VoIP技術(shù)之VoIP的原理及技術(shù)

通過因特網(wǎng)進(jìn)行語音通信是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其應(yīng)用面很廣，因此涉及的技術(shù)也特別多，其中最根本的技術(shù)是VoIP (Voice over IP)技術(shù)，可以說，因特網(wǎng)語音通信是VoIP技術(shù)的一個(gè)最典型的、也是最有前景的應(yīng)用領(lǐng)域。因此在討論用因特網(wǎng)進(jìn)行語音通信之前，有必要首先分析VoIP的基本原理，以及VoIP中的相關(guān)技術(shù)問題。

一、 VoIP的基本傳輸過程

傳統(tǒng)的電話網(wǎng)是以電路交換方式傳輸語音，所要求的傳輸寬帶為64kbit/s。而所謂的VoIP是以IP分組交換網(wǎng)絡(luò)為傳輸平臺(tái)，對(duì)模擬的語音信號(hào)進(jìn)行壓縮、打包等一系列的特殊處理，使之可以采用無連接的UDP協(xié)議進(jìn)行傳輸。

為了在一個(gè)IP網(wǎng)絡(luò)上傳輸語音信號(hào)，要求幾個(gè)元素和功能。最簡單形式的網(wǎng)絡(luò)由兩個(gè)或多個(gè)具有VoIP功能的設(shè)備組成，這一設(shè)備通過一個(gè)IP網(wǎng)絡(luò)連接。VoIP模型的基本結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)VoIP設(shè)備是如何把語音信號(hào)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)流，并把這些數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)到IP目的地，IP目的地又把它們轉(zhuǎn)換回到語音信號(hào)。兩者之音的網(wǎng)絡(luò)必須支持IP傳輸，且可以是IP路由器和網(wǎng)絡(luò)鏈路的任意組合。因此可以簡單地將VoIP的傳輸過程分為下列幾個(gè)階段。



1、 語音-數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

語音信號(hào)是模擬波形，通過IP方式來傳輸語音，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)，道貌岸首先要對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，也就是對(duì)模擬語音信號(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是采取以幀為單位進(jìn)行編碼。典型幀長為10~30ms?？紤]傳輸過程中的代價(jià)，語間包通常由60、120或240ms的語音數(shù)據(jù)組成。數(shù)字化可以使用各種語音編碼方案來實(shí)現(xiàn)，目前采用的語音編碼標(biāo)準(zhǔn)主要有ITU-T G.711。源和目的地的語音編碼器必須實(shí)現(xiàn)相同的算法，這樣目的地的語音設(shè)備幫可以還原模擬語音信號(hào)。

2、 原數(shù)據(jù)到IP轉(zhuǎn)換

一旦語音信號(hào)進(jìn)行數(shù)字編碼，下一步就是對(duì)語音包以特定的幀長進(jìn)行壓縮編碼。大部份的編碼器都有特定的幀長，若一個(gè)編碼器使用15ms的幀，則把從第一來的60ms的包分成4幀，并按順序進(jìn)行編碼。每個(gè)幀合120個(gè)語音樣點(diǎn)(抽樣率為8kHz)。編碼后，將4個(gè)壓縮的幀合成一個(gè)壓縮的語音包送入網(wǎng)絡(luò)處理器。網(wǎng)絡(luò)處理器為語音添加包頭、時(shí)標(biāo)和其它信息后通過網(wǎng)絡(luò)傳送到另一端點(diǎn)。語音網(wǎng)絡(luò)簡單地建立通信端點(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，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，一站一站地轉(zhuǎn)發(fā)到目的地。

3、 傳送

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可以在某全范圍內(nèi)變化，反映了網(wǎng)絡(luò)傳輸中的抖動(dòng)。網(wǎng)絡(luò)中的同間節(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)或訪問方法。

4、 IP包-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)并開始處理。網(wǎng)絡(luò)級(jí)提供一個(gè)可變長度的緩沖器，用來調(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)。其次，解碼器將經(jīng)編碼的語音包解壓縮后產(chǎn)生新的語音包，這個(gè)模塊也可以按幀進(jìn)行操作，完全和解碼器的長度相同。若幀長度為15ms，，是60ms的語音包被分成4幀，然后它們被解碼還原成60ms的語音數(shù)據(jù)流送入解碼緩沖器。在數(shù)據(jù)報(bào)的處理過程中，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。

5、 數(shù)字語音轉(zhuǎn)換為模擬語音

播放驅(qū)動(dòng)器將緩沖器中的語音樣點(diǎn)(480個(gè))取出送入聲卡，通過揚(yáng)聲器按預(yù)定的頻率(例如8kHz)播出。簡而言之，語音信號(hào)在IP網(wǎng)絡(luò)上的傳送要經(jīng)過從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換、數(shù)字語音封裝成IP分組、IP分組通過網(wǎng)絡(luò)的傳送、IP分組的解包和數(shù)字語音還原到模擬信號(hào)等過程。



1、 語音-數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

語音信號(hào)是模擬波形，通過IP方式來傳輸語音，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)，道貌岸首先要對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，也就是對(duì)模擬語音信號(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是采取以幀為單位進(jìn)行編碼。典型幀長為10~30ms。考慮傳輸過程中的代價(jià)，語間包通常由60、120或240ms的語音數(shù)據(jù)組成。數(shù)字化可以使用各種語音編碼方案來實(shí)現(xiàn)，目前采用的語音編碼標(biāo)準(zhǔn)主要有ITU-T G.711。源和目的地的語音編碼器必須實(shí)現(xiàn)相同的算法，這樣目的地的語音設(shè)備幫可以還原模擬語音信號(hào)。

2、 原數(shù)據(jù)到IP轉(zhuǎn)換

一旦語音信號(hào)進(jìn)行數(shù)字編碼，下一步就是對(duì)語音包以特定的幀長進(jìn)行壓縮編碼。大部份的編碼器都有特定的幀長，若一個(gè)編碼器使用15ms的幀，則把從第一來的60ms的包分成4幀，并按順序進(jìn)行編碼。每個(gè)幀合120個(gè)語音樣點(diǎn)(抽樣率為8kHz)。編碼后，將4個(gè)壓縮的幀合成一個(gè)壓縮的語音包送入網(wǎng)絡(luò)處理器。網(wǎng)絡(luò)處理器為語音添加包頭、時(shí)標(biāo)和其它信息后通過網(wǎng)絡(luò)傳送到另一端點(diǎn)。語音網(wǎng)絡(luò)簡單地建立通信端點(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，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，一站一站地轉(zhuǎn)發(fā)到目的地。

3、 傳送

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可以在某全范圍內(nèi)變化，反映了網(wǎng)絡(luò)傳輸中的抖動(dòng)。網(wǎng)絡(luò)中的同間節(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)或訪問方法。

4、 IP包-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)并開始處理。網(wǎng)絡(luò)級(jí)提供一個(gè)可變長度的緩沖器，用來調(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)。其次，解碼器將經(jīng)編碼的語音包解壓縮后產(chǎn)生新的語音包，這個(gè)模塊也可以按幀進(jìn)行操作，完全和解碼器的長度相同。若幀長度為15ms，，是60ms的語音包被分成4幀，然后它們被解碼還原成60ms的語音數(shù)據(jù)流送入解碼緩沖器。在數(shù)據(jù)報(bào)的處理過程中，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。

5、 數(shù)字語音轉(zhuǎn)換為模擬語音

播放驅(qū)動(dòng)器將緩沖器中的語音樣點(diǎn)(480個(gè))取出送入聲卡，通過揚(yáng)聲器按預(yù)定的頻率(例如8kHz)播出。簡而言之，語音信號(hào)在IP網(wǎng)絡(luò)上的傳送要經(jīng)過從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換、數(shù)字語音封裝成IP分組、IP分組通過網(wǎng)絡(luò)的傳送、IP分組的解包和數(shù)字語音還原到模擬信號(hào)等過

二、 VoIP的相關(guān)技術(shù)因素

由于相關(guān)的硬件、軟件、協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)中的許多發(fā)展和技術(shù)突破，使得VoIP的廣泛使用很快就會(huì)變成現(xiàn)實(shí)。這些領(lǐng)域中的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展為創(chuàng)建一個(gè)更有效、功能和互操作性更強(qiáng)的VoIP網(wǎng)絡(luò)起著推波助瀾的作用。表2-2簡單列出了這些領(lǐng)域中的主要發(fā)展。從表中可以看出，推動(dòng)VoIP飛速發(fā)展乃至廣泛應(yīng)用的技術(shù)因素可以歸納為如下幾個(gè)方面。

1、 數(shù)字信號(hào)處理器 先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor ,DSP)執(zhí)行語音和數(shù)據(jù)集成所要求的計(jì)算密集的任各。DSP處理數(shù)字信號(hào)主要用于執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算，否則這些計(jì)算可能必須由通用CPU執(zhí)行。它們的專門化的處理能力與低成本的結(jié)合使DSP很好地適合于執(zhí)行VoIP系統(tǒng)中的信號(hào)處理功能。

單個(gè)語音流上G.729語音壓縮的計(jì)算開銷開常大，要求達(dá)到20MIPS，如果要求一個(gè)中央CPU在處理多個(gè)語音流的同時(shí)，還執(zhí)行路由和系統(tǒng)管理功能，這是不現(xiàn)實(shí)的，因此，使用一個(gè)或多個(gè)DSP可以從中央CPU卸載其中的復(fù)雜語音壓縮算法的計(jì)算任務(wù)。另外，DSP還適合于語音的活動(dòng)檢測和回聲取消這樣的功能，困為它們實(shí)時(shí)處理語音數(shù)據(jù)流，并能快速訪問板上內(nèi)存，因此。在本章節(jié)中，比較詳細(xì)地介紹如何在TMS320C6201DSP平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)語音編碼和回聲抵消的功能。

表2-2 推動(dòng)VoIP的主要技術(shù)進(jìn)展



協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn) 軟件 硬件 H.323 加權(quán)公平排隊(duì)法 DSP MPLS標(biāo)記交換 加權(quán)隨機(jī)早期檢測 高級(jí)ASIC RTP, RTCP 雙漏斗通用信元速率算法 DWDM RSVP 額定訪問速成率 SONET Diffserv, CAR Cisco快速轉(zhuǎn)發(fā) CPU處理功率 G.729, G.729a:CS-ACELP 擴(kuò)展訪問表 ADSL，RADSL，SDSL FRF.11/FRF.12 令牌桶算法 Multilink PPP 幀中繼數(shù)據(jù)整流形 SIP 基于優(yōu)先級(jí)的CoS Packet over SONET IP和ATM QoS/CoS的集成

2、 高級(jí)專用集成電路 專用集成電路(Application-Specific Integrated Circait, ASIC)發(fā)展產(chǎn)生了更快、更復(fù)雜、功能更強(qiáng)的ASIC。ASIC是執(zhí)行單一應(yīng)用或很小的一組功能專門的應(yīng)用芯片。由于集中于很窄的應(yīng)用目標(biāo)，故它們可以對(duì)特定的功能進(jìn)行高度的優(yōu)化，通常雙通用CPU快一個(gè)或幾個(gè)數(shù)量級(jí)。就像精簡指令集計(jì)算機(jī)(RSIC)芯片集中于快速執(zhí)行扔限數(shù)目的操作一樣，ASIC被預(yù)先編程、使其能更快地執(zhí)行有限數(shù)目的功能。一旦開發(fā)完成，ASIC批量生產(chǎn)的成本并不高，被用于包括路由器和交換機(jī)這樣的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，執(zhí)行路由查表、分組轉(zhuǎn)發(fā)、分組分類和檢查以及排隊(duì)等功能。ASIC的使用使設(shè)備的性能更高，而成本更低。它們?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)提供增加的寬帶和更好的QoS支持，所以對(duì)VoIP發(fā)展起著很大的促進(jìn)作用。

3、 IP傳輸持術(shù)傳輸電信網(wǎng)大多采用時(shí)分多路復(fù)用方式，因特網(wǎng)須采用的是統(tǒng)計(jì)復(fù)用變長分組交換方式，二者相比，后者對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源利用率高，互連互通簡便有效、對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)十分適用，這是因特網(wǎng)得以飛速發(fā)展的重要原因之一。但是，寬帶IP網(wǎng)絡(luò)通信對(duì)QoS和延遲特性提出了茍刻的要求，因此，統(tǒng)計(jì)復(fù)用變長分組交換的技術(shù)發(fā)展為人們所關(guān)注。目前，除已問世的新一代IP協(xié)議--IPV6外，世界因特網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)提出了多協(xié)議標(biāo)記交換技術(shù)(MPLS)，這是一種基于網(wǎng)絡(luò)層選路的各種標(biāo)記/標(biāo)簽的交換，能提高選路的靈活性，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)層選路能力，簡化路由器和基于信元交換的集成，提高網(wǎng)絡(luò)性能。MPLS既可以作為獨(dú)立的選路協(xié)議工作，又能與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)選路協(xié)議兼容，支持IP網(wǎng)絡(luò)的各種操作、管理和維護(hù)功能，使IP網(wǎng)絡(luò)通信的QoS、路由、信令等性能大大提高，達(dá)到或接近統(tǒng)計(jì)復(fù)用定長分組交換(ATM)的水平，而又比ATM簡單、高效、便宜、適用。IETF還地抓緊新的分組理理持術(shù)，以便實(shí)現(xiàn)QoS選路。其中正在研究隧道技術(shù) 就是為了實(shí)現(xiàn)單向鏈路的寬帶傳送。 另外，如何選擇IP網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)也是近年來研究的一個(gè)重要領(lǐng)域，先后出現(xiàn)了IP over ATM、IP over SDH、IP over DWDM等技術(shù)，目前公認(rèn)的寬帶網(wǎng)絡(luò)分析模型如圖所示。



第一層是基層礎(chǔ)，提供高速的數(shù)據(jù)傳輸骨干。IP層向IP用戶提供高質(zhì)量的，具有一定服務(wù)保證的IP接入服務(wù)。用戶層提供接入形式(IP接入和寬帶接入)和服務(wù)內(nèi)容形式。在基礎(chǔ)層，以太網(wǎng)作為IP網(wǎng)絡(luò)的物理層，是理所當(dāng)然的事情，但是IP overDWDM卻上最新技術(shù)，并具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?

密集波分多路復(fù)用(Dense Wave Division MultipLexing,DWDM)為光纖網(wǎng)絡(luò)注入新的活力，并在電信公司鋪設(shè)新的光纖主干網(wǎng)中提供驚人的帶寬。DWDM技術(shù)利用光纖的能力和先進(jìn)的光傳輸設(shè)備。波分多路復(fù)用的名稱是從單股光纖上傳送多個(gè)波長的光(LASER)而得來的。目前的系統(tǒng)能夠發(fā)送和識(shí)別16個(gè)波長，而將來的系統(tǒng)能夠支持40~96全波長。這具有重要意義，因?yàn)槊吭黾右粋€(gè)波長，就增加了一個(gè)信息流。因此可以將2.6Gbit/s(OC-48)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大16倍，而不必鋪設(shè)新的光纖。

大多數(shù)新的光纖網(wǎng)絡(luò)以(9.6Gbit/s)的速度運(yùn)行OC-192，在與DWDM結(jié)合時(shí)，在一對(duì)光纖上產(chǎn)生150Gbit/s以上的容量。另外，DWDM提供了接口的協(xié)議和速度無關(guān)的特征，在一條光纖上可同時(shí)支持ATM、SDH和千兆以太網(wǎng)信號(hào)的傳輸，這樣和現(xiàn)在已建成的各種網(wǎng)絡(luò)都可以兼容，因此DWDM既可以保護(hù)已有的設(shè)資，還可以以其巨大帶寬為ISP和電信公司提供了功能更強(qiáng)的主干網(wǎng)，并使寬帶成本更低和訪問性更強(qiáng)，這對(duì)VoIP解決方案的帶寬要求提供強(qiáng)有力的支持。增加的傳輸速率不僅可以提供更粗的管道，使阻塞的機(jī)會(huì)更少，而且使延時(shí)降低了許多，因此可以在很大程度上減少IP網(wǎng)絡(luò)上的 QoS要求。

4、 寬帶接入技術(shù)

IP網(wǎng)絡(luò)的用戶接入已成為制約全網(wǎng)發(fā)展的瓶頸。從長期發(fā)展看，用戶接入的終極目標(biāo)是光纖到戶(FTTH)。光接入網(wǎng)從廣義上講包括光數(shù)字環(huán)路載波系統(tǒng)和無源光網(wǎng)絡(luò)兩類。前者主要在美國，結(jié)合開放口V5.1/V5.2，在光纖上傳送其綜合系統(tǒng)，顯示了很大的生命力。后者主要在目本和德國。日本堅(jiān)持不懈攻關(guān)十多年，采取一系列措施，將無源光網(wǎng)絡(luò)成本降低至與銅纜和金屬雙絞線相近的水平，并大量使用。特別是近年 ITU提出以ATM為基礎(chǔ)的無源光網(wǎng)絡(luò)(APON)，將ATM與無源光網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢互補(bǔ)，接入速率可達(dá)622M bit/s，對(duì)寬帶IP多媒體業(yè)務(wù)發(fā)展十分有利，且能減少故障率和節(jié)點(diǎn)數(shù)目，擴(kuò)大覆蓋范圍。目前ITU已完成了標(biāo)準(zhǔn)化工作，各廠家正在積極研制，不久會(huì)有商品上市，將成為面向21世紀(jì)的寬帶接入技術(shù)的主要發(fā)展方向。

目前主要采用的接入技術(shù)有:PSTN、IADN、ADSL、CM、DDN、 X.25和 Ethernet以及寬帶無線接入系統(tǒng)列等。這些接入技術(shù)各有特點(diǎn)，其中發(fā)展最快的是ADSL和CM;CM(Cable Modem)采用同軸電纜，傳輸速率高、抗干擾能力強(qiáng);但是不能雙向傳輸，無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。ADSL(Asymmetrical Digital Loop) 獨(dú)享接入寬帶， 充分利有現(xiàn)有電話網(wǎng)，提供非對(duì)稱的傳輸速率，用戶側(cè)的下載速率可以達(dá)到8 Mbit/s，用戶側(cè)的上載速率可以達(dá)到1M bit/s。ADSL為企業(yè)和各個(gè)用戶提供必要的寬帶，并極大地降低成本。使用較低成本的ADSL地區(qū)環(huán)路，現(xiàn)在公司能以更高的速度訪問因特網(wǎng)和基于因特網(wǎng)服務(wù)供應(yīng)商的VPN，允許更高的VoIP呼叫容量。

5、 中央處理單元技術(shù)

中央處理單元(CPU)在功能、功率和速度方面繼續(xù)發(fā)展。這使多媒體PC能夠廣泛應(yīng)用，并提高了受CPU功率限制的系統(tǒng)功能的性能。PC處理流式音頻和視頻數(shù)據(jù)的能力在用戶中期待已久，所以在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上傳送語音呼叫理所當(dāng)然成為下一步的目標(biāo)。這個(gè)計(jì)算功能使先進(jìn)的多媒體桌面應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)組件中的先進(jìn)功能都支持語音應(yīng)用。