VOIP在FA36網(wǎng)絡(luò)中的典型應(yīng)用研究

VOIP 是VOICE OVER IP 的簡(jiǎn)寫，即將語(yǔ)音業(yè)務(wù)通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行承載之意，日常所說(shuō)的IP 電話即是VOIP 的一種典型應(yīng)用。VOIP 是主要通過(guò)語(yǔ)音分組來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在VOIP 中，數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)將語(yǔ)音信號(hào)封裝成幀并儲(chǔ)存在分組包中進(jìn)行傳輸。從最早的INTELNET 電話到現(xiàn)在，得益于迅速發(fā)展的集成電路技術(shù)，使得DSP、CPU 的處理能力得到了極大的加強(qiáng)，推動(dòng)了VOIP 業(yè)務(wù)的發(fā)展。

目前中南地區(qū)正在建設(shè)的FA36 傳輸網(wǎng)是為中南地區(qū)民航空管部門提供數(shù)據(jù)通信服務(wù)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，是服務(wù)于民航的專用網(wǎng)絡(luò)。它以IP 交換技術(shù)為核心，通過(guò)FA36 設(shè)備的強(qiáng)大服務(wù)提供能力，它能夠?qū)Χ喾N業(yè)務(wù)提供支持，當(dāng)然也包括VOIP 業(yè)務(wù)的支持。如何在其上布署VOIP 業(yè)務(wù)，成為了我們研究的問(wèn)題。

1 VOIP 的基本原理

傳統(tǒng)的電話網(wǎng)是以電路交換方式傳輸語(yǔ)音，所要求的傳輸寬帶為64 Kb/s.而VOIP 如前所述是以IP 分組交換網(wǎng)絡(luò)為傳輸平臺(tái)，對(duì)模擬的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行壓縮、打包等一系列的數(shù)字化處理，使之可以采用無(wú)連接的UDP 協(xié)議進(jìn)行傳輸。就目前來(lái)說(shuō)，大部分 VOIP 設(shè)備廠家所采用的都為ITU-T 建議的H.323協(xié)議族。圖1 所示就是路由器作為網(wǎng)關(guān)設(shè)備用來(lái)連接PSTN 網(wǎng)絡(luò)與IP 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的示意圖。

在圖1 中，路由器通常作為網(wǎng)關(guān)設(shè)備用來(lái)連接PSTN 網(wǎng)絡(luò)與IP 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，用戶經(jīng)PSTN 設(shè)備連接IP 語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)(路由器)，在網(wǎng)關(guān)處將模擬語(yǔ)音數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行壓縮打包，讓它成為可以在IP 網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)姆纸M語(yǔ)音數(shù)據(jù)。后經(jīng)IP 網(wǎng)絡(luò)傳遞至被叫端的IP 語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)(路由器)，在被叫端將IP 語(yǔ)音數(shù)據(jù)還原成可識(shí)別的模擬語(yǔ)音信號(hào)，經(jīng)PSTN 傳送至用戶電話終端。由于中繼控制和路由功能的需要，可能還會(huì)在中間加上網(wǎng)守設(shè)備(GK)?？偟膩?lái)說(shuō)，VOIP 的傳輸過(guò)程可以具體分為以下幾個(gè)階段。

1.1 語(yǔ)音- 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

語(yǔ)音信號(hào)一般是模擬波形，通過(guò)IP 方式來(lái)傳輸語(yǔ)音，不管是實(shí)時(shí)應(yīng)用業(yè)務(wù)還是非實(shí)時(shí)應(yīng)用業(yè)務(wù)，首先要對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，也就是對(duì)模擬語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行8 位或6 位的量化，然后送入到緩沖存儲(chǔ)區(qū)中，緩沖器的大小可以根據(jù)延遲和編碼的要求選擇。許多低比特率的編碼器采取以幀為單位進(jìn)行編碼。典型幀長(zhǎng)為10~30 ms.考慮傳輸過(guò)程中的代價(jià)，語(yǔ)間包通常由60、120 或240 ms 的語(yǔ)音數(shù)據(jù)組成。數(shù)字化可以使用各種語(yǔ)音編碼方案來(lái)實(shí)現(xiàn)，目前采用的語(yǔ)音編碼標(biāo)準(zhǔn)主要有ITU-T G.711、G.729、G.723 等。源和目的地的語(yǔ)音編碼器必須實(shí)現(xiàn)相同的算法，這樣目的地的語(yǔ)音設(shè)備才能正確還原模擬語(yǔ)音信號(hào)。

1.2 原數(shù)據(jù)到IP 的轉(zhuǎn)換

一旦語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行數(shù)字編碼，下一步就是對(duì)語(yǔ)音包以特定的幀長(zhǎng)進(jìn)行壓縮編碼。大部分的編碼器都有特定的幀長(zhǎng)，若一個(gè)編碼器使用15 ms 的幀，則把從第一來(lái)的60 ms 的包分成4 幀，并按順序進(jìn)行編碼。每個(gè)幀合120 個(gè)語(yǔ)音樣點(diǎn)(抽樣率為8 kHz)。編碼后，將4 個(gè)壓縮的幀合成一個(gè)壓縮的語(yǔ)音包送入網(wǎng)絡(luò)處理器。網(wǎng)絡(luò)處理器為語(yǔ)音添加包頭、時(shí)標(biāo)和其他信息后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到另一端點(diǎn)。語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單地建立通信端點(diǎn)之間的物理連接(一條線路)，并在端點(diǎn)之間傳輸編碼的信號(hào)。IP 網(wǎng)絡(luò)不像電路交換網(wǎng)絡(luò)，它不形成連接，它要求把數(shù)據(jù)放在可變長(zhǎng)的數(shù)據(jù)報(bào)或分組中，然后給每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)附帶尋址和控制信息，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，一站一站地轉(zhuǎn)發(fā)到目的地。

1.3 傳送通道

在這個(gè)通道中，全部網(wǎng)絡(luò)被看成一個(gè)從輸入端接收語(yǔ)音包，然后在一定時(shí)間(t)內(nèi)將其傳送到網(wǎng)絡(luò)輸出端。t 可以在某一范圍內(nèi)變化，反映了網(wǎng)絡(luò)傳輸中的抖動(dòng)。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)檢查每個(gè)IP 數(shù)據(jù)附帶的尋址信息，并使用這個(gè)信息把該數(shù)據(jù)報(bào)轉(zhuǎn)發(fā)到目的地路徑上的下一站。網(wǎng)絡(luò)鏈路可以是支持IP 數(shù)據(jù)流的任何拓結(jié)構(gòu)或訪問(wèn)方法。

1.4 IP 包與數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

目的地VOIP 設(shè)備接收這個(gè)IP 數(shù)據(jù)并開(kāi)始處理。網(wǎng)絡(luò)級(jí)提供一個(gè)可變長(zhǎng)度的緩沖器，用來(lái)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的抖動(dòng)。該緩沖器可容納許多語(yǔ)音包，用戶可以選擇緩沖器的大小。小的緩沖器產(chǎn)生延遲較小，但不能調(diào)節(jié)大的抖動(dòng)。解碼器將經(jīng)編碼的語(yǔ)音包解壓縮后產(chǎn)生新的語(yǔ)音包，這個(gè)模塊也可以按幀進(jìn)行操作，完全和解碼器的長(zhǎng)度相同。若幀長(zhǎng)度為15 ms,使60 ms 的語(yǔ)音包被分成4 幀，然后它們被解碼還原成60 ms 的語(yǔ)音數(shù)據(jù)流送入解碼緩沖器。在數(shù)據(jù)報(bào)的處理過(guò)程中，去掉尋址和控制信息，保留原始的原數(shù)據(jù)，然后把這個(gè)原數(shù)據(jù)提供給解碼器。

1.5 數(shù)字語(yǔ)音到模擬語(yǔ)音的轉(zhuǎn)換

播放設(shè)備將緩沖器中的語(yǔ)音樣點(diǎn)取出送入聲音驅(qū)動(dòng)設(shè)備，將其還原成可識(shí)別的模擬信號(hào)，經(jīng)用戶線路傳送到用戶終端。

2 VOIP 的呼叫流程

由于VOIP 主要是一種軟件解決方案，在路由設(shè)備中需要采用相應(yīng)的模塊話語(yǔ)音插卡來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，其呼叫流程可以大概分為以下幾個(gè)過(guò)程：

(1)用戶摘機(jī)，語(yǔ)音用戶卡實(shí)時(shí)檢測(cè)用戶的摘機(jī)動(dòng)作。

(2)模塊化語(yǔ)音卡將用戶的摘機(jī)信號(hào)傳送到路由器的VOIP 信號(hào)處理模塊。

(3)用戶聽(tīng)到VOIP 的會(huì)話應(yīng)用程序播放的撥號(hào)音，然后開(kāi)始撥號(hào);

(4)VOIP 會(huì)話應(yīng)用程序收集用戶所撥打的號(hào)碼，同時(shí)實(shí)時(shí)地與已配置的被叫號(hào)碼模板進(jìn)行匹配操作。在成功匹配后，號(hào)碼將被映射至某網(wǎng)關(guān)設(shè)備(可以是小型的PBX)。

(5)主叫網(wǎng)關(guān)利用H.323 協(xié)議和被收網(wǎng)關(guān)發(fā)起呼叫，并為每一路呼叫建立通路，用以發(fā)送和接收語(yǔ)音數(shù)據(jù)。

(6)被叫側(cè)網(wǎng)關(guān)接收到IP 側(cè)的H.323 呼叫，同時(shí)根據(jù)自身的號(hào)碼匹配被叫模板來(lái)尋找目的地址。如果呼叫為PBX 來(lái)處理的話，就通叫PSTN 信令將呼叫送到PBX 處理。

(7)在呼叫連續(xù)的過(guò)程中的H.323 階段，兩端協(xié)商所使用的語(yǔ)音編碼方式，并使用RTP 協(xié)議來(lái)傳遞語(yǔ)音數(shù)據(jù)。

(8)RTP 語(yǔ)音通道用于在IP 網(wǎng)絡(luò)上傳輸呼叫過(guò)程中的提示信號(hào)及其他可在帶內(nèi)傳送的信號(hào)。

(9)呼叫的任何一方掛機(jī)，VOIP 會(huì)話應(yīng)用程序?qū)⒔Y(jié)束會(huì)話，然后等待新的呼叫。

3 FA36 網(wǎng)絡(luò)支持的VOIP 應(yīng)用

路由器通常用作網(wǎng)關(guān)設(shè)備，用于完成電路交換至分組交換的轉(zhuǎn)換。FA36 設(shè)備正是基于華為3COM 公司的AR46、AR28 系列路由器升級(jí)設(shè)計(jì)而成，該系列路由器擁有不同的板卡，可以提供不同的語(yǔ)音用戶線接口，分別為FXS、FXO、E&M、數(shù)字E1 等接口，其操作系統(tǒng)VRP(通用路由平臺(tái))語(yǔ)音特性更是可以支持包括靜音壓縮、舒適噪聲、防止抖動(dòng)和亂序、QOS 功能、忙音自動(dòng)檢測(cè)、免打擾、遇忙轉(zhuǎn)移等功能。

3.1 FXS 應(yīng)用

FXS(Foreign Exchange Station)模擬語(yǔ)音用戶線，通常稱為普通電話業(yè)務(wù)端口，一般與只有FXO 用戶線的終端設(shè)備相連并提供鈴流、電壓及撥號(hào)音。目前在FA36 中，有FXS 板卡相支持，分別有2、4、8 口等幾種配置，在空管業(yè)務(wù)中常用于管制移交電話以及勤務(wù)電話。圖2 所示為其常用應(yīng)用示意圖。

此時(shí)，通常將電話線路直接入FA36 設(shè)備中的FXS 卡，利用綜合布線將其延伸至管制席位或者網(wǎng)絡(luò)維護(hù)員席位。由于接口模塊的設(shè)計(jì)，此接口為RJ45 八針設(shè)計(jì)，話音業(yè)務(wù)只利用到了其4(RING)、5(TIPS)兩根針腳。其典理配置如下：

令用戶1 的號(hào)碼為11000,LO 地址為1.1.1.1,用戶線接在1/0/0上;令用戶2 的號(hào)碼為22000,LO 地址為2.2.2.2,用戶線接在1/0/0上。這樣，F(xiàn)A36 設(shè)備1 的配置如下：

若要配置成熱線電話，則需要在相應(yīng)的線路上使用命令PRIVATE 22000 即可。

3.2 E&M 語(yǔ)音應(yīng)用

模擬E&M(Ear&Mouth) 語(yǔ)音用戶線， 它支持模擬E&M 信令，將每個(gè)用語(yǔ)音連接分為中繼電路側(cè)和信令單元側(cè)。

PBX 在M 線上給路由器提供信號(hào)，E 線上接路由器的信號(hào)。目前在FA36 設(shè)備中有E&M 板卡來(lái)支持，它有2 口、4 口兩種端口配置可選。它主要提供E&M模擬中繼線的接入及處理，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)在數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)上的傳輸。在空管業(yè)務(wù)中，常用于VHF 信號(hào)的傳輸。圖3 所示為其常見(jiàn)應(yīng)用鏈接圖。

此時(shí)，將內(nèi)話系統(tǒng)E&M 模擬中繼線接入FA36 的E&M卡，利用FA36 網(wǎng)絡(luò)將其延伸至甚高頻臺(tái)點(diǎn)，將管制員場(chǎng)聲音送至發(fā)射機(jī)，同時(shí)收信機(jī)將飛行員話音收回至內(nèi)話系統(tǒng)。由于話音數(shù)據(jù)采樣、打包、傳送的時(shí)延特性以及人耳的回音感覺(jué)，需要在FA36 設(shè)備前端添加PTT 靜噪設(shè)備，在管制員說(shuō)話時(shí)將自己聲音抑制。由于經(jīng)歷了了長(zhǎng)距離傳送，語(yǔ)音的質(zhì)量和音量上可能會(huì)有一些差異，可以使用 RECEIVE GAIN、TRANSMIT GAIN 來(lái)調(diào)整音量增益，以控制音量的大小?？梢岳肅OMPRESSION 來(lái)改變數(shù)據(jù)編碼方式，以獲取不同的話音質(zhì)量。目前來(lái)說(shuō)，F(xiàn)A36 支持的幾種壓縮方式如表1 所列。

其典型配置如下：設(shè)甚高頻臺(tái)點(diǎn)這邊的FA36 設(shè)備IP 地址為2.2.2.2,E&M 語(yǔ)音接在 1/0/0 端口，內(nèi)話系統(tǒng)這邊的FA36 設(shè)備IP 地址為1.1.1.1, E&M 語(yǔ)音接在 1/0/0 端口。

3.3 E1 數(shù)字語(yǔ)音中繼

數(shù)字E1 語(yǔ)音用戶線的端口帶寬為2.048 Mb/s,分為32個(gè)時(shí)隙(TS0~TS31)，每個(gè)時(shí)隙的帶寬為64 Kb/s,它支持R2、DSS1、數(shù)字E&M 信令。在FA36 設(shè)備中，有相應(yīng)的CE1 中繼板來(lái)支持。在空管業(yè)務(wù)應(yīng)用，通常用它接入程控交換機(jī)，用來(lái)延伸電話業(yè)務(wù)。其典型應(yīng)用如圖4 所示。

該應(yīng)用的典型配置如下：令程控交換機(jī)側(cè)的FA36IP 地址為1.1.1.1,用E1 連接程控交換機(jī)，接號(hào)信令為中國(guó)一