受。影響IP電話服務(wù)質(zhì)量的主要因素有：
5．1　語音編碼質(zhì)量
　 這主要取決于所采用的語音壓縮編碼方案，通常用平均評價分值（MOS，Mean Opinion Score）來評價語音編碼的質(zhì)量，5分為最優(yōu)，0分為最差。表1列出了幾種編碼方案的參考評價結(jié)果。目前在IP電話中采用較多的為G．729a與G．723．1兩種編碼方案，從表中所列的MOS值可以看出，前者已接近未壓縮的G．711，即一般的PCM編碼質(zhì)量，后者則稍差。
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5．2　延時與延時抖動
　 端到端的延時包括編、解碼造成的延時，打包與解包的延時及網(wǎng)絡(luò)傳送延時。延時抖動主要由網(wǎng)絡(luò)引起。此項因素對IP電話的通話質(zhì)量影響甚大，它主要取決于網(wǎng)絡(luò)。指標(biāo)要求：端到端的延遲必須在250ms以下，通常要求網(wǎng)關(guān)延遲小于l00 ms、IP網(wǎng)延遲小于150 ms。
5．3　回聲
　 回聲是由于通話兩端的阻抗不匹配而引起的，在端到端延時較大的情況下，回聲的干擾影響尤為明顯。因此在IP電話設(shè)備中通常都必須采取消除回聲的措施。
5．4　包丟失率
　 包的丟失主要是由IP網(wǎng)絡(luò)引起。為保證通話質(zhì)量，一般要求包丟失率應(yīng)在5％以下。
　 在上述因素中，時延和時延抖動影響著聽覺感覺，而丟包和比特差錯影響著對話音包的解碼。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(biāo)。延時與延時抖動和包丟失率兩項主要取決于網(wǎng)絡(luò)。但在當(dāng)前的Internet中，對于這些因素?zé)o法加以控制，只能“盡力而為”，在Intranet中，則可以采取一定的措施來進(jìn)行控制。
?? IP電話必須具備與PSTN電話相當(dāng)?shù)馁|(zhì)量，才有可能得到更大規(guī)模的發(fā)展甚至替代普通PSTN電話。為了不斷提高IP電話的服務(wù)質(zhì)量，必須對IP電話有關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究，主要從以下幾個方面進(jìn)行考慮：
　 ·語音編碼。必須綜合考慮MOS值、處理時延、編碼速率，隨著DSP技術(shù)的不斷發(fā)展，可以用算法的復(fù)雜性來換取性能的提高。G．729規(guī)定的CS－ACELP是一種較好的選擇。
　 ·回波抑制。由于VoIP存在不可忽略的時延，回聲問題不容忽視，在遠(yuǎn)端混合線圈阻抗不匹配造成的回聲在發(fā)端可清晰地聽到。在網(wǎng)關(guān)設(shè)備中必須采用DSP技術(shù)實現(xiàn)回波抑制。
　 ·網(wǎng)絡(luò)時延與抖動。這兩者是影響語音質(zhì)量至關(guān)重要的因素，通常在接收端采用抖動緩沖器來消除抖動，但是會帶來附加的時延。VoIP在企業(yè)網(wǎng)上比Internet上優(yōu)越的原因就是因為前者的抖動因素有較好的控制。企業(yè)路由器將語音包的優(yōu)先級在隊列中高于普通包，網(wǎng)關(guān)運行RSVP協(xié)議。由于DSP的作用，語音編碼的速率低，并且采用靜音抑制技術(shù)，故語音占用的帶寬資源很少。對于企業(yè)連接LAN的WAN，因其專用性，抖動性能較Internet要好。另一個影響時延的因素是打包，打包的實時性與打包效率是一對矛盾。實際上，究竟聚集了多少語音信息量再打包，這一點與帶寬密切相關(guān)，在企業(yè)網(wǎng)上，這些因素的透明度較高，比較容易尋找到一個合適的門限。
6　結(jié)束語
　 IP電話的快速發(fā)展對傳統(tǒng)電話網(wǎng)的沖擊和影響是巨大的。盡管IP電話還存在諸如業(yè)務(wù)質(zhì)量不能保證、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、各廠商設(shè)備之間不兼容以及計費等問題，但隨著IP電話的正式商用 、關(guān)鍵技術(shù)的逐漸突破以及最新標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)系統(tǒng)的不斷推出，IP電話的服務(wù)質(zhì)量將不斷提高，I P電話將得到更為廣泛的應(yīng)用?？梢灶A(yù)見，在未來的10～15年內(nèi)，IP電話將有可能與現(xiàn)有的PS TN電話網(wǎng)相融合，形成綜合的語音／數(shù)據(jù)／視頻網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)真正的“三網(wǎng)合一”。

1　蔣林濤．IP電話的標(biāo)準(zhǔn)問題．中興新通訊．Vol．6，No．2，2000．4
2　陸璐．IP電話標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成與應(yīng)用．現(xiàn)代電信科技．2000年第6期
3　糜正琨編著．IP網(wǎng)絡(luò)電話技術(shù)．北京：人民郵電出版社，2000．6
4　宋鐵成等．一種基于IP技術(shù)的PBX系統(tǒng)．東南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）．Vol．30，No．6 ，2000．11