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VoIP基本概念:原理及技術(shù)

VoIP是英語：Voice over Internet Protocol的縮寫，是一種IP語音通話技術(shù)，經(jīng)由網(wǎng)際協(xié)議（IP）來達成語音通話與多媒體會議，也就是經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)來進行通信。通過因特網(wǎng)進行語音通信是一個非常復(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(yoiceove、iIP)技術(shù)，可以說，因特網(wǎng)語音通信是VoIP技術(shù)的一個最典型的、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。 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64kb讓Is。而所謂的VoIP是以IP分組交換網(wǎng)絡(luò)為傳輸平臺，對模擬的語音信號進行壓縮、打包等一系列的特殊處理，使之可以采用無連接的UDP協(xié)議進行傳輸。為了在一個IP網(wǎng)絡(luò)上傳輸語音信號，要求幾個元素和功能。最簡單形式的網(wǎng)絡(luò)由兩個或多個具有VoIP功能的設(shè)備組成，這一設(shè)備通過一個IP網(wǎng)絡(luò)連接。VoIP模型的基本結(jié)構(gòu)圖如圖所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)VoIP設(shè)備是如何把語音信號轉(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。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階段。 1、傳送 在這個通道中，全部網(wǎng)絡(luò)被香成一個從輸入端接收語音包，然后在一定時間(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。網(wǎng)絡(luò)中的同間節(jié)點檢查每個1P數(shù)據(jù)附帶的尋址信息，并使用這個信息把該數(shù)據(jù)報轉(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1P數(shù)據(jù)流的任何拓結(jié)構(gòu)或訪問方法。 2、語音考女據(jù)轉(zhuǎn)換 語音信號是模擬波形，通過IP方式來傳輸語音，不管是實時應(yīng)用業(yè)務(wù)還是非實時應(yīng)用業(yè)務(wù)，道貌岸首先要對語音信號進行模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，也就是對模擬語音信號進行8位或6位的量化，然后送入到緩沖存儲區(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行編碼。典型幀長為10~soms?？紤]傳輸過程中的代價，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現(xiàn)，目前采用的語音編碼標準主要有ITU-TG.711。源和目的地的語音編碼器必須實現(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。 3、原數(shù)據(jù)到IP轉(zhuǎn)換 一旦語音信號進行數(shù)字編碼，下一步就是對語音包以特定的幀長進行壓縮編碼。大部份的編碼器都有特定的幀長，若一個編碼器使用15ms的幀，則把從第一來的60ms的包分成4幀，并按順序進行編碼。每個幀合120個語音樣點（抽樣率為8kHz)。編碼后，將4個壓縮的幀合成一個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、時標和其它信息后通過網(wǎng)絡(luò)傳送到另一端點。語音網(wǎng)絡(luò)簡單地建立通信端點之間的物理連接（一條線路），并在端點之間傳輸編碼的信號。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)報或分組中，然后給每個數(shù)據(jù)報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。 4、數(shù)字語音轉(zhuǎn)換為模擬語音 播放驅(qū)動器將緩沖器中的語音樣點(480個）取出送入聲卡，通過揚聲器按預(yù)定的頻率（例如8kHz)播出。簡而言之，語音信號在P網(wǎng)絡(luò)上的傳送要經(jīng)過從模擬信號到數(shù)字信號的轉(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等過程。整個過程如圖2·19所示。 5、IP包－數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換 目的地VoIP設(shè)備接收這個1P數(shù)據(jù)并開始處理。網(wǎng)絡(luò)級提供一個可變長度的緩沖器，用來調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的抖動。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。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，這個模塊也可以按幀進行操作，完全和解碼器的長度相同。若幀長度1為5ms,,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)，然后把這個原數(shù)據(jù)提供給解碼器。二、推動VoIP發(fā)展的動力由千相關(guān)的硬件、軟件、協(xié)議和標準中的許多發(fā)展和技術(shù)突破，使得VoIP的廣泛使用很快就會變成現(xiàn)實。這些領(lǐng)域中的技術(shù)進步和發(fā)展為創(chuàng)建一個更有效、功能和互操作性更強的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。從表中可以香出，推動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方面。 1、數(shù)字信號處理器 先進的數(shù)字信號處理器(DigitalS呾1alProcessor,DSP)執(zhí)行語音和數(shù)據(jù)案成所要求的計算密案的任各。DSP處理數(shù)字信號主要用千執(zhí)行復(fù)雜的計算，否則這些計算可能必須由通用CPU執(zhí)行。它們的專門化的處理能力與低成本的結(jié)合D使SP很好地適合千執(zhí)行VoIP系統(tǒng)中的信號處理功能。單個語音流上G.729語音壓縮的計算開銷開常大，要求達到20MIPS,如果要求一個中央CP唯處理多個語音流的同時，還執(zhí)行路由和系統(tǒng)管理功能，這是不現(xiàn)實的，因此，使用一個或多個DSP可以從中央CPU卸載其中的復(fù)雜語音壓縮算法的計算任務(wù)。另外，DSP還適合千語音的活動檢測和回聲取消這樣的功能，困為它們實時處理語音數(shù)據(jù)流，并能快速訪問板上內(nèi)存，因此。在本章節(jié)中，比較詳細地介紹如何在TMS320C6201DSP平臺來實現(xiàn)語音編碼和回聲抵消的功能。表2·2推動VoIP的主要技術(shù)進展協(xié)議和標準軟件硬件H.323加權(quán)公平排隊法DSPMPLS標記交換加權(quán)隨機早期檢測禹級ASICRTP,RTCP雙涌斗通用信元速率算法DWDMRSVP額定訪問速成率SONETDiffsetv,CARCisco快速轉(zhuǎn)發(fā)CPU處理功率G.729,G.729a:CS·ACELP擴展訪問表ADSL,RADSL,SDSL FRF.11/FRF.12令牌桶算法MttltifulkPPP幀中繼數(shù)據(jù)整流形SIP基千優(yōu)先級的cosPacketoverSONETIP和ATMQoS/CoS的案成協(xié)議和標準軟件硬件H.323加權(quán)公平排隊法DSPMPLS標記交換加權(quán)隨機早期檢測齋級ASICRTP,RTCP雙涌斗通用信元速率算法DWDMRSVP額定訪問速成率SONETD畫印，CARCisco快速轉(zhuǎn)發(fā)CPU處理功率G.729,G.729a:CS·ACELP擴展訪問表ADSL,RADSL,SDSLFRF.11/FRF.12令牌桶算法MttltifulkPPP幀中繼數(shù)據(jù)整流形SIP基千優(yōu)先級的CosPacketov切SONETIP和ATMQoS/CoS的案成 2、商級專用集成電路 專用案成電路(Application-Spec血血egratedCu、cait,ASIC)發(fā)展產(chǎn)生了更快、更復(fù)雜、功能更強的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。由千案中千很窄的應(yīng)用目標，故它們可以對特定的功能進行禹度的優(yōu)化，通常雙通用CPU快一個或幾個數(shù)量級。就像精簡指令案計算機(RSIC)芯片案中千快速執(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)的成本并不尚，被用千包括路由器和交換機這樣的網(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等功能。ASIC的使用使設(shè)備的性能更尚，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VoIP發(fā)展起著很大的促進作用。 3、IP傳輸持術(shù) 傳輸電信網(wǎng)大多采用時分多路復(fù)用方式，因特網(wǎng)須采用的是統(tǒng)計復(fù)用變長分組交換方式，二者相比，后者對網(wǎng)絡(luò)資源利用率齋，互連互通簡便有效、對數(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QoS和延遲特性提出了茍刻的要求，因此，統(tǒng)計復(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1P協(xié)議·•IPV6外，世界因特網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)提出了多協(xié)議標記交換技術(shù)(MPLS),這是一種基千網(wǎng)絡(luò)層選路的各種標記／標簽的交換，能提齋選路的靈活性，擴展網(wǎng)絡(luò)層選路能力，簡化路由器和基千信元交換的案成，提禹網(wǎng)絡(luò)性能。MPLS既可以作為獨立的選路協(xié)議工作，又能與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)選路協(xié)議兼容，支持1P網(wǎng)絡(luò)的各種操作、管理和維護功能，使IP網(wǎng)絡(luò)通信的QoS、路由、信令等性能大大提齋，達到或接近統(tǒng)計復(fù)用定長分組交換(ATM)的水平，而又比ATM簡單、離效、便宜、適用。IETF還地抓緊新的分組理理持術(shù)，以便實現(xiàn)QoS選路。其中正在研究＂隧道技術(shù)＇就，是為了實現(xiàn)單向鏈路的寬帶傳送。另外，如何選擇1P網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺也是近年來研究的一個重要領(lǐng)域，先后出現(xiàn)了1PoverATM、IPOV切SDH、IPoverDWDM等技術(shù)，目前公認的寬帶網(wǎng)絡(luò)分析模型如圖所示。第一層是基層礎(chǔ)，提供禹速的數(shù)據(jù)傳輸骨干。IP層向1P用戶提供禹質(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1P網(wǎng)絡(luò)的物理層，是理所當然的事情，但是IPOVe、tDWDM卻上最新技術(shù)，并具有很大的發(fā)展?jié)摿Α? 密案波分多路復(fù)用(Det1seWaveDivisionMttltipLexing,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波長的光(LASER)而得來的。目前的系統(tǒng)能夠發(fā)送和識別16個波長，而將來的系統(tǒng)能夠支持40~96全波長。這具有重要意義，因為每增加一個波長，就增加了一個信息流。因此可以將2.6Gbit/s(OC-48)網(wǎng)絡(luò)擴大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)的速度運行OC-192,在與DWDM結(jié)合時，在一對光纖上產(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支持ATM、SDH和千兆以太網(wǎng)信號的傳輸，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的主干網(wǎng)，并使寬帶成本更低和訪問性更強，這對VoIP解決方案的帶寬要求提供強有力的支持。增加的傳輸速率不僅可以提供更粗的管道，使阻塞的機會更少，而且使延時降低了許多，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是光纖到戶(FTI1:I)。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V5.1N5.2,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，接入速率可達622Mbit/s,對寬帶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)點數(shù)目，擴大覆蓋范圍。目前ITU已完成了標準化工作，各廠家正在積極研制，不久會有商品上市，將成為面向21世紀的寬帶接入技術(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Et!舊11et以及寬帶無線接入系統(tǒng)列等。這些接入技術(shù)各有特點，其中發(fā)展最快的是ADSL和CM;CM(CableMod句n)采用同軸電纜，傳輸速率離、抗干擾能力強；但是不能雙向傳輸，無統(tǒng)一標準。ADSL(A叩rnnetJicalDigitalLoop)獨享接入寬帶，充分利有現(xiàn)有電話網(wǎng)，提供非對稱的傳輸速率，用戶側(cè)的下載速率可以達到8Mbit/s,用戶側(cè)的上載速率可以達到IMbit/s。ADSL為企業(yè)和各個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)在公司能以更齋的速度訪問因特網(wǎng)和基千因特網(wǎng)服務(wù)供應(yīng)商的VPN,允許更尚的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，并提忘了受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然成為下一步的目標。這個計算功能使先進的多媒體桌面應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)組件中的先進功能都支持語音應(yīng)用。 6、IP包－數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換 目的地VoIP設(shè)備接收這個1P數(shù)據(jù)并開始處理。網(wǎng)絡(luò)級提供一個可變長度的緩沖器，用來調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的抖動。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。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，這個模塊也可以按幀進行操作，完全和解碼器的長度相同。若幀長度1為5ms,,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)，然后把這個原數(shù)據(jù)提供給解碼器。

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