Internet電話的業務與關鍵技術

2019-11-03 10:15:23

字體：大中小

來源：轉載

供稿：網友

郭京浙江省錢塘江管理局    摘要：過去幾年里Internet的快速增長使人們對Internet承載電話業務越來越感興趣。由于Internet支持數據通信，其它形式的業務也可以捆綁在Internet電話上。雖然如此，Internet最初設計為非實時數據通信，因此要想成功的承載電話業務，Internet必須解決一些關鍵的技術問題。本文描述幾種未來Internet電話可能承載的業務，需要的關鍵技術以及解決方案。
    一、引言
    電路交換和分組交換是計算機和電信網絡的兩種主要技術。目前的電話系統基于電路交換,可以為用戶提供有保障的業務質量（QoS）。兩個端點在通信前必須建立一條電路。相反,數據通信到目前為止是非實時的,因此可以在基于TCP/ip協議的分組交換網絡（如Internet）傳輸。
過去幾年里Internet的快速增長使得在Internet上傳輸實時話音業務成為可能。由于Internet最初不是為實時通信設計的,Internet承載電話業務帶來一系列需要解決的技術問題。這些問題主要包括：缺乏帶寬的保障,分組丟失,延遲,以及影響話音質量的抖動。
    雖然如此,Internet電話帶來一些以前傳統電話網絡無法承載的業務。它允許包括話音、傳真和數據在內的綜合業務在同一網絡傳輸。基于Web呼叫中心,實時計費,在家上班,以及使用共享白板和共享應用的增強電話會議之類的業務可能使用IP電話。
    二、業務和應用
    傳統的公共電話交換網絡（PSTN）與IP電話的主要區別是IP電話是一種建立在現有數據通信之上的話音業務,因此IP電話超出簡單的話音通信業務。數據業務很容易與話音業務混合,創造出傳統電話不可能傳輸的新的應用和業務。下面描述幾種這種新技術產生的應用,但是這些新的應用不可能構成整個IP電話市場。幾乎每個月都有新的應用產生,任何一個應用都有可能成為下一個千年的主流。
    2.1 數據、話音以及傳真的綜合
    由于數據通信網絡可以支持IP電話,多點分散的單位實體可以將它們現有的電話網絡與數據網絡合并,大量節省開支。節省開支主要來自單位只需要維護一個支持話音、數據和傳真的網絡。IP電話也支持圖像通信,而且將圖像網絡合并到同一網絡也是可能的。
    2.2 話音等級
    PSTN只支持一種話音等級,4kHz質量話音,因此PSTN不適合高保真立體聲和環繞聲。如果IP網絡有足夠的帶寬,IP電話可以支持更高級別的話音。
    2.3 視頻電話
    由于IP電話也支持圖像傳輸,因此在IP電話上傳輸視頻圖像簡單易行。
    2.4 統一消息
    大多數員工與他們的客戶或同事通過各種通信方式在業務上保持一定聯系。多數人有對方的電子郵件地址、手機號碼、電話號碼以及傳真號碼,并且家庭與工作單位的聯系方式可能不同。這樣就造成很難在一個時間一個地點與對方取得聯系。
    傳統電話公司提供的消息業務限制只能提供話音郵件,不能接入傳真和電子郵件。使用類似IP網絡的分組交換網絡,使統一消息系統成為現實。用戶可以在方便的時候在一個地點得到所有類型的消息。來自家或工作單位的話音郵件可以象電子郵件一樣發送到同一地點。這種業務特征甚至可以擴展為使用單電話號碼完成所有電信業務。
    2.5 虛擬第二電話線
    許多家庭Internet用戶都有兩根電話線,一根用于正常的電話,另一根用來Internet沖浪。有了IP電話,家庭用戶甚至可以用同一根電話線在Internet沖浪的同時進行電話呼叫。因此IP電話在沒有額外開銷的情況下提供了虛擬第二電話線。
    2.6 基于Web的呼叫中心
    基于Web的呼叫中心允許用戶瀏覽Internet,從一個Web站點的組織到它的呼叫中心發起一個IP話音（VoIP）呼叫。Internet沖浪者不需要停止瀏覽,相反,Internet呼叫僅僅是他/她的行為的一個擴展。這種業務的好處是雙倍的,首先,它有助于在峰值的時候捕獲到一個潛在的客戶行為。許多人隨著時間的流逝會對手頭的工作失去興趣。對于潛在的客戶是一樣的,他們可能喜歡一個在Web站點作廣告的產品,但是由于想立即瀏覽且通過電話定購很不方便而中止其行為。第二個好處是Web沖浪者需要進一步的信息,甚至可能在同一個站點得到。有了基于Web的呼叫中心,沖浪者可以與呼叫中心人員聯系,直接得到進一步的信息。
    2.7 低價格話音呼叫
    與PSTN用電路交換技術不同,IP電話采用分組交換技術。分組交換沒有通信鏈路專門用于話音呼叫,所有的呼叫共享網絡資源,這種共享大大降低了一個電話呼叫的費用。
    2.8 實時計費
    盡管PSTN的核心網使用智能設備已經十幾年了,這種功能對用戶還保持著空白,尤其是有關計費信息,因此用戶必須等到郵件寄來計費清單才知道準確的話費,這主要是因為傳統電話功能有限。使用VoIP,終端用戶使用計算機增加了,允許用戶實時接入網關得到計費信息。VoIP和Internet都基于IP,因此一些業務提供商允許他們的客戶從提供商的Web站點得到計費信息,這樣就保證那些從傳統電話發起呼叫的用戶知道他們付費的情況。
    2.9 在家工作
    使用VoIP還可以增強在家工作者可得到的資源。在家工作者象公司其它員工一樣,需要接入公司的專用交換機接受和發起呼叫,也可能不時地要求接入公司的局域網（LAN）,這些業務對于在家用戶可以通過公司的VoIP網關實現。
    2.10 增強電話會議
    在IP電話出現之前,電話會議已經發展得很好。雖然如此,IP電話對電話會議的方式進行了改革。傳統的電話會議為了理想的圖像質量要求準備專用的房間和昂貴的設備,基于IP的電話會議更加靈活,允許用戶在兩個以上地點用適當的設備,如桌面相機和多媒體計算機,舉行會議。圖像編碼技術的改進幫助提高了動態圖片的質量。基于IP網絡的電話會議還可以帶來傳統電話會議沒有的其他業務,用戶可以通過電子白板共享文本,可以共享一個與會者計算機上的應用,在所有參會者之間實時傳送文件。
    三、關鍵技術
    IP電話面對許多技術困難,如丟失、延遲和抖動,下面具體討論IP電話的各種技術困難以及解決方案。
    3.1 分組丟失
    分組丟失是所有分組交換網絡的普遍現象,包括IP網絡。與電路交換網絡PSTN不同,在IP網絡中沒有端到端的物理鏈路建立,來自多個源的IP分組在路由器的出發鏈路上排隊發送,分組從隊首一個接一個發送。如果隊列沒有空間,剛到達的分組就會丟失。由于越來越多的人使用Internet,路由器經常變得擁擠,產生分組丟失。
    分組丟失可以引起IP話音質量幾個方面的損失。每個IP分組包括40~80ms的話音信息,與稱為音素的關鍵單元持續時間保持一致。當一個分組丟失后,連續話音就丟失一個音素。而人腦只能重構幾個丟失的話音音素,過多的分組丟失造成話音不能理解。圖1表明話音質量隨著丟失率的增加而下降[1]。
    下面討論幾種解決IP電話分組丟失的技術,其中一些技術側重于減少分組丟失,另一些側重于修復由于分組丟失引起的損失。
    網絡升級－－由于IP路由器中分組丟失的直接原因是鏈路帶寬和路由器分組處理速度不夠,升級IP網絡結構、鏈路和路由器是分組丟失問題的直接解決方案。過去幾年提出一些提高IP骨干鏈路和路由器的傳輸能力的方案。高速傳輸技術包括線速每秒Mbit的異步轉移模式（ATM）,每秒Gbit的同步光網絡（SONET）,以及每秒Tbit的波分復用（WDM）。通過鏈路帶寬的增長以及使用高速交換路由技術,每秒可以處理數以百萬計的分組。
    盡管網絡升級為分組丟失提供一個網絡工程解決方案,但是這是一種昂貴的長期的投資。網絡升級試圖減少分組丟失,而其它技術致力于修補分組丟失對話音質量造成的破壞。
    靜默代替－－當分組到達目的地后,分組的內容用來重構原始的話音。當一個分組在網絡中丟失時,這個分組的內容不能重現。一些VoIP系統,如Internet Mbone,用靜默代替丟失的分組,允許目的地不間斷地恢復話音,實踐表明靜默代替產生話音斷續,嚴重破壞了話音質量,對于大分組和高丟失率尤其嚴重。對靜默代替的研究表明,要想達到滿意的性能,丟失率為1%時分組必須小于16ms[2]。
    噪聲代替－－用白（背景）噪聲代替丟失的分組比用靜默代替表現出更好的性能,這是由于人腦在某些背景噪聲（如音素恢復）可以恢復接收信息,而在靜默是不可能的[2][3]。
    分組重復－－從丟失分組恢復話音的另一種方法是,在丟失分組的位置重播前一個正確接收的分組,全球移動通信系統（GSM）采用重復信號保證更好的質量。
    分組內插－－分組內插用丟失分組的臨近分組的特征生成一個替代分組,這樣可以保證替代分組跟隨整個話音流的變化特征。研究表明根據聲音的波形特征在丟失分組前后采用內插恢復可以得到比靜默代替和分組重復更好的話音質量[4]。有幾種不同的內插方法,一種側重話音信號的音調,另一種側重時標。
    幀交織－－在不同的分組之間進行話音幀的交織可以減小分組丟失的影響,其過程是重新排列原始幀,保證連續的幀間隔發射,接收端恢復原始幀的排列順序。使用交織,單個分組的丟失只能在接收數據的不同的流產生短暫的間隔,相對于沒有交織數據可能產生的連續幀的長間隔,這種短暫的間隔對于接收機是能夠容忍的。幀交織的弊端是增加了時延。擴展到幾個分組中的連續幀只能在接收端重新排列。雖然如此,如果分組交織產生的時延在時延容許范圍之內,它就是一種很有吸引力的丟失恢復技術,因為它不會引入網絡開銷。
    前向糾錯（FEC）－－在FEC中,連續分組的信息使用冗余發射。如果原始分組丟失,可以由后續分組重構。冗余也可以獨立于數據流,或者用流特征強化恢復過程。由于實時傳輸協議（RTP）是支持Internet上的IP電話的協議,RTP就含有承載冗余話音分組的機制。RTP承載冗余話音分組的裝填格式在文獻[5]中具體討論。
    3.2 分組延遲
    時間是話音的一個重要特征,一個詞的兩個音節以一定間隔發出,這種間隔與音節一樣是話音的一部分。如果音節之間插入增加的延遲,話音的節奏就丟失了。太多的延遲可以從幾方面破壞話音。首先,長延遲使講話雙方進入半雙工模式,一個人說,另一個人聽,然后中斷,再決定下一步干什么。如果不在恰當時間中斷,講話雙方就可能中斷正在進行的講話。第二,長延遲加劇了回聲,因為反射信號在發送完成后返回到發送方。
    隨之而來的問題是,對于話音要求什么樣的延遲門限值？基本的限制為延遲低于150ms對于多數應用可以接受。當延遲超過150ms時,用戶開始進入回聲產生相互之間的話音混疊。雖然如此,延遲在150ms與400ms之間,對于長距離通信還是可以接受的,例如澳大利亞的Melbourne和美國的New York之間。延遲超過400ms的話音質量被嚴重破壞,多數情況不可接受。
    延遲對于目前的電路交換電話網絡不是一個大問題,如綜合業務數字網（ISDN）和PSTN。這些網絡延遲的主要來源是信號傳播延遲,直接由距離決定,因為信號幾乎以光速傳播,即使長距離的衛星鏈路延遲也可以保持在400ms以下。
    不幸的是,IP電話面對的最大技術挑戰之一就是延遲。在類似IP網絡的分組交換網絡,許多因素可以產生延遲,最主要的是下面討論的排隊延遲。一些延遲是預先已知的固定的,另一些是變化的不確定的。
    編解碼延遲－－編解碼的主要功能是將模擬信號轉換成數字數據。編解碼還執行話音壓縮以減少數字網絡傳輸話音所需的帶寬。模數轉換和話音壓縮在編解碼器中引入延遲。壓縮越嚴重延遲越長,編碼延遲的兩個因素是幀處理延遲和先行延遲。幀處理延遲是處理單個話音幀的延遲,話音的內容被封裝在分組中。先行延遲是為了利用連續話音幀的相關性處理部分下一幀引起的延遲。接收方的解碼延遲一般為發送方編碼延遲的一半[6]。表1列出最近被國際電聯（ITU）制訂為標準的幾種話音編碼標準的編碼和解碼延遲（主要面對IP電話）。
    串并轉換延遲－－串并轉換延遲是將分組放在傳輸線上用的時間,由線速決定,線速越高,延遲越小。例如,在64kb/s的線上放一字節信息需要125ms,而在155Mb/s的OC-3線上放同樣的信息只需0.05ms。串并轉換延遲還取決于編解碼器采用的幀的大小,幀越長產生的分組延遲越大。
    排隊延遲－－排隊延遲發生在網絡的個個交換和傳輸點,如路由器和網關,話音分組必須等候在其它分組之后在發射鏈路等待發射。由于隊列中等待發射的分組數取決于到達過程的統計特征,Internet中的排隊延遲分組與分組之間變化很大。可以通過各種方法減小排隊延遲,更快的鏈路只能用在用戶具有結構控制能力的網絡,如集合IP網絡。IETF正在致力于這方面的工作,如異種業務（DiffServ）[7]和資源保留協議（RESV）[8],使話音分組優先于數據分組,減小話音和其它延遲敏感應用的排隊延遲。
    傳播延遲－－信號從一點傳輸到另一點需要的時間是固定的,由光速決定,對于長距離在這種延遲很大。通過衛星鏈路的呼叫顯然有較長的固定延遲,尤其是同步地球軌道（GEO）衛星。長距離衛星呼叫的傳播延遲也是傳統電話的一個問題。減少涉及GEO衛星的長距離延遲的一種方法是用一組低地球軌道（LEO）衛星。在LEO衛星中,當地面站超出一個衛星覆蓋區到達另一個衛星覆蓋區時,來自地面的連接可以從這顆衛星切換到另一顆衛星,這樣會產生變化的延遲路徑,因為LEO衛星根據地面站移動,并且連接切換過程中節點需要存儲數據。
    其它延遲－－一些延遲是VoIP系統特有的。在撥號網絡,存在調制解調器引起的延遲,這種延遲可以通過數字線避免。用多媒體PC的分組話音系統由于操作系統和聲卡的延遲也會帶來延遲,這些問題可以用網關卡解決,網關卡使用快速特殊的數字信號處理器（DSP）。
    3.3 網絡抖動
    接收端幀間到達時間的方差稱為抖動,很可能比延遲對IP電話的損害更大。發生抖動是由于網絡中排隊延遲和傳播延遲的變化。屬于同一流的IP分組可能經歷不同的路徑不同的延遲,如果一個IP分組非正常延遲,不能及時到達接收端而被認為丟失。如果這種情況經常發生,會嚴重影響話音質量。
    為允許分組到達時間可變且得到穩定的分組流,接收端釋放第一個分組前在抖動緩沖器中保留一會兒,保留時間根據緩沖器的大小而定,如50ms的時間意味著抖動緩沖器的長度為50ms。抖動緩沖器保持時間加到整體延遲當中,因此對于大的抖動,即使平均延遲小,整體延遲也會很高,如對于平均延遲50ms 及5ms的抖動緩沖器,整體延遲只有55 ms。相反,如果網絡平均延遲只有15ms,而偶然的分組延遲達到100ms,延遲緩沖器為100ms,整體延遲為115ms！
    選擇抖動緩沖器的大小對IP電話網絡很關鍵,最佳的緩沖器大小可以通過平衡消除抖動和容許時延限制得到。如果緩沖器設置太低,一些分組將會丟失；如果設置太高,延遲將會增加。抖動緩沖器的大小可以由遲到分組與急時到達分組的比率確定,理想情況,抖動緩沖器的大小應該動態改變,適應網絡條件的變化。一般緩沖器大小的范圍從50到100ms,Cisco、Hypercom以及Netrix都提供了智能緩沖器,可以按照網絡變化自動調節。
    3.4 IP和PSTN的結合
    終端用戶有幾種不同的結構,第一種是PC-PC結構,用戶使用多媒體計算機直接連接到Internet,如通過網絡接口卡連接到LAN,通過調制解調器連接到Internet業務提供者。所有的采樣、壓縮、編碼以及解碼都在計算機中進行,如果不采用硬件卡完成這些功能,會給CPU造成很大負擔。用戶之間的呼叫用IP地址建立,這種結構IP和PSTN是獨立運行的。PC電話是IP電話結構的一種替代,允許PC用戶與傳統PSTN電話用戶建立呼叫,這種結構導致了IP網絡與PSTN的結合。一種擴展的PC電話結構是電話－－Internet－－電話,使用Internet以降低傳統電話用戶的費用。在電話－－Internet－－電話結構中,可以使用傳統的電話機,一個用戶試圖呼叫另一個用戶,可以撥打一個PSTN和Internet之間的特殊網關號碼,然后再撥所需的電話號碼,所有采樣和編碼發生在網關。話音分組通過Internet到達離被叫用戶最近的網關,第二個網關完成解碼并轉換成模擬信號,再經過PSTN到達被叫用戶。
    四、結論
    本文描述了可能用于Internet電話的新的業務,然后討論了幾個涉及Internet電話質量的技術問題,并且給出了這些技術問題的解決方案。雖然如此,這些方案實現起來非常困難,因為Internet已經遍布全球。我們需要新的協議和技術提高目前Internet終端用戶的QoS,IETF正在致力于提高Internet QoS以及開發新的協議支持IP電話。
    參考文獻
[1]A.Watson & M.A.Sasse, 揗ultimedia conferencing via multicast :determing the quality of service required by the end user,PRoc. Int. Wksp.Audio-Visual Svcs. Over Packet Networks, Aberdeen, Scotland, Sept. 1997.
[2]V.Hardman et al, eliable audio for use over the Internet, Proc. INET5, Hawaii, 1995.
[3]C.Perkins, O.Hodson & V.Hardman, survey of packet-loss recovery for streaming audio, IEEE Network, Sept./Oct., 1998, vol.12, no.5, pp40-48.
[4]D.Goodman, O.Lockart & W.Wong, aveform substitution techniques for recovering missing speech segments in packet voice communications,IEEE Trans. Acoustics, Speech and Sig. Processing, Dec. 1986, vol.ASSP-34, no.6, pp1440-48.
[5]C.Perkins et al, TP payload for redundant audio data,IETF RFC 2198, Sept. 1997.
[6]J.Kostas et al, eal-time voice over packet switched networks,?IEEE Network, Jan./Feb. 1998, vol.12, no.1, pp18-27.
[7]S.Blake et al, 揂n architecture for differentiated services,?IETF RFC 2475, Dec. 1998.R.Braden et al, 揜eservation protocol (RSVP)ersion 1 functional specification,?IETF RFC 2205, Sept. 1997.

上一篇：淺談F－150中的Hotel Centrex

下一篇：無線ATM終端的實現方案（圖文）