基于電纜的IP電話

張佳 2002/06/18

  1概述

  目前有線廣播電視網(wǎng)深入千家萬戶,從繁華的大都市到偏遠(yuǎn)的鄉(xiāng)村有線電視戶戶通已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn),形成了其它網(wǎng)絡(luò)不能比擬的網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)勢(shì),基于傳統(tǒng)有線電視網(wǎng)絡(luò)的廣電寬帶綜合信息網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在大規(guī)模建設(shè)。

  傳統(tǒng)的用戶接入網(wǎng)絡(luò)具有投入成本高、速度受限制、運(yùn)營(yíng)不穩(wěn)定等諸多困難,廣電寬帶網(wǎng)絡(luò)不僅具有對(duì)包括家庭和單位等客戶提供速率高,接入時(shí)間24小時(shí)不限時(shí)的優(yōu)勢(shì),而且還有利用現(xiàn)成有線電視線路不造成網(wǎng)絡(luò)重復(fù)建設(shè)的優(yōu)勢(shì),在為用戶提供交互式的服務(wù)(交互游戲、教學(xué)、會(huì)議等)中具有高帶寬的廣電綜合信息網(wǎng)絡(luò)更是優(yōu)勢(shì)明顯。

  寬帶網(wǎng)絡(luò)中,除了進(jìn)行傳統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊外,語(yǔ)音電話服務(wù)也成為一個(gè)趨勢(shì),在此基礎(chǔ)上就有了計(jì)算機(jī)IP電話的出現(xiàn)和發(fā)展。目前,IP電話的所占的比重在語(yǔ)音電話業(yè)務(wù)中越來越大,發(fā)展IP電話已成為勢(shì)不可擋的潮流,特別在廣電寬帶綜合信息網(wǎng)中IP電話是將來必不可少的組成部分。

1.1 IP 電話的概念及市場(chǎng)前景

  IP電話是建立于Internet基礎(chǔ)上的新型數(shù)字化傳輸技術(shù),是IP網(wǎng)上通過TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的一種電話應(yīng)用。這種應(yīng)用包括PC對(duì)PC連接、PC對(duì)話機(jī)連接、話機(jī)對(duì)話機(jī)連接,其業(yè)務(wù)主要有Internet或Intranet上的語(yǔ)音業(yè)務(wù)、傳真業(yè)務(wù)(實(shí)時(shí)和存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)發(fā))、web上實(shí)現(xiàn)的IVR(交互式語(yǔ)音應(yīng)答)業(yè)務(wù)等等,另外還包括E-mail、實(shí)時(shí)電話、實(shí)時(shí)傳真等多種通信業(yè)務(wù)。

  IP電話近幾年來一直保持著其良好的發(fā)展勢(shì)頭。面對(duì)著競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的全球市場(chǎng),無論是政府專營(yíng)的電話公司、ISP還是本地交換業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)商(CLEC)和PTT都在不斷地尋找提高其服務(wù)水平和質(zhì)量的方法。

  美國(guó)的一家市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Frost and Sullivan預(yù)測(cè),IP語(yǔ)音通信(Voice over IP,簡(jiǎn)稱VOIP),這項(xiàng)新興技術(shù),2001年將發(fā)展成為全球價(jià)值18.1億美元的設(shè)備產(chǎn)業(yè)。另一項(xiàng)研究指出,在2002年,VOIP市場(chǎng),包括電話通信及其衍生服務(wù)行業(yè),總值將達(dá)到630億美元。此外,業(yè)內(nèi)專家預(yù)測(cè),到2005年,34%的電話將通過分組交換網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行。無論你相信哪份報(bào)告的真實(shí)性,有一點(diǎn)是勿庸置疑的,即VOIP將極具市場(chǎng)潛力。

  借助于IP電話,服務(wù)提供商們可以在Internet上開展各項(xiàng)基本及增強(qiáng)型的語(yǔ)音業(yè)務(wù),其中包括Internet呼叫等待、增強(qiáng)型的電話Web交易以及交互式多媒體服務(wù)等。這些業(yè)務(wù)將被與現(xiàn)有的、基于電路交換的網(wǎng)絡(luò)(PSTN)無縫地集成在一起,以便在必要時(shí)使呼叫能夠在普通電話之上被發(fā)起和終結(jié)。由于IP協(xié)議是一種開放型的協(xié)議,VoIP可以使服務(wù)商們靈活地定制其現(xiàn)有業(yè)務(wù),并可以比以前更快且更為合算地開展新業(yè)務(wù)。

2 VoIP如何工作

  VoIP將標(biāo)準(zhǔn)的語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換成經(jīng)過壓縮的數(shù)據(jù)包后在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)而非傳統(tǒng)的電話網(wǎng)上進(jìn)行傳輸。語(yǔ)音信號(hào)被封裝進(jìn)可以在本地IP網(wǎng)絡(luò)或由以太網(wǎng)、幀中繼、ATM及SONET承載的IP網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包。

  現(xiàn)在,可以進(jìn)行互操作的VoIP架構(gòu)都是基于H.323規(guī)范的。H.323定義了網(wǎng)關(guān)(電話網(wǎng)與IP網(wǎng)的網(wǎng)間接口)和關(guān)守(內(nèi)部交換組件),并對(duì)如何建立、路由和中止一次IP電話呼叫給出了建議。

  “時(shí)延”是從發(fā)話人開始講話到受話人聽到講話所經(jīng)過的時(shí)間。時(shí)延超過了限度會(huì)使人感到不自然,一般來說,時(shí)延超過了250ms,就會(huì)感到難于忍受。傳統(tǒng)的電話通信通話人是覺察不出時(shí)延的。而IP電話要把通話人說話的聲音信號(hào)變換為數(shù)字的編碼信號(hào),要把數(shù)字化的信號(hào)“分組”、打“包”,還要用“存儲(chǔ)—轉(zhuǎn)發(fā)”的方式傳送;在接收端還要解碼、合成、復(fù)原等等,因此增加了很多時(shí)延(例如編、解碼的時(shí)延、緩存的時(shí)延等)。如果遇到電路擁擠的情況,等待轉(zhuǎn)發(fā)可能導(dǎo)致很長(zhǎng)的時(shí)延,甚至還會(huì)造成數(shù)據(jù)分組丟失,使收話人聽不清或聽不懂發(fā)話人的說話。因此VoIP技術(shù)要求盡量減少時(shí)延。  

  IP網(wǎng)絡(luò)最初用來處理局域網(wǎng)間的流量,通過網(wǎng)絡(luò)的許多數(shù)據(jù)報(bào)都是長(zhǎng)達(dá)1500字節(jié)的信息包。在低速鏈路上(低于T1/E1),語(yǔ)音信息包必須等在這些大型信息包后面,增加的延遲將達(dá)數(shù)十微秒甚至上百微秒。技術(shù)需要分割開這些“大型信息包”,并在其中插入語(yǔ)音流量,從而減少時(shí)延和抖動(dòng)。

2.1 IP語(yǔ)音的幾種方式

目前已有一些成熟的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供Voice over IP業(yè)務(wù),提供的業(yè)務(wù)基本有以下幾個(gè)類型:

話音傳輸方式一:   

    網(wǎng)絡(luò)的兩端均有一個(gè)支持語(yǔ)音的IP路由設(shè)備,可以直接連接普通話機(jī),透過中間的IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)話音傳輸!                     

話音傳輸方式二:

  網(wǎng)絡(luò)的兩端均有單位的PBX電話交換機(jī),通過語(yǔ)音中繼連接到支持語(yǔ)音的IP路由設(shè)備上,用戶可以使用自己目前的話機(jī),通過PBX進(jìn)行交換,將外出的話音傳輸通過IP傳輸?shù)狡渌脩舳恕?

話音傳輸方式三    

  用戶可以使用支持語(yǔ)音的IP路由設(shè)備透過IP網(wǎng)絡(luò)和PSTN網(wǎng)絡(luò)收發(fā)傳真。

話音傳輸方式四

  局域網(wǎng)上的用戶可以使用PC機(jī)上支持語(yǔ)音電話的軟件通過支持語(yǔ)音的IP路由設(shè)備與普通PSTN用戶交談。

  上面四種方式基本上覆蓋了使用普通電話傳遞IP語(yǔ)音的方式,當(dāng)然用戶還可以通過其他非普通電話方式傳輸語(yǔ)音,如許多基于PC機(jī)的IP 語(yǔ)音軟件直接在兩個(gè)不同PC之間進(jìn)行話音傳輸。

2.2 IP語(yǔ)音的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

  有線總前端是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理中心,配置語(yǔ)音網(wǎng)關(guān),對(duì)整個(gè)語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò)提供呼叫地址管理和帶寬管理。配置 Voice Manager(VM)來對(duì)網(wǎng)絡(luò)上所有的語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和管理。同時(shí)配置一臺(tái)NT服務(wù)器安裝VM,作為管理服務(wù)器。

2.3 IP語(yǔ)音的壓縮設(shè)計(jì)和QoS保障設(shè)計(jì)

  Voice over IP 技術(shù)是基于目前語(yǔ)音壓縮技術(shù)的發(fā)展以及IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。在實(shí)際的應(yīng)用仍然中會(huì)有許多因素影響到傳輸話音的質(zhì)量,因此基于語(yǔ)音傳輸采用以下技術(shù)來保障實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的低帶寬和高質(zhì)量。

·     配置語(yǔ)音壓縮技術(shù)

  利用已成為標(biāo)準(zhǔn)的語(yǔ)音壓縮技術(shù),此類技術(shù)理論上可以將語(yǔ)音壓縮至8K,并保障語(yǔ)音質(zhì)量。

·     配置IP包頭壓縮技術(shù)減少數(shù)據(jù)包對(duì)帶寬的需求

  因?yàn)閂oice over IP是將語(yǔ)音封裝成IP的包來進(jìn)行傳輸?shù),為了保證傳輸?shù)牡蜁r(shí)延,不可能將語(yǔ)音封裝為大的數(shù)據(jù)包,因此傳輸語(yǔ)音從包的數(shù)量上就會(huì)增加。將語(yǔ)音封裝成IP包,IP要在每個(gè)包前增加40字節(jié)包頭,這樣一來將大大占用傳輸?shù)膸挕T诖诉M(jìn)行配置,采用IP包頭壓縮技術(shù)將IP的包頭壓縮至2-3個(gè)字節(jié),從而可以大大節(jié)省帶寬。

·     采用IP包分割技術(shù)

  在一個(gè)IP網(wǎng)絡(luò)中,往往一個(gè)數(shù)據(jù)包會(huì)較大,占有整個(gè)網(wǎng)絡(luò)帶寬,同時(shí)時(shí)間較長(zhǎng),這樣會(huì)導(dǎo)致語(yǔ)音傳輸?shù)臅r(shí)延較大。因此在此需要采用IP包分割技術(shù),將大的IP包分割為較小的包,便于將語(yǔ)音的包插入到線路中,保證語(yǔ)音的低時(shí)延。

·     配置IP優(yōu)先級(jí)技術(shù)減少延遲

  在IP網(wǎng)絡(luò)中,所有的IP數(shù)據(jù)包會(huì)爭(zhēng)用有限的帶寬,這樣將無法保證語(yǔ)音的質(zhì)量。因此在語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò)中,將通過配置將語(yǔ)音的優(yōu)先級(jí)設(shè)高,從而滿足語(yǔ)音傳輸?shù)脱舆t的要求。

·     配置RSVP和WFQ(加權(quán)的公平隊(duì)列)保證語(yǔ)音傳輸帶寬

  當(dāng)一路語(yǔ)音的IP包在網(wǎng)絡(luò)上傳輸,網(wǎng)絡(luò)上的帶寬很容易會(huì)被其他數(shù)據(jù)包占用,因此影響語(yǔ)音質(zhì)量。在網(wǎng)絡(luò)中,將配置RSVP來保障每一路傳輸語(yǔ)音的質(zhì)量,使其在傳輸時(shí)可以在各個(gè)路由器上申請(qǐng)出一定資源,建立傳輸有保障的帶寬。

·     集中化的語(yǔ)音控制中心

  設(shè)置語(yǔ)音質(zhì)量控制中心,對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的語(yǔ)音及編址進(jìn)行統(tǒng)一管理,同時(shí)可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況決定是否建立語(yǔ)音連接,保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的已有語(yǔ)音連接通訊質(zhì)量。

  在語(yǔ)音傳輸中,準(zhǔn)備采用以上的技術(shù)通過配置來實(shí)現(xiàn)VOIP并保障語(yǔ)音傳輸?shù)馁|(zhì)量。

2.4 VOIP的帶寬設(shè)計(jì)

  從目前所采用的壓縮模式和算法來看,理論上每路語(yǔ)音占10-12K帶寬,也就是說,12路電話需要128K的帶寬,然而語(yǔ)音的傳輸不同于數(shù)據(jù)的傳輸,語(yǔ)音對(duì)傳送的時(shí)延有著較高的要求,而傳輸時(shí)延的大小受多方因素的影響:

 。1)壓縮語(yǔ)音雖然減少了語(yǔ)音傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量,但它也會(huì)導(dǎo)致一定時(shí)延。

  (2)傳輸距離會(huì)產(chǎn)生的固定時(shí)延。

 。3)把語(yǔ)音數(shù)據(jù)放到傳輸串行線路上的時(shí)延,這一時(shí)延與帶寬有密切的關(guān)系,帶寬小時(shí)延大,帶寬大時(shí)延小。

  (4)多路隊(duì)列(queue)時(shí)延,也與帶寬相關(guān),仍然是帶寬大,時(shí)延小。一般來說,延時(shí)在200ms以內(nèi)被認(rèn)為是優(yōu)質(zhì)語(yǔ)音,在200ms~400ms之間被認(rèn)為是可以接受的,400ms以上被認(rèn)為是不可接受的語(yǔ)音質(zhì)量。而從上述影響時(shí)延的因素看,帶寬是影響時(shí)延的一個(gè)重要因素。雖然每路電話不管線路帶寬大小所占帶寬基本一樣,但帶寬越大,語(yǔ)音包放到網(wǎng)絡(luò)上的速度越快,時(shí)延會(huì)越小,所以在為其設(shè)計(jì)帶寬時(shí),要作周密的考慮。為了獲得較好的話音效果,每路話音占14-16K 左右的帶寬是較好的選擇,因?yàn)橛芯網(wǎng)絡(luò)的是一個(gè)寬帶網(wǎng)絡(luò),因此在語(yǔ)音傳輸?shù)膸捝舷鄳?yīng)是有很大保障的,同時(shí)在中心配置了語(yǔ)音控制中心,對(duì)每路話音帶寬進(jìn)行申請(qǐng)控制,因此可以在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大的情況下也可以保證話音的傳輸帶寬。

3基于HFC網(wǎng)絡(luò)的IP電話系統(tǒng)

  有線電視系統(tǒng)中普遍采用HFC(光纖/電纜)結(jié)構(gòu)。采用光纜將信號(hào)傳輸?shù)叫^(qū)節(jié)點(diǎn),再用同軸分配網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)送到用戶家中。由于用光纖代替同軸干線電纜后網(wǎng)絡(luò)性能獲得極大的改進(jìn),以致于在實(shí)現(xiàn)高效率寬帶交互通信時(shí),早期的“光纖到戶”目標(biāo)不再認(rèn)為是必須的。

  HFC本身是一個(gè)CATV網(wǎng)絡(luò),視頻信號(hào)可以直接進(jìn)入用戶的電視機(jī),采用新的數(shù)字調(diào)制技術(shù)和數(shù)字壓縮技術(shù),可以向用戶提供數(shù)字電視和HDTV。同時(shí),話音和高速的數(shù)據(jù)可以調(diào)制到不同的頻段上傳送,來提供電話和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。這樣 HFC支持全部現(xiàn)存的和發(fā)展的窄帶和寬帶業(yè)務(wù),成為所謂的全業(yè)務(wù)寬帶網(wǎng)絡(luò)。而且,HFC可以簡(jiǎn)單地過渡到FTTH網(wǎng)絡(luò),為光纖用戶環(huán)路的建設(shè)提供了一種循序漸進(jìn)的手段。在HFC網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸是通過采用Cable Modem技術(shù)實(shí)現(xiàn)的,下面從這一技術(shù)出發(fā),進(jìn)行實(shí)現(xiàn)話音業(yè)務(wù)(Voice Over Cable)的探討。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

  實(shí)現(xiàn)話音業(yè)務(wù)的系統(tǒng)是采用HFC網(wǎng)絡(luò), 基于Cable Modem技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。在Cable Modem技術(shù)中,Cable Modem的傳輸模式分為對(duì)稱式傳輸和非對(duì)稱式傳輸。

  對(duì)一個(gè)6MHz的模擬帶寬 (可以針對(duì)中國(guó)情況采用8MHz帶寬),通過64QAM和256QAM數(shù)字調(diào)制,傳輸速率達(dá)到27Mbps和38Mbps。同時(shí)在頻譜中分配5到65MHz中的一個(gè)頻段作為上行回傳。采用QPSK或者16QAM調(diào)制,對(duì)200kHz到3.2MHz的模擬帶寬調(diào)制后,可獲得0.3Mbps到10Mbps的速率。通過上行和下行數(shù)據(jù)信道形成數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕芈。這里采用非對(duì)稱技術(shù),主要考慮到目前數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的信息量集中在下行,如Internet的瀏覽。 通信協(xié)議采用 TCP/IP ,實(shí)現(xiàn)的業(yè)務(wù)有Internet的高速接入,E-mail,計(jì)算機(jī)互連,家用辦公等。 一般系統(tǒng)除了網(wǎng)絡(luò)外還包括局端系統(tǒng)和用戶端系統(tǒng),在Cable Modem系 統(tǒng)中對(duì)應(yīng)Cable Modem的局端系統(tǒng)(Cable Head End Equipment)和Cable Modem的 用戶端設(shè)備(CM) 。在Cable Modem的局端系統(tǒng)中存在三個(gè)接口。一個(gè)是有線電視網(wǎng)絡(luò)接口, 與Cable Network連接,通過它可以連接上一級(jí)的CATV網(wǎng)絡(luò)相連,也可以傳輸轉(zhuǎn)播的衛(wèi)星電視和本地的視像服務(wù),信號(hào)可以是模擬的電視信號(hào)或者數(shù)字的電視信號(hào)。另一個(gè)是基于IP的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接口,通過它與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)相連,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。最后一個(gè)接口是話音接口,也就是PSTN接口。通過這三個(gè)接口,實(shí)現(xiàn)了HFC網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有的三個(gè)通信媒體有線電視、計(jì)算機(jī)和電信網(wǎng)絡(luò)的連接。所以通過我們?cè)O(shè)計(jì)的Cable Modem系統(tǒng), 不但實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)的用戶綜合接入,而且實(shí)現(xiàn)了三網(wǎng)的互連互通。

  Cable Modem技術(shù)最初是實(shí)現(xiàn)IP數(shù)據(jù)的高速傳輸,這里我們?cè)谙到y(tǒng)中嵌入VoIP模塊的設(shè)計(jì)。CM中的VoIP模塊完成話音的數(shù)字話和IP包的轉(zhuǎn)化。

  局端系統(tǒng)中VoIP模塊具有智能處理的能力,能區(qū)分來自CM話音的目標(biāo)性質(zhì),經(jīng)過不同的處理由三個(gè)接口中一個(gè)進(jìn)入相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。

3.2工作原理

  當(dāng)用戶通過我們的HFC系統(tǒng)打電話時(shí),從普通電話機(jī)接收的話音經(jīng)過CM中的VoIP模塊處理,將模擬話音信號(hào)轉(zhuǎn)化為IP包數(shù)據(jù)。然后這些攜帶了話音信息的IP包經(jīng)過CM的調(diào)制,通過HFC網(wǎng)絡(luò)上行到局端系統(tǒng)。在局端數(shù)據(jù)經(jīng)過解調(diào)還原為話音IP包。根據(jù)IP中目標(biāo)地址的性質(zhì)進(jìn)行相應(yīng)的處理。

  市話處理

  如果是到本地的PSTN,話音IP包由局端系統(tǒng)中的IP網(wǎng)關(guān)(IP Gateway)轉(zhuǎn)換成PCM數(shù)據(jù),再送到PSTN網(wǎng)。

  長(zhǎng)途處理

  如果是到外地的PSTN,話音IP包進(jìn)行進(jìn)一步壓縮(如從G.711變到G.723.1),并加上更完整的因特網(wǎng)電話協(xié)議(H.323),然后通過因特網(wǎng)的傳輸?shù)竭_(dá)當(dāng)?shù)氐腎P網(wǎng)關(guān)(IP Gateway)。IP網(wǎng)關(guān)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓縮合解IP包處理還原成PCM數(shù)據(jù),再送到遠(yuǎn)程的PSTN,實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)途電話功能。

  Cable網(wǎng)絡(luò)處理:如果對(duì)方仍是Cable用戶,無須進(jìn)一步壓縮等處理,只需轉(zhuǎn)發(fā)就可。對(duì)方用戶通過自己CM中的VoIP模塊,將IP的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬的聲音信號(hào)。我們可以看到,如果用戶都是在Cable網(wǎng)絡(luò)中,將聲音打成IP包,有一些多余,雙方要進(jìn)行打包和解包的處理,需要占用一些資源。之所以還要采用IP,是考慮到用戶的CM目前還不是一個(gè)智能終端,不能區(qū)分目標(biāo)性質(zhì),需要統(tǒng)一在IP上,由局端系統(tǒng)來處理。

  上述的過程均是可逆的,也就是Cable用戶同樣可以接收來自PSTN等其他網(wǎng)絡(luò)的電話。  基于Cable Modem技術(shù),在HFC網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)話音業(yè)務(wù),為用戶提供了另一種打電話的途徑,可以分擔(dān)現(xiàn)有電信網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān),也加強(qiáng)了現(xiàn)有CATV網(wǎng)絡(luò)的競(jìng)爭(zhēng)性。  

  同時(shí)我們可以看到HFC很好地解決了將寬帶業(yè)務(wù)引入家庭的瓶頸問題, 并且能與現(xiàn)有的各種通信網(wǎng)絡(luò)連通。電話只能說是其中的一項(xiàng)窄帶業(yè)務(wù),通過HFC實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用還有很多,還有待于我們?nèi)ヌ剿! ?

中國(guó)有線電視導(dǎo)航