IP电话的关键技术及服务质量

【摘　要】对IP电话与普通PSTN电话进行了比较，介绍了两个最具代表性的IP电话标准，归纳了与IP电话相关的关键技术，分析了影响IP电话服务质量的因素，最后，提出了改进IP电话服务质量的几点考虑。
  关键词：IP电话 关键技术 服务质量
　　
1　引　言
　 以话音通信为目的而建立的PSTN电话网采用的是电路交换技术，可以充分保证服务质量，但通话期间始终占用固定带宽。以数据通信为目的建立起来的Internet采用的则是分组交换技术，所有业务共享线路，从而大大提高了网络带宽的利用率。由于数据包是非实时的，所以，Internet通常不保证语音传输的质量。然而人们一直在寻求利用廉价的Internet进行语音传输的方法，因此IP电话应运而生。近年来，IP电话迅速从实验室进入实用，并以其价廉及尚可接受的质量挤占了一部分长途电信市场。根据测算，IP电话的用户已从1995年的40万激增到1999年的1600万。近年来，一些西方国家纷纷放开了IP电话业务，我国有关部门对IP网络电话采取了同引进其它新技术、新业务一样的态度，始终积极跟踪、认真研究。1999年我国进行了IP电话试验，现已有多家电信运营公司正式提供IP电话业务，用户反应良好。随着人们对IP电话服务质量要求的不断提高，通信专家和运营商正在加紧研究和解决与IP电话相关的关键技术。随着与IP电话相关的关键技术的相继被解决和正在被突破，IP电话的服务质量将不断提高，IP电话将会得到越来越广泛的应用。专家们预言，统一未来通信的将是Int ernet，而IP电话技术的出现和商业应用，则开始把话音和Internet网结合起来。
　 本文对IP电话与普通PSTN电话进行了比较，介绍了两个最具代表性的IP电话标准，归纳了与IP电话相关的关键技术，分析了影响IP电话服务质量的因素，最后，提出了改进IP电话服务质量的几点考虑。
2　IP电话与普通电话的比较
  与普通PSTN电话相比，IP电话具有如下优点：
　 ·节省带宽。电路交换电话消耗的带宽为64kbit／s，而IP电话只需6—8kbit／s（有时甚至低于2．4kbit／s），从而节省了带宽，降低了成本。
　 ·通话费用低。成本的降低，使通话费用随之下降，尤其是长距离通信。
　 ·可以方便地集成智能。IP电话网继承了计算机网的智能模块，可以灵活地控制信令和连接，有利于各种增殖业务的开发。
　 ·开放的体系结构。IP电话的协议体系是开放式的，有利于各个厂商产品的标准化以及相互之间的连通。
　 ·多媒体业务的集成。IP电话网络同时支持语音、数据、图像的传输，为将来全面提供多媒体业务打下了基础。　
 　但是，IP电话的服务质量较普通PSTN电话的服务质量差，这一点也是很明显的。
3　IP电话的标准
　 目前参与IP电话技术标准开发和推广的组织超过20家，其中最有影响力的IP电话的国际标准化组织主要有四家：国际电信联盟标准化部门（ITU－T）、欧洲电信标准化协会（ETSI）、Internet工程任务组（IETF）和多媒体远程会议集团（IMTC）。ITU－T侧重于电信标准、ETSI侧重商业实现、IETF侧重IP标准、IMTC侧重互操作性。由于IP电话技术标准的开发涉及多个领域，这几家开发组织相互之间建立了比较良好的协作关系，而其他机构主要是发展、充实、实现和推广这些标准。
　 但是由于不同国际组织存在学术上的争议以及不同设备制造商各自利益的影响，导致了在IP电话的标准问题上莫衷一是，众说纷纭。下面主要介绍其中两个最具代表性的IP电话标准 ：H．323协议和SIP（会话初始化协议）。
3．1　H．323协议
　 H．323协议是ITU－T第16研究组（SG－16）为多媒体会议系统提出的一个建议书，并不是为IP电话专门提出的，因而它涉及的范围远比IP电话宽。IP电话，特别是电话到电话经由网关的这种IP电话工作方式，可以采用H．323协议来完成它所要求的工作，因而H．323协议被借过来作为IP电话的标准。由于目前IP电话发展很快，而IP网的多媒体会议系统发展得相对较慢，因此，为了适应IP电话的应用，H．323也的确专为IP电话增加了一些新的内容（如呼叫的快速建立过程）。对IP电话来说，它不只用H．323协议，还用了一系列其它的协议，其中有H．323、H．225、H．245、H．235、H．450和H．341等。只是H．323协议是总的技术要求，因而通常把这种方式的IP电话称为H．323 IP电话。
3．2　SIP协议
　 SIP协议是由IETF推出的会话初始协议，是一种基于文本的协议，采用SIP规则资源定位语言描述。
　 SIP协议提出了另外一套IP电话的体系结构，是一个与H．323并列的协议。一个SIP系统主要由两个部分组成：用户代理和网络服务器。网络服务器也分两类，代理服务器（Proxy）和重定位服务器（Redirect）。
   SIP协议的出发点是借鉴WEB业务成功的经验，以现有的Internet为基础来构架IP电话业务网。因此，SIP有着与H．323完全不同的设计思想，它是一个分散式的协议，它将网络设备的复杂性向网络边缘推，使核心网络仍是一个“BestEffort＂的传送通道，这就是SIP系统中核心网络服务器可以不保留状态（stateless）的原因（SIP消息本身含有一个呼叫的所有信息 ），因为核心网络服务器需要处理大量的呼叫，不保留每一呼叫的状态，将大大提高系统的处理能力，为组建大规模的IP电话业务网奠定了基础，而边缘网络服务器可以是有状态的（sta teful）。这种stateless和stateful结合的模式既可以充分发挥SIP的特点（如用户定位和查找）又保留了Internet无连接数据报传送的设计思路。与以H．323协议为基础的IP电话相比 ，SIP协议需要相对智能的终端，即终端需要包含用户代理客户机和用户代理服务器两部分，由这两部分实现呼叫请求、呼叫应答和一些用户的特定需要，正是因为SIP系统有了相对智能的终端系统，所以它才有可能实现用户个性化需求。
4　IP电话的关键技术
　 众所周知，IP电话的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七个方面：
4．1　语音压缩技术
　 IP电话的技术基础是语音压缩技术。1972年制定了64kbps PCM（脉冲编码调制）方式；19 86年制定了32kbps ADPCM（自适应差分脉冲编码调制）方式；1991年制定了16kbps 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8kbps 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5．3／6．3kbps。另外，4．8kbps、2．4kbps和1kbps的语音压缩技术虽有报道，但尚无国际标准。
4．2　静噪抑制技术
　 又称语音激活技术，是指一旦检测到通话过程中的安静时段即停止发送语音包。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。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。
4．3　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。但是当回声返回时间超过10ms时，人耳就可以听到明显的回声了。为了防止回声，一般需要回声抵消技术。因为一般IP网络的延时很容易达到40～50ms，所以，回声抵消技术对IP电话系统十分重要。
4．4　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，它们会导致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200ms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，那么有的话音包就会因迟到而被丢弃，于是产生话音的断续及部分失真，从而严重影响语音质量。为了防止这种抖动，人们采用了抖动缓冲技术，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。
4．5　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。
4．6　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。
4．7　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被损坏或被丢失，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。
5　IP电话的服务质量
　 服务质量，是指为保证所提供业务的质量达到相应标准而采取的一系列措施的技术总称 。IP电话的服务质量尤为重要，因为用户在打电话过程中，最关心的就是通话的时延和语音的质量，高的时延和失真的语音都会令用户无法忍受。影响IP电话服务质量的主要因素有：
5．1　语音编码质量
　 这主要取决于所采用的语音压缩编码方案，通常用平均评价分值（MOS，Mean Opinion Score）来评价语音编码的质量，5分为最优，0分为最差。表1列出了几种编码方案的参考评价结果。目前在IP电话中采用较多的为G．729a与G．723．1两种编码方案，从表中所列的MOS值可以看出，前者已接近未压缩的G．711，即一般的PCM编码质量，后者则稍差。
                      
5．2　延时与延时抖动
　 端到端的延时包括编、解码造成的延时，打包与解包的延时及网络传送延时。延时抖动主要由网络引起。此项因素对IP电话的通话质量影响甚大，它主要取决于网络。指标要求：端到端的延迟必须在250ms以下，通常要求网关延迟小于l00 ms、IP网延迟小于150 ms。
5．3　回声
　 回声是由于通话两端的阻抗不匹配而引起的，在端到端延时较大的情况下，回声的干扰影响尤为明显。因此在IP电话设备中通常都必须采取消除回声的措施。
5．4　包丢失率
　 包的丢失主要是由IP网络引起。为保证通话质量，一般要求包丢失率应在5％以下。
　 在上述因素中，时延和时延抖动影响着听觉感觉，而丢包和比特差错影响着对话音包的解码。协议处理影响着呼叫建立时间及呼叫建立成功率、计费正确率等指标。延时与延时抖动和包丢失率两项主要取决于网络。但在当前的Internet中，对于这些因素无法加以控制，只能“尽力而为”，在Intranet中，则可以采取一定的措施来进行控制。
   IP电话必须具备与PSTN电话相当的质量，才有可能得到更大规模的发展甚至替代普通PSTN电话。为了不断提高IP电话的服务质量，必须对IP电话有关的关键技术进行深入研究，主要从以下几个方面进行考虑：
　 ·语音编码。必须综合考虑MOS值、处理时延、编码速率，随着DSP技术的不断发展，可以用算法的复杂性来换取性能的提高。G．729规定的CS－ACELP是一种较好的选择。
　 ·回波抑制。由于VoIP存在不可忽略的时延，回声问题不容忽视，在远端混合线圈阻抗不匹配造成的回声在发端可清晰地听到。在网关设备中必须采用DSP技术实现回波抑制。
　 ·网络时延与抖动。这两者是影响语音质量至关重要的因素，通常在接收端采用抖动缓冲器来消除抖动，但是会带来附加的时延。VoIP在企业网上比Internet上优越的原因就是因为前者的抖动因素有较好的控制。企业路由器将语音包的优先级在队列中高于普通包，网关运行RSVP协议。由于DSP的作用，语音编码的速率低，并且采用静音抑制技术，故语音占用的带宽资源很少。对于企业连接LAN的WAN，因其专用性，抖动性能较Internet要好。另一个影响时延的因素是打包，打包的实时性与打包效率是一对矛盾。实际上，究竟聚集了多少语音信息量再打包，这一点与带宽密切相关，在企业网上，这些因素的透明度较高，比较容易寻找到一个合适的门限。
6　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电话的服务质量将不断提高，I P电话将得到更为广泛的应用。可以预见，在未来的10～15年内，IP电话将有可能与现有的PS TN电话网相融合，形成综合的语音／数据／视频网络，实现真正的“三网合一”。

　　参　考　文　献

1　蒋林涛．IP电话的标准问题．中兴新通讯．Vol．6，No．2，2000．4
2　陆璐．IP电话标准、网络构成与应用．现代电信科技．2000年第6期
3　糜正琨编著．IP网络电话技术．北京：人民邮电出版社，2000．6
4　宋铁成等．一种基于IP技术的PBX系统．东南大学学报（自然科学版）．Vol．30，No．6 ，2000．11