IP电话基本原理详细解析

一、IP电话基本原理：

     通过语音压缩算法对语音信号进行压缩编码处理，然后把这些语音数据按TCP/IP标准进行打包，经过网络把数据包发送到接收地；接收端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，从而达到由互联网传送语音的目的。

二、IP电话工作流程：

     （1） 语音的数字化

　　这是IP电话的第一步工作，如果用户使用的是计算机，那么数字化就在计算机里进行了；如果用户使用的是模拟电话，那么通过接入网络将语音传到交换设备上，然后在利用PCM之类的设备来对语音进行数字化。

　　（2） 数据压缩

　　数据压缩是用来排除没用的信号，并对数字化后面的语音信号进行压缩（如果使用的是ISDN终端，通过ISDN作为接入，工作过程就从这一步开始）。这一步又分两个阶段：a 系统分析数字化后的信号，判断信号里包含的是语音、噪音还是语音空隙，然后丢掉噪音和语音空隙信号，这要求系统具有判断语音、噪音和语音空隙信号的能力， 并将噪音和语音空隙信号丢掉而将语音发送出去。b 用复杂的算法将去掉没有信号后的语音数字信号进行压缩，CODEC（编解码器）是这一过程的关键部件。

　　（3） 数据打包

　　信号（也可称之为数据）被压缩后，就需要对它进行打包，加进一些协议信息。在收集语音数据的处理过程中需要一些存储时间（也称时间延迟），因为将语音数据发送到IP网络之前必须先收到一定数量的语音数据。在对信号进行编码及压缩过程中，也需要一定的时间来对数据进行存储，从而也产生了一定的时间延迟。协议信息被加入包中是为了更好地保障完成数据的传输过程。例如，每个包需要包含一个目的地的地址信息，一个以防各个包不按序到达目的地而加上的包的顺序号，以及数据校验信息。由于IP协议是为各种不同的网络的互联而设计的，与专用网相比它含有许多复杂的处理过程，它要求将一个包封装到另外一个包中，而且数据在传输的过程中还要经过再打包、重寻址和重新封装等过程。

　　（4） 解包及解压缩

　　当每个包到达目的地主机（网关、服务器或用户计算机终端）时，要检查该包的序号并将其放到正确的位置，然后用一个解压缩算法来尽量恢复原始信号数据，这时通过利用时钟同步及时延处理技术来填充由发送端处理过程中而导致的空缺。由于各个包在传输过程中经过了不同的路由，所以它们到达目的地的顺序有很大差别，因此接收端要将先达到的包放到抖动存储器里一段时间以后等待后达到的包，等待时间的长短要根据网络的拥塞情况而定。

　　（5） 语音恢复

　　目前，IP电话主要应用于Internet上，是Internet上的一个增值业务。由于Internet是一个开放的网络，再者由于它的带宽还不够宽，尤其在网络恶化的情况下，在传输过程中很大一部分包会被丢失或被延迟传送，这些丢弃、延迟和被破坏的包是导致语音质量下降的根本原因。按Internet传统纠错机制，接收端如果收到错误的数据包就将其丢弃并请求重传，因此用户最终收到的数据跟原始发送的数据是完全一样的。由于IP电话业务是一种对时间敏感的业务，即实时行业务，不能使用重传机制，需要专用的检错和纠错机制来再造声音和填补空隙，这就需要接收端存储接收到的一定数量的语音数据，然后使用一种复杂的算法来"猜测"丢失包的内容，产生新的语音信息，从而提高了通信的质量。因此，接收端听到的语音并不与发送端讲的语音完全一样，其中一部分信息是由IP电话系统"再造"的 。

三、IP电话系统有四个基本组件：

      终端设备（Terminal）、网关（Gateway）、多点接入控制单元MCU（Multipoint Control Unit）和网闸（Gatekeeper）。

     （1） 终端设备是一个IP电话客户终端，可以是软件（如VocalTec公司的IP Phone、Microsoft公司的Netmeeting）或是硬件（如专用的Internet Phone），可以直接连接在IP网上进行实时的语音或多煤体通信。

　　（2） 网关是通过IP网络提供PC-to-Phone、Phone-to-PC、Phone-to-Phone语音通信的关键设备，是IP网络和PSTN/ISDN/PBX网络之间的接口设备，应具有下列功能：

　          　a 具有IP网络接口和与PSTN/ISDN/PBX交换机互联的接口；

　　          b 完成实时语音压缩，将64kbit/s的语音信号压缩成低码率语音信号；

　　          c 完成寻址和呼叫控制。

　　（3） 网闸负责用户注册和管理，主要完成以下功能：

　　          a 地址映射：将电话网的E.165地址映射成相应网关的IP地址；

　　          b 呼叫认证和管理：对接入用户的身份进行认证，访止非法用户的接入；

　          　c 呼叫记录：使得运营商有详细的数据进行收费；

　　          d 区域管理：多个网关可以由一个网闸来进行管理。

　　（4） 多点接入控制单元（MCU）的功能在于利用IP的网络实现多点通信，使得IP电话能够支持诸如网络会议这样一些多点应用。 IP电话采用网关技术，网关的一边连接到传统的电路交换网，如PSTN，可与外部的任意一台电话机通信；网关的另一边连接到包交换网，如Internet、Intranet、Extranet等。

　　在整个IP电话系统中，网关设立在世界上各个地区，完成当地电话网与Internet的接入与转换处理等功能。网关接收到了标准电话信号以后，经数字化、编码、压缩处理，按IP协议打包到Internet上，根据传输路由，通过Internet发送到对端网关；反之，网关接收到了Internet传来的IP包，经解压处理后还原成模拟语音信号再转到电话网系统。网关可同时接入和转出电话语音信号，实现全双工通信。

　　网关因其生产厂商不同而有所不同，但基本的组成模块是一样的，包括数据处理主机、语音模块、数据处理模块、数据接续模块和管理软件模块等。网关具有路由管理功能，它把各地区电话区号映射为相应地区网关的IP地址，这些信息存放在一个数据库中。数据接续处理软件将完成呼叫处理、数字语音打包、路由管理等功能。在用户拨打长途电话时，网关根据电话区号数据库资料，确定相应网关的IP地址，并将此IP地址加入IP数据包中，同时选择最佳路由，以减少传输时延，IP数据包经Internet到达目的地的网关。在一些Internet尚未延伸到或未设立网关的地区，可设置路由，由距离最近的网关通过长途电话网进行转接。

四、IP电话的关键技术及其应用

         众所周知，IP电后时工作原理是先将语音信号进行模数转换、编码、压缩和打包，然后通过Internet网络传输，到接收端则相应进行拆包、解压、译码和数模转换，从而恢复出语音信号。与IP电话通话质量有关的关键技术可以归纳为以下7个方面。

　　 （1）语音压缩技术。IP电话的技术基础是语音压缩技术。在语音压缩的技术标准方面，1972年制定了64 kbit／s PCM（脉冲编码调制）方式；1986年制定了32 kbit／s ADPCM（自适应差分脉冲编码调制）方式；1991年制定了16 kbit／s LD-CELP（低延时码激励线性预测）方式； 1995年11月，经过较长时间的研究，ITU（国际电联）批准了语音压缩标准G.729，采用8 kbit／s CS-ACELP（对称结构代数码激励线性预测）方式。目前用于IP电话的标准是G.723．1，速率为5．3／6．3kbit／s。

另外，4.8 kbit／s、2.4 kbit／s和1 kbit／s的语音压缩技术虽有报道，但尚无国际标准。

　　 （2）静噪抑制技术。又称语音激活技术，是指检测到通话过程中的安静时段即停止发送语音包的技术。大量研究表明，在一路全双工电话交谈中，只有36％～40％的信号是活动的或有效的。当一方在讲话时，另一方在听，而且讲话过程中有大量显著的停顿。通过静噪抑制技术，可以大大节省网络带宽。

　　 （3）回声抵消技术，在PBX或局用交换机侧，有少量电能未被充分转换而沿原路返回，形成回声。如果打电话者离PBX或局用交换机不远，回声返回很快，人耳听不出来，但当回声返回时间超过10 ms时，人耳就可以听到明显的回声了。为了防止回声，一般采用回声抵消技术。因为一般IP网络的延时很容易达到40～50 ms，所以回声抵消技术对IP电话系统十分重要。

　　 （4）语音抖动处理技术。IP网络的一个特征就是网络延时与网络抖动，它们可以导致IP通话质量明显下降。网络延时是指IP包在网络上平均的传输时间，网络抖动是指IP包传输时间的长短变化。当网络上的语音延时超过200 ms时，通话双方更倾向于采用半双工通信。另一方面，如果网络抖动较严重，那么有的话音包因迟到而被丢弃，会产生话音的断续及部分失真，严重影响语音质量。为了防止这种抖动，人们采用抖动缓冲技术，即在接收端设置一个缓冲池，语音包到达时首先进行缓存，然后系统以稳定平滑的速率将语音包从缓冲池中取出并处理，再播放给受话者。

　　 （5）语音优先技术。语音通信对实时性要求较高，在带宽不足的IP网络中，一般需要语音优先技术，即在IP网络路由器中必须设置语音包的优先级最高。这样，网络延时和网络抖动对语音的影响均将得到明显改善。

       （6）IP包分割技术。有时网络上有长数据包，一个包上千字节，这样的长包如不加以限制，在某些情况下也会影响语音质量。为了保证IP电话的通话质量，应将IP包的大小限制为不超过2556字节。

　　 （7）VoIP前向纠错技术。为了保证语音质量，有些先进的VoIP网关采用信道编码以及交织等技术。IP包在传送过程中有可能损坏或被丢失，采用前向纠错技术可以减少传输过程中的错码积累。当然，对丢、错包率均较低的内部网络，可以不必采用该技术。

五、 IP电话的通话方式

      通常，将IP电话通话方式分为：PC到PC、PC到PHONE和PHONE到PHONE。

　　 以太网（Ethernet）电话是一种基于H.323协议格式的终端，它占用一个独立的IP地址，能直接接入网络。它是一种IP专用电话机，可以直接连在Internet上而完全代替PC进行通话。由于以太网电话机的出现，IP电话将得到更广泛的应用，所以，下面叙述的IP电话的终端不再指PC，而仅指以太网电话机和普通电话机。

　　 利用PSTN和Internet网络实现语音通信可以有多种组合方式。①是纯PSTN网中的话音业务，与IP电话元关；②是纯IP网中的话音业务，类似前述的“PC到PC”，但双方终端均为以太网电话机且直接连接在Internet上；③是以太网电话机与普通电话机之间的通话，类似前述的“PC到PHONE”，但双方均可以是主叫方；④是普通电话之间利用Internet传输进行的通话，即前述的“PHONE到PHONE”，也是中国电信。联通、吉通和网通等正式运营的IP电话的模式；⑤是指以太网电话机之间借助PSTN传输进行通话，可能应用于有PSTN连接而尚无Internet连接的两地以太网电话机之间的通话，也可以是通话建链时先通过PSTN得到被叫方的IP地址再通过Interet进行通话的建链过程。由此可见，③④⑤是混合式的IP电话业务，通过互连功能（IWF）提供信令适配、媒介控制和媒介适配，可以保证IP和PSTN的互连互通。

必须说明的是，在Internet上的连接均是以IP地址为基础的，例如上面的“方式②”，其实质是以太网电话机以IP地址为电话号码通过Internet建立起的通信。但是，人们不太习惯IP地址为电话号码而更习惯于传统的电话号码，这是必须解决的另一问题。

　　 3 基于IP技术的PBX系统

　　 目前，前述的7个关键问题有的已经被解决，有的正在被解决或不久的将来一定能够被解决，使得IP电话及基于IP技术的各种系统不断涌现。东南大学移动通信国家重点实验室从1999年开始与香港通讯科技中心合作，在香港特区政府“创新与科技基金”（ITF，Innovation and Technology Fund）的资助下，共同设计和研制了一种基于IP技术的新一代分布式PBX系统。该系统能有效解决语音与数据相互融合的需求，可以利用Internet独立组网进行语音通信和数据通信，通过系统管理将IP地址映射成系统中的电话号码，也可以通过网关与PSTN网互连互通。该系统具有良好的开放性和可扩充性，能够满足更广泛的需求。

　　 我们研制的基于IP技术的PBX系统的框图，主要由4部分组成：呼叫管理（CallManager）、PBX Hub、PBX网关（Gateway）、以太网（Ethernet）电话。

　　 以太网（Ethernet）电话占用一个独立的IP地址，能直接接入网络。它主要完成以下功能：实现语音信号的A／D和D／A转换。完成对数据信号的压缩与解缩、按照H.323协议完成对数据的打包和拆包处理以及处理相应的控制和呼叫信令。

　　 PBX HUB实际上是一个H.323终端，占用一个IP地址。考虑到IP地址资源有限，以及兼容现有模拟电话，PBX HUB提供了8个模拟电话的端口分配各自独立的ID。它比以太网电话多了一个与模拟电话的接口模块，其它处理都是相同的。

　　 PBX网关主要完成IP网与PSTN网之间信令和协议的转换。一个网关提供8个连向中心局的线路接口。其结构除了增加向中心局的硬件接口，在软件上还必须支持各种电话信令标准。

　　 呼叫管理器（Call Manager）类似于H.323网络中的网闸，实际上是一个控制中心。它除了完成网闸的基本功能外，还有传统PBX的功能以及更多的增值功能。它是运行在NT服务器上的一个软件，管理着整个系统的资源，实现设备管理、呼叫处理、用户管理、数据库管理、计费管理、系统维护等功能，也正是通过它才能实现前面提到各种IP电话通话方式。同时，它还提供了一个强大的语音信箱功能，以提高服务质量，以及协调用户操作过程。

　　 该系统目前已经完成研发工作，并成功地进行了本地（南京-南京）和异地（南京-香港）的通话试验，预计不久可将产品推向市场。

　　 4 结束语

　　 IP电话的快速发展对传统电话网的冲击和影响是巨大的。尽管IP电话还存在诸如业务质量不能保证、标准不统一、各厂商设备之间不兼容以及计费等问题，但随着IP电话的正式商用、关键技术的逐渐突破以及最新标准和相关系统的不断推出，IP电话及其基于IP技术的各种网络必将得到更为广泛的应用。

　　 由东南大学移动通信国家重点实验室和香港通讯科技中心共同研究开发的基于IP技术的新一代分布式PBX系统，可以灵活地构成各种应用方案。例如，若用户在原有Intranet的基础上，增加一些PBX HUB、以太网电话、至少一个网关以及一台装有Call Mannger软件的计算机，就可以很好地将语音和数据相互融合，首先在小范围内构成电话网和计算机数据网的“二网合一”；除此之外，还有多种的应用方案。

 

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