基于電纜的IP電話(huà)

張佳 2002/06/18

　　1概述

　　目前有線(xiàn)廣播電視網(wǎng)深入千家萬(wàn)戶(hù)，從繁華的大都市到偏遠的鄉村有線(xiàn)電視戶(hù)戶(hù)通已經(jīng)基本實(shí)現，形成了其它網(wǎng)絡(luò )不能比擬的網(wǎng)絡(luò )資源優(yōu)勢，基于傳統有線(xiàn)電視網(wǎng)絡(luò )的廣電寬帶綜合信息網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)在大規模建設。

　　傳統的用戶(hù)接入網(wǎng)絡(luò )具有投入成本高、速度受限制、運營(yíng)不穩定等諸多困難，廣電寬帶網(wǎng)絡(luò )不僅具有對包括家庭和單位等客戶(hù)提供速率高，接入時(shí)間24小時(shí)不限時(shí)的優(yōu)勢，而且還有利用現成有線(xiàn)電視線(xiàn)路不造成網(wǎng)絡(luò )重復建設的優(yōu)勢，在為用戶(hù)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)勢明顯。

　　寬帶網(wǎng)絡(luò )中，除了進(jìn)行傳統數據通訊外，語(yǔ)音電話(huà)服務(wù)也成為一個(gè)趨勢，在此基礎上就有了計算機IP電話(huà)的出現和發(fā)展。目前，IP電話(huà)的所占的比重在語(yǔ)音電話(huà)業(yè)務(wù)中越來(lái)越大，發(fā)展IP電話(huà)已成為勢不可擋的潮流，特別在廣電寬帶綜合信息網(wǎng)中IP電話(huà)是將來(lái)必不可少的組成部分。

1.1 IP 電話(huà)的概念及市場(chǎng)前景

　　IP電話(huà)是建立于Internet基礎上的新型數字化傳輸技術(shù)，是IP網(wǎng)上通過(guò)TCP／IP協(xié)議實(shí)現的一種電話(huà)應用。這種應用包括PC對PC連接、PC對話(huà)機連接、話(huà)機對話(huà)機連接，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／轉發(fā)）、web上實(shí)現的IVR（交互式語(yǔ)音應答）業(yè)務(wù)等等，另外還包括E-mail、實(shí)時(shí)電話(huà)、實(shí)時(shí)傳真等多種通信業(yè)務(wù)。

　　IP電話(huà)近幾年來(lái)一直保持著(zhù)其良好的發(fā)展勢頭。面對著(zhù)競爭日趨激烈的全球市場(chǎng)，無(wú)論是政府專(zhuān)營(yíng)的電話(huà)公司、ISP還是本地交換業(yè)務(wù)運營(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。

　　美國的一家市場(chǎng)研究機構Frost and Sullivan預測，IP語(yǔ)音通信（Voice over IP，簡(jiǎn)稱(chēng)VOIP），這項新興技術(shù)，2001年將發(fā)展成為全球價(jià)值18.1億美元的設備產(chǎn)業(yè)。另一項研究指出，在2002年，VOIP市場(chǎng)，包括電話(huà)通信及其衍生服務(wù)行業(yè)，總值將達到630億美元。此外，業(yè)內專(zhuān)家預測，到2005年，34%的電話(huà)將通過(guò)分組交換網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行。無(wú)論你相信哪份報告的真實(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(huà)，服務(wù)提供商們可以在Internet上開(kāi)展各項基本及增強型的語(yǔ)音業(yè)務(wù)，其中包括Internet呼叫等待、增強型的電話(huà)Web交易以及交互式多媒體服務(wù)等。這些業(yè)務(wù)將被與現有的、基于電路交換的網(wǎng)絡(luò )（PSTN）無(wú)縫地集成在一起，以便在必要時(shí)使呼叫能夠在普通電話(huà)之上被發(fā)起和終結。由于IP協(xié)議是一種開(kāi)放型的協(xié)議，VoIP可以使服務(wù)商們靈活地定制其現有業(yè)務(wù)，并可以比以前更快且更為合算地開(kāi)展新業(yè)務(wù)。

2 VoIP如何工作

　　VoIP將標準的語(yǔ)音信號轉換成經(jīng)過(guò)壓縮的數據包后在數據網(wǎng)絡(luò )而非傳統的電話(huà)網(wǎng)上進(jìn)行傳輸。語(yǔ)音信號被封裝進(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 )中傳輸的IP數據包。

　　現在，可以進(jìn)行互操作的VoIP架構都是基于H.323規范的。H.323定義了網(wǎng)關(guān)（電話(huà)網(wǎng)與IP網(wǎng)的網(wǎng)間接口）和關(guān)守（內部交換組件），并對如何建立、路由和中止一次IP電話(huà)呼叫給出了建議。

　　“時(shí)延”是從發(fā)話(huà)人開(kāi)始講話(huà)到受話(huà)人聽(tīng)到講話(huà)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。時(shí)延超過(guò)了限度會(huì )使人感到不自然，一般來(lái)說(shuō)，時(shí)延超過(guò)了250ms，就會(huì )感到難于忍受。傳統的電話(huà)通信通話(huà)人是覺(jué)察不出時(shí)延的。而IP電話(huà)要把通話(huà)人說(shuō)話(huà)的聲音信號變換為數字的編碼信號，要把數字化的信號“分組”、打“包”，還要用“存儲—轉發(fā)”的方式傳送；在接收端還要解碼、合成、復原等等，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，等待轉發(fā)可能導致很長(cháng)的時(shí)延，甚至還會(huì )造成數據分組丟失，使收話(huà)人聽(tīng)不清或聽(tīng)不懂發(fā)話(huà)人的說(shuō)話(huà)。因此VoIP技術(shù)要求盡量減少時(shí)延。　　

　　IP網(wǎng)絡(luò )最初用來(lái)處理局域網(wǎng)間的流量，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )的許多數據報都是長(cháng)達1500字節的信息包。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，增加的延遲將達數十微秒甚至上百微秒。技術(shù)需要分割開(kāi)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(lèi)型：

話(huà)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路由設備,可以直接連接普通話(huà)機，透過(guò)中間的IP網(wǎng)絡(luò )實(shí)現話(huà)音傳輸。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

話(huà)音傳輸方式二：

　　網(wǎng)絡(luò )的兩端均有單位的PBX電話(huà)交換機，通過(guò)語(yǔ)音中繼連接到支持語(yǔ)音的IP路由設備上，用戶(hù)可以使用自己目前的話(huà)機，通過(guò)PBX進(jìn)行交換，將外出的話(huà)音傳輸通過(guò)IP傳輸到其他用戶(hù)端。

話(huà)音傳輸方式三　　　　

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

話(huà)音傳輸方式四

　　局域網(wǎng)上的用戶(hù)可以使用PC機上支持語(yǔ)音電話(huà)的軟件通過(guò)支持語(yǔ)音的IP路由設備與普通PSTN用戶(hù)交談。

　　上面四種方式基本上覆蓋了使用普通電話(huà)傳遞IP語(yǔ)音的方式，當然用戶(hù)還可以通過(guò)其他非普通電話(huà)方式傳輸語(yǔ)音，如許多基于PC機的IP 語(yǔ)音軟件直接在兩個(gè)不同PC之間進(jìn)行話(huà)音傳輸。

2.2 IP語(yǔ)音的結構設計

　　有線(xiàn)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(lái)對網(wǎng)絡(luò )上所有的語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)設備狀態(tài)進(jìn)行監控和管理。同時(shí)配置一臺NT服務(wù)器安裝VM，作為管理服務(wù)器。

2.3 IP語(yǔ)音的壓縮設計和QoS保障設計

　　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)廣泛應用的基礎上發(fā)展起來(lái)的。在實(shí)際的應用仍然中會(huì )有許多因素影響到傳輸話(huà)音的質(zhì)量，因此基于語(yǔ)音傳輸采用以下技術(shù)來(lái)保障實(shí)現語(yǔ)音的低帶寬和高質(zhì)量。

·　　　　 配置語(yǔ)音壓縮技術(shù)

　　利用已成為標準的語(yǔ)音壓縮技術(shù)，此類(lèi)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)減少數據包對帶寬的需求

　　因為Voice over IP是將語(yǔ)音封裝成IP的包來(lái)進(jìn)行傳輸的，為了保證傳輸的低時(shí)延，不可能將語(yǔ)音封裝為大的數據包，因此傳輸語(yǔ)音從包的數量上就會(huì )增加。將語(yǔ)音封裝成IP包，IP要在每個(gè)包前增加40字節包頭，這樣一來(lái)將大大占用傳輸的帶寬。在此進(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，從而可以大大節省帶寬。

·　　　　 采用IP包分割技術(shù)

　　在一個(gè)IP網(wǎng)絡(luò )中，往往一個(gè)數據包會(huì )較大，占有整個(gè)網(wǎng)絡(luò )帶寬，同時(shí)時(shí)間較長(cháng)，這樣會(huì )導致語(yǔ)音傳輸的時(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(xiàn)路中，保證語(yǔ)音的低時(shí)延。

·　　　　 配置IP優(yōu)先級技術(shù)減少延遲

　　在IP網(wǎng)絡(luò )中，所有的IP數據包會(huì )爭用有限的帶寬，這樣將無(wú)法保證語(yǔ)音的質(zhì)量。因此在語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò )中，將通過(guò)配置將語(yǔ)音的優(yōu)先級設高，從而滿(mǎn)足語(yǔ)音傳輸低延遲的要求。

·　　　　 配置RSVP和WFQ（加權的公平隊列）保證語(yǔ)音傳輸帶寬

　　當一路語(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 )被其他數據包占用，因此影響語(yǔ)音質(zhì)量。在網(wǎng)絡(luò )中，將配置RSVP來(lái)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

　　設置語(yǔ)音質(zhì)量控制中心，對整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的語(yǔ)音及編址進(jìn)行統一管理，同時(shí)可以根據網(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，準備采用以上的技術(shù)通過(guò)配置來(lái)實(shí)現VOIP并保障語(yǔ)音傳輸的質(zhì)量。

2.4 VOIP的帶寬設計

　　從目前所采用的壓縮模式和算法來(lái)看，理論上每路語(yǔ)音占10-12K帶寬，也就是說(shuō)，12路電話(huà)需要128K的帶寬，然而語(yǔ)音的傳輸不同于數據的傳輸，語(yǔ)音對傳送的時(shí)延有著(zhù)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)音傳輸的數據量，但它也會(huì )導致一定時(shí)延。

　　（2）傳輸距離會(huì )產(chǎn)生的固定時(shí)延。

　　（3）把語(yǔ)音數據放到傳輸串行線(xiàn)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(lái)說(shuō)，延時(shí)在200ms以?xún)缺徽J為是優(yōu)質(zhì)語(yǔ)音，在200ms～400ms之間被認為是可以接受的，400ms以上被認為是不可接受的語(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(huà)不管線(xiàn)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，所以在為其設計帶寬時(shí)，要作周密的考慮。為了獲得較好的話(huà)音效果，每路話(huà)音占14-16K 左右的帶寬是較好的選擇,因為有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的是一個(gè)寬帶網(wǎng)絡(luò )，因此在語(yǔ)音傳輸的帶寬上相應是有很大保障的，同時(shí)在中心配置了語(yǔ)音控制中心，對每路話(huà)音帶寬進(jìn)行申請控制，因此可以在網(wǎng)絡(luò )負載較大的情況下也可以保證話(huà)音的傳輸帶寬。

3基于HFC網(wǎng)絡(luò )的IP電話(huà)系統

　　有線(xiàn)電視系統中普遍采用HFC(光纖/電纜)結構。采用光纜將信號傳輸到小區節點(diǎn)，再用同軸分配網(wǎng)絡(luò )將信號送到用戶(hù)家中。由于用光纖代替同軸干線(xiàn)電纜后網(wǎng)絡(luò )性能獲得極大的改進(jìn)，以致于在實(shí)現高效率寬帶交互通信時(shí)，早期的“光纖到戶(hù)”目標不再認為是必須的。

　　HFC本身是一個(gè)CATV網(wǎng)絡(luò )，視頻信號可以直接進(jìn)入用戶(hù)的電視機，采用新的數字調制技術(shù)和數字壓縮技術(shù)，可以向用戶(hù)提供數字電視和HDTV。同時(shí)，話(huà)音和高速的數據可以調制到不同的頻段上傳送，來(lái)提供電話(huà)和數據業(yè)務(wù)。這樣 HFC支持全部現存的和發(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(guò)渡到FTTH網(wǎng)絡(luò )，為光纖用戶(hù)環(huán)路的建設提供了一種循序漸進(jìn)的手段。在HFC網(wǎng)絡(luò )中的數據傳輸是通過(guò)采用Cable Modem技術(shù)實(shí)現的，下面從這一技術(shù)出發(fā)，進(jìn)行實(shí)現話(huà)音業(yè)務(wù)(Voice Over Cable)的探討。

3.1 系統結構

　　實(shí)現話(huà)音業(yè)務(wù)的系統是采用HFC網(wǎng)絡(luò )， 基于Cable Modem技術(shù)實(shí)現的。在Cable Modem技術(shù)中，Cable Modem的傳輸模式分為對稱(chēng)式傳輸和非對稱(chēng)式傳輸。

　　對一個(gè)6MHz的模擬帶寬 (可以針對中國情況采用8MHz帶寬)，通過(guò)64QAM和256QAM數字調制，傳輸速率達到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調制，對200kHz到3.2MHz的模擬帶寬調制后，可獲得0.3Mbps到10Mbps的速率。通過(guò)上行和下行數據信道形成數據傳輸的回路。這里采用非對稱(chēng)技術(shù)，主要考慮到目前數據業(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)現的業(yè)務(wù)有Internet的高速接入，E－mail，計算機互連，家用辦公等。 一般系統除了網(wǎng)絡(luò )外還包括局端系統和用戶(hù)端系統，在Cable Modem系 統中對應Cable Modem的局端系統(Cable Head End Equipment)和Cable Modem的 用戶(hù)端設備(CM) 。在Cable Modem的局端系統中存在三個(gè)接口。一個(gè)是有線(xiàn)電視網(wǎng)絡(luò )接口， 與Cable Network連接，通過(guò)它可以連接上一級的CATV網(wǎng)絡(luò )相連，也可以傳輸轉播的衛星電視和本地的視像服務(wù)，信號可以是模擬的電視信號或者數字的電視信號。另一個(gè)是基于IP的數據網(wǎng)絡(luò )接口，通過(guò)它與數據網(wǎng)絡(luò )相連，實(shí)現數據業(yè)務(wù)。最后一個(gè)接口是話(huà)音接口，也就是PSTN接口。通過(guò)這三個(gè)接口，實(shí)現了HFC網(wǎng)絡(luò )與現有的三個(gè)通信媒體有線(xiàn)電視、計算機和電信網(wǎng)絡(luò )的連接。所以通過(guò)我們設計的Cable Modem系統， 不但實(shí)現多業(yè)務(wù)的用戶(hù)綜合接入，而且實(shí)現了三網(wǎng)的互連互通。

　　Cable Modem技術(shù)最初是實(shí)現IP數據的高速傳輸，這里我們在系統中嵌入VoIP模塊的設計。CM中的VoIP模塊完成話(huà)音的數字話(huà)和IP包的轉化。

　　局端系統中VoIP模塊具有智能處理的能力，能區分來(lái)自CM話(huà)音的目標性質(zhì)，經(jīng)過(guò)不同的處理由三個(gè)接口中一個(gè)進(jìn)入相應的網(wǎng)絡(luò )。

3.2工作原理

　　當用戶(hù)通過(guò)我們的HFC系統打電話(huà)時(shí)，從普通電話(huà)機接收的話(huà)音經(jīng)過(guò)CM中的VoIP模塊處理，將模擬話(huà)音信號轉化為IP包數據。然后這些攜帶了話(huà)音信息的IP包經(jīng)過(guò)CM的調制，通過(guò)HFC網(wǎng)絡(luò )上行到局端系統。在局端數據經(jīng)過(guò)解調還原為話(huà)音IP包。根據IP中目標地址的性質(zhì)進(jìn)行相應的處理。

　　市話(huà)處理

　　如果是到本地的PSTN，話(huà)音IP包由局端系統中的IP網(wǎng)關(guān)(IP Gateway)轉換成PCM數據，再送到PSTN網(wǎng)。

　　長(cháng)途處理

　　如果是到外地的PSTN，話(huà)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(huà)協(xié)議（H.323），然后通過(guò)因特網(wǎng)的傳輸到達當地的IP網(wǎng)關(guān)(IP Gateway)。IP網(wǎng)關(guān)對數據進(jìn)行解壓縮合解IP包處理還原成PCM數據，再送到遠程的PSTN，實(shí)現長(cháng)途電話(huà)功能。

　　Cable網(wǎng)絡(luò )處理：如果對方仍是Cable用戶(hù)，無(wú)須進(jìn)一步壓縮等處理，只需轉發(fā)就可。對方用戶(hù)通過(guò)自己CM中的VoIP模塊，將IP的數字信號轉化為模擬的聲音信號。我們可以看到，如果用戶(hù)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(hù)的CM目前還不是一個(gè)智能終端，不能區分目標性質(zhì)，需要統一在IP上，由局端系統來(lái)處理。

　　上述的過(guò)程均是可逆的，也就是Cable用戶(hù)同樣可以接收來(lái)自PSTN等其他網(wǎng)絡(luò )的電話(huà)。　　基于Cable Modem技術(shù)，在HFC網(wǎng)絡(luò )中實(shí)現話(huà)音業(yè)務(wù)，為用戶(hù)提供了另一種打電話(huà)的途徑，可以分擔現有電信網(wǎng)絡(luò )的負擔，也加強了現有CATV網(wǎng)絡(luò )的競爭性。 　

　　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(wèn)題， 并且能與現有的各種通信網(wǎng)絡(luò )連通。電話(huà)只能說(shuō)是其中的一項窄帶業(yè)務(wù)，通過(guò)HFC實(shí)現的應用還有很多，還有待于我們去探索。　　

中國有線(xiàn)電視導航