ISIN網(wǎng)絡(luò )體系與VoIP技術(shù)的發(fā)展
李魯湘 宋健 2009/06/25
世紀之初電信網(wǎng)發(fā)展五大趨勢
世紀之交，回顧展望，我們所面對的未來(lái)10年將是世界電信史上技術(shù)發(fā)展最活躍的時(shí)期，也是一百多年電信管理體制全面轉軌的時(shí)期，兩者的結合正在深刻地改變電信網(wǎng)的面貌和未來(lái)的技術(shù)走向。專(zhuān)家認為，在未來(lái)10年中，電信網(wǎng)的戰略發(fā)展趨勢將集中在5個(gè)方向：即網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)應用的IP化趨勢、網(wǎng)絡(luò )窄帶接入的無(wú)線(xiàn)化趨勢、網(wǎng)絡(luò )交換技術(shù)的分組化趨勢、網(wǎng)絡(luò )基礎設施的寬帶化趨勢和網(wǎng)絡(luò )功能結構的扁平化趨勢。
新一代綜合業(yè)務(wù)信息網(wǎng)(ISIN)網(wǎng)絡(luò )體系
隨著(zhù)Internet的深入應用與發(fā)展，IP將成為未來(lái)信息通信的主導技術(shù)，各種業(yè)務(wù)可由IP包來(lái)承載(Everything over IP)，而IP信息流又可以在各種傳輸媒體中傳送(IP over Everything)，并以IP網(wǎng)為基礎，最終實(shí)現數據、話(huà)音、圖象業(yè)務(wù)融合和網(wǎng)絡(luò )融合。采用統一的技術(shù)解決方案(Integrated Solution)來(lái)構建新一代信息網(wǎng)絡(luò )(Information Network)，以提供話(huà)音、數據和圖象等綜合服務(wù)(Integrated Service)，將成為人們不懈努力的追求目標，代表著(zhù)二十一世紀新一代通信網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展方向。
1.ISIN網(wǎng)絡(luò )體系結構
ISIN(Integrated Service of Information Network)即綜合業(yè)務(wù)信息網(wǎng)絡(luò )，以分組包交換技術(shù)和提供綜合各種服務(wù)為基礎，建立統一的信息網(wǎng)絡(luò )，將無(wú)縫地兼容現有各種業(yè)務(wù)，其網(wǎng)絡(luò )體系模型由圖1表示。
ISIN網(wǎng)絡(luò )體系由ISIN骨干網(wǎng)(BACKBONE)、ISIN接入網(wǎng)(ACCESS)和ISIN終端系統(CPE-Customer Premises Equipment)組成。ISIN是一個(gè)完全分組化(Pure Packet)的數字網(wǎng)絡(luò )。從CPE設備開(kāi)始，所有用戶(hù)信息(話(huà)音、數據、圖象等)皆作分組化處理，采用IP包或ATM信元承載，以MPLS協(xié)議作路由傳送到接入網(wǎng)和骨干網(wǎng)進(jìn)行傳輸與交換。在近階段，采用IP包和ATM信元兼容處理可以更好地無(wú)縫融合現有話(huà)音業(yè)務(wù)，并可實(shí)現QoS功能，支持VoIP等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。
ISIN骨干網(wǎng)的核心設備是IP交換機(IP Switch)。IP交換機實(shí)質(zhì)上是一部功能強大的高速路由器，采用IP over DWDM技術(shù)，直接以光纖密集波分復用方式組網(wǎng)。在高速骨干網(wǎng)周?chē)瑢⒉捎眠吘塈P交換機進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )擴展。
ISIN接入網(wǎng)在功能上作為CPE設備與骨干網(wǎng)之間的接入設備，向用戶(hù)提供語(yǔ)音、數據、圖像等各種綜合業(yè)務(wù)。在接入網(wǎng)的有關(guān)節點(diǎn)(Node)安裝各類(lèi)網(wǎng)關(guān)(Gateway)與PSTN及其它應用網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)互通，實(shí)現業(yè)務(wù)逐步從現有分離建設的PSTN網(wǎng)、DDN、FR等網(wǎng)絡(luò )中轉入到一體化ISIN網(wǎng)絡(luò )中，從而構建統一的ISIN信息網(wǎng)絡(luò )體系。
2.ISIN接入網(wǎng)
ISIN接入網(wǎng)設備由接入節點(diǎn)機和各種接口設備組成。節點(diǎn)機采用Packet/Cell交換核心模塊，外圍網(wǎng)絡(luò )側采用光纖接口互連，用戶(hù)側可采用xDSL經(jīng)UTP雙絞線(xiàn)傳輸，或采用Cable Modem經(jīng)同軸電纜(Coax)傳輸，也可以無(wú)線(xiàn)(Wireless)方式或光纖連接到用戶(hù)終端，從而構成ISIN節點(diǎn)處理設備。節點(diǎn)設備可以安裝內置網(wǎng)關(guān)模塊或連接外部獨立網(wǎng)關(guān)設備與PSTN等現有網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)，實(shí)現業(yè)務(wù)互通。同時(shí)節點(diǎn)設備配置有OMC設備，可與網(wǎng)絡(luò )管理中心和業(yè)務(wù)管理中心相連接，完成網(wǎng)絡(luò )和業(yè)務(wù)的統一管理。
通過(guò)功能模塊、接口模塊和網(wǎng)關(guān)模塊的獨特設計，使ISIN接入設備具有十分靈活便利的組網(wǎng)性能，可以很方便地滿(mǎn)足電信部門(mén)靈活組網(wǎng)和擴容的要求，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )隨業(yè)務(wù)發(fā)展不斷升級。同樣，由于ISIN組網(wǎng)的靈活性和分布適應性，可以根據客戶(hù)需求，靈活安裝節點(diǎn)設備，使用戶(hù)就近上網(wǎng)，業(yè)務(wù)就近分流進(jìn)入新建ISIN網(wǎng)中，從而不干擾現有PSTN網(wǎng)的話(huà)音業(yè)務(wù)。由此可見(jiàn)，ISIN接入網(wǎng)體現了“就近上網(wǎng)、業(yè)務(wù)綜合、自成網(wǎng)絡(luò )、走向未來(lái)”的特征，它代表著(zhù)網(wǎng)絡(luò )發(fā)展的方向，具有廣闊的發(fā)展前景。
3.ISIN CPE用戶(hù)終端設備
在用戶(hù)側，包括商業(yè)用戶(hù)和家庭用戶(hù)，需要安裝一個(gè)終端設備(CPE)和ISIN接入網(wǎng)相連，將分組化、寬帶化和智能化直接推進(jìn)到最終用戶(hù)。CPE設備采用機頂盒STB(Set Top Box)結構，可以是xDSL終端，也可以是Cable Modem 終端或是無(wú)線(xiàn)收發(fā)終端。可以從單一功能的終端起步，然后升級到具有路由功能的智能接入終端IAD(Intelligent Access Devices)。IAD采用10/100M以太網(wǎng)接口，連接內部局域網(wǎng)，組成HomeLAN網(wǎng)絡(luò )，可連接計算機、IP網(wǎng)絡(luò )電話(huà)、信息家電、家庭監控等終端設備。IAD可以采用光纖/xDSL/E1/V.35/Cable Modem/Ethernet等方式，與ISIN接入節點(diǎn)連接，為用戶(hù)提供話(huà)音、數據和圖象等信息業(yè)務(wù)。由此可見(jiàn)，立足ISIN分組化網(wǎng)絡(luò )，采用以太網(wǎng)接口、功能齊備且使用簡(jiǎn)便的各種應用終端將展現巨大的市場(chǎng)前景。
IP電話(huà)的技術(shù)障礙和實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)
1. 技術(shù)障礙
因為IP電話(huà)還有一些尚未有效解決的技術(shù)問(wèn)題，這些問(wèn)題引起的語(yǔ)音質(zhì)量不夠理想、使用不方便，因而還不容易為人們普遍接受。
IP電話(huà)的技術(shù)障礙目前主要有：
IP交換引起的傳輸時(shí)延無(wú)法確定。語(yǔ)音應用對時(shí)延有一定要求，人耳對400毫秒以下的時(shí)延反應不甚強烈，但若超過(guò)400毫秒，就會(huì )感到斷斷續續，無(wú)法忍受了。解決時(shí)延問(wèn)題是實(shí)現和發(fā)展IP電話(huà)的關(guān)鍵。
無(wú)法提供QoS保證，造成語(yǔ)音效果無(wú)法接受。實(shí)現業(yè)務(wù)傳輸優(yōu)先級的保證關(guān)鍵在于引入一種服務(wù)質(zhì)量機制(QoS)，允許網(wǎng)絡(luò )將不同類(lèi)型的業(yè)務(wù)置于特定的QoS隊列之中。使得語(yǔ)音業(yè)務(wù)的傳輸優(yōu)先級高于數據業(yè)務(wù)，從而降低了隊列延時(shí)，實(shí)時(shí)性得到保障。
帶寬限制了應用，接入手段需要極大的改善。足夠的帶寬也是確保語(yǔ)音數據包無(wú)時(shí)延地到達目的地所必須的條件。如果網(wǎng)絡(luò )面臨擁塞，就需要更大的網(wǎng)絡(luò )帶寬來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，僅僅采用優(yōu)先機制無(wú)法消除分組包的丟失問(wèn)題，若不希望丟棄任何數據包，就必須增加網(wǎng)絡(luò )帶寬。對于應用者來(lái)說(shuō)，帶寬越大越好，56K的模擬最大接入已經(jīng)遠遠不能達到要求了。
2.IP電話(huà)實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)
①話(huà)音壓縮技術(shù)
IP電話(huà)技術(shù)的基礎是話(huà)音壓縮技術(shù)。1995年11月，經(jīng)過(guò)較長(cháng)時(shí)間的研究，ITU(國際電聯(lián))批準了一個(gè)被稱(chēng)為G.729的新的話(huà)音壓縮標準。G.729標準采用的算法，可以?xún)H用8Kbit/s傳輸話(huà)音，話(huà)音質(zhì)量與32Kbit/sADPCM(G.724)相同。ADPCM(差分脈沖編碼調制)在全球的公共電話(huà)網(wǎng)絡(luò )中被用于提供長(cháng)話(huà)級話(huà)音(Toll Quality Voice)。G.729的算法被稱(chēng)作CS-ACELP(Conjugate Structured-Algebraic Code Excited Linear Predictive，對生結構代數碼激線(xiàn)性預測)，它構成了G.729標準的基礎。在標準形成的過(guò)程中，AT&T、法國電信、日本NTT的研究建議對基于該算法的系統性能改進(jìn)均起了重要作用。
CS-ACELP在標準PCM或線(xiàn)性PCM(Pulsed Code Modulation，脈沖編碼調制)的話(huà)音采樣基礎上，每10ms生成一個(gè)10字節長(cháng)的話(huà)音幀。這個(gè)算法提供了優(yōu)秀音質(zhì)，且延時(shí)很小。CS-ACELP也是為先進(jìn)的定點(diǎn)運算數字信號處理器設計的，因為它要求強大的運算處理能力。
G.729標準后來(lái)在1996年又得到了進(jìn)一步的優(yōu)化改進(jìn)。現在G.729是最重要的話(huà)音壓縮標準，其他的話(huà)音壓縮技術(shù)還有幾種，采用較多的是G.729和G.723/G.723.1。
②靜噪抑制技術(shù)
所謂靜噪抑制技術(shù)，是指檢測到通話(huà)過(guò)程或傳真過(guò)程中的安靜時(shí)段，并在這些安靜時(shí)候停止發(fā)送語(yǔ)音包。大量的研究表明，在一路全雙工電話(huà)交談中，只有36%～40%的信號是活動(dòng)的或有效的。當一方在講話(huà)時(shí)，另一方在聽(tīng)，而且講話(huà)過(guò)程中有大量顯著(zhù)的停頓。通過(guò)靜噪抑制技術(shù)，大量的網(wǎng)絡(luò )帶寬節省下來(lái)用于其他話(huà)音或數據通信。
③回聲消除技術(shù)
在PBX或局用交換機側，有少量電能未被充分轉換而且沿原路返回，形成回聲。如果打電話(huà)者離PBX或交換機不遠，回聲返回很快，人耳聽(tīng)不出來(lái)，這種情況下無(wú)關(guān)緊要。但是當回聲返回時(shí)間超過(guò)10ms時(shí)，人耳就可聽(tīng)到明顯的回聲了。為了防止回聲，一般需要回聲消除技術(shù)，在處理器中有特殊的軟件代碼監聽(tīng)回聲信號，并將它從聽(tīng)話(huà)人的語(yǔ)音信號中消除。對于IP電話(huà)設備，回聲消除技術(shù)是十分重要的，因為一般IP網(wǎng)絡(luò )的時(shí)延很容易就達到40～50ms。
④話(huà)音抖動(dòng)處理技術(shù)
IP網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)特征就是網(wǎng)絡(luò )延時(shí)與網(wǎng)絡(luò )抖動(dòng)，這可能導致IP電話(huà)音質(zhì)下降。網(wǎng)絡(luò )延時(shí)是指一個(gè)IP包在網(wǎng)絡(luò )上傳輸平均所需的時(shí)間，網(wǎng)絡(luò )抖動(dòng)是指IP包傳輸時(shí)間的長(cháng)短變化。當網(wǎng)絡(luò )上的話(huà)音延時(shí)(加上聲音采樣、數字化、壓縮、延時(shí))超過(guò)200ms時(shí)，通話(huà)雙方一般就愿意傾向采用半雙工的通話(huà)方式，一方說(shuō)完后另一方再說(shuō)。另一方面，如果網(wǎng)絡(luò )抖動(dòng)較嚴重，那么有的話(huà)音包因遲到被丟棄，會(huì )產(chǎn)生話(huà)音的斷續及部份失真，嚴重影響音質(zhì)。為了防止這種抖動(dòng)，人們采用了抖動(dòng)緩沖技術(shù)，即在接收方設定一個(gè)緩沖池，話(huà)音包到達時(shí)首先進(jìn)入緩沖池暫存，系統以穩定平滑的速率將話(huà)音包從緩沖池中取出、解壓、播放給受話(huà)者。這種緩沖技術(shù)可以在一定限度內有效處理話(huà)音抖動(dòng)，并提高音質(zhì)。
⑤話(huà)音優(yōu)先技術(shù)
話(huà)音通信實(shí)時(shí)性要求較高。為了保證提供高音質(zhì)的IP電話(huà)通信，在廣域網(wǎng)帶寬不足(擁擠)的IP網(wǎng)絡(luò )上，一般需要話(huà)音優(yōu)先技術(shù)。
當WAN帶寬低于512Kbit/s時(shí)，一般在IP網(wǎng)絡(luò )路由器中設定話(huà)音包的優(yōu)先級為最高，這樣，路由器一旦發(fā)現話(huà)音包，就會(huì )將它們插入到IP包隊列的最前面優(yōu)先發(fā)送。這樣，網(wǎng)絡(luò )的延時(shí)與抖動(dòng)情況對話(huà)音通信的影響均將得到改善。
另一種技術(shù)是采用資源預留協(xié)議(RSVP)為話(huà)音通信預留帶寬。只要有話(huà)音呼叫請求，網(wǎng)絡(luò )就根據規則為話(huà)音通信預留出設定帶寬，直到通話(huà)結束，帶寬才釋放。
但是，在企業(yè)IP網(wǎng)上，人們一般并不使用RSVP，而一般采用優(yōu)先級技術(shù)。幾乎所有品牌的路由器均支持一些優(yōu)先級技術(shù)。
將話(huà)音包的優(yōu)先級定為最高級別，任何時(shí)候路由器只要發(fā)現有話(huà)音包就將延遲對數據包的發(fā)送。這對于LAN數據包的影響可以忽略，因為話(huà)音的15Kbit/s與LAN的10～100Mbit/s帶寬相比是極少的，而且在LAN上沒(méi)有話(huà)音包優(yōu)先。
對于WAN數據傳輸的影響就看具體情況了，在低速的WAN鏈路上(28.8Kbit/s～256Kbit/s)，數據一般是非實(shí)時(shí)的，如電子郵件或文件傳輸，對數據包的延遲并不在意。對于相對較高速的WAN鏈路(256Kbit/s以上)，數據可能有實(shí)時(shí)性要求，如通過(guò)WAN進(jìn)行記錄級的文件操作。但話(huà)音通信所占的帶寬僅占整條WAN鏈路的幾個(gè)百分點(diǎn)，話(huà)音包的流量與WAN帶寬相比是可以忽略的。
實(shí)際上，對IP包采取優(yōu)先級規則，在WAN上有機地結合數據與話(huà)音通信，是對WAN帶寬的更充分有效的利用。在低速鏈路上，數據一般是非實(shí)時(shí)的、后臺的，在較高速鏈路上，不會(huì )有大量的實(shí)時(shí)話(huà)音流量與大量的實(shí)時(shí)數據流量相沖突。
⑥IP包分割技術(shù)
如果WAN鏈路為64Kbpit/，為更好地保證IP電話(huà)的音質(zhì)，應將IP包大小限制為不超過(guò)256字節。
⑦VoIP前向糾錯技術(shù)-FEC
一般企業(yè)網(wǎng)絡(luò )均有較低的丟包率/錯包率，因而IP電話(huà)網(wǎng)關(guān)僅需將話(huà)音包回放為聲音即可。公共Internet網(wǎng)絡(luò )往往有較高的丟包率，這不足以維持高質(zhì)量的話(huà)音通信。在這種情況下，FEC技術(shù)就能夠發(fā)揮重要作用。FEC技術(shù)有兩級，第一級是Intra-Packet，第二級是Extra-Packet。第一級是在同一包內加冗余數據，以便接收方糾錯、恢復、還原話(huà)音數據，保證音質(zhì)。第二級是在每一個(gè)話(huà)音包中存放后續包的冗余數據，以便接收方從已經(jīng)接收到的包中恢復出錯或丟失的話(huà)音包。
FEC可以降低10%～20%的丟包率，保持高音質(zhì)。但是FEC要多消耗多達30%的網(wǎng)絡(luò )帶寬，因此在企業(yè)網(wǎng)內部一般不采用FEC。
IP電話(huà)領(lǐng)域的四個(gè)最新發(fā)展方向
隨著(zhù)IP電話(huà)走向市場(chǎng)，IP電話(huà)運營(yíng)商為使其服務(wù)受用戶(hù)青睞，除提供話(huà)音郵件、呼叫等待和高速ADSL接入服務(wù)外，都將推出新的應用。
1.賦予普通電話(huà)IP功能
IP電話(huà)又一種新的應用是賦予普通電話(huà)以IP能力。例如，Aplio公司最近推出的Aplio/Phone2.0能將普通電話(huà)連接至Internet，并能與兼容H.323標準的IP電話(huà)和會(huì )議軟件相結合使用。
2.賦予呼叫中心網(wǎng)絡(luò )能力
現在已有一些廠(chǎng)商(如美國Essl科技公司和NetSpeak公司)開(kāi)始推出IP電話(huà)產(chǎn)品，這些產(chǎn)品能讓用戶(hù)使用同一條電話(huà)線(xiàn)打電話(huà)和接入網(wǎng)站，并在呼叫中心向代理商傳送為用戶(hù)服務(wù)的在線(xiàn)請求，因此用戶(hù)無(wú)需斷開(kāi)與Internet的連接就能獲得對代理商的實(shí)時(shí)話(huà)音接入。由于呼叫中心在眾多企業(yè)中起著(zhù)為用戶(hù)提供服務(wù)的重要作用，所以網(wǎng)絡(luò )化的呼叫中心將會(huì )得到普遍應用。
3.一體化的消息傳遞
一體化消息傳遞是讓用戶(hù)通過(guò)一部電話(huà)或PC接入E-mail、傳真和尋呼消息。這種一體化的消息接入服務(wù)現在盡管還不普遍，但是經(jīng)營(yíng)IP電話(huà)網(wǎng)絡(luò )的業(yè)內人士認為，在今后幾年內它將會(huì )成為重要的服務(wù)方式。一些IP電話(huà)廠(chǎng)商目前正在開(kāi)發(fā)能提供一體化消息服務(wù)的產(chǎn)品。
4.IP電視電話(huà)
IP電話(huà)另一種可能的新應用是改善IP電話(huà)呼叫的視頻連接。例如，Netspeak公司的WebPhone4.0和VocalTec通信公司的InternetPhone5等產(chǎn)品，都能用作實(shí)時(shí)電視電話(huà)。IP傳輸視頻(Video over IP)與IP電話(huà)一樣也需要相當的帶寬，這一特點(diǎn)有助于這一技術(shù)與IP電話(huà)相結合，從而有利于那些經(jīng)常面對帶寬限制的家庭和小企業(yè)用戶(hù)。
ISIN網(wǎng)絡(luò )體系展望
ISIN網(wǎng)絡(luò )結構模型可以描述未來(lái)信息網(wǎng)絡(luò )的需求與發(fā)展，ISIN代表著(zhù)未來(lái)網(wǎng)絡(luò )發(fā)展的方向，ISIN網(wǎng)絡(luò )體系的建立將是一個(gè)長(cháng)期的研發(fā)和積累進(jìn)程。因此，ISIN網(wǎng)絡(luò )體系結構用來(lái)對新一代寬帶信息網(wǎng)絡(luò )的技術(shù)研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，將有很好的規劃指導意義。
圍繞ISIN網(wǎng)絡(luò )體系，在ISIN結構模型涵蓋下，不斷豐富產(chǎn)品系列，每一個(gè)新產(chǎn)品都應定位明確，適應市場(chǎng)，并逐步積累完善，實(shí)現產(chǎn)業(yè)化。可以預計，新一代綜合業(yè)務(wù)信息網(wǎng)絡(luò )(ISIN)將在未來(lái)的技術(shù)研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中得到不斷豐富和完善，將為我國信息產(chǎn)業(yè)帶來(lái)顯著(zhù)的技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟效益。
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