如何優化VoIP通話系統

2019-11-03 09:04:08

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供稿：網友

北京郵電大學寬帶通信網絡實驗室程勝

　　趨勢

　　經過數十年的快速發展，Internet已經發展成足以和電信網抗衡的全球性大網。隨著數據業務的成功及網絡規模的迅速擴大和成熟，電信業務很快成為Internet力求發展的業務，電信業務中的最大贏利點———電話業務，更成為Internet力求發展的重中之重的業務。自1995年以色列的VocalTec公司推出的客戶端軟件ip電話“Internet Phone”以來，計算機網絡中開始出現以IP為網絡層協議進行語音傳送的業務。由于計算機網絡也稱為IP網，因此這項技術被稱為VoIP技術。用戶只要在多媒體PC機上安裝該軟件，就可以通過Internet網和任何地方安裝同樣軟件的聯機用戶進行通話，人們把這種在Internet上實現電話業務稱為IP電話。這項技術上的突破引起全世界的矚目，其背后的無限商機也使許多公司進行此項技術的研究，各式各樣的VoIP設備被迅速制造出來，并立刻進入了商用。

　　隨著VoIP技術的不斷發展和成熟，網絡電話在各種電話話務量中占據著越來越大的比重。VoIP電話占全球國際電話話務量的比例關系，從中可以看出從1998年到2004年VoIP話務量快速增長的趨勢：

　　VoIP電話系統

　　VoIP電話技術實現了語音在IP網絡上的實時傳送。其基本原理是：通過IP電話網關或IP電話終端對語音數據編碼進行壓縮處理，然后將壓縮后的語音數據按TCP/IP標準進行打包，經過IP網絡把數據包送至接收端，再通過IP電話網關將這些語音數據包進行解壓，恢復成原來的語音信號，從而達到由Internet傳送語音的目的。一個完整的VoIP電話系統可以由4個基本單元組成：IP電話終端、網關、多點控制單元和網守。

　　終端設備是一個IP電話客戶終端，可以是軟件，比如VocalTec公司的IP Phone，Microsoft公司的Netmeeting，或者是專用的硬件IP電話機，IP電話終端可以直接連接在IP網絡上進行實時語音或多媒體通信；網關是通過IP網絡提供PC-to-Phone、Phone-to-PC、Phone-to-Phone和PC-to-PC語音或多媒體通信的關鍵設備，目前的IP網關是IP網絡和PSTN/ISDN/PBX網絡之間的接口和轉換設備，未來有可能轉變為只帶IP網絡接口的接入和交換設備；多點控制單元的功能在于利用IP網絡實現多點通信，可以實現網絡電話會議或多媒體會議這樣的應用；網守可以對網關進行管理，并負責用戶的注冊和管理，主要完成地址映射、呼叫認證、日志和網關管理等功能。

　　從IP電話系統的基本組成中可以看出，普通電話機通過PSTN網絡連接到IP網關上，PSTN網絡保證話音的傳輸質量，IP電話終端通過專用的DSP芯片來實現語音壓縮，也可以保證話音的壓縮質量。那么，影響VoIP話音質量的主要原因是什么呢？其一是網關和網守硬件設備的性能和設備上運行的VoIP協議和管理軟件的效率，分析表明，這種原因對VoIP話音質量的影響是固定和可預見的，并且可以通過升級硬件和優化軟件來保證所需的話音質量；其二是Internet網絡的質量，而這種原因對VoIP話音質量的影響是隨機的，幾乎無法預見，實際測試結果表明，只要IP網絡設計合理，IP電話的質量完全可以達到傳統電話的質量，然而，根據電信業務的要求，當前IP網絡在服務質量(QoS)及網絡安全性能方面存在的問題是影響VoIP電話完全取代基于電路交換的傳統數字電話最關鍵的原因。

　　從電信運營的角度來看，目前的電信網是一種過渡型電信網，采用的是TDM電路交換與分組交換相混合的數字通信技術，是多業務網、多業務承載網的體系結構。隨著VoIP網絡在未來與PSTN網絡互通話務量的增多，話務模型會向傳統話務模型靠近。與傳統電信網承載電話相比，通過IP網絡承載語音時如何保證可靠的語音質量是VoIP技術的關鍵。所謂語音質量，是指復制語音的保真度和可理解性，即從對話中提取話音信息的能力。在VoIP網絡中，衡量語音質量的參數主要有以下幾個：1)清晰度：指從會話過程中可提取出的信息量，清晰度可通過感知語音質量測量(PSQM)或平均判分(MOS)等方法來測量；2)端到端延遲：指可能影響人們感受的會話延遲；3)DTMF音調分析：如果使用低比特率語音編解碼器，DTMF音調就不能正確再現，DTMF重要的失真參數包括放大和頻移。

　　目前的VoIP電話系統主要采用兩類方法來保證話音質量，第一類是在VoIP電話終端上采用相關技術：因為IP電話是在IP網絡中實現傳輸和交換，對數據的帶寬和時延有嚴格的要求。傳統電話網上采用64kb/s的PCM技術和32kb/s的ADPCM技術，而IP電話的語音帶寬一般要小于上述數值，為了不影響通話的質量，VoIP系統中采用了語音壓縮、靜噪抑制、回聲消除和抖動處理技術；第二類是在IP網絡上采用適用于VoIP的QoS技術，這個問題是影響VoIP話音質量的最根本的原因，也是數十年來互聯網研究和應用領域的重點。

　　服務質量要求

　　傳統的Internet是一種盡力而為的服務方式，很難適應IP電話等實時多媒體業務的服務質量要求。人們為了解決IP網絡的QoS問題進行了十多年的研究，很多解決方案都基于IETF提出的兩種Internet QoS業務模型：一種是綜合服務模型(IntServ)，采用RSVP協議實現；另一種是區分服務模型(DiffServ)。

　　綜合服務模型以RSVP協議為基礎，RSVP協議是為改善網絡對業務流的控制能力而設計的資源預留協議，這種協議在網絡的各個節點之間交換信息，數據發送端將其服務請求通過RSVP協議發送給網絡，服務請求通過網絡中的路由協議傳遞到目的節點，傳遞過程中RSVP協議收集各個節點的可用資源情況，目的節點根據這些信息以及接受到的QoS請求在返回的信息中在各個節點上申請預留資源，并在無法提供足夠的資源預留時發出錯誤信息。

　　對于VoIP網絡而言，目前大部分的商業網是建立在H.323體系結構下的，要想在H.323體系結構下應用RSVP協議，首先要對通信雙方的QoS能力進行評估，也就是說，通過H.323協議建立QoS機制，實現方法是通過H.245協議的交互操作來實現QoS參數的交換；其次是通過H.323的呼叫建立過程建立滿足QoS請求的連接，可以通過H.225協議實現，當H.323終端與網守進行呼叫請求時，必須在H.225協議消息中提供資源預留信息，由網守和H.323終端進行協商來確認預留的資源。

　　區分服務模型是為了解決綜合服務模型的擴展性差和管理困難等問題而提出的，是一種更簡單的QoS解決方案。在區分服務模型中，作為邊緣路由器的網關和路由器設備與Internet上的核心交換設備被區別對待，邊緣路由器將根據各種狀態信息確定業務的服務級別，并在IP數據包的TOS字段進行標記，而Internet上的核心交換設備則根據這些信息判斷業務的服務級別，并進行相應的轉發處理。對VoIP話音而言，也就是為VoIP實時處理數據包劃分比較高的等級，這樣可以保證數據包的傳輸特性。

　　我們在IP網絡中應用QoS策略的目的是為了提供高品質的VoIP通話質量，其關鍵特征在于網絡所能提供的帶寬、延時和抖動特性。

　　從通信網的綜合成本來考慮，VoIP以降低傳輸資源的使用效率達到降低網絡節點設備復雜度的方法，也達到了降低通信網的綜合成本的目的，是一種十分合理的選擇。但是，對電信商業網來說，決不能只顧網絡系統的價格便宜，而不顧作為商業網必須考慮的問題，VoIP話音的服務質量(QoS)問題、網絡的安全性和可信任性問題等是必須考慮并予以解決的。

　　多年來，IT界一直在努力改進IP網絡的性能，相應標準與設備產品也不斷制造出來，一切努力都沒有使問題發生本質上的改變，反復研究表明，IP技術在電信業務中遇到的問題不是出在IP技術本身，而是出在Internet的設計理念與電信網設計理念之間的差距。Internet是以用戶為核心，以用戶自律為基礎的非贏利性網絡，沒有中心，無需管理，網絡的運營者不負責網絡的安全，也不負責業務的贏利。而電信網則一開始就是以商業經營為目的的網絡，它必須具有商業經營所必備的全部屬性。這二者的差異決定了從Internet到用于電信目的的IP網絡，不會是一個簡單的借用過程，在設計上必需發生質的改變，建立優質量的IP網絡是VoIP電話得以商用、推廣并徹底取代傳統電話的一個重要前提。

----《通信產業報》