IP电话及其在线缆调制解调系统上的应用
2009-06-01
作者：黄则清 俞 洋 林如俭
摘 要：IP电话采用的信道复用和基于分组交换的传输技术提高了线路传输利用率。HFC网双向改造的完成和DOCSIS的不断完善为开展IP电话增值业务提供了理想的接入网平台。本文研究了IP电话技术的现状、发展趋势,以及IP电话的标准H.323规约、SIP、MGCP、RTP/RTCP和RSVP。最后介绍了一种国内开发的HFC网上IP电话应用系统。
关键词：IP电话 QoS H.323 HFC接入网
IP电话是一种利用IP网络作为传输载体实现计算机－计算机、普通电话－普通电话、计算机－普通电话之间话音通信的技术。IP电话目前还处在初级阶段，无论在标准上、设备的成熟程度上和系统的设计理论上与现有传统电话相比还有很大的差距。但是IP电话从根本上动摇了电话必须基于电路交换技术这种理论，目前普遍认为下一代的电话网将会建立在统计复用的分组交换技术的基础之上。Internet电话由于采用信道复用和基于分组交换的传输技术，提高了线路的利用率，这是其收费便宜的主要原因。此外，新的基于计算机的多媒体通信需要Internet电话技术的支持，也促使了这一新技术的发展。当然，受市场驱动也是Internet电话技术迅速发展的原因。面对这一巨大市场，许多大公司像Microsoft、Intel、Lucent都纷纷加入了市场竞争。
这种竞争也促使了与Internet电话技术相关的技术和标准的不断出现，如语音编码技术、实时传送协议(RTP：Real－time Transport Protocol)、资源预约协议(RSVP：Resource Reservation Protocol)、呼叫建立和控制协议等等，为这一技术的实用化提供了良好的条件。IP电话要和普通电话竞争，成为未来语音通信的主要手段必须解决以下几个问题：一是语音质量，无论在音质、流畅度和时延方面应与普通电话相当；二是呼叫和连接的建立要简单方便；三是要有统一的标准，以便实现不同厂家产品的互通。
1 IP电话QoS 的改善
IP电话是基于Internet的，而Internet主要的协议TCP/IP是为提供非实时数据业务而设计的，例如，对主机之间传输的数据不进行检错和纠错；目前还不能实现带宽管理、流量控制等。影响IP电话质量的因素有：编解码方法、时延、时延抖动、丢包、比特差错和协议处理。时延和时延抖动影响听觉，时延还会造成回波，时延越长所需的用于消除回波的计算机指令的时间就越长。Internet电话的时延通常由三部分组成，即编/解码时延、数据包传送时延和缓存时延。丢包和比特差错影响话音包的解码，而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。
为了改善网络QoS，在H.323协议中，采用RTCP(实时控制协议)对IP电话系统的性能进行大致的监测，并通过RTCP或H.245进行反馈控制。另外，H.323对网闸定义了呼叫控制、带宽管理和带宽控制功能，并引入了RSVP(资源预留协议)，为服务质量保证提供一些技术手段。ETSI对IP电话的服务质量(QoS)问题已建立了一个框架，并提出了端到端的QoS预算。端到端时延QoS参数决定了源宿路径上诸如分组调度(带宽分配)、排队规则(缓存分配)、进程调度(CPU处理时间分配)等传输服务的行为。为了提高端到端QoS，还需要建立一套完整的网络运营管理系统，实现有效的资源管理、接纳控制、调度机制(如EDF：earliest deadline first算法)，并在各个具有管理控制职能的网元上设置QoS监控功能，用来监控网络的下列性能指标：带宽占用、信号抖动、延迟、丢包率、吞吐量。如在网关(Gateway)、网闸(Gatekeeper)及网管服务器(Network Manager)都通过各语音信道及任意IP链路进行QoS指标的监控。
由于网络拥塞、缓冲区溢出、误码等原因，在无连接的IP网络中时常发生丢包。VoIP技术采用的话音压缩编码技术算法多是以帧为单位的，对丢失数据包比较敏感，连续丢帧会明显地影响接收端合成话音的可懂度、自然度和清晰度。通常有几种方法进行补偿：其一是语音插空(interpolate)，即重放丢失分组的前一分组。其二是以增加带宽开销为代价，发送冗余信息，使对方有一定的纠错能力。还可以根据前后语音信息的相关性，在解码时重构出丢失的帧。当丢包率不超过10%时，这些措施都是相当有效的。
2 IP电话的信令与协议
2.1 ITU H.323
要使互联网电话大量普及发展，必须建立一个统一的国际标准，以使不同厂家的产品实现互通。Intel和Microsoft已发起了一个超过100个厂商参加的组织，该组织将数据包管理的实时协议(RTP/RTCP)及带宽预约协议(RSVP)合在一起，并加入ITU的T.120数据会议和H.323音频与视频会议标准，准备做成一个完整的互联网电话协议。
H.323v2系统包括用户终端、网关、网闸(Gatekeepers)、多点控制器(Multipoint Controllers)、多点处理器(Multipoint Processors)和多点控制单元(MCU)。H.323用户终端具有点对点或点对多点会议的语音通信能力。网关完成传输格式(如H.225.0与H.221)和通信流程(如H.245与H.242)的转换，以实现IP网络终端与电路交换网络(SCN)终端之间的通信。网闸的功能有：地址转换(Address Translation)；确认控制(Admission Control)；带宽控制(Bandwidth Control)；区域管理(Zone Management)。理论上网闸与终端是独立的，物理上网闸可存在于终端、MCU、网关、MC或其他H323设备中。
IMTC下的VoIP论坛已采用H.323作为Internet电话技术的基础，H.323协议也一直在发展变化与改进完善之中。H.323的最新版本V2与V1相比引入了包括快速连接在内的新特性，下一版本(包括H.323v3和H.225.0v3)亦在酝酿之中，届时在网闸互通问题等方面可能会有突破。H.323标准的内容亦不断丰富，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)。随着这些标准的逐步推出和完善，H.323系列的功能将更加强大。
2.2 SIP
虽然H.323提供了多媒体通信所需要的所有子协议，但H.323的控制协议非常复杂。此外，H.323不支持多点发送(Multicast)协议，只能采用多点控制单元(MCU)构成多点会议，因而只能同时支持有限的多点用户。H.323在Internet内部是一个比较好的协议，然而由于其不支持呼叫转移和DTMF信号传输，作为与PSTN的网关协议不太合适。与H.323不同的是：SIP是一种基于文本的协议，用SIP规则资源定位语言描述(SIP Uniform Resource Locators)，是一种应用层协议，可以用UDP或TCP作为其传输协议。SIP不像H.323提供了所有的通信协议，而是只提供了呼叫的建立与控制功能。SIP可以应用于多媒体会议、远程教学及Internet电话等领域，这样易于实现和调试，更重要的是灵活性和扩展性好。
2.3 MGCP
IETF制定的MGCP融合了最初由Bellcore开发的简单网关控制协议SGCP和由Level3 提出的IPDC(Internet Protocol Device Control)协议。典型的MGCP网关系统由一系列的网关和网关控制器——呼叫代理CA(Call Agent)组成。MGCP体系的特点在于它假定呼叫控制体系中，呼叫控制智能不属于任何网关设备，而由独立的呼叫代理CA来承担。因而MGCP实际上是一个主从协议，网关只能服从和执行呼叫代理的指令。MGCP的最大优点在于简化用户终端设备，集中呼叫管理。尤其重要的是，网关间除了语音业务流外，没有直接的信息交换，这样可以把网关做得更小更稳定。
MGCP目前最大的困难在于缺乏呼叫地理之间的通信协议。如果一个呼叫涉及到两个由不同CA控制的RGW时，CA之间必须协同工作，才能完成接续。因此，对于不涉及PSTN的呼叫，我们倾向于采用一个更简单的协议——SIP来处理CA之间通信，它的最大优势就在于被用来处理Internet 上的多媒体呼叫。
H.323、SIP和MGCP都是IP电话网络发展过程中不可缺少的要素，将在相当长的时间内继续共存。表1列出了H.323、SIP、MGCP的比较结果。
2.4 实时传送协议RTP/RTCP、资源预约协议RSVP
Internet话音基本上是基于UDP协议来传送的。但UDP不反馈信道和延时情况，信源无法知道传送质量，也无法调整话音编码速率。RTP协议正是用来解决这一问题的。RTP提供了时间标签和控制不同数据流同步等特性的机制，可以让接收端重组发送端的数据包，可以提供接收端到多点发送组的服务质量反馈，具有较强的时间特征。RTP协议从上层接收多媒体信息码流(如G.723音频)组装成RTP数据包，然后发送给下层UDP。RTCP为实时控制协议，主要监视延时和带宽。一旦所传送的多媒体信息流的带宽变化，接收端则通知发送端，改变符号化识别码和编码参数。
由于RTP本身并不提供任何机制保证实时传送，也不保证任何服务质量，即RTP协议不能保证传输的完整性，故H.323v2终端及路由器中均采用RSVP协议实现资源预留，以确保端到端间的传输带宽。RSVP协议是在best－effort环境下，为改善网络对业务流的控制能力而设计的资源预留协议，其主要目的是改善Internet网络对实时媒体的QoS支持能力。RSVP信息是作为IP数据报发出，RSVP协议本身不含数据传输成分，RSVP协议所起的作用就是利用预留信息控制IP分组的传输方式。
3 Cable Modem系统上IP电话的应用
3.1 DOCSIS1.1对QoS 支持
电缆数据业务接口规范DOCSIS (Data Over Cable System Interface Specification) 是由多媒体电缆网络系统MCNS(Multimedia Cable network System)组织提出的，是HFC网实现双向高速数据传输的接口规范，现已成为国际标准(ITU－T J112B) 。由于Cable Modem上行速率为320Kbps～10Mbps，下行速率为27Mbps或36Mbps，这种非对称数据传输方式不仅比目前的电话线Modem或ISDN设备速率更快，而且使用户组网及管理网络更加方便，具有很大的市场潜力。1999年3月出台的DOCSIS1.1重点增强了Cable Modem系统保证QoS的机制，为Cable Modem上IP电话系统的实现奠定了坚实的基础。DOCSIS1.1对QoS的保证机制：
(1)数据包分类(Packet Classification)
数据包分类的基本机理类似于IPv6的流标记 (Flow Label) 功能, 即在射频接口上由MAC层协议将需要相似路由处理的一系列数据分组都映射到同一业务流(Service Flow)中，再按一定算法对所有业务流进行调度，并结合流量整形(shaping), 策略(policy), 设定优先级(prioritizing )等措施来确保QoS。
(2)数据包的分片(Fragmentation)
DOCSIS1.1的MAC层数据包分片机制使CM在CMTS的控制下能够自适应地将长数据包分割为多个较小的包，分别单独发送。这一对IP层完全透明的过程使CMTS对上行信道带宽进行调度时有更大的灵活性，从而能够动态的控制整个系统的时延性能。分片过程就是将分割后的MAC帧片段添上固定长度的分片头和分片CRC进行重新封装的过程。
(3)净荷报头抑制(Payload Header Suppression，PHS)
经过分类器对数据包的分类匹配，需要相似路由处理的数据包都被映射到了同一个业务流中。在此基础上，可以对属于同一业务流的数据帧净荷报头中内容相同的字段进行压缩，以减少不必要的开销，从而进一步提高传输效率。DOCSIS1.1的做法是：发送端实体将分类器表作用于每个输入的数据分组，其结果将得到一个与之匹配的业务流和相应的PHS规则, 它规定了被抑制字段的字节数PHSS、将被抑制的字符串PHSF以及该字符串的索引值PHSI。如果原始数据中需要抑制的字段内容与PHSF一致，那么，实际发送的数据包中被抑制的字段将由PHSI来替代。接收端实体根据收到的SID和PHSI可以恢复出PHSF，进而重构出被压缩的净荷报头。PHS可以用于任何类型的业务流，但是它针对接受UGS调度的业务流作了专门的优化，PHS可以保证UGS所要求的数据分组长度固定。
3.2基于DOCSIS数据电缆网的IP电话系统
Cable Modem系统上IP电话的应用由4大部分组成：DSP、FPGA、DSLAC和SLIC电路。用户线接口电路(SLIC)与双用户线音频处理电路(DSLAC)构成用户电路完成BORSCHT功能。现场可编程门阵列FPGA是微处理器、DSLAC、两个SLIC和DSP的接口电路。DSP负责的语音处理功能有：语音压缩、回声消除、话音活动检测(VAD)、抖动缓冲管理、以及音调检测等，支持电话机的摘机检测，DTMF信号检测。微处理器负责作业调度，内存管理和任务间的通信，提供与电话设备的信令接口、实现对IP电话的网管功能、实现有关的协议栈如TCP/IP。
基于DOCSIS数据电缆网的IP电话系统，如图1所示。该系统由以下几个重要功能组件构成：
(1)CM(Cable Modem)和CMTS(Cable Modem Termination System)
对IP电话系统而言，基于DOCSIS1.1的端到端QoS保证机制须由CM和CMTS来共同实现。此外，用户网关功能的实现在很大程度上有赖于CM的支持。
(2)呼叫代理
呼叫代理包括路由数据库、用户数据库、CDR数据库等一组数据库和应用程序，负责处理复杂的信令转换控制和连接控制并进行地址转换、网络路由。实现了对干线网关和用户网关的呼叫控制。
(3)业务支持系统(OSS：Operation Support System)
通过DHCP、FTFP/HTTP、SNMP、DNS和RKS(Record Keeping Server)等服务器，为运营商提供用户管理，性能管理、故障管理、安全管理、计费管理和配置管理功能，保证了系统能够高效、可靠地运行。
(4)PSTN网关
包括媒体网关和信令网关两个模块，它们在呼叫代理的控制下，媒体网关完成SCN和IP间的语音信息转换；信令网关则完成NCS(Network－based Call Signaling)和SS7间的转换，从而实现同PSTN的互通。
中国信息产业部已经批准中国电信、联通、吉通和网通组建IP电话业务实验网。IP电话业务实验网的建成将对中国电信市场带来诸多积极的影响：推进我国网络电话技术的发展和应用，与世界通信技术的发展趋势保持同步；降低电话业务的通信费用，促进电信事业的发展；IP电话实验网的实验运行，在技术、业务流程、营销、业务种类、服务质量等各方面积累宝贵的经验，为今后IP电话的实际应用打下基础。
HFC网双向改造的完成和电缆数据业务接口规范DOCSIS的不断完善为宽带交互式多媒体业务，特别是为开展IP电话增值业务提供了理想的接入网平台。HFC上的IP电话系统具有高的带宽可用性、数据处理功能和存储能力，并综合了bundling和帐单功能。它独立于电信公司的通信线路，兼容传真、调制解调器、拨号形式以及用户指令。还支持包括呼叫等待、三方呼叫及多点接入等等。在提供和PSTN相同的话音质量和响应时间的同时节省大量费用，具有广阔的应用前景。专家预测Cable Modem系统上的IP语音与传真业务量在不久的将来将会超过数据通信量，成为Cable Modem系统的第一大业务。
参考文献
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