摘 要：IP電話采用的信道復用和基于分組交換的傳輸技術提高了線路傳輸利用率。HFC網雙向改造的完成和DOCSIS的不斷完善為開展IP電話增值業務提供了理想的接入網平臺。本文研究了IP電話技術的現狀、發展趨勢,以及IP電話的標準H.323規約、SIP、MGCP、RTP/RTCP和RSVP。最后介紹了一種國內開發的HFC網上IP電話應用系統。
關鍵詞：IP電話 QoS H.323 HFC接入網
?
IP電話是一種利用IP網絡作為傳輸載體實現計算機－計算機、普通電話－普通電話、計算機－普通電話之間話音通信的技術。IP電話目前還處在初級階段，無論在標準上、設備的成熟程度上和系統的設計理論上與現有傳統電話相比還有很大的差距。但是IP電話從根本上動搖了電話必須基于電路交換技術這種理論，目前普遍認為下一代的電話網將會建立在統計復用的分組交換技術的基礎之上。Internet電話由于采用信道復用和基于分組交換的傳輸技術，提高了線路的利用率，這是其收費便宜的主要原因。此外，新的基于計算機的多媒體通信需要Internet電話技術的支持，也促使了這一新技術的發展。當然，受市場驅動也是Internet電話技術迅速發展的原因。面對這一巨大市場，許多大公司像Microsoft、Intel、Lucent都紛紛加入了市場競爭。
這種競爭也促使了與Internet電話技術相關的技術和標準的不斷出現，如語音編碼技術、實時傳送協議(RTP：Real－time Transport Protocol)、資源預約協議(RSVP：Resource Reservation Protocol)、呼叫建立和控制協議等等，為這一技術的實用化提供了良好的條件。IP電話要和普通電話競爭，成為未來語音通信的主要手段必須解決以下幾個問題：一是語音質量，無論在音質、流暢度和時延方面應與普通電話相當；二是呼叫和連接的建立要簡單方便；三是要有統一的標準，以便實現不同廠家產品的互通。
1 IP電話QoS 的改善
IP電話是基于Internet的，而Internet主要的協議TCP/IP是為提供非實時數據業務而設計的，例如，對主機之間傳輸的數據不進行檢錯和糾錯；目前還不能實現帶寬管理、流量控制等。影響IP電話質量的因素有：編解碼方法、時延、時延抖動、丟包、比特差錯和協議處理。時延和時延抖動影響聽覺，時延還會造成回波，時延越長所需的用于消除回波的計算機指令的時間就越長。Internet電話的時延通常由三部分組成，即編/解碼時延、數據包傳送時延和緩存時延。丟包和比特差錯影響話音包的解碼，而協議處理影響著呼叫建立時間及呼叫建立成功率、計費正確率等指標。
為了改善網絡QoS，在H.323協議中，采用RTCP(實時控制協議)對IP電話系統的性能進行大致的監測，并通過RTCP或H.245進行反饋控制。另外，H.323對網閘定義了呼叫控制、帶寬管理和帶寬控制功能，并引入了RSVP(資源預留協議)，為服務質量保證提供一些技術手段。ETSI對IP電話的服務質量(QoS)問題已建立了一個框架，并提出了端到端的QoS預算。端到端時延QoS參數決定了源宿路徑上諸如分組調度(帶寬分配)、排隊規則(緩存分配)、進程調度(CPU處理時間分配)等傳輸服務的行為。為了提高端到端QoS，還需要建立一套完整的網絡運營管理系統，實現有效的資源管理、接納控制、調度機制(如EDF：earliest deadline first算法)，并在各個具有管理控制職能的網元上設置QoS監控功能，用來監控網絡的下列性能指標：帶寬占用、信號抖動、延遲、丟包率、吞吐量。如在網關(Gateway)、網閘(Gatekeeper)及網管服務器(Network Manager)都通過各語音信道及任意IP鏈路進行QoS指標的監控。
由于網絡擁塞、緩沖區溢出、誤碼等原因，在無連接的IP網絡中時常發生丟包。VoIP技術采用的話音壓縮編碼技術算法多是以幀為單位的，對丟失數據包比較敏感，連續丟幀會明顯地影響接收端合成話音的可懂度、自然度和清晰度。通常有幾種方法進行補償：其一是語音插空(interpolate)，即重放丟失分組的前一分組。其二是以增加帶寬開銷為代價，發送冗余信息，使對方有一定的糾錯能力。還可以根據前后語音信息的相關性，在解碼時重構出丟失的幀。當丟包率不超過10%時，這些措施都是相當有效的。
2 IP電話的信令與協議
2.1 ITU H.323
要使互聯網電話大量普及發展，必須建立一個統一的國際標準，以使不同廠家的產品實現互通。Intel和Microsoft已發起了一個超過100個廠商參加的組織，該組織將數據包管理的實時協議(RTP/RTCP)及帶寬預約協議(RSVP)合在一起，并加入ITU的T.120數據會議和H.323音頻與視頻會議標準，準備做成一個完整的互聯網電話協議。
H.323v2系統包括用戶終端、網關、網閘(Gatekeepers)、多點控制器(Multipoint Controllers)、多點處理器(Multipoint Processors)和多點控制單元(MCU)。H.323用戶終端具有點對點或點對多點會議的語音通信能力。網關完成傳輸格式(如H.225.0與H.221)和通信流程(如H.245與H.242)的轉換，以實現IP網絡終端與電路交換網絡(SCN)終端之間的通信。網閘的功能有：地址轉換(Address Translation)；確認控制(Admission Control)；帶寬控制(Bandwidth Control)；區域管理(Zone Management)。理論上網閘與終端是獨立的，物理上網閘可存在于終端、MCU、網關、MC或其他H323設備中。
IMTC下的VoIP論壇已采用H.323作為Internet電話技術的基礎，H.323協議也一直在發展變化與改進完善之中。H.323的最新版本V2與V1相比引入了包括快速連接在內的新特性，下一版本(包括H.323v3和H.225.0v3)亦在醞釀之中，屆時在網閘互通問題等方面可能會有突破。H.323標準的內容亦不斷豐富，如H.323 Annex D(Real Time Internet Fax)；H.323 Annex E(Call Connection over UDP)；H.323 Annex F(Single Use Terminal)；H.323 Annex G(Communication between Administrative Domains)；H.450.x(Supplementary Services)。隨著這些標準的逐步推出和完善，H.323系列的功能將更加強大。
2.2 SIP
雖然H.323提供了多媒體通信所需要的所有子協議，但H.323的控制協議非常復雜。此外，H.323不支持多點發送(Multicast)協議，只能采用多點控制單元(MCU)構成多點會議，因而只能同時支持有限的多點用戶。H.323在Internet內部是一個比較好的協議，然而由于其不支持呼叫轉移和DTMF信號傳輸，作為與PSTN的網關協議不太合適。與H.323不同的是：SIP是一種基于文本的協議，用SIP規則資源定位語言描述(SIP Uniform Resource Locators)，是一種應用層協議，可以用UDP或TCP作為其傳輸協議。SIP不像H.323提供了所有的通信協議，而是只提供了呼叫的建立與控制功能。SIP可以應用于多媒體會議、遠程教學及Internet電話等領域，這樣易于實現和調試，更重要的是靈活性和擴展性好。
2.3 MGCP
IETF制定的MGCP融合了最初由Bellcore開發的簡單網關控制協議SGCP和由Level3 提出的IPDC(Internet Protocol Device Control)協議。典型的MGCP網關系統由一系列的網關和網關控制器——呼叫代理CA(Call Agent)組成。MGCP體系的特點在于它假定呼叫控制體系中，呼叫控制智能不屬于任何網關設備，而由獨立的呼叫代理CA來承擔。因而MGCP實際上是一個主從協議，網關只能服從和執行呼叫代理的指令。MGCP的最大優點在于簡化用戶終端設備，集中呼叫管理。尤其重要的是，網關間除了語音業務流外，沒有直接的信息交換，這樣可以把網關做得更小更穩定。
MGCP目前最大的困難在于缺乏呼叫地理之間的通信協議。如果一個呼叫涉及到兩個由不同CA控制的RGW時，CA之間必須協同工作，才能完成接續。因此，對于不涉及PSTN的呼叫，我們傾向于采用一個更簡單的協議——SIP來處理CA之間通信，它的最大優勢就在于被用來處理Internet 上的多媒體呼叫。
H.323、SIP和MGCP都是IP電話網絡發展過程中不可缺少的要素，將在相當長的時間內繼續共存。表1列出了H.323、SIP、MGCP的比較結果。
2.4 實時傳送協議RTP/RTCP、資源預約協議RSVP
Internet話音基本上是基于UDP協議來傳送的。但UDP不反饋信道和延時情況，信源無法知道傳送質量，也無法調整話音編碼速率。RTP協議正是用來解決這一問題的。RTP提供了時間標簽和控制不同數據流同步等特性的機制，可以讓接收端重組發送端的數據包，可以提供接收端到多點發送組的服務質量反饋，具有較強的時間特征。RTP協議從上層接收多媒體信息碼流(如G.723音頻)組裝成RTP數據包，然后發送給下層UDP。RTCP為實時控制協議，主要監視延時和帶寬。一旦所傳送的多媒體信息流的帶寬變化，接收端則通知發送端，改變符號化識別碼和編碼參數。
由于RTP本身并不提供任何機制保證實時傳送，也不保證任何服務質量，即RTP協議不能保證傳輸的完整性，故H.323v2終端及路由器中均采用RSVP協議實現資源預留，以確保端到端間的傳輸帶寬。RSVP協議是在best－effort環境下，為改善網絡對業務流的控制能力而設計的資源預留協議，其主要目的是改善Internet網絡對實時媒體的QoS支持能力。RSVP信息是作為IP數據報發出，RSVP協議本身不含數據傳輸成分，RSVP協議所起的作用就是利用預留信息控制IP分組的傳輸方式。
3 Cable Modem系統上IP電話的應用
3.1 DOCSIS1.1對QoS 支持
電纜數據業務接口規范DOCSIS (Data Over Cable System Interface Specification) 是由多媒體電纜網絡系統MCNS(Multimedia Cable network System)組織提出的，是HFC網實現雙向高速數據傳輸的接口規范，現已成為國際標準(ITU－T J112B) 。由于Cable Modem上行速率為320Kbps～10Mbps，下行速率為27Mbps或36Mbps，這種非對稱數據傳輸方式不僅比目前的電話線Modem或ISDN設備速率更快，而且使用戶組網及管理網絡更加方便，具有很大的市場潛力。1999年3月出臺的DOCSIS1.1重點增強了Cable Modem系統保證QoS的機制，為Cable Modem上IP電話系統的實現奠定了堅實的基礎。DOCSIS1.1對QoS的保證機制：
(1)數據包分類(Packet Classification)
數據包分類的基本機理類似于IPv6的流標記 (Flow Label) 功能, 即在射頻接口上由MAC層協議將需要相似路由處理的一系列數據分組都映射到同一業務流(Service Flow)中，再按一定算法對所有業務流進行調度，并結合流量整形(shaping), 策略(policy), 設定優先級(prioritizing )等措施來確保QoS。
(2)數據包的分片(Fragmentation)
DOCSIS1.1的MAC層數據包分片機制使CM在CMTS的控制下能夠自適應地將長數據包分割為多個較小的包，分別單獨發送。這一對IP層完全透明的過程使CMTS對上行信道帶寬進行調度時有更大的靈活性，從而能夠動態的控制整個系統的時延性能。分片過程就是將分割后的MAC幀片段添上固定長度的分片頭和分片CRC進行重新封裝的過程。
(3)凈荷報頭抑制(Payload Header Suppression，PHS)
經過分類器對數據包的分類匹配，需要相似路由處理的數據包都被映射到了同一個業務流中。在此基礎上，可以對屬于同一業務流的數據幀凈荷報頭中內容相同的字段進行壓縮，以減少不必要的開銷，從而進一步提高傳輸效率。DOCSIS1.1的做法是：發送端實體將分類器表作用于每個輸入的數據分組，其結果將得到一個與之匹配的業務流和相應的PHS規則, 它規定了被抑制字段的字節數PHSS、將被抑制的字符串PHSF以及該字符串的索引值PHSI。如果原始數據中需要抑制的字段內容與PHSF一致，那么，實際發送的數據包中被抑制的字段將由PHSI來替代。接收端實體根據收到的SID和PHSI可以恢復出PHSF，進而重構出被壓縮的凈荷報頭。PHS可以用于任何類型的業務流，但是它針對接受UGS調度的業務流作了專門的優化，PHS可以保證UGS所要求的數據分組長度固定。
3.2基于DOCSIS數據電纜網的IP電話系統
Cable Modem系統上IP電話的應用由4大部分組成：DSP、FPGA、DSLAC和SLIC電路。用戶線接口電路(SLIC)與雙用戶線音頻處理電路(DSLAC)構成用戶電路完成BORSCHT功能。現場可編程門陣列FPGA是微處理器、DSLAC、兩個SLIC和DSP的接口電路。DSP負責的語音處理功能有：語音壓縮、回聲消除、話音活動檢測(VAD)、抖動緩沖管理、以及音調檢測等，支持電話機的摘機檢測，DTMF信號檢測。微處理器負責作業調度，內存管理和任務間的通信，提供與電話設備的信令接口、實現對IP電話的網管功能、實現有關的協議棧如TCP/IP。
基于DOCSIS數據電纜網的IP電話系統，如圖1所示。該系統由以下幾個重要功能組件構成：
(1)CM(Cable Modem)和CMTS(Cable Modem Termination System)
對IP電話系統而言，基于DOCSIS1.1的端到端QoS保證機制須由CM和CMTS來共同實現。此外，用戶網關功能的實現在很大程度上有賴于CM的支持。
(2)呼叫代理
呼叫代理包括路由數據庫、用戶數據庫、CDR數據庫等一組數據庫和應用程序，負責處理復雜的信令轉換控制和連接控制并進行地址轉換、網絡路由。實現了對干線網關和用戶網關的呼叫控制。
(3)業務支持系統(OSS：Operation Support System)
通過DHCP、FTFP/HTTP、SNMP、DNS和RKS(Record Keeping Server)等服務器，為運營商提供用戶管理，性能管理、故障管理、安全管理、計費管理和配置管理功能，保證了系統能夠高效、可靠地運行。
(4)PSTN網關
包括媒體網關和信令網關兩個模塊，它們在呼叫代理的控制下，媒體網關完成SCN和IP間的語音信息轉換；信令網關則完成NCS(Network－based Call Signaling)和SS7間的轉換，從而實現同PSTN的互通。
中國信息產業部已經批準中國電信、聯通、吉通和網通組建IP電話業務實驗網。IP電話業務實驗網的建成將對中國電信市場帶來諸多積極的影響：推進我國網絡電話技術的發展和應用，與世界通信技術的發展趨勢保持同步；降低電話業務的通信費用，促進電信事業的發展；IP電話實驗網的實驗運行，在技術、業務流程、營銷、業務種類、服務質量等各方面積累寶貴的經驗，為今后IP電話的實際應用打下基礎。
HFC網雙向改造的完成和電纜數據業務接口規范DOCSIS的不斷完善為寬帶交互式多媒體業務，特別是為開展IP電話增值業務提供了理想的接入網平臺。HFC上的IP電話系統具有高的帶寬可用性、數據處理功能和存儲能力，并綜合了bundling和帳單功能。它獨立于電信公司的通信線路，兼容傳真、調制解調器、撥號形式以及用戶指令。還支持包括呼叫等待、三方呼叫及多點接入等等。在提供和PSTN相同的話音質量和響應時間的同時節省大量費用，具有廣闊的應用前景。專家預測Cable Modem系統上的IP語音與傳真業務量在不久的將來將會超過數據通信量，成為Cable Modem系統的第一大業務。
參考文獻
1 Joseph Rinde.Telephony in the year 2005.Computer Network 1999 31:157～168
2 J.Rinde.The future direction of Internet telephony and its effect on business. Fall VON 97.Boston.http://pulver.com/von97/fall97/request.htm
3 蔣林濤. IP網絡及其實時業務展望. 電信科學，1999,4(15)
4 H.323.Packet Based Multimedia Communication System. ITU－T Recommendation.1998
5 王曉平.中國公眾多媒體通信網.電信技術，1998(5)
6 Hardman V, Sasse M A,Kouvelas I. Successful multiparty audio communication over the Internet.Communication of the ACM, 1998, 41(5):74－80
7 蔣林濤.基于IP尋址的多媒體通信網.電信技術，1998(6)
8 韋樂平. 電信網與IP. 電信技術，1999,(3): 2～4
9 王新苗. IP網絡技術及IP網絡管理發展趨勢. 電子技術，1999,9(26)：5～9